汽缸的設(shè)計(jì)計(jì)算.doc

氣壓傳動(dòng)兩維機(jī)械手設(shè)計(jì)氣壓傳動(dòng)兩維運(yùn)動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)1.前言氣動(dòng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段。氣壓傳動(dòng)的介質(zhì)來自于空氣，環(huán)境污染小，工程容易實(shí)現(xiàn)，所以其言傳動(dòng)四一種易于推廣普及的實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用技術(shù)。氣動(dòng)技術(shù)在機(jī)械、化工、電子、電氣、紡織、食品、包裝、印刷、輕工、汽車等各個(gè)制造行業(yè)，尤其在各種自動(dòng)化生產(chǎn)裝備和生產(chǎn)線中得到了廣泛的應(yīng)用，極大地提高了制造業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。氣動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，引起了世界各國產(chǎn)業(yè)界的普遍重視，氣動(dòng)行業(yè)已成為工業(yè)國家發(fā)展速度最快的行業(yè)之一。可編程控制技器（PLC）是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型、通用的自動(dòng)控制裝置，他具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于編程、性能優(yōu)越、可靠性高、靈活通用和使用方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，近年來在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。2.設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義通過課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，提高分析和解決問題能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計(jì)是建立在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向課的基礎(chǔ)的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程進(jìn)行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計(jì)的意義在于：1培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合設(shè)計(jì)或試驗(yàn)研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知 識(shí)領(lǐng)域。2培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等基本技能。3培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序方法，進(jìn)行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。4樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。2.2設(shè)計(jì)任務(wù)明細(xì)1該機(jī)械手的功能：將貨物自動(dòng)放到坐標(biāo)位置（300，300）處，并延時(shí)1分鐘等待卸貨，然后返回原點(diǎn)位置，延時(shí)1分鐘等待裝貨。2任務(wù)要求：執(zhí)行元件：氣動(dòng)氣缸；運(yùn)動(dòng)方式：直角坐標(biāo)；控制方式：PLC控制；控制要求：位置控制；主要設(shè)計(jì)參數(shù)參數(shù)：氣缸工作行程800 mm；運(yùn)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量100 kg；移動(dòng)速度控制3m/min。3具體步驟如下：（1）先根據(jù)參考資料，確定合適的設(shè)計(jì)方案。（2）通過計(jì)算、分析設(shè)計(jì)執(zhí)行元件的參數(shù)：氣缸的內(nèi)徑、壁厚，活塞桿的直徑，耗氣量的計(jì)算，驗(yàn)算設(shè)計(jì)結(jié)果，導(dǎo)向裝置的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)元件的選擇，管路設(shè)計(jì)，底座的設(shè)計(jì).（3）根據(jù)動(dòng)力和總體參數(shù)的選擇和計(jì)算，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，完成機(jī)械系統(tǒng)的主要部件圖。（4）應(yīng)用啟動(dòng)原理圖，設(shè)計(jì)控制電路，編寫控制程序，繪制電氣控制電路原理圖。3.總體方案設(shè)計(jì)方案一：1. 機(jī)身2.水平臂3.豎直臂4.夾緊手圖1.氣動(dòng)機(jī)械手示意圖方案二：1. 垂直臂2.水平臂3.夾緊手4.機(jī)座5.導(dǎo)軌圖2.氣動(dòng)機(jī)械手示意圖參閱各種氣壓設(shè)計(jì)書籍和論文，對(duì)照設(shè)計(jì)任務(wù)要求，并通過對(duì)以前學(xué)習(xí)過的課程進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計(jì)出的氣動(dòng)機(jī)械手的示意圖如圖1所示。機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)，選用品質(zhì)精良的氣動(dòng)元件組合而成，為直角坐標(biāo)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度，由機(jī)身、水平臂、豎直臂、夾緊手組成，可以完成水平臂的伸縮、豎直臂的升降以及抓取等動(dòng)作，可以方便的通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)合適的執(zhí)行元件的速度，完成物件平面內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的移動(dòng)。機(jī)械臂用2個(gè)氣缸控制，即橫向移動(dòng)氣缸和縱向移動(dòng)氣缸，其控制系統(tǒng)采用目前控制領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍、性能優(yōu)越的PLC，根據(jù)需要選用西門子公司的S7-200型PLC作為控制系統(tǒng)的核心。由于該系統(tǒng)要求該氣動(dòng)機(jī)械手的動(dòng)作邏輯順序?yàn)椋?升降氣缸1下降抓取工件升降氣缸1上升氣缸2左移氣缸1下降卸載工件，完成一次物料的搬運(yùn)。 在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，如用方案一，則橫向氣缸活塞桿會(huì)承受很大的彎矩，影響裝置的使用壽命，而且浪費(fèi)原材料，不經(jīng)濟(jì)。故采用方案二，其中導(dǎo)軌分擔(dān)了縱向活塞的重力，故在設(shè)計(jì)時(shí)可視作橫向氣缸只受軸向力，不受徑向力。4.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本方案的機(jī)械設(shè)計(jì)中重在氣缸的設(shè)計(jì)，氣缸1的作用是實(shí)現(xiàn)物料的橫向移動(dòng)，氣缸2的作用是實(shí)現(xiàn)物料縱向的提升及物品的釋放。對(duì)氣缸結(jié)構(gòu)的要求一是重量盡量輕，以達(dá)到動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)速度高、節(jié)約材料和動(dòng)力，同時(shí)減少運(yùn)動(dòng)的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度氣缸的設(shè)計(jì)流程圖如圖3所示圖3 氣缸設(shè)計(jì)流程圖氣缸按供油方向分，可分為單作用缸和雙作用缸。單作用缸只是往缸的一側(cè)輸入高壓油，靠其它外力使活塞反向回程。雙作用缸則分別向缸的兩側(cè)輸入壓力油，活塞的正反向運(yùn)動(dòng)均靠液壓力完成。由于單作用液壓缸僅向單向運(yùn)動(dòng)，有外力使活塞反向運(yùn)動(dòng)，而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)下可以像兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)但兩個(gè)方向的輸出力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果4.1縱向氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核:由設(shè)計(jì)任務(wù)可以知道，要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載大小位100Kg，考慮到氣缸未加載時(shí)實(shí)際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響，并考慮到機(jī)械爪的質(zhì)量。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時(shí)，常用到負(fù)載率：由液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)表11-1：運(yùn)動(dòng)速度v=3m/min=50mm/s，取=0.60，所以實(shí)際液壓缸的負(fù)載大小為：F=F0/=1633.3N4.1.1氣缸內(nèi)徑的確定D=1.27FP=1.271633.30.6106 =66.26mmF氣缸的輸出拉力 N；P 氣缸的工作壓力Pa按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取D=80 mm氣缸缸徑尺寸系列810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）2503204005006304.1.2活塞桿直徑的確定由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=25 mm4.1.3缸筒長(zhǎng)度的確定缸筒長(zhǎng)度S=L+B+30L為活塞行程；B為活塞厚度活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.780=56mm由于氣缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A:一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A，在D80mm時(shí), 可取A=(0.61.0)d。所以A=25mm最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣缸的最大行程為L(zhǎng)，缸筒直徑為D，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為：H代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H +802 =80 mm活塞桿的長(zhǎng)度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961 mm4.1.4氣缸筒的壁厚的確定由液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄避筒計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：式中 缸筒壁厚（m）；D缸筒內(nèi)徑（m）；P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）；缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa）；實(shí)際缸筒壁厚的取值：對(duì)于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍；重型氣缸約取計(jì)算值的20倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。參考液壓與氣壓傳動(dòng)缸筒壁厚強(qiáng)度計(jì)算及校核=bn,我們的缸體的材料選擇45鋼，b=600 MPa， =6005=120 MPan為安全系數(shù) 一般取 n=5； b 缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當(dāng)工作壓力p16 MPa時(shí)，P=1.5p；當(dāng)工作壓力p16 MPa時(shí)，P=1.25p由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa= 0.9802120 =0.3mm參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 = 7 mm4.1.5氣缸耗氣量的計(jì)算Q = D24ts = P+PaPa =1.85/s4.1.6氣缸進(jìn)排氣口直徑d0v空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=1015） 選取v = 12 m/s由公式 d0 = 2Qv代入數(shù)據(jù)得 d0 = 21.8510-312=14.014 mm所以取氣缸排氣口直徑為15 mmQ 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（m3s）V-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=1025）4.1.7活塞桿的校核由于所選活塞桿的長(zhǎng)度L10d，所以不但要校核強(qiáng)度校核，還要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本 由液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)穩(wěn)定性校核：由公式 FP0 FKnK式中 FP0 活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；FP0=1633N FK 縱向彎曲極限力（N）；nK 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.54。綜合考慮選取2K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對(duì)于實(shí)心桿K=d/4代入數(shù)據(jù) K =25/4=6.25mm由于細(xì)長(zhǎng)桿比LK 85m 即 FK = mEJ2L2實(shí)心圓桿： J = d464式中 L 氣缸的安裝長(zhǎng)度 ；m 末端系數(shù)；選擇固定自由 m = 1/4E 材料彈性模量，鋼材 E = 2.1 1011 Pa ；J 活塞桿橫截面慣性矩（m4）；d 活塞桿的直徑（m）；L 氣缸的安裝長(zhǎng)度為活塞桿的長(zhǎng)度為961mm代入數(shù)據(jù)得 FK =2.685 104 N因?yàn)?FKnK = 1.34 104 FP0 所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；強(qiáng)度校核：由公式 d 4Fp0=bn ，n為安全系數(shù) 一般取 n=5； b 缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)45鋼的抗拉強(qiáng)度，b=600 MPa ，=bn = 6005 = 120 MPa則 4Fp0 = 4.16 mm d ，所以強(qiáng)度滿足要求；綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度滿足要求。4.2橫向氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核:如按原方案橫向氣缸活塞桿需承受很大的徑向力，對(duì)活塞桿的強(qiáng)度要求很高，耗費(fèi)原材料，且壽命減短，極為不合理。故在縱向氣缸上端鉸接一工型導(dǎo)軌，以分擔(dān)橫向氣缸的徑向力，使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)約合理。這樣橫向氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和導(dǎo)軌的摩擦力，取摩擦系數(shù) = 0.17。估算 縱向氣缸的重量=7.9103DS=12.30 Kg 活塞桿的重量 = 7.9l=3.72 Kg 活塞及缸蓋重量m其它=9 Kg所以 橫行氣缸的總載荷為:F總=(12.3+3.72+9+100)9.8 = 208.3 N F= =208.30.6=347.17N4.2.1氣缸內(nèi)徑的確定D=1.27FP= 1.271.27208.30.60.6106 =30.55mmF氣缸的輸出拉力 N；P 氣缸的工作壓力Pa按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取D=32 mm氣缸缸徑尺寸系列810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）2503204005006304.2.2活塞桿直徑的確定由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=10mm4.2.3缸筒長(zhǎng)度的確定缸筒長(zhǎng)度S=L+B+20L為活塞行程；B為活塞厚度活塞厚度B=(0.61.0)D= 0.732=23mm由于氣缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+20=843mm導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A:一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長(zhǎng)度A，在D80mm時(shí), 可取A=(0.61.0)d。所以A=20mm最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)氣缸的最大行程為L(zhǎng)，缸筒直徑為D，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為：H代入數(shù)據(jù) 即最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H +322 =56 mm活塞桿的長(zhǎng)度l=L+B+A+40=800+23+20+60=903 mm4.2.4氣缸筒的壁厚的確定由液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄避筒計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：式中 缸筒壁厚（m）；D缸筒內(nèi)徑（m）；P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）；缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa）；實(shí)際缸筒壁厚的取值：對(duì)于一般用途氣缸約取計(jì)算值的7倍；重型氣缸約取計(jì)算值的20倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。參考液壓與氣壓傳動(dòng)缸筒壁厚強(qiáng)度計(jì)算及校核=bn,我們的缸體的材料選擇45鋼，b=600 MPa， =6005=120 MPan為安全系數(shù) 一般取 n=5； b 缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當(dāng)工作壓力p16 MPa時(shí)，P=1.5p；當(dāng)工作壓力p16 MPa時(shí)，P=1.25p由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，P=1.5p=1.50.6=0.9 MPa= 0.9322120 =0.12mm參照下表 氣缸筒的壁厚圓整取 = 3mm4.2.5氣缸耗氣量的計(jì)算Q = D24ts = P+PaPa =0.30/s4.2.6氣缸進(jìn)排氣口直徑d0v空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=1015） 選取v = 12 m/s由公式 d0 = 2Qv代入數(shù)據(jù)得 d0 = 20.3010-312=5.643 mm所以取氣缸排氣口直徑為8 mmR 工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（m3s）V-空氣流經(jīng)進(jìn)排氣口的速度，可取v=1025）4.2.7活塞桿的校核由于所選活塞桿的長(zhǎng)度L10d，所以不但要校核強(qiáng)度校核，還要進(jìn)行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本 由液壓氣動(dòng)技術(shù)手冊(cè)穩(wěn)定性校核：由公式 FP0 FKnK式中 FP0 活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；FK 縱向彎曲極限力（N）；nK 穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.54。綜合考慮選取2K活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對(duì)于實(shí)心桿K=d/4代入數(shù)據(jù) K =10/4=2.5mm由于細(xì)長(zhǎng)桿比LK 85m 即 FK = mEJ2L2實(shí)心圓桿： J = d464式中 L 氣缸的安裝長(zhǎng)度 ；m 末端系數(shù)；選擇固定自由 m = 1/4E 材料彈性模量，鋼材 E = 2.1 1011 Pa ；J 活塞桿橫截面慣性矩（m4）；d 活塞桿的直徑（m）；L 氣缸的安裝長(zhǎng)度為活塞桿的長(zhǎng)度為903mm代入數(shù)據(jù)得 FK =3.11 104 N因?yàn)?FKnK = 1.55 104 FP0 所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；強(qiáng)度校核：由公式 d 4Fp0=bn ，n為安全系數(shù) 一般取 n=5； b 缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(Pa)45鋼的抗拉強(qiáng)度，b=600 MPa ，=bn = 6005 = 120 MPa則 4Fp0 = 1.92 mm d ，所以強(qiáng)度滿足要求；綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度滿足要求。F= 1633.3ND=80 mmd=25 mmS=886 mmA=25mml= 961 mm = 7 mmQ=1.85/sd0 =15 mmF=347.17ND=32mmd=10mmS=843mmA=20mml=903mm = 3