汽缸的設(shè)計計算

氣壓傳動兩維運動機械手設(shè)計前言氣動技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)自動化的重要手段。氣壓傳動的介質(zhì)來自于空氣，環(huán)境污染小，工程容易實現(xiàn)，所以其言傳動四一種易于推廣普及的實現(xiàn)工業(yè)自動化的應(yīng)用技術(shù)。氣動技術(shù)在機械、化工、電子、電氣、紡織、食品、包裝、印刷、輕工、汽車等各個制造行業(yè)，尤其在各種自動化生產(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)，綜合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，他具有機構(gòu)簡單、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，近年來在工業(yè)生產(chǎn)過程的自動控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。設(shè)計任務(wù)設(shè)計任務(wù)介紹及意義通過課程設(shè)計培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識的能力，提高分析和解決問題能的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計是建立在專業(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)課程進行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計的意義在于：1．培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設(shè)計工作，并結(jié)合設(shè)計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知識領(lǐng)域。2．培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。3．培養(yǎng)學(xué)生掌握機電產(chǎn)品設(shè)計的一般程序方法，進行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。4．樹立正確的設(shè)計思想及嚴肅認真的工作作風(fēng)。設(shè)計任務(wù)明細1．該機械手的功能：將貨物自動放到坐標(biāo)位置（300，300）處，并延時1分鐘等待卸貨，然后返回原點位置，延時1分鐘等待裝貨。2．任務(wù)要求：執(zhí)行元件：氣動氣缸；運動方式：直角坐標(biāo)；控制方式：PLC控制；控制要求：位置控制；主要設(shè)計參數(shù)參數(shù)：氣缸工作行程——800mm；運動負載質(zhì)量——100kg；移動速度控制 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)計方案。（2）通過計算、分析設(shè)計執(zhí)行元件的參數(shù)：氣缸的內(nèi)徑、壁厚，活塞桿的直徑，耗氣量的計算，驗算設(shè)計結(jié)果，導(dǎo)向裝置的設(shè)計，驅(qū)動元件的選擇，管路設(shè)計，底座的設(shè)計.（3）根據(jù)動力和總體參數(shù)的選擇和計算，進行總體設(shè)計，完成機械系統(tǒng)的主要部件圖。（4）應(yīng)用啟動原理圖，設(shè)計控制電路，編寫控制程序，繪制電氣控制電路原理圖。

總體方案設(shè)計方案一：圖壓傳動機械手示意圖1.機身2.水平臂3.豎直臂4.夾緊手圖1.氣動機械手示意圖

方案二：1.垂直臂2.水平臂3.夾緊手4.機座5.導(dǎo)軌圖2.氣動機械手示意圖參閱各種氣壓設(shè)計書籍和論文，對照設(shè)計任務(wù)要求，并通過對以前學(xué)習(xí)過的課程進行綜合考慮，設(shè)計出的氣動機械手的示意圖如圖1所示。機械手采用氣壓傳動，選用品質(zhì)精良的氣動元件組合而成，為直角坐標(biāo)式機械手結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)2個自由度，由機身、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)點對點的移動。機械臂用2個氣缸控制，即橫向移動氣缸和縱向移動氣缸，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)要求該氣動機械手的動作邏輯順序為：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。在設(shè)計計算時發(fā)現(xiàn),如用方案一,則橫向氣缸活塞桿會承受很大的彎矩,影響裝置的使用壽命,而且浪費原材料,不經(jīng)濟。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)計時可視作橫向氣缸只受軸向力,不受徑向力。機械傳動系統(tǒng)設(shè)計本方案的機械設(shè)計中重在氣缸的設(shè)計,氣缸1的作用是實現(xiàn)物料的橫向移動,氣缸2的作用是實現(xiàn)物料縱向的提升及物品的釋放。對氣缸結(jié)構(gòu)的要求一是重量盡量輕,以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力,同時減少運動的沖擊,二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度氣缸的設(shè)計流程圖如圖3所示圖3氣缸設(shè)計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,活塞的正反向運動均靠液壓力完成。由于單作用液壓缸僅向單向運動,有外力使活塞反向運動,而雙作用單活塞氣缸在壓縮空氣的驅(qū)動下可以像兩個方向運動但兩個方向的輸出力不同,所以該方案采用雙作用單活塞缸。設(shè)計及計算結(jié)果4.1縱向氣缸的設(shè)計計算與校核：由設(shè)計任務(wù)可以知道，要驅(qū)動的負載大小位lOOKg,考慮到氣缸未加載時實際所能輸出的力，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，并考慮到機械爪的質(zhì)量。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時，常用到負載率P:氣缸的實際負載F

氣缸的理論負載氣缸的實際負載F

氣缸的理論負載幾X100%由《液壓與氣壓傳動技術(shù)》表11-1：表li-i氣缸的運動狀態(tài)與負載率阻性負載（靜負載）慣性負載的運動速度◎<100nim/s100?500nini/s>500nim/s0=0.8<0.65<0.5<0,3F=1633.3N運動速度v=3m/min=50mm/s，取0=0.60，所以實際液壓缸的負載大小為：F=1633.3N=1633.3N4.1.1氣缸內(nèi)徑的確定項目 汁算公式項目 汁算公式$ 1633.3D=1.27 =1.27 =66.26mmD=80mmF—氣缸的輸出拉力N；

P—氣缸的工作壓力Paa按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進行圓整，取D=80mm氣缸缸徑尺寸系列d=25mmS=886mm氣缸缸徑尺寸系列d=25mmS=886mm4.1.34.1.3缸筒長度的確定缸筒長度S=L+B+30L為活塞行程；B為活塞厚度活塞厚度B=(0.6T.0)D=0.7x80=56mm由于氣缸的行程L=800mm,所以S=L+B+30=886mm導(dǎo)向套滑動面長度A:A=25mmA=25mm可取一般導(dǎo)向套滑動面長度A,在D<80mm時，可取A=(0.6T.0)D；在D>80mm時,可取A=(0.6T.0)d。

所以A=25mm最小導(dǎo)向長度H：l=961mm根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)氣缸的最大行程為L,缸筒直徑為l=961mmH80代入數(shù)據(jù)即最小導(dǎo)向長度H +丁=80mm活塞桿的長度l二L+B+A+80=800+56+25+40=961mm4.1.4氣缸筒的壁厚的確定由《液壓氣動技術(shù)手冊》可查氣缸筒的壁厚可根據(jù)薄避筒計算公式進行計算：P.DS1-^7式中（S一缸筒壁厚（m）；D—缸筒內(nèi)徑（m）；P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）；l°l—缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa）；實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核%rCTi=——n,我們的缸體的材料選擇45鋼，％=600MPa,回=6°°/5=120MPa

n為安全系數(shù)一般取n=5；九缸筒材料的抗拉強度(Pa)；'=7mmP—缸筒承受的最大工作壓力(MPa)。當(dāng)工作壓力pW16MPa時，P=1.5p；當(dāng)工作壓力p>16MPa；'=7mm由此可知工作壓力0.6MPa小于16MPa,P=1.5p=1.5X0.6=0.9MPap.D0.9X80二[b]=2x1 =0.3mm林 /-氣缸直栓80100125160200250320雀厚林 /-氣缸直栓80100125160200250320雀厚W?HT!5—3378101C12141616S?4557a叮8-91112鉗合金忑Li8*1212-1414^17mn?4.1.5氣缸耗氣量的計算Q=1.85/sd=150mmP+PaPa=1.85/s4.1.6氣缸進排氣口直徑d0V—空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10T5 ）選取v=12m/s由公式 d=2*011.85x10~32X =代入數(shù)據(jù)得 d=0?r14.014mm羸4—2吒缸內(nèi)甩D進排氣口直徑右409501080 100 12515140 160 I昶20-所以取氣缸排氣口直徑為15mmQ——工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（川人）V——空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10^25 ）4.1.7活塞桿的校核由于所選活塞桿的長度L>10d,所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考《機械設(shè)計手冊單行本》由《液壓氣動技術(shù)手冊》穩(wěn)定性校核：Fk由公式 FWXP0式中 F—活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；P0F=1633NP0F—縱向彎曲極限力（N）；Kn—穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.5F。綜合考慮選取2KK—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對于實心桿K=d/4代入數(shù)據(jù)K=25/4=6.25mmL mEJu2由于細長桿比斤三85" 即F= 「Knd4實心圓桿：J=64式中 L—氣缸的安裝長度；m—末端系數(shù)；選擇固定—自由m=1/4E—材料彈性模量，鋼材E=2.1x10iiP；aJ—活塞桿橫截面慣性矩（m4）；d一活塞桿的直徑（m）；

安慕方式J復(fù)世鼻支1三固定.自由1/4■_ E b齡逞卓支2固定-宙定1 L—氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為961mm代入數(shù)據(jù)得F=2.685xM廣NFk因為匕=1.34x⑴；＞F所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；P0強度校核：)4FpO由公式d三1°1%|Q| 11,n為安全系數(shù)一般取n=5；宀缸筒材料的抗拉強度(Pa)F=347.17NF=347.17N45鋼的抗拉強度，°；=600MPa，'⑴ □二口=120MPa(4Fp0則 =4.16mmVd，所以強度滿足要求；綜上所述：活塞桿的穩(wěn)定性和強度滿足要求。

橫向氣缸的設(shè)計計算與校核:D=32mm如按原方案橫向氣缸活塞桿需承受很大的徑向力，對活塞桿的強度要求很高，耗費原材料，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，使整個系統(tǒng)簡約合理。D=32mm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⑴|=7.9x1〔)*川)x6x、二12.30Kgd=10mm活塞桿的重量3=7.91=3.72Kgd=10mm活塞及缸蓋重量叫「匕=9Kg所以 橫行氣缸的總載荷為:F (12.3+3.72+9+100)x皿=208.3N丿總F|208.3F= =347.17N4.2.1氣缸內(nèi)徑的確定項I]算汁式公項I]算汁式公一缸一雙作用氣缸一推力比一_■SP-1.23一-徑一拉力質(zhì)?V?-271-1.23一“S=843mmID=1.27 =1.27208.3127^0-6X0.6x106=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)進行圓整，取D=32mmA=20mm8101216A=20mm810121620253240506380（90）10012162025324050（110）（140）（180）（220）6305000000氣缸缸徑尺寸系列4.2.2活塞桿直徑的確定l=903mm由d=0.3D估取活塞桿直徑d=10mm豪4-4 活■桿宜徑豪列456810121416182022252832404550566370809D1001LQ125140160180200220250280i2Q40Q4.2.3缸筒長度的確定缸筒長度S二L+B+20L為活塞行程；B為活塞厚度活塞厚度B=（0.6T.0）D=0.7x32=23mm由于氣缸的行程L=800mm,所以S=L+B+20=843mm導(dǎo)向套滑動面長度A：一般導(dǎo)向套滑動面長度A，在D<80mm時，可取A=（0.6T.0）D；在D>80mm時，可取A=(0.6T.0)d。所以A=20mm

最小導(dǎo)向長度H：根據(jù)經(jīng)驗，當(dāng)氣缸的最大行程為L,缸筒直徑為D,最小導(dǎo)向長度為:H代入數(shù)據(jù)即最小導(dǎo)向長度H32+2=56H代入數(shù)據(jù)即最小導(dǎo)向長度H32+2=56mm活塞桿的長度l二L+B+A+40=800+23+20+60=903mm4.2.4氣缸筒的壁厚的確定由《液壓氣動技術(shù)手冊》可查氣缸筒的壁厚&可根據(jù)薄避筒計算公式進行計算:P.D°［麗式中（S一缸筒壁厚（m）；D—缸筒內(nèi)徑（m）；P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）；Q=0.30/s缸筒材料的許用應(yīng)力（MPa）；Q=0.30/s實際缸筒壁厚的取值：對于一般用途氣缸約取計算值的7倍；重型氣缸約取計算值的20倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。的20倍，再圓整到標(biāo)準(zhǔn)管材尺碼。參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核仏8mm%回—n,我們的缸體的材料選擇45鋼，％=600MPa,回=6°°/5=120MPan為安全系數(shù)一般取n=5；宀缸筒材料的抗拉強度（Pa）P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當(dāng)工作壓力pW16MPa時，P=1.5p；當(dāng)工作

料50802001616594tPaQQnD2WttHTlS—33鋁合金忑L12-14壓力p>16MPa時，P=1.25p由此可知工作壓力0.6MPa小于16MPa,P=1.5p=1.5X0.6=0.9MPap.D0.9X32料50802001616594tPaQQnD2WttHTlS—33鋁合金忑L12-14壓力p>16MPa時，P=1.25p由此可知工作壓力0.6MPa小于16MPa,P=1.5p=1.5X0.6=0.9MPap.D0.9X32召I =2x12〔）=0.12mm參照下表氣缸筒的壁厚圓整取八=3mmmn?-咒缸直誼=0.30/s4.2.6氣缸進排氣口直徑d0）選取v二12m/s4.2.5氣缸耗氣量的計算v—空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10T5由公式d=21v0,0.30X10"32X =代入數(shù)據(jù)得 d= 5.643mm0SE4—2 氣缸進fit代口章輝 （mm）進排氣口豆徑右409506S1080 100 12515!40 160 1802&所以取氣缸排氣口直徑為8mmR——工作壓力下輸入氣缸的空氣流量（m：7s）V——空氣流經(jīng)進排氣口的速度，可取v=10^254.2.7活塞桿的校核由于所選活塞桿的長度L>10d,所以不但要校核強度校核，還要進行穩(wěn)定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考《機械設(shè)計手冊單行本》由《液壓氣動技術(shù)手冊》穩(wěn)定性校核：Fk由公式 FWXP0式中 F—活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；P0F—縱向彎曲極限力（N）；Kn—穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取1.5F。綜合考慮選取2KK—活塞桿橫截面回轉(zhuǎn)半徑，對于實心桿K=d/4代入數(shù)據(jù)K=10/4=2.5mmL mEJn2由于細長桿比?三85“ 即F=