汽缸的設(shè)計(jì)計(jì)算

氣壓傳動(dòng)兩維運(yùn)動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)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。設(shè)計(jì)任務(wù)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)。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——800mm；運(yùn)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量——100kg；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。

總體方案設(shè)計(jì)方案一：圖壓傳動(dòng)機(jī)械手示意圖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，對照設(shè)計(jì)任務(wù)要求，并通過對以前學(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)椋荷禋飧?下降——抓取工件——升降氣缸1上升——?dú)飧?左移——?dú)飧?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。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lOOKg,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P:氣缸的實(shí)際負(fù)載F

氣缸的理論負(fù)載氣缸的實(shí)際負(fù)載F

氣缸的理論負(fù)載幾X100%由《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》表11-1：表li-i氣缸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù)載率阻性負(fù)載（靜負(fù)載）慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度◎<100nim/s100?500nini/s>500nim/s0=0.8<0.65<0.5<0,3F=1633.3N運(yùn)動(dòng)速度v=3m/min=50mm/s，取0=0.60，所以實(shí)際液壓缸的負(fù)載大小為：F=1633.3N=1633.3N4.1.1氣缸內(nèi)徑的確定項(xiàng)目 汁算公式項(xiàng)目 汁算公式$ 1633.3D=1.27 =1.27 =66.26mmD=80mmF—?dú)飧椎妮敵隼；

P—?dú)飧椎墓ぷ鲏毫aa按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(dòng)面長度A:A=25mmA=25mm可取一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度A,在D<80mm時(shí)，可取A=(0.6T.0)D；在D>80mm時(shí),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(yàn)，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(dòng)技術(shù)手冊》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：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(shí)際缸筒壁厚的取值：對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%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(qiáng)度(Pa)；'=7mmP—缸筒承受的最大工作壓力(MPa)。當(dāng)工作壓力pW16MPa時(shí)，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(jì)算Q=1.85/sd=150mmP+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=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(jìn)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(jìn)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(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)手冊單行本》由《液壓氣動(dòng)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(shí)心桿K=d/4代入數(shù)據(jù)K=25/4=6.25mmL mEJu2由于細(xì)長桿比斤三85" 即F= 「Knd4實(shí)心圓桿：J=64式中 L—?dú)飧椎陌惭b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—?dú)飧椎陌惭b長度為活塞桿的長度為961mm代入數(shù)據(jù)得F=2.685xM廣NFk因?yàn)樨?1.34x⑴；＞F所以活塞桿的穩(wěn)定性滿足條件；P0強(qiáng)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(qiáng)度(Pa)F=347.17NF=347.17N45鋼的抗拉強(qiáng)度，°；=600MPa，'⑴ □二口=120MPa(4Fp0則 =4.16mmVd，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。

橫向氣缸的設(shè)計(jì)計(jì)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(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(xiàng)I]算汁式公項(xiàng)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—?dú)飧椎妮敵隼；P—?dú)飧椎墓ぷ鲏毫a按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(dòng)面長度A：一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度A，在D<80mm時(shí)，可取A=（0.6T.0）D；在D>80mm時(shí)，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(yàn)，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(dòng)技術(shù)手冊》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: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(shí)際缸筒壁厚的取值：對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。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(qiáng)度（Pa）P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當(dāng)工作壓力pW16MPa時(shí)，P=1.5p；當(dāng)工作

料50802001616594tPaQQnD2WttHTlS—33鋁合金忑L12-14壓力p>16MPa時(shí)，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(shí)，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(jìn)排氣口直徑d0）選取v二12m/s4.2.5氣缸耗氣量的計(jì)算v—空氣流經(jīng)進(jìn)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(jìn)fit代口章輝 （mm）進(jìn)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(jìn)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(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)手冊單行本》由《液壓氣動(dòng)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(shí)心桿K=d/4代入數(shù)據(jù)K=10/4=2.5mmL mEJn2由于細(xì)長桿比?三85“ 即F=