1、1.前言氣動技術是實現工業自動化的重要手段。氣壓傳動的介質來自于空氣，環境污染小，工程容易實現，所以其言傳動四一種易于推廣普及的實現工業自動化的應用技術。氣動技術在機械、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，尤其在各種自動化生產裝備和生產線中得到了廣泛的應用，極大地提高了制造業的生產效率和產品質量。氣動系統的應用，引起了世界各國產業界的普遍重視，氣動行業已成為工業國家發展速度最快的行業之一。可編程控制技器（PLC）是以微處理器為基礎，綜合計算機技術、自動控制技術和通信技術發展起來的一種新型、通用的自動控制裝置，他具有機構簡單、易于編程、性能優越、可靠性高、靈活通用

2、和使用方便等一系列優點，近年來在工業生產過程的自動控制中得到了越來越廣泛的應用。2.設計任務設計任務介紹及意義通過課程設計培養學生綜合運用所學知識的能力，提高分析和解決問題能的一個重要環節，專業課程設計是建立在專業基礎課和專業方向課的基礎的，是學生根據所學課程進行的工程基本訓練，課程設計的意義在于：1培養學生綜合運用所學的基礎理論和專業知識，獨立進行機電控制系統（產品）的初步設計工作，并結合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知識領域。2培養學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。3培養學生掌握機電產品設計的一般程序方法，進行工程

3、師基本素質的訓練。4樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。設計任務明細1該機械手的功能：將貨物自動放到坐標位置（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任務要求：執行元件：氣動氣缸；運動方式：直角坐標；控制方式：PLC控制；控制要求：位置控制；主要設計參數參數：氣缸工作行程800 mm；運動負載質量100 kg；移動速度控制3m/min。3具體步驟如下：（1）先根據參考資料，確定合適的設計方案。（2）通過計算、分析設計執行元件的參數：氣缸的內徑、壁厚，活塞桿的直徑，耗氣量的計算，驗算設計結果，導向裝置的設計，驅動元件的選擇，管路設計，底座的設計.（3

4、）根據動力和總體參數的選擇和計算，進行總體設計，完成機械系統的主要部件圖。（4）應用啟動原理圖，設計控制電路，編寫控制程序，繪制電氣控制電路原理圖。3.總體方案設計方案一：1. 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.導軌圖2.氣動機械手示意圖參閱各種氣壓設計書籍和論文，對照設計任務要求，并通過對以前學習過的課程進行綜合考慮，設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，選用品質精良的氣動元件組合而成，為直角坐標式機械手結構，實現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

5、抓取等動作，可以方便的通過節流閥調節合適的執行元件的速度，完成物件平面內點對點的移動。機械臂用2個氣缸控制，即橫向移動氣缸和縱向移動氣缸，其控制系統采用目前控制領域應用比較普遍、性能優越的PLC，根據需要選用西門子公司的S7-200型PLC作為控制系統的核心。由于該系統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。在設計計算時發現，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，不經濟。故采用方案二，其中導軌分擔了縱向活塞的重力，故在設計時可視作橫向氣缸只受軸向力，不受徑向力。4.機械傳

6、動系統設計本方案的機械設計中重在氣缸的設計，氣缸1的作用是實現物料的橫向移動，氣缸2的作用是實現物料縱向的提升及物品的釋放。對氣缸結構的要求一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節約材料和動力，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計流程圖如圖3所示圖3氣缸設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動下可以像兩個方向運動但兩個方向的輸出

7、力不同，所以該方案采用雙作用單活塞缸。設計及計算結果縱向氣缸的設計計算與校核:由設計任務可以知道，要驅動的負載大小位100Kg，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量。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時，常用到負載率：由液壓與氣壓傳動技術表11-1：運動速度v=3m/min=50mm/s，取，所以實際液壓缸的負載大小為：F=F0/氣缸內徑的確定= =F氣缸的輸出拉力 N；P 氣缸的工作壓力Pa按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=80 mm氣缸缸徑尺寸系列810121620253240506380（90）1

8、00（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630活塞桿直徑的確定由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=25 mm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80=56mm由于氣缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+30=886 mm導向套滑動面長度A:一般導向套滑動面長度A，在D<80mm時，可取1.0)D；在D>80mm時, 可取1.0)d。所以A=25mm最小導向長度H：根據經驗，當氣缸的最大行程為L，缸筒直徑為D，最小導向長度為：H代入數據即最小導向長度H + =80 mm活塞桿的長度l=L+B+A+8

9、0=800+56+25+40=961 mm氣缸筒的壁厚的確定由液壓氣動技術手冊可查氣缸筒的壁厚可根據薄避筒計算公式進行計算：式中缸筒壁厚（m）；D缸筒內徑（m）；P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）；缸筒材料的許用應力（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，再圓整到標準管材尺碼。參考液壓與氣壓傳動缸筒壁厚強度計算及校核,我們的缸體的材料選擇45鋼，=600 MPa， =120 MPan為安全系數一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當工作壓力p16 MPa時，；當工作壓力p16 MPa時，由此可知工作壓

10、力0.6 MPa小于16 MPa，×0.6=0.9 MPa=參照下表氣缸筒的壁厚圓整取 = 7 mm氣缸耗氣量的計算Q = = =/s氣缸進排氣口直徑d0v空氣流經進排氣口的速度，可取v=1015）選取v = 12 m/s由公式 d0 = 2代入數據得 d0 = 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（）V-空氣流經進排氣口的速度，可取v=1025）活塞桿的校核由于所選活塞桿的長度L10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考機械設計手冊單行本由液壓氣動技術手冊穩定性校核：由公式 FP0式中 FP

11、0 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 穩定性安全系數，一般取4。綜合考慮選取2K活塞桿橫截面回轉半徑，對于實心桿K=d/4代入數據 K =25/4=由于細長桿比 85即 FK = 實心圓桿： J = 式中 L 氣缸的安裝長度；m 末端系數；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 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為961mm代入數據得 FK N因為 = 1.34 FP0所以活塞桿的穩定性滿足條件；強度校核：由公式 d ，n為安全系數一般取 n=5

12、；缸筒材料的抗拉強度(Pa)45鋼的抗拉強度，=600 MPa ，= = 120 MPa則 = 4.16 mm d ，所以強度滿足要求；綜上所述：活塞桿的穩定性和強度滿足要求。橫向氣缸的設計計算與校核: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軌，以分擔橫向氣缸的徑向力，使整個系統簡約合理。這樣橫向氣缸的工作載荷主要是縱向氣缸和導軌的摩擦力，取摩擦系數。估算縱向氣缸的重量=12.30 Kg活塞桿的重量 = l=3.72 Kg活塞及缸蓋重量=9 Kg所以橫行氣缸的總載荷為:F總=(12.3+3.72+9+1

13、00)= 208.3 N F= =氣缸內徑的確定= =F氣缸的輸出拉力 N；P 氣缸的工作壓力Pa按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=32 mm氣缸缸徑尺寸系列810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630活塞桿直徑的確定由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=10mm缸筒長度的確定缸筒長度S=L+B+20L為活塞行程；B為活塞厚度活塞厚度32=23mm由于氣缸的行程L=800mm ,所以S=L+B+20=843mm導向套滑動面長度A:一般導向套滑動面長度A，在D<80mm時，可取

14、1.0)D；在D>80mm時, 可取1.0)d。所以A=20mm最小導向長度H：根據經驗，當氣缸的最大行程為L，缸筒直徑為D，最小導向長度為：H代入數據即最小導向長度H + =56 mm活塞桿的長度l=L+B+A+40=800+23+20+60=903 mm氣缸筒的壁厚的確定由液壓氣動技術手冊可查氣缸筒的壁厚可根據薄避筒計算公式進行計算：式中缸筒壁厚（m）；D缸筒內徑（m）；P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）；缸筒材料的許用應力（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，再圓整到標準管材尺碼。參考液壓與氣壓傳動缸筒壁厚強度計算及校核,我們

15、的缸體的材料選擇45鋼，=600 MPa， =120 MPan為安全系數一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)P缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當工作壓力p16 MPa時，；當工作壓力p16 MPa時，由此可知工作壓力0.6 MPa小于16 MPa，×0.6=0.9 MPa=參照下表氣缸筒的壁厚圓整取 = 3mm氣缸耗氣量的計算Q = = =/s氣缸進排氣口直徑d0v空氣流經進排氣口的速度，可取v=1015）選取v = 12 m/s由公式 d0 = 2代入數據得 d0 = 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（）V-空氣流經進排氣口的速

16、度，可取v=1025）活塞桿的校核由于所選活塞桿的長度L10d，所以不但要校核強度校核，還要進行穩定性校核。綜合考慮活塞桿的材料選擇45鋼。參考機械設計手冊單行本由液壓氣動技術手冊穩定性校核：由公式 FP0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 穩定性安全系數，一般取4。綜合考慮選取2K活塞桿橫截面回轉半徑，對于實心桿K=d/4代入數據 K =10/4=由于細長桿比 85即 FK = 實心圓桿： J = 式中 L 氣缸的安裝長度；m 末端系數；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 氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為903mm代入數據得 FK N因為 = 1.55 FP0所以活塞桿的穩定性滿足條件；強度校核：由公式 d ，n為安全系數一般取 n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)45鋼的抗拉強度，=600 MPa ，= = 120 MPa則 = 1.92 mm d ，所以強度滿足要求；綜上所述：活塞桿的穩定性和強度滿足要求。D=80 mmd=25 mmS=886 mmA=25mml= 961 mm = 7 mm/sd0 =15 mmD=32mmd=10mmS=843mmA=20mml=903mm = 3mm/s8 mm連接與密封氣缸的