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原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 宁 XX 大学 毕业设计(论文) 三孔承压螺母自动上下料装置设计 分 院： 专 业： 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 年年 月月 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 摘 要 本文介绍的三孔承压螺母自动上下料装置设计由气缸推动机构送料、精确定位，微 动开关将位置信号传给 PLC 主机；位置信号由接近开关反馈给 PLC 主机，通过气缸控制 工件的行程，从而实现上下料装置精确运动的功能。本课题拟开发的上下料装置可在空 动作灵活多样，可代替人工在高温和危险的作业区进行作业，并可根据工件的变化及运 动流程的要求随时更改相关参数。 本文在纵观了近年来自动上下料装置发展状况的基础上，结合自动上下料装置方面 的设计，对机自动上下料装置技术进行了系统的分析，提出了用驱动和 PLC 控制的设 计方案。采用整体化的设计思想，充分考虑了软、硬件各自的特点并进行互补优化。对 自动上下料装置的整体结构、执行结构、驱动系统和控制系统进行了分析和设计。 通过以上部分的工作，得出了经济型、实用型、高可靠型自动上下料装置的设计方 案，对其他经济型 PLC 控制系统的设计也有一定的借鉴价值。 关键词: 自动上下料装置，交流电机,可编程控制器（PLC） ，自动化控制。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 Abstract This paper introduces three bearing nut automatic feeding device designed by the cylinder pushing device feeding, precise positioning, micro switch position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback to PLC host, through the control of a cylinder workpiece stroke, so as to realize the material precise motion device under the function. The topics to be developed by the loading and unloading device in flexible, can replace manual work in high temperature and the dangerous operation area, and may at any time change the relevant parameters according to the work piece change and the movement flow requirements. Based on the automatic loading and unloading device in recent years throughout the development of the design, combined with automatic feeding device, analyzes systematically the machine automatic technology under the feeding device, the design scheme for drive and PLC control. The design method of integrated, fully considering the characteristics of soft, hardware and complementary optimization. On the overall structure, mechanical hand execution structure, driving system and control system analysis and design. Through the work above, the design scheme of economical, practical, high reliability model of mechanical hand, also has certain reference value for the design of control system of other economic PLC. Key words: automatic feeding device, AC motor, programmable logic controller (PLC), automatic control. manipulator ； AC motor ； programmable logic controller (PLC)； automatic control； sorting material 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 目目 录录 摘 要 2 Abstract . 3 目目 录录 4 第一章 绪论 . 7 1.1 研究的目的及意义 . 7 1.2 自动上下料装置在国内外现状和发展趋势 . 7 1.3 主要研究的内容 . 8 1.4 解决的关键问题 . 8 第二章 总体方案设计 9 2.1 自动上下料装置工程概述 . 9 2.2 工业自动上下料装置总体设计方案论述 . 10 2.3 自动上下料装置机械传动原理 11 2.4 自动上下料装置总体方案设计 . 11 2.5 本章小结 . 13 第 3 章 三孔承压螺母自动上下料装置结构设计 . 14 3.1 供料机构的任务基本组成及设计要求 . 14 3.2 工作原理介绍 . 15 3.3 机械结构的设计 . 15 3.3.1 排序原理 . 15 3.3.2 总体布局示意图 16 3.3.3 滚动轨道的设计 16 3.3.4 推动气缸的轨道及输料槽设计 . 17 3.4 本章小结 . 18 第 4 章 送料气缸选型 . 19 4.1 送料机构的要求 . 19 4.2 气缸的确定 . 19 4.2.1 气缸缸径的计算 . 19 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.2.2 活塞宽度B的确定 20 4.2.3 缸体长度的确定 . 20 4.2.4 缸筒壁厚的计算 20 4.2.5 活塞杆强度和气缸稳定性计算 . 21 4.2.6 缸筒壁厚的验算 23 4.2.7 缸筒的加工要求 . 25 4.2.8 法兰设计 25 4.2.9 (缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算 26 4.2.10 密封件的选用 . 28 4.3 气缸的选型 . 30 4.4 送料气缸型号确定 . 31 4.5 导向装置 . 31 4.6 平衡装置 . 32 第五章 PLC 控制系统的分析设计 . 34 5.1 控制系统的组成结构 34 5.2 控制系统的性能要求 34 5.3 传感器的选择 35 5.3.1 位置检测装置 35 4.3.2 传感器 35 5.4 驱动系统的分析与选择 . 36 5.5 自动上下料装置驱动系统的控制设计 . 37 5.6 元件选取及工作原理 . 37 5.6.1 气源装置 38 5.6.2 气缸输出直线往复式 . 38 5.7 控制系统 PLC 的选型及控制原理 38 5.7.1 PLC 控制系统设计的基本原则 . 38 5.7.2 PLC 种类及型号选择 . 40 5.8 控制原理图的介绍说明 . 40 总结与展望 42 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 参考文献 43 致谢 45 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第一章 绪论 1.1 研究的目的及意义 自动上下料装置作为前沿的产品应自动化设备更新时的需要，可以大量代替单调往 复或高精度需求的工作，在先进制造领域中扮演着极其重要的角色。可以搬运货物、分 拣物品、 代替人的繁重劳动。 能在高温、 腐蚀及有毒气体等环境下操作以保护人身安全， 可以实现生产的机械化和自动化可以广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工业和原子 能等部门。 工业自动上下料装置是近代自动控制领域中出现的一项新的技术，是现代控制理论 与工业生产自动化实践相结合的产物，并以成为现代机械制造生产系统中的一个重要组 成部分。工业自动上下料装置是提高生产过程自动化、改善劳动条件、提高产品质量和 生产效率的有效手段之一。尤其在高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场 合，应用得更为广泛。在我国，近几年来也有较快的发展，并取得一定的效果，受到机 械工业和铁路工业部门的重视。 本课题试图开发PLC对自动上下料装置的控制，并借助必要的精密传感器，使其能 够对不同颜色的物料按预先设定的程序进行分拣，动作灵活多样，适用于可变换生产品 种的中小批量自动化生产，广泛应用于柔性生产线。采用PLC控制，是一种预先设定的 程序进行的自动化装置，可部分代替人工在高温和危险的作业区进行单调持久的作业， 并且在产品变化或临时需要对自动上下料装置进行新的分配任务时，可以允许方便的改 动或重新设计其新部件，而对于位置改变时，只要重新编程，并能很快地投产，降低安 装和转换工作的费用。主要包括执行系统、驱动系统和控制系统的设计。 1.2 自动上下料装置在国内外现状和发展趋势 目前， 国际上的自动上下料装置公司主要分为日系和欧系。 日系中主要有安川、 oTC、 松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的产品。欧系中主要有德国的KUKA、CLOOS、 瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奥地利的工GM公司。 自动上下料装置延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、 有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作；代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生 产率，保证产品质量。自动上下料装置最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、 上下料和搬运。目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 用机械制造及金属加工等工业。工业自动上下料装置与数控加工中心，自动搬运小车与 自动检测系统可组成柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随 着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，自动上下料装置的应用领域日益扩大。 1.3 主要研究的内容 随着自动上下料装置技术的飞速发展和自动上下料装置应用领域的不断深化， 不仅 要求其控制可靠性强、 使用灵活性高和操作灵活性好， 还要其成本低、 可开发经济性强。 本论文主要研究自动上下料装置以下几个方面的内容： 要求独立完成工业自动上下料装置 PLC 控制系统设计。 位置可用不接触式或接触式行程开关，自动上下料装置与夹紧都用气缸传力，气阀 可以选中间位停止的，虽然较贵，PLC选用三菱）处装有挡板使定位精确。 1.4 解决的关键问题 1 自动上下料装置的控制系统 2 元件的匹配规则和知识的获取及其表达形式。 3 传感器的类型选择。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第二章 总体方案设计 2.1 自动上下料装置工程概述 自动上下料装置工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设 计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学 科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为“系统工程 学”。以自动上下料装置设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、 开发和运用，从自动上下料装置的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联 系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。 从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按 一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一 个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个 系统应具有如下特性： （1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整 体的特定功能。 （2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。 （3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组 合方式决定于系统的目的和功能。 （4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。 因此， 在进行自动上下料装置设计时， 不仅要重视组成自动上下料装置系统的各个部件、 零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据自动上下料装置的功能要求，将组成 自动上下料装置系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需 要的自动上下料装置产品。在比较复杂的工业自动上下料装置系统中大致包括如下:操 作机，它是完成自动上下料装置工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器 和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传 动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装 置（计算机或其他可编程编辑控制装置） ，人机接口装置（键盘、示教盒等） ，各种 传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口， 内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 工业自动上下料装置的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业自动 上下料装置能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操 作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备） 、 辅助生产设备、控制装置和工业自动上下料装置等一起形成了各种不同形式地工业自动 上下料装置技术综合体地工业自动上下料装置系统。在其他非制造业地生产部门，如建 筑、采矿、交通运输等生产领域引用自动上下料装置系统亦是如此。 2.2 工业自动上下料装置总体设计方案论述 （一）确定负载 目前，国内外使用的工业自动上下料装置中，负载能力的范围很大，最小的额定负 载在 5N 以下， 最大可达 9000N。 负载大小的确定主要是考虑沿自动上下料装置各运动方 向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括自动上下料装置末端执行器的重量、抓取 工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的 设计参数可初估本次设计属于小负载。 （二）驱动方式 由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对 环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型自动上下料装置 等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动 （三）传动系统设计 自动上下料装置传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小， 在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高自动上下料装置的运动和位置控制精度。 在自动上下料装置中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同 步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具 有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的 比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。 （四）工作范围 工业自动上下料装置的工作范围是根据工业自动上下料装置作业过程中操作范围和 运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响自动上下料装置 的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 及变动范围的选择 （五） 运动速度 自动上下料装置操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定 每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用 m/s 或（）/s 表示，各动作 的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进 行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑 工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等 要求。 2.3 自动上下料装置机械传动原理 本课题设计的是一种小经济型装配自动上下料装置。该自动上下料装置为多关节 型，具有六个自由度。采用伺服电机驱动，因此控制简单，编程操作方便。机身采用薄 壁整体铸件，这样可以使结构轻巧，使用灵活。内部铸件既作为内部齿轮安装壳体与轴 的支撑座，又作为承力骨架，这样不仅节省材料，减少加工量，又使整体减少质量5 。 2.4 自动上下料装置总体方案设计 工业自动上下料装置的结构形式主要有直角坐标结构， 圆柱坐标结构， 球坐标结构， 关节型结构四种。各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下3。 (1) 直角坐标自动上下料装置结构 直角坐标自动上下料装置的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的但是， 这种直角坐标自动上下料装置的运动空间相对自动上下料装置的结构尺寸来讲，是比较 小的。因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标自动上下料装置的结构尺寸要比其他 类型的自动上下料装置的结构尺寸大得多。 直角坐标自动上下料装置的工作空间为一空间长方体。直角坐标自动上下料装置主 要用于装配作业及搬运作业，直角坐标自动上下料装置有悬臂式，龙门式，天车式三种 结构。 (2) 圆柱坐标自动上下料装置结构 圆柱坐标自动上下料装置的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的， 这种自动上下料装置构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 圆柱状的空间。 (3) 球坐标自动上下料装置结构 球坐标自动上下料装置的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的 (4) 关节型自动上下料装置结构 关节型自动上下料装置的空间运动是由三个回转运动实现的， 如图 2-1(d)。 关节型 自动上下料装置动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对自动上下料装置本体尺寸，其 工作空间比较大。此种自动上下料装置在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、 装配等作业，都广泛采用这种类型的自动上下料装置。 具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达 5KG，同时考虑到数控机床 布局的具体形式及对自动上下料装置的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下， 尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。该自动上下料装置手臂运动范围大,且有较 高的定位准确度。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 如图:工件由导轨从上至下滚入送料机构,某一个工件滚到送料机构时, 气缸向左 推动送料机构,推送到液压夹头,同时尾座顶往前顶出,将工件推送到液压夹头,液压夹 头动装夹工件,实现自动下料. 2.5 本章小结 本章主要完成对自动上下料装置整体方案的一个分析和设计,通过多种方案的选择 来确定最终要确定的方案. 确定了自动上下料装置的总体设计方案后，就要针对自动上 下料装置的各个部分进行详细设计。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 3 章 三孔承压螺母自动上下料装置结构设计 3.1 供料机构的任务基本组成及设计要求 供料机构的任务是把待加工的物品（工件）从存料器（料箱）中分离出来，按照自动机的加工 要求，定量、定时、定向地送到加工位置。 供料机构主要由四大部分（机构、装置）组成。 (1) 定时装置 定时装置主要是按照自动机生产节拍，使供料机构定时工作，准时供料。在定 时装置设计中，主要解决工件送料与自动机加工节奏协调一致问题。一般由供料机构与 相关的其它机构之间的运动链来保证，所以供料机构的运动循环必须与自动机工作循环 相协调。也可以采用独立驱动的供料机构，例如电磁振动供料器、供送料机械手，但要 由控制系统或设计诸如闸门等隔离装置，使供料机构停止或送料。 (2) 定量装置 定量装置是根据自动机加工工艺的要求，在每一个工作循环送出规定数量的工 件。定量可以分为量（如重量、体积）和数（如件、个），例如酒类、洗衣粉等物料主 要是定量，螺钉、香皂、工件等主要是定数，成卷的塑料带、薄铁皮、细钢棒等物料则 是定长度。设计时根据供送物料的形、性态等来确定。定量装置往往需要隔离装置、计 数机构等来配合。 （3）定向装置 保证工件按照工艺加工的方位要求送出。定向送料在单件物品加工中是一个关 键问题。定向机构一般与纠正、剔除机构等配合工作。 （4）其它装置 例如，定位装置、隔离装置、卷料的矫直机构、带状料的纠偏调位机构不符合要求 工件的剔除机构、缺料检测机构、计数机构等等。 定位在自动机设计中也是一个比较重要的问题，送料不到位或有偏差都会影响自动 机的正常工作。在设计中，可把定位装置归到工艺执行机构中，也可归到供料机构中。 任何供料机构必须具有定时定量装置，而定向和定量装置，而定向和其他装置可根 据工件及加工要求设置。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 供料机构是自动机、自动线中的主要工作机构之一，其性能优劣及自动化程度直接 影响到自动机的生产率、 加工质量及其劳动条件。 因此， 对供料机构有如下的一些要求： 1）根据自动机的生产节拍及工位位置，快速、准确、可靠地将工件送到位； 2）供料过程平稳、无冲击，不能损伤工件； 3）适应性强，调整方便； 4）结构简单，工作可靠。 3.2 工作原理介绍 振动盘是一种自动组装机械的辅助设备，能把各种产品有序排出来，它可以配合自 动组装设备一起将产品各个部位组装起来成为完整的一个产品。 自动送料振动盘是一种自动定向排序的送料设备,是通过振动将无序工件自动有序 定向排列整齐、准确地输送到下道工序,有个脉冲电磁铁，可以使料斗垂直方向振动， 由于弹簧片的倾斜，使料斗绕其垂直轴做扭摆振动。 振动盘的工作原理： 振动盘料斗下面有个脉冲电磁铁，可以使料斗作垂直方向振动，由倾斜的弹簧片带 动料斗绕其垂直轴做扭摆振动。料斗内零件，由于受到这种振动，而沿螺旋轨道上升， 直到送到出料口。 其工作目的是通过振动将无序工件自动有序定向排列整齐、准确地 输送到下道工序。 振动盘的应用行业： 振动盘广泛应用于电子、五金、塑胶、医药、食品、玩具、文具、日常用品的制造 等各个行业，是解决工业自动化设备供料的必须设备。振动盘除满足产品的定向排序外 还可用于分选、检测、计数包装等，是一种现代化高科技产品。 3.2 机械结构的设计 3.3.1 排序原理 待测工件由振动盘自动排序进料，排好顺序的工件由进料气缸控制，待 I 区发出指 令给进料气缸， 此时进料气缸的活塞杆推动待测工件到达 I 区。 经过， 如果工件不合格， 由出料气缸 1 的活塞杆将工件内圈推到废品箱里，此时挡板 I 压缩弹簧并打开，工件被 推出，弹簧复位，挡板 I 关闭。如果工件合格，由拨料气缸带动滑动气缸的拨杆使工件 运动到 II 区（此时进料气缸动作，推动第二个待测工件到达 I 区） ， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 3.3.2 总体布局示意图 总体布局示意图如图 9 所示： 图 2.3 示意图 3.3.3 滚动轨道的设计 1 轨道材料的选择 轨道材料应选择耐磨性较高的材料。 一般导轨选择 HT200， 是一种经济耐磨的材料。 2 轨道的基本尺寸 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 2.4 轨道结构 3.3.4 推动气缸的轨道及输料槽设计 由于拨杆要从轨道上缩回,并随着推动气缸在两个区间移动,所以推动气缸整体上要 能够随着推动气缸而滑动。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 滑动气缸的轨道材料选择 HT200，其平面结构图如图所示： 图 2.5 推动气缸轨道 输料槽结构简图： 3.4 本章小结 本章主要对工件自选机构进行深入的结构设计，以一种常见的工件为例子来进行详 细的结构设计分析与计算。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 第 4 章 送料气缸选型 对气动送料机构的基本要求是能快速、准确地拾-放和搬运物件，这就要求它们具有高精度、快 速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设 计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺， 并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的 受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标 准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制.本次设计的机械 手是通用气动上下料机械手（如图2-1所示），是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作 程序的自动搬运或操作设备，动作强度大和操作单调频繁的生产场合。它可用于操作环境恶劣的场 合。 4.1 送料机构的要求 1.保证工件准确定位 为使和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的形状。例如 圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。 2.具有足够的强度和刚度 除受到被夹持工件的反作用力外，还受到在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求 有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使的中心在回 转轴线上，以使扭转力矩最小为佳。 3.考虑被抓取对象的要求 根据工作需要，通过比较，由于工件为圆柱形，故形状设计成V型。 4.2 气缸的确定 4.2.1 气缸气缸缸径的计算缸径的计算 内径 D 可按下列公式初步计算： 气缸的负载为推力 3 66 01 44 15 10 101049.3 0.7 3.14 0.8 12 F Dmm P 式（3-1） 式中 01 F气缸实际使用推力 15000（N） ； 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 气缸的负载效率，一般取 0.507； 气缸的总效率，一般取=0709；计算=0.8； p气缸的供油压力，一般为系统压力（MPa） 本次设计中气缸已知系统压力p=7MPa； 根据式（3-1）得到内径：D=49.3mm 查缸筒内径系列/mm(GB/T 2348-1993)可以取为 50mm。 活塞杆外径d： 表 3-1 活塞杆直径系列 活塞杆直径系列/mm (GB/T 2348-1993) 4、5、6、8、10、12、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、 50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、 220、250、280、320、360 所以取 d=45mm 4.2.2 活塞宽度活塞宽度B的确定的确定 活塞的宽度B一般取B=（0.6-1.0）D 即B=（0.6-1.0）50=（30-50）mm 取B=35mm 4.2.3 缸体长度的确定缸体长度的确定 气缸缸体内部的长度应等于活塞的行程与活塞宽度的和。缸体外部尺寸还要考虑到 两端端盖的厚度，一般气缸缸体的长度不应大于缸体内径D的 20-30 倍。 即：缸体内部长度 233mm 4.2.4 缸筒壁厚的计算缸筒壁厚的计算 在中、低压系统中，气缸的壁厚基本上由结构和工艺上的要求确定，壁厚通常都能 满足强度要求，一般不需要计算。但是，当气缸的工作压力较高和缸筒内径较大时，必 须进行强度校核。 当0.08 D 时，称为薄壁缸筒，按材料力学薄壁圆筒公式计算，计算公式为 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 m a x 2 pD 式（3-2） 式中， max p缸筒内最高压力； 缸筒材料的许用压力。 =/ b n, b 为材料的抗拉强度，n 为安全 系数，当0.08 D 时，一般取5n 。 当0.080.3 D 时,按式（3-3）计算 m a x m a x 2 . 33 pD p (该设计采用无缝钢管) 式（3-3） 根据缸径查手册预取=30 此时 30 0.080.1070.3 280D 最高允许压力一般是额定压力的 1.5 倍，根据给定参数7PMPa，所以： m a x P=71.5=10.5MP =100110MPa（无缝钢管） ，取=100MPa，其壁厚按公式（3-3）计算为 m a x m a x 1 0 . 55 0 5 . 6 2 . 332 . 31 0 0 - 31 8 pD mm p 满足要求，就取壁厚为 6mm。 4.2.5 活塞杆强度和活塞杆强度和气缸气缸稳定性计算稳定性计算 A.活塞杆强度计算 活塞杆的直径d按下式进行校核 4 F d 式中，F为活塞杆上的作用力； 为活塞杆材料的许用应力，=/ b n,n 一般取 1.40。 3 6 4 15 10 4528 3.14 598 10 /1.4 dmmmm 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 满足要求 B.气缸稳定性计算 活塞杆受轴向压缩负载时，它所承受的力F不能超过使它保持稳定工作所允许的临 界负载 k F，以免发生纵向弯曲，破坏气缸的正常工作。 k F的值与活塞杆材料性质、截 面形状、直径和长度以及气缸的安装方式等因素有关。若活塞杆的长径比/10l d 且杆 件承受压负载时，则必须进行气缸稳定性校核。活塞杆稳定性的校核依下式进行 k k n F F 式中， k n为安全系数，一般取 k n=24。 a.当活塞杆的细长比/ k l rm i时 2 2 k iEJ F l b.当活塞杆的细长比/ k l rm i时 2 1() k k fA F al i r 式中，l为安装长度，其值与安装方式有关，见表 1； k r为活塞杆横截面最小回转半 径，AJrk/；m为柔性系数，其值见表 3-2；i 为由气缸支撑方式决定的末端系数， 其值见表 1；E为活塞杆材料的弹性模量，对钢取 211 /1006. 2mNE；为活塞杆横截 面惯性矩；A为活塞杆横截面积；f为由材料强度决定的实验值，为系数，具体数值 见表 3-3。 表 3-2 气缸支承方式和末端系数i的值 支承方式 支承说明 末端系数 i 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 一端自由一端固定 1/4 两端铰接 1 一端铰接一端固定 2 两端固定 4 表 3-3 f、m的值 材料 28 /10mNf m 铸铁 5.6 1/1600 80 锻铁 2.5 1/9000 110 钢 4.9 1/5000 85 c.当20 l k 时,缸已经足够稳定，不需要进行校核。 此设计安装方式中间固定的方式，此缸已经足够稳定，不需要进行稳定性校核。 4.2.6 缸筒壁厚的验算缸筒壁厚的验算 下面从以下三个方面进行缸筒壁厚的验算： A 气缸的额定压力 n p值应低于一定的极限值，保证工作安全： 22 1 2 1 () 0.35 s n DD p D ()MPa 式（3-4） 根据式（3-4）得到： 22 2 353 (0.050.045 ) 0.3528.12() 0.05 n pMpa 显然，额定油压 n p=p=7MP，满足条件； 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 B 为了避免缸筒在工作时发生塑性变形，气缸的额定压力 n p值应与塑性变形压力有 一定的比例范围： (0.35 0.42) npl pp 式（3-5） 1 2 . 3l o g p ls D p D 式（3-6） 先根据式（3-6）得到： 1 2.3log pls D p D =41.21()MPa 再将得到结果带入（3-5）得到： 12(0.35 0.42) 44.2115.4715.6 n ppMpaMPaMPa 显然，满足条件； C 耐压试验压力 T P，是气缸在检查质量时需承受的试验压力。在规定的时间内，气 缸在此压力 T P 下，全部零件不得有破坏或永久变形等异常现象。 各国规范多数规定: 当额定压力16 n pMPa时 1.5 Tn pp（MPa） D 为了确保气缸安全的使用，缸筒的爆裂压力 E p应大于耐压试验压力 T p： 1 2 . 3l o g Eb D p D (MPa） 式 （3-7） 因为查表已知 b =596MPa，根据式（3-7）得到： 89.72 E PMPa 至于耐压试验压力应为： 1.510.5 T PPMPa 因为爆裂压力远大于耐压试验压力，所以完全满足条件。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 以上所用公式中各量的意义解释如下： 式中: D缸筒内径（m） ； 1 D缸筒外径（m） ； n p气缸的额定压力（MPa） pl p气缸发生完全塑形变形的压力（MPa） ； T p气缸耐压试验压力（MPa） ； E p缸筒发生爆破时压力（MPa） ； b 缸筒材料抗拉强度（MPa） ； s 缸筒材料的屈服强度（MPa； E缸筒材料的弹性模量（MPa） ； 缸筒材料的泊桑系数 钢材：=0.3 4.2.7 缸筒的加工要求缸筒的加工要求 缸筒内径D采用 H7 级配合，表面粗糙度 a R为 0.16，需要进行研磨； 热处理：调制，HB240； 缸筒内径D的圆度、锥度、圆柱度不大于内径公差之半； 刚通直线度不大于 0.03mm； 油口的孔口及排气口必须有倒角，不能有飞边、毛刺； 在缸内表面镀铬，外表面刷防腐油漆。 4.2.8 法兰设计法兰设计 气缸的端盖形式有很多，较为常见的是法兰式端盖。本次设计选择法兰式端盖 （缸筒端部）法兰厚度根据下式进行计算： 0 4 (-) cp cp F D d h d 式（3-8） 式中， h-法兰厚度（m） ； 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 d密封环内经 d=40mm（m） ； H d密封环外径（m） ； H d=50mm p系统工作压力（pa） ；p=7MPa q附加密封力（Pa） ；q值取其材料屈服点 353MPa； 0 D 螺钉孔分布圆直径（m） ； 0 D=55mm cp d密封环平均直径（m） ； cp d=45mm 法兰材料的许用应力（Pa） ；= s /n=353/5=70.6MPa F法兰受力总合力（m） 222 ()9 8 . 5 6 44 H Fd pddqKN 所以 0 4 (-) cp cp F D d h d 3 6 4 89.56 10(0.3-0.27) 3.14 0.045 70.6 10 =13.2mm 为了安全取h=14mm 4.2.9 (缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算缸筒端部）法兰连接螺栓的强度计算 连接图如下： 图 3-1 缸体端部法兰用螺栓连接 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1-前端盖；2-缸筒 螺栓强度根据下式计算： 螺纹处的拉应力: 6 max 2 1 10 4 kF d Z (MPa) 式（3-9） 螺纹处的剪应力 6 1max0 3 1 10 0.2 k kFd d Z (MPa) 式（3-10） 合成应力 22 3 n (MPa) 式（3-11） 式 中 , max F 气 缸 的 最 大 负 载 ， max F=A max p， 单 杆 时 2 /4AD， 双 杆 是 22 ()/4ADd k螺纹预紧系数，不变载荷k=1.251.5，变载荷k=2.54； D气缸内径； 0 d缸体螺纹外径； 1 d螺纹内经； 1 k螺纹内摩擦因数，一般取 1 k=0.12;变载荷取 1 k=2.54； 材料许用应力， / s n, s 为材料的屈服极限，n 为安全系数，一般取 n=1.21.5； Z螺栓个数。 最大推力为： 4 1.5 10FApXN 使用 4 个螺栓紧固缸盖，即：Z=4 螺纹外径和底径的选择： 0 d=10mm 1 d=8mm 系数选择：选取K=1.3 1 K=0.12 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 根据式（3-9）得到螺纹处的拉应力为： 6 max 2 1 10 4 kF d Z = 4 6 2 1.3 1.5 104 10209.3 3.14 0.00815 MPa 根据式（3-10）得到螺纹处的剪应力为： 4 6 3 0.12 1.3 1.5 100.02 1098.4 0.2 0.00815 MPa 根据式（3-11）得到合成应力为： n = 22 3=367.6MPa 由以上运算结果知，应选择螺栓等级为 12.9 级； 查表的得：抗拉强度极限 b =1220MP;屈服极限强度 s =1100MP； 不妨取安全系数 n=2 可以得到许用应力值：= s /n=1100/2=550MP 证明选用螺栓等级合适。 4.2.10 密封件的选用密封件的选用 A.对密封件的要求 在液压元件中，气缸的密封要求是比较高的，特别是一些特殊气缸，如摆动气缸等。 气缸不仅有静密封，更多的部位是动密封，而且工作压力高，这就要求密封件的密封性 能要好，耐磨损，对温度的适应范围大，要求弹性好，永久变形小，有适当的机械强度， 摩擦阻力小，容易制造和装拆，能随压力的升高而提高密封能力和利于自动补偿磨损。 密封件一般以断面形状分类，有 O 形、Y 形、U 形、V 形和 Yx 形等。除 O 形外，其他 都属于唇形密封件。 B. O 形密封圈的选用 气缸的静密封部位主要有活塞内孔与活塞杆、支撑座外圆与缸筒内孔、端盖与缸体 端面等处。静密封部位使用的密封件基本上都是 O 形密封圈。 C.动密封部位密封圈的选用 由于 O 型密封圈用于往复运动存在起动阻力大的缺点，所以用于往复运动的密封件 一般不用 O 形圈，而使用唇形密封圈或金属密封圈。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 气缸动密封部位主要有活塞与缸筒内孔的密封、活塞杆与支撑座（或导向套）的密 封等。 活塞环是具有弹性的金属密封圈，摩擦阻力小，耐高温，使用寿命长，但密封性能 差，内泄漏量大，而且工艺复杂，造价高。对内泄漏量要求不严而要求耐高温的气缸， 使用这种密封圈较合适。 V 形圈的密封效果一般，密封压力通过压圈可以调节，但摩擦阻力大，温升严重。 因其是成组使用，模具多，也不经济。对于运动速度不高、出力大的大直径气缸，用这 种密封圈较好。 U 形圈虽是唇形密封圈，但安装时需用支撑环压住，否则就容易卷唇，而且只能在 工作压力低于 10MPa 时使用，对压力高的气缸不适用。 比较而言，能保证密封效果，摩擦阻力小，安装方便，制造简单经济的密封圈就属 Yx 型密封圈了。它属于不等高双唇自封压紧式密封圈 ，分轴用和孔用两种。 综上，所以本设计选用 Yx 型圈，聚氨酯和聚四氟乙烯密封材料组合使用，可以显 著提高密封性能： a.降低摩擦阻力，无爬行现象； b.具有良好的动态和静态密封性，耐磨损，使用寿命长； c.安装沟槽简单，拆装简便。 这种组合的特别之处就是允许活塞外园和缸筒内壁有较大间隙，因为组合式密封的 密封圈能防止挤入间隙内，降低了活塞与缸筒的加工要求，密封方式图如下： 图 3-2 密封方式图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.3 气缸的选型 经过比较，参考市场上的气缸类型，选择一种可靠优质的气缸产品的生产商速易 可（上海）有限公司 /about_us.asp。 速易可气动（上海）有限公司成立于 2004 年，从事于空油压零组件和设备研 究、 生产、销售的自动化厂商，产品以TONAB品牌营销国内外市场，产品主要有空气净 化组件、气动控制组件、气动执行组件、辅助组件、空油压设备，产 品广泛应用于医 疗器械、工业机器人、食品包装机械、纺织机械、半导体设备、轨道交通、烟草机械、 机床自动控制、真空搬运、汽车制造、教学培训等行业。 速易可目前主要产品有：无杆气缸、滑台气缸、止动气缸、回转气缸、机械夹、回 转夹紧气（油）压缸、导杆气缸、带锁气缸、双轴缸、标准型气缸、控制阀、空气控制 组件、真空系统组件及相关气动辅助零组件。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 4.4 送料气缸型号确定 送料气缸采用烟