气动机械手回转及升降课程设计要点

机械手的设计方案

一．机械手的技术参数

任务动作：基座旋转和Y轴上下移动。

抓重：0.5kg。

工件尺寸：直径约1.5～2cm。

支座旋转角度为：90度，最大速度90度/秒。

Y轴大臂上下移动距离为：20cm ，最大速度10cm/s。

二．气臂回转气缸的尺寸设计与校核

1.尺寸设计

气缸长度设计b=120mm,气缸内径D=200cm，半径R=100mm，轴径d=40mm，半径r=20mm，气缸运动角速度w=90度/秒，加速度a=0.5s。压强p=0.4Mpa。

力矩：M=pb（R*R-r*r）/2

=0.4×10*6×0.12×(0.1×0.1-0.02×0.02)/2

=230.4N.m

2.尺寸校核

设定参与手臂转动的部件质量m=20kg ，分析部件质量分布情况，质量密度等效分布在一个半径r=200mm的压盘上，那么转动惯量：

J=m ×r*r/2

=20×0.1×0.1/2

=0.1kg.m

M 惯=J.w/△t=0.1×（90/0.5）=18

考虑轴承，油封之间摩擦力，设定摩擦系数k=0.2

M 摩=kM 惯 =0.2×18=3.6

总驱动力矩M 驱= M 惯+ M 摩=21.6 kg.m

M 驱

设计尺寸满足使用要求

三． 升降气缸的尺寸设计与校核

（1）活塞杆上输出力和钢径的计算

设计采用双作用气缸，单活塞杆双作用气缸是使用最多的一种普通气缸，活塞左行时产生推力F1，活塞右行时产生拉力F2。

()f 412—p

D F π=

()—4

222p

d D F -=π f 式中F1——活塞杆的推力（N ）

F2——活塞杆的拉力（N ）

D —— 活塞直径（M ）

d —— 活塞杆直径（M ）

f —— 气缸工作总阻力（N ）；

气缸工作时总阻力f 与许多因素相关，如运动部件惯性，

背压阻力，密封处摩擦力等，以上因素可以载荷率η的形式

计入公示，如要求气缸的静推力F1和静拉力F2，计入后得

42^D 1p

F π=η

()4222p

d D F -=πη

取η=0.8，活塞杆拉力F2为克服机械手的自重（1.5kg ）和克服抓取的重量（0.5kg ）所用的力为

F 2=（1.5+0.5）×10=20N

当推力做功时

ηπp F D 14=

d d p F D *24+=η

π 估定活塞直径可按d/D=0.2～0.3计算

将d/D=0.16～0.4代入，

D=（1.01～1.09）

ηπp F 14 =1.05×

0.8

5*100.4204⨯⨯⨯⨯π =3cm

式中系数在缸径较大时取小值，缸径较小时取大指。

以上公示计算出气缸内径D 以圆整为标准值，参考表的D=32mm 根据d/D=0.2~0.3 可估得

d= 0.25×32mm

=8mm

(2) 活塞杆的计算

1）按强度条件计算 当活塞的长度L 较小时（L<10d ），可只按强度条件计算活塞杆直径d

()2/11/4πσF d ≥

式中F1——气缸的推力（N ）；

σp ——活塞杆材料的许用应力（pa ），σp=σb/S ； σb ——材料的抗拉强度（pa ）；

S —— 安全系数，S ≥1.4 按纵向弯曲极限力计算 气缸承受轴向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力达到极限力Fk 以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。该极限力与缸的安装方，活塞杆直径及行

程有关。 当长细比n 85K L

≥时

F k =2^L EI

2^n ⨯π 当长细比n 85K L

<时

F K =2l ∧⎪⎭

⎫

⎝⎛+K L n a fA

式中L ——活塞杆计算长度（m ）

K ——活塞杆横截面回转半径

L ——活塞杆横截面惯性矩

实心杆l=644

d ∧π

空心杆l=/644do -4d ）（∧∧π

η——系数

E ——材料弹性模量，对钢取E=2.1×10^11pa ；

f ——材料强度实验值，对钢取f=49×10^7pa ；

a ——系数，对钢取a=1/5000

安装方式铰支—铰支，所以n=1，活塞杆长度L=40cm 行程20cm

活塞杆横截面回转面积半径（实心杆）： K=4d =46

^108⨯=2×10^-3 m

所以长细比 L/K=3*1020.4

-⨯=66.67<85

∴代入以上F k =2^66.66715000112

^0.08647^1049⨯+⨯⨯-⨯π=90000N

所以纵向推力载荷应小于极限力F k

（3）钢筒壁厚的计算

钢筒直接承受压力，需要一定厚度，一般气缸钢筒壁厚与内径比1/10/D ≤δ，所以通常按薄壁筒共识计算

[]σδ2pt D ⨯=

式中σ——气缸筒的壁厚；

D ——气缸筒直径； Pt ——气缸实验压力，一般取Pt=1.5p ；

P —— 气缸工作压力；

[]σ——材料抗拉强度；

S —— 安全系数，一般取6～8.

选用45号缸，其[]σ=100Mpa

所以5

^1010025^100.60.032⨯⨯⨯⨯=δ=0.0096×10^-2 因加工等原因5cm =δ