某小型物料搬運機械手的手臂伸縮和升降氣缸選擇與腕部連接裝置設(shè)計1.1手臂伸縮氣缸的選擇1.1.1水平方向受力計算當(dāng)所搬運的物料處于水平狀態(tài)時，手臂伸縮氣缸受到的扭矩最大，在設(shè)置參數(shù)的過程中將物料的重量設(shè)置成10KG，長度為100mm，則物料的受力簡圖為下圖：工件工件FSF圖1.1物料受力簡圖氣缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M=F×S（1.1）=10N·m1.1.2氣缸的選擇表1.1YAM系列氣缸型號動作形式缸徑（mm）標(biāo)準(zhǔn)行程（mm）固定裝置使用速度（mm/s）額定壓力（MPa）YAM4025~800空白：標(biāo)準(zhǔn)YAM50LB：腳架YAM63FA:前法蘭YAM80CA：單耳軸YAM100復(fù)動25~1000CB：雙耳軸5~300YAM125TC：中間耳軸0.5~14YAM150LA：腳座YAM200YAM250根據(jù)扭矩結(jié)合實際情況，選用YAM63標(biāo)準(zhǔn)小型氣缸。下圖為YAM63標(biāo)準(zhǔn)小型氣缸的實際圖片。圖1.2YAM63小型氣缸實際圖1.1.3活塞桿的選擇REF_Ref71729529\r\h[1]查閱《氣動傳動與控制手冊》，根據(jù)桿徑比d/D，一般的選取原則是：當(dāng)活塞桿受拉時，一般選取d/D=0.3?0.5，當(dāng)活塞桿受壓時，一般選取d/D=0.5?0.7。所以活塞桿的直徑取d=0.5D=25mm。表1.2活塞桿直徑系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400為了方便更直觀的了解，本次將活塞桿圖簡化，下圖就是本次所畫活塞桿。圖1.3活塞桿1.1.4導(dǎo)向裝置為了有效地防止手臂運動方向的偏移，確保手臂能夠沿著正確方向進行移動，并且有效地防止手臂中的活塞桿承受到較大彎矩時產(chǎn)生的影響，為了增強手臂的穩(wěn)定性和剛度，應(yīng)該考慮使用引導(dǎo)裝置。手臂伸縮氣缸的導(dǎo)向裝置我將氣缸的固定底座與氣缸的導(dǎo)向裝置做了一個結(jié)合，這樣既方便了氣缸的工作也解決了氣缸的方向偏移問題。圖1.4導(dǎo)向裝置簡圖1.2手臂升降氣缸的選擇1.2.1升降氣缸的計算升降氣缸的選擇，我準(zhǔn)備從GB/T2348-1980系列中選取一個符合的。考慮到此次設(shè)計應(yīng)該滿足工作臺快速進退速度相等，且應(yīng)該減小氣動泵的流量，設(shè)氣缸的無桿腔的有效面積為A1，設(shè)有桿腔的有效面積為A2，則無桿腔的等效面積與有桿腔的有效面積的關(guān)系應(yīng)該滿足取氣缸機械效率。故氣缸無桿腔的有效面積：A1=1.5×氣缸直徑然后從GB/T2348-1980系列中選取表1.3GB/T2348-1980系列810121620253240506380100125160200250320400500本來應(yīng)該選取D=50mm，在這里考慮到一些不可因素，所以選取D=63mm的，以防意外。圖1.5氣缸簡圖1.2.2活塞桿的計算校核活塞桿本身就是氣缸傳動的主體與零件，它需要承受著諸多的力，如壓、拉、沖擊力等，所以一定要具備足夠的機械剛度與高速運轉(zhuǎn)。其材料一般采取Q235鋼。查《氣動傳動與控制手冊》，一般的選取原則上文已經(jīng)說過，所以在這里就不過多敘述，選取d=0.5D=50mm。表1.3活塞桿直徑系列456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400按最低工進速度驗算氣缸尺寸，查產(chǎn)品樣本，調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量，qminv=為最小速度，則由式A本例A1a活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計負(fù)載的選擇牽引式齒輪拖動風(fēng)力發(fā)電機的機構(gòu)驅(qū)動器件在組成端部機構(gòu)之間與帶有活塞桿的機構(gòu)驅(qū)動器件最外端和機構(gòu)頭部互相進行連接，為了有效地同時避免機構(gòu)驅(qū)動器件和組中的活塞桿在正常傳動工作和機械生產(chǎn)中由于偏心而松動造成的氣缸負(fù)載力，適應(yīng)驅(qū)動氣缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械安裝使用需要，提高其正常工作效率，應(yīng)根據(jù)氣缸負(fù)載力的具體情況，選擇合理的機構(gòu)活塞桿和機構(gòu)驅(qū)動器組的端部。b活塞桿的密封與防塵活塞桿的密封形式有Y形密封圈、U形夾織物密封圈、O形密封圈、V形密封圈等。采用薄鋼片組合防塵圈時，防塵圈與活塞桿的配合可按H9/f9選取。薄鋼片厚度為0.5mm。此次設(shè)計選擇O型密封圈，方便維護。表1.4O型橡膠密封圈標(biāo)準(zhǔn)GB1235-1976公稱外徑ｄ公稱內(nèi)徑ｄ斷面直徑ｄ實際內(nèi)徑ｄ公差521.7632.7743.7851.7961.9±0.085.7±1076.71187.71298.713109.7141110.714109.6151110.6161211.6181413.619152.4±11.6±201615.6221817.6242019.6252120.6262221.6此次選擇兩個O型密封圈分別是伸縮活塞桿用的公稱外徑為11，公稱內(nèi)徑為8的O型密封圈，和升降活塞桿用的公稱外徑為22，公稱內(nèi)徑為18的O型密封圈。c活塞桿簡圖圖1.6活塞桿只一個活塞桿來作為此機械手的支撐臂的話，不足以撐起物料和小臂的全部重量，所以應(yīng)該再設(shè)計四個油桿分散在此活塞桿的周圍，以此活塞桿為中心來支撐上半部的重量，導(dǎo)向裝置也在油桿座上，下圖為油桿座。圖1.7油桿座1.2.3導(dǎo)向裝置升降氣缸應(yīng)該具有一個導(dǎo)向裝置，這里的導(dǎo)向裝置是一個引導(dǎo)活塞沿著缸內(nèi)直線往復(fù)運動而產(chǎn)生的一個圓筒狀金屬元器。此次導(dǎo)向裝置選擇單導(dǎo)柱，因為本次機械手的要求并沒有那么高，所以單導(dǎo)柱完全可以滿足此次需要。圖1.8單導(dǎo)柱圖1.2.4導(dǎo)向套的設(shè)計（1）最小導(dǎo)向長度的確定當(dāng)活塞桿完全伸出時，從活塞支承面的中點到導(dǎo)向套滑動面的中點的距離稱為最小導(dǎo)向長度REF_Toc13032\r\h[1]。如果這個位置的地方被設(shè)計成存在瑕疵的話，會嚴(yán)重影響到氣缸的使用效率和穩(wěn)定。因此，在進行氣缸設(shè)計時，必須要確保其具有合適的最低導(dǎo)向長度。根據(jù)實際應(yīng)用經(jīng)驗，當(dāng)一個氣缸的最大導(dǎo)向行程式為L，缸筒直徑為D時，最小導(dǎo)向長度式為H≥L20+D2（1.2）一般來說導(dǎo)向控制滑動部件表面的固定直徑和滑動長度A，在它的缸徑中長度應(yīng)小于80mm時取A=(0.6~1.0)D，當(dāng)缸徑大于80mm時取A=(0.6~1.0)d。活塞寬度B取B=(0.6~1.0)D。當(dāng)假若一個導(dǎo)向引引管道的活塞長度存在不足時，可以在一個活塞桿上再重新添加一個導(dǎo)向引導(dǎo)管道套件以用來對其進行長度增加。C=H?12(A+B)(1.3)因此:最小導(dǎo)向長度，取H=90mm；導(dǎo)向套滑動面長度A=0.8×90mm=72mm活塞寬度B=0.9×90mm=81mm（2）導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向套的配置種類很多，比如普通一般的導(dǎo)向套、容易方便拆卸的導(dǎo)向套、球面驅(qū)動導(dǎo)向套以及靜壓導(dǎo)向套等，所以我們在進行選擇各種導(dǎo)向套時候還應(yīng)該根據(jù)自己實際作業(yè)工作的使用情況等來進行適當(dāng)?shù)剡x擇。（3）導(dǎo)向套簡圖圖1.9導(dǎo)向套簡圖1.2.5缸體長度和缸底的選擇氣缸的長度缸體內(nèi)和外部長和寬度系數(shù)應(yīng)該分別是于或等于空氣活塞運動行程公式中的缸體長度和其內(nèi)部寬度。在我們確定兩個缸體的內(nèi)外形狀和長度時，也就是說在缸體設(shè)計時我們需要分別考慮兩個缸體端蓋之間的絕緣厚度REF_Toc13032\r\h[1]。一般來說氣缸的大小缸體最大長度不應(yīng)大于缸體內(nèi)徑的20~30倍。取系數(shù)為5，則氣缸缸體長度：L=5×100=500mm。缸底一般有好幾種選擇，其中缸底一般有平面式的缸底、橢圓型的缸底和半球形的缸底三種，這次我們所選擇的是平面式缸。1.2.6氣缸行程的選擇氣缸的最大連續(xù)工作時間行程的計算長度一般是通過依靠一個執(zhí)行計量機構(gòu)對每個氣缸的最大連續(xù)工作時間行程長度進行精細(xì)計算后來確定，并依照各種表格格式來精確選擇一個標(biāo)準(zhǔn)值。表1.4（a）氣缸行程系列（GB2349-80）2550801001251602002503204005006308001000125016002000250032004000表1.4（b）氣缸行程系列（GB2349-80）406390110140180220280360450550700900110014001800220028003600表1.4（c）氣缸形成系列（GB2349-80）240260300340380420480530600650750850950105012001300150017001900210024002600300034003800根據(jù)實際情況，我們選取行程為1250mm。1.3氣缸緩沖裝置圖1.10氣缸緩沖裝置圖中P代表的是橡膠彈性墊緩沖，PPV代表的是可調(diào)氣緩沖，PPS（Festo專利）代表的是自調(diào)節(jié)氣緩沖。氣缸的緩沖裝置的作用是為了防止氣缸過早的損壞，吸收并抵消活塞對于端蓋的沖擊動能。還可以優(yōu)化動作時間，可獲取的允許范圍內(nèi)更高的活塞運行速度，加快節(jié)拍，提高工作效率。在這次設(shè)計中，選擇橡膠彈性墊緩沖。1.4機械手腕部連接機構(gòu)設(shè)計機械手腕是手部和臂部的連接部分。它的功能是通過自身的活動性來確定握住工件的手的空間狀態(tài)，也可以說是確定手的姿勢。因此手腕也被稱為機械手的姿勢機制。本次腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，安裝在升降氣缸所在的油桿座上用以連接伸縮臂和升降臂。圖1.11腕部回轉(zhuǎn)機構(gòu)簡圖圖1.12腕部回轉(zhuǎn)機構(gòu)二維圖1.5螺柱的設(shè)計與校核螺柱是將兩個連接件連接到一起的關(guān)鍵性零部件，在這里的螺柱是將大臂與基座連接，將與腕部固定的小臂與大臂進行連接的固定件。螺柱的材料一般用的是低碳鋼、中碳鋼、低合金鋼。這次設(shè)計的螺柱材料選擇的是低碳鋼。下面是螺柱的計算與校核：螺距P=6mm梯形螺紋螺紋的工作高度?=0.5P（1.4）=3mm螺紋牙底寬度b=0.65P=0.65×6=3.9mm（1.5）螺桿強度α=σs3~5==30～50Mpa螺紋牙剪切[β]=40彎曲[α_b]=45～55（1）當(dāng)量應(yīng)力σ=(4Fπd式中T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm