第三章 手臂伸缩，回转气缸的尺寸设计与校核
3.1手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核
3.1.1手臂伸缩气缸方案一的尺寸设计与校核
为方便大规模生产需求以及采购，根据实验设计要求，手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为?100/63.
(1).在校核尺寸时，只需校核气缸内径D1=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强P?0.4MPa, 则驱动力： F?P??R
2?0.4?106?3.14?0.03152
?1246(N)（2）. 测定手腕质量为5kg,设计加速度a?10(m/s)，则惯性力
F1?ma
=10×5=50
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（3）.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数k?0.2,
Fm?k.F1
=50×0.2 =10
? 总受力F0?F1?Fm =50+10=60 F0?F
所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求要求。 3.1.2手臂伸缩部分方案二的尺寸设计与校核
为使所设计的机械手拥有更高精度，同时便于安装调试，现设计手臂伸缩部分第二套方案。 (1) 活塞杆上输出力和缸径的计算 活塞左行时活塞杆产生推力
F1,活塞右行时产生拉力F2。
F1??D2p4
?Fz
式中
活塞杆的推力(N); 活塞杆的拉力(N); 活塞直径(m); 活塞杆直径(m); 气缸工作压力(Pa);
F2??4(D2?d2)p?Fz
气缸工作总阻力(N);
气缸工作时的总阻力
Fz与众多因素有关,如运动部件惯性力,背压阻力,密封处摩擦力等.
以上因素可以载荷率的形式计入公式,如要求气缸的静推力后
载荷率一般取
F1和静拉力F2,则计入载荷率
计入载荷率就能保证气缸工作时的动态特征.若气缸动态参数要求较高;且工作频率高,其
,速度高时取小值,速度低时取大值.若气缸动态参数要求一般,
。根据要求本次设计中,我们取
且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷率可取
??0.8。活塞杆拉力F2为克服机械手的自重（1.5KG）和克服抓取物的重量(0.5KG)所用的
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力为
F2?(1.5?0.5)?10?20N
可求得气缸直径D。 当推力作功时
活塞杆d可根据气缸拉力预先估定。估定活塞杆直径可按
计算得
=85mm
式中系数在缸径较大时取小值，缸径较小时取大值。 以上公式计算出的气缸内径D应圆整为标准值。 根据
可估算得 d=12cm
（2）活塞杆的计算
1）按强度条件计算 当活塞杆的长度L较小时（L≤10d），可以只按强度条件计算活塞杆直径d
式中 极限力
气缸的推力（N）；
活塞杆材料的许用应力(Pa),材料的抗拉强度（Pa）； 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
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
式、活塞杆直径及行程有关。
当长细比
时
当长细比
时
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式中
活塞杆计算长度（m），见表3-3 活塞杆横截面回转半径，
实心杆 空心杆
活塞杆横截面惯性矩，
实心杆 空心杆
空心活塞杆内径直径（m）； 活塞杆截面积
实心杆 空心杆
3.1.3.导向装置
系数，见表3-3
材料弹性模量，对钢取材料强度实验值，对钢取系数，对钢取a=1/5000
气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减少对回转中心的惯量。 导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。 3.1.4 平衡装置
在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩气缸一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量和气缸的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。
3.2手臂回转气缸的尺寸设计与校核
3.2.1 尺寸设计
气缸长度设计为b?120mm,气缸内径为D1?210mm,半径R=105mm,轴径
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D2?40mm半径R?20mm,气缸运行角速度?=90?/s，加速度时间?t?0.5s,
压强P?0.4MPa,
pb(R2?r2) 则力矩：M?
20.4?106?0.12(0.1052?0.0202)? 2?255(N.m)
3.2.2 尺寸校核
1．测定参与手臂转动的部件的质量m1=20kg,分析部件的质量分布情况， 质量密度等效分布在一个半径r?200mm的圆盘上，那么转动惯量：
m1r2J?
2 =20×0.1/2 =0.1（kg.m2） M惯?J.??t
=0.1×(90/0.5)=18
考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数k?0.2, M摩?k.M惯 =0.2×18=3.6 总驱动力矩
M驱?M惯?M摩 =18+3.6=21.6 M驱〈M
? 设计尺寸满足使用要求。
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