【正文】 ）（）（ 23 根據(jù) mNW ????? m, 313 ， 查《 SMC 氣動元件》（ ）選型如下表 3 ： 表 3 垂直無桿氣缸選型結(jié)果 元件名稱及型號 機(jī)械接觸式無桿氣缸（基本型）：MY1B63G200 缸徑 63mm 最大負(fù)載 W1=830N， W2=166N， W3=290N 最大容許力矩 M1=160N m,M2=19N m,M3=48N m 接管方式 單邊接管 行程 200mm，無調(diào)程裝置 接管口徑 3/8 (2)動作時間計(jì)算 stttstsatsmsa5 0 01 8 0/211222???????????????? 該機(jī)械接觸式無桿氣缸為取自 SMC 公司的外購件，其具體部件圖詳見《 SMC 氣動元件》（ ），這里不再贅述。 上文中多次出現(xiàn)的符號 W1,W2,W3,M1,M2,M3 分別是負(fù)載和力矩的表示符號 24 具體所表達(dá)的意義如 圖 力矩及負(fù)載示意圖 所示： （ 1）負(fù)載分析 齒輪齒條缸的負(fù)載力 W 在 YZ平面內(nèi)垂直向下，負(fù)載力矩在 YZ 平面內(nèi)順時針方向和 XZ 平面逆時針方向。而齒輪齒條缸則 圖 力矩及負(fù)載示意圖 提供的是 XY平面內(nèi)的驅(qū)動力矩， 負(fù)載力矩在 XY平面內(nèi)的分量為0。齒輪齒條 缸只需克服摩擦力和摩擦力矩等 。 （ 2）結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 設(shè)定齒條前進(jìn)、后退的速度是 ,齒輪齒條缸的緩沖長度為 10mm。設(shè)定軸所傳遞的功率為 P=60W=，則 NdTFmmNnPTt 1348222 66???????????? 所以，齒輪齒條缸的軸向負(fù)載力 NFF t ?? 25 又齒輪齒條缸的平均速度 v=,查《氣動自動化系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)》 表 28，選負(fù)載率 ?? 理論輸出力 NFF ??? ? 齒輪齒條缸的氣缸缸 徑 mmpFD 0 ????? ? 故選取齒輪齒條缸的缸徑 mmD 50? 為保證齒輪齒條的強(qiáng)度，取它們的模數(shù) mm3?齒m 取齒輪的齒數(shù) 30Z ?齒 則齒輪的分度圓直徑 mm90303Zm ???? 齒齒齒輪d 而左回轉(zhuǎn)或右回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)角 ??180? 所以，齒輪齒條缸的行程 ???? 齒輪齒 ? 取齒輪的齒寬系數(shù)為 ?? 于是，齒輪的齒寬為 26 d ???? ?齒輪 齒輪齒條缸里的齒輪的零件圖如圖 .1 齒輪齒條缸的齒輪 圖 齒輪齒條缸的齒輪 （ 3）密封設(shè)計(jì) 在氣動元件中所采用的密封大致分為兩類：動密封和靜密封。類似缸筒和缸蓋等固定部分所需的密封成為靜密封，至于活塞在缸筒里作往復(fù)運(yùn)動及旋轉(zhuǎn)所需的密封成為動密封。以下分別介紹氣缸各種基本密封以及本方案的選擇。 ①缸蓋和缸筒連接的密封 一般采用 O形密封圈安裝在缸蓋與缸筒配合的溝槽內(nèi)，構(gòu)成靜密封。有時 也采用橡膠等平墊圈安裝在連接止口上，構(gòu)成平面密封。本方案里選用的 O形密封圈安裝在缸蓋與缸筒配合的溝槽內(nèi)。 ②活塞的密封 活塞有兩處地方需要密封：一處是活塞與缸筒間的動密封，除了用 O 型密封圈 27 和唇形圈外，也有用 W形密封圈，它是把活塞與橡膠硫化成一體的一種密封結(jié)構(gòu)， W形密封是雙向密封，軸向尺寸小。另一處是活塞與活塞桿連接處的靜密封，一般用O 形密封圈。本方案里活塞與缸筒間的動密封選用 U 形密封圈，活塞與活塞桿連接處的靜密封選用 O形密封圈。 ③活塞桿的密封 一般在缸蓋的溝槽里放置唇形密封圈和防塵圈，或防塵組合圈，保證活 塞桿往復(fù)運(yùn)動的密封和防塵。本方案里選用的是 O 形密封圈和防塵組合密封圈。 ④緩沖密封圈 有兩種方法：一種是采用孔用唇形密封圈安裝在緩沖柱塞上；另一種是采用氣缸緩沖專用密封圈，它是用橡膠和一個圓形鋼圈硫化成一體構(gòu)成，壓配在缸蓋上作緩沖密封。這種緩沖專用密封的性能比前者好。本方案選用的是后者。 （ 4）動作時間計(jì)算 stttstsatsmsa2002/2211222???????????????? （ 5）緩沖性能校核 氣缸活塞運(yùn)動到行程終端位置時，為避免活塞與缸蓋產(chǎn)生機(jī)械碰撞而造成機(jī)件變形、損壞及極強(qiáng)的噪聲，氣缸必須采用緩沖裝置。通常缸徑小于 16mm 的氣缸采用彈性緩沖墊，缸徑大于 16mm 的氣缸采用氣墊結(jié)構(gòu)。由于本方案里所選擇的氣缸的缸徑大于 16mm，故所采用的是氣墊緩沖結(jié)構(gòu)。 氣缸的緩沖裝置由緩沖柱塞、節(jié)流閥和緩沖腔室等構(gòu)成，如圖 所示為氣缸緩沖裝置實(shí)現(xiàn)緩沖的工作原理圖。在活塞高速向右運(yùn)動時，活塞右腔的空氣經(jīng)缸蓋柱塞孔和進(jìn)排氣口排向大氣。在氣缸活塞桿行程進(jìn)入終端前，緩沖柱塞依靠緩沖密封圈將缸蓋柱塞孔堵住。于是，封閉在活塞和缸蓋之間的環(huán)形腔室內(nèi)的空氣只能通過節(jié)流閥排向大氣。由于節(jié)流閥流通面積很小，環(huán)形腔室內(nèi)的空氣背壓升高形成 28 氣墊作用，迫使 活塞迅速減速，最后停下來。改變節(jié)流閥的開度，就可以調(diào)節(jié)緩沖速度。 圖 緩沖結(jié)構(gòu) ? ?? ?良好的緩沖性能所以，齒輪齒條缸具備因?yàn)?，kpkkkpEEJmEJLdDpppVpkkE????????????????????????????????????221122226212111211? 該齒輪齒條缸是自制件，其部件圖詳見圖紙。 5．軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核及軸承的壽命校核 在本方案里軸是起立柱的作用，將齒輪齒條缸產(chǎn)生的回轉(zhuǎn)通過軸傳給垂直氣缸，為實(shí)現(xiàn)這個動作，首先必須實(shí)現(xiàn)齒輪齒條缸的齒輪與軸的連接，以及軸和垂直氣缸的連接，其次就是軸的支承。 齒輪齒條缸與軸的連接可以通過鍵來實(shí)現(xiàn)，而借助一個法蘭，就能很好地將軸和垂直氣缸連接起來了。 29 軸的 支承采用一對滑動軸承，由于軸既承受軸向載荷，又承受徑向載荷，而角接觸球軸承正好能夠承受這種載荷，并且采用一對角接觸球軸承，結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，易于實(shí)現(xiàn)，故本方案里采用了一對角接觸球軸承，并且采取反裝的安裝形式，為了避免兩個軸承之間同心的問題，選取了兩個大小不同軸承，一個是 7206C,一個是7207C。 軸的結(jié)構(gòu)以及軸上零件的布置如圖 軸的結(jié)構(gòu)及軸上零件的布置 圖 軸的結(jié)構(gòu)和軸上零件的布置 該軸的軸上零件有齒輪、軸承、套筒、法蘭。其中，齒輪是齒輪齒條缸的一部分，是與齒條相嚙合的。而齒條的速 度前面已經(jīng)給定， sm /?齒條? 齒輪的分度圓直徑為 mmmzd 90303 ???? 則 30 srsr a dnsr a drr// 0 0??????????????? 而在機(jī)械手回轉(zhuǎn)帶動立柱回轉(zhuǎn)的過程中，工件、手指氣缸、水平無桿氣缸、垂直無桿氣缸的重心均沒有升高或降低，而是保持在原來的高度。所以，在此過程中，軸并沒有傳遞有效功率。但事實(shí)上，在立柱回轉(zhuǎn)的過程中還是消耗了功，比如克服摩擦做功，像滾動軸承與軸之間的摩擦及滾動軸承自身的摩擦，還有齒輪齒條缸的緩沖過程也有功的損耗。總之，在此，為校核 軸的強(qiáng)度，可設(shè)定軸上傳遞的功率P=。 綜上所述，現(xiàn)設(shè)計(jì)機(jī)械手立柱軸。初始條件為：傳遞功率 P=，轉(zhuǎn)速n=，齒輪的齒寬 B=36mm，齒數(shù) Z=30，模數(shù) m=3mm，軸端裝有法蘭。 以下是設(shè)計(jì)及校核過程。 （ 1）選擇軸的材料 選擇軸的材料為 45 鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，其機(jī)械性能由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 61查得：? ? M P a M P aM P aM P aM P ab sb 60 46。155,300,360,6501 11? ????? ? ??? ????得 ，查表 （ 2）初步計(jì)算軸徑 選 C=110 mmmmnPCd 33m in ???? 考慮到軸端法蘭需開鍵槽，將其軸徑增加 5%，故取軸的最 細(xì)軸端直徑為 mmd 30min ? （ 3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸工作要求，軸上所支承的零件主要有齒輪、軸端法蘭以及滑動軸承。參考軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，可確定軸的各段尺寸，又為便于裝拆方便與軸的生產(chǎn)加工，初步確定軸的結(jié)構(gòu)尺寸如圖 軸的結(jié)構(gòu)尺寸 31 圖 軸的結(jié)構(gòu)尺寸 （ 4）按彎扭合成校核 ①畫出受力簡圖（如圖 12 軸的受力分析，彎矩圖，扭矩圖和彎扭合成圖） 畫出軸的受力簡圖，求出支反力，對于零件作用于軸上的分布載荷或轉(zhuǎn)矩（因軸上零件如齒輪、法蘭等均有寬度）可當(dāng)作集中力作用于 軸上零件的寬度中點(diǎn)。對于支反力的位置，隨軸承類型和布置方式的不同而異，可查軸承樣本。 ②軸受力分析 軸上傳遞的轉(zhuǎn)矩 mmNnPT ??????? 66 齒輪的圓周力 NdTF t 3995908988222 ???? ③計(jì)算作用于軸上的支反力 32 NFRRNFRtABtA3 1 4 63 9 9 57 1 4 17 1 4 13 9 9 ??????????? ④計(jì)算軸的彎矩，并畫出彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖（如圖 軸的受力分析，彎矩圖，扭矩圖和彎扭合成圖） ⑤計(jì)算并畫出當(dāng)量彎矩圖 圖 軸的受力分析，彎矩圖，扭矩圖和彎扭合成圖 ⑥校核軸的強(qiáng)度 一般而言，軸的強(qiáng) 度是否滿足要求只需對危險(xiǎn)截面校核即可，而軸的危險(xiǎn)截面多發(fā)生在當(dāng)量彎矩最大或當(dāng)量彎矩較大且軸的直徑較小處。根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸和當(dāng) 33 量彎矩圖可知： aa 截面彎矩最大且截面尺寸也非最大，屬于危險(xiǎn)截面； bb截面當(dāng)量彎矩較大且截面尺寸最小，也屬于危險(xiǎn)截面。 aa 處的當(dāng)量彎矩為 mmNM aca ?? 157003 bb 處的當(dāng)量彎矩為 mmNRM Bbca ????? 1 1 7 0 3 1)( 強(qiáng)度校核：查表得， ? ? ? ?bbcabacabbcabcaaacaacabaM P aM P aWMM P aM P aWMcmdWcmdW11333333,32323232???????????????????????????? 所以，軸的強(qiáng)度滿足要求。 （ 5）軸承的壽命校核 軸承壽命 校核的初始條件如下： 由前面軸承部件承受載荷的示意圖如圖 軸承部件受載荷示意圖。軸承的受力平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速 n=。軸承 1的軸頸直徑 d=35mm，軸承 2的軸頸直徑 d=30mm,要求軸承的使用壽命（即軸承預(yù)期壽命）為 10000h。 軸承的軸向載荷為 ? ?? ?N170gmmmm?????????????? 軸連垂直氣缸水平氣缸手指工件 mmF A 34 圖 軸承部件受載荷示意圖 以下是壽命校核的過程： 軸承 1： 30207，軸承 2： 30206 查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》滾動軸承樣本得， NCNC NCNC rr rr 15000,23000:30206 20210,30500:30207 00 ?? ?? 由《機(jī) 械設(shè)計(jì)》表 88查得， ? ??pf ①計(jì)算派生軸向力 S1,S2 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 89查得 30200 型軸承派生軸向力 S=，則可求得軸承 1，2的派生軸向力為： NNFS NNFS rr 22 11 ???? ???? ②計(jì)算軸承所受的軸向載荷 因?yàn)? ????? AFS 并由圖 分析知，軸承 2 被“壓緊”，軸承 2 被“放松”。由此可得， NF NFSF a Aa 12 ? ????? ③計(jì)算當(dāng)量動載荷 35 軸承 1： 7001 ??CFa 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 87經(jīng)插值得， NNFYXfPYXeFFe