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紗錠搬運三爪機械手設計論文
本科畢業(yè)設計說明書
題 目 紗錠搬運機器人三爪機械手設計
院 （系）： 機械工程學院
班 級： 機設10-4班
姓 名： 范祥明
學 號： 2010022521
指導教師： 趙存友
教師職稱： 副教授
摘要
紗錠搬運三爪機械手應用于生產線上代替工人工作，它把工人從復雜、繁重、疲勞、的工作環(huán)境中解脫出來，是人類的好伙伴，是工業(yè)制造領域重要的生產和服務性設備，是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備，也是一個企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志，同時可以減少企業(yè)的成本，提高企業(yè)的效益。本課題要求根據裝卸搬運的生產需要，完成通用機械手回轉與升降功能部件的結構設計。有助于培養(yǎng)學生運用所學基礎知識、基本理論進行一般機械產品結構設計的綜合能力。由于本課題研究的三抓機械手的額定負載較小，體積和重量均要求較小，且結構簡單，紗錠怕污染，綜合分析后，決定采用氣壓缸來實現(xiàn)對紗錠的搬運，而且可以采用簡易的開關來控制。
關鍵字：紗錠；搬運；機械手
Abstract
The spindle carrying three claw manipulator used in the production line to replace the workers, the workers from the heavy, complex, fatigue, work environment in relief, is a human partner, is the industry an important production and service equipment, automation equipment in the field of advanced manufacturing technology can not lack, but also it is an important mark an enterprise modernization level, also can reduce the enterprise cost, improve the efficiency of enterprises. This topic request according to production needs handling, structure design general mechanical hand rotary and lifting parts. To help students learn to use the basic knowledge, basic theory of comprehensive ability of general mechanical product structure design. Because the three grasping manipulator rated the study load is smaller, the volume and weight are small, and the structure is simple, the spindle is afraid of pollution, comprehensive analysis, decided to adopt air cylinder to achieve the spindles handling, but also to control the simple switch.
Keywords: Spindle; Carry; Manipulator
4
目錄
摘要 2
Abstract 3
第1章 緒論 7
1.1 目的及意義 7
1.2 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 7
1.2.1國內的研究現(xiàn)狀 7
1.2.2國外研究現(xiàn)狀 8
1.2.3發(fā)展趨勢 9
1.3 本設計主要研究的內容 11
第2章 紗錠搬運機械手的方案設計 12
2.1 機械手的方案設計 12
2.1.1方案一（如圖1）所示 12
2.1.2方案二（如圖2）所示 12
2.1.3方案三（如圖3）所示 13
2.2 機械手的方案可行性分析 13
2.3 設計的創(chuàng)新之處 14
2.4 設計的產品應用 14
第3章 機械手的結構設計 15
3.1手抓設計計算 15
3.2連接桿的設計計算 15
3.2.1 連接桿強度計算 17
3.2.2 連接桿的疲勞強度校核 18
3.2.3 連接桿的接觸應力校核 20
3.3 手指座的設計校核 21
3.4 連接架的設計與校核 22
3.5連桿設計與校核 24
第4章 氣缸的設計 28
4.1 氣缸的介紹 28
4.2 氣壓缸工作原理 28
4.3氣缸的校核 31
4.5缸筒和缸蓋的連接 32
4.6氣缸推力驗算 32
總結 33
致謝 34
參考文獻 35
第1章 緒論
1.1 目的及意義
機器人技術是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術發(fā)展的重要方面。是近40年來發(fā)展起來的一門交叉性學科，它涉及電子學、計算機科學、控制理論、傳感器技術、機械學、仿生學、人工智能等學科領域。工業(yè)機器人與其它設備組成的生產線極大地提高了企業(yè)的生產率、提高和穩(wěn)定了產品質量、大大縮短了產品更新?lián)Q代的周期，機器人的出現(xiàn)和發(fā)展已使傳統(tǒng)工業(yè)生產的面貌發(fā)生了根本性變化，使人類的生產方式從手工作業(yè)、機械化、自動化、跨入智能化的新時代。機器人不僅在工業(yè)上應用愈來愈廣，而且正在社會服務、海洋開發(fā)、宇宙空間、地下礦藏、搶險救災、軍事等領域開拓新應用，以代替人在其無法適應的特殊環(huán)境下工作，這將極大地擴展人類生產和活動的范圍，大大提高人類創(chuàng)造性勞動的能力。在某種程度上機器人水平的高低能反映一個國家的綜合國力和科技水平的發(fā)展。
該機械手應用于生產線上代替工人工作，它把工人從復雜、繁重、疲勞、的工作環(huán)境中解脫出來，是人類的好伙伴，是工業(yè)制造領域重要的生產和服務性設備，是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備，也是一個企業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志，同時可以減少企業(yè)的成本，提高企業(yè)的效益。本課題要求學生根據裝卸搬運的生產需要，完成通用機械手回轉與升降功能部件的結構設計。有助于培養(yǎng)學生運用所學基礎知識、基本理論進行一般機械產品結構設計的綜合能力。
1.2 國內外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
1.2.1國內的研究現(xiàn)狀
工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作：代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產率，保證產品質量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產自動化。隨著生產的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等等。這些機器人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC——PWM等等。我國的工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等?？梢詫C械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。目前國內機械手主要用于機床加工、鍛造。熱處理等方面，數量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產發(fā)展的需要。所以，在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
1.2.2國外研究現(xiàn)狀
國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如 發(fā)生少許偏差時候，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定的成績。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎上，又試制成一臺數控示教再現(xiàn)型機械手。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制：該機械手的中央立柱可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機械手發(fā)展的基礎。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產中開始應用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制；日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快，應用國家最多的國家，自1969年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力從事機械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調、有害于健康的輔助性工作。
1.2.3發(fā)展趨勢
在教育領域，許多院校已在學生中開設了機器人學方面的有關課程，但與世界先進國家相比，我們在認識和投入等方面均存在不足。而教學機器人作為機器人技術、計算機技術和機電一體化技術教育的教學工具，對人才培養(yǎng)和高新技術的推廣應用有著重要的意義。如今教學機器人已經廣泛應用于大專院校的課程與試驗中，它可以再現(xiàn)工業(yè)機器人的工作原理和過程，讓人們對機器人有直觀的理解，在學生的學習中起到了很大的作用，所以深得學生和老師的青睞。目前，國內已有部分高校研制開發(fā)了較為成型的機器人教學研究設備，例如哈爾濱工業(yè)大學、清華大學等。另外還有許多高校也正投入到相關產品的研發(fā)工作中，相信不久會有更多相應產品的問世[2-7]?，F(xiàn)代汽車制造工廠的生產線，尤其是主要工藝的焊接生產線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。目前世界高端工業(yè)機械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域，從而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 工業(yè)機器人，一般指的是在工廠車間環(huán)境中，配合自動化生產的需要，代替人來完成材料或零件的搬運、加工、裝配等操作的一種機器人。國際標準化組織(ISO)在對工業(yè)機器人所下的定義是“機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用設備，以執(zhí)行種種任務”[1]。
隨著科學和技術的不斷發(fā)展，在過去的幾個世紀里，人類在許多方面都取得了重大的進展。機器人技術作為人類最偉大的發(fā)明之一，自20世紀60年代初問世以來，經歷了短短的40年，已取得長足的進步。工業(yè)機器人在經歷了誕生、成長、成熟期后，已成為制造業(yè)中必不可少的核心裝備，而且工業(yè)機器人不僅在工廠里成了工人必不可少的伙伴，而且正在以驚人的速度向航空航天、軍事、服務、娛樂等人類生活的各個領域滲透。據聯(lián)合國經濟委員會和國際機器人聯(lián)合會去年關于世界機器人的報告，僅2003年新投入使用的機器人接近10萬個，使世界目前使用的機器人總數超過75萬。世界使用機器人最多的國家是日本，約38.9萬；其次為德國(9.1萬)、美國(9萬)、意大利(3.9萬)、韓國(3.8萬)、法國(2.1萬)、西班牙(1.3萬)和英國(1.2萬)，并且報告估計2004年，全世界使用的機器人總數將超過100萬。我國的工業(yè)機器人發(fā)展的歷史已經有20多年，從“七五”科技攻關開始，正式列入國家計劃，在國家的組織和支持下，通過“七五”“八五”科技攻關不僅在機器人的基礎理論和關鍵技術方面取得重大突破，而且在工業(yè)機器人整機方面，己經陸續(xù)掌握了噴漆、弧焊、點焊、裝配和搬運等不同用途、典型的工業(yè)機器人整機技術，并成功的應用于生產，掌握了相關的應用工程知識。但總的看來，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外的相比還有一定的距離。我國目前大約有4000臺工業(yè)機器人，其中僅有1/5是國產的，其余的則是從40多個國外廠商進口的機器人?？傊?，各種各樣機器人的出現(xiàn)和應用是人類走向文明和發(fā)展的一個巨大進步和標志，在未來社會中，機器人的廣泛應用和發(fā)展是一個必然的發(fā)展趨勢。相信在不遠的將來機器人技術將一定能夠為人類帶來更多的方便，為人類的文明和發(fā)展帶來更大的機會[8]。
1.3 本設計主要研究的內容
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；實現(xiàn)產品在不同生產線之間的快速轉移。澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現(xiàn)產品在不同生產線之間的轉移,實現(xiàn)產品的搬運,完成不同的工序的生產線搬運機械手為研究對象。在設計的過程中完成機械手的結構設計，根據所給定紗錠：內孔110mm、外徑180mm、高120mm轉腰機構：轉角范圍90o，時間4秒的設計參數和工作環(huán)境的要求，設計結構簡單、抓取靈活的機械手，使其與機器人總體相協(xié)調，成為有機整體，并能夠應用于生產實踐。
第2章 紗錠搬運機械手的方案設計
2.1 機械手的方案設計
根據紗錠搬運生產線的要求，用氣壓缸來實現(xiàn)機械手臂在水平面上的旋轉和支撐整個手臂。完成手臂在兩生產線間的移動，完成三爪對紗錠的搬運。旋轉機構：旋轉機構是氣壓缸構來控制。三爪：用四桿機構來控制，兩個四桿機構用氣壓機來控制，來分別實現(xiàn)對紗錠的搬運。
2.1.1方案一（如圖1）所示
方案1是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手，其特點是，抓重可達幾百公斤，運動比較平穩(wěn)，結構緊湊、動作靈敏，定位精度較高，負載能力也比較大，能夠抓住重負載而不產生滑動，從體積、重量及要求的驅動功率這幾項關鍵技術考慮，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，而且其液壓系統(tǒng)經常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護不方便，容易把紗錠污染。
1-液壓缸；2-液壓缸；3-液壓缸
圖1 結構運動簡圖
2.1.2方案二（如圖2）所示
方案2是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是:介質來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。
1-氣壓缸；2-氣壓缸；3-氣壓缸
圖2 結構運動簡圖
2.1.3方案三（如圖3）所示
是以液壓的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手，抓住重負載是容產生滑動，還容易把紗錠污染，不失為一個合適的選擇方案。但是，其費用較高，而且其液壓系統(tǒng)經常出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，維護不方便。
1-液壓缸；2-液壓缸；3-液壓缸
圖3 結構運動簡圖
綜上所述，由于搬運的是紗錠，紗錠怕污染，質量也比較輕，而液壓容易漏油把紗錠污染，所以選擇方案2氣壓傳動的方式。
2.2 機械手的方案可行性分析
本次紗錠搬運機器人三爪機械手的設計采用了氣壓缸的設計。介質來源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的操作簡單，適用于高速、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。利用氣壓缸來控制三爪機械手的運動以及旋轉，三爪機械手下行，氣壓缸把三爪機械手合攏，到達搬運的紗錠時，氣壓缸再把三爪張開，再利用2號氣壓缸帶動旋轉臺將其搬運的紗錠旋轉90度，1.3號氣壓缸在運動，將其紗錠卸載，2號氣缸再帶動旋轉臺旋轉回到初始位置，一次搬運完成，重復以上運動即可完成對紗錠搬運。
2.3 設計的創(chuàng)新之處
這種創(chuàng)新提高了生產率，降低了成本；使其發(fā)揮更大的技術、經濟效益等。由于本課題研究的三抓機械手的額定負載較小，體積和重量均要求較小，且結構簡單，紗錠怕污染，綜合分析后，決定采用氣壓缸來實現(xiàn)對紗錠的搬運，而且可以采用簡易的開關來控制。
2.4 設計的產品應用
機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬運、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續(xù)的。據資料介紹，美國生產的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；實現(xiàn)產品在不同生產線之間的快速轉移。澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現(xiàn)產品在不同生產線之間的轉移,實現(xiàn)產品的搬運,完成不同的工序的生產線搬運機械手為研究對象。
第3章 機械手的結構設計
3.1手抓設計計算
手部要能抓起工件必須滿足：
式中，-----為所需夾持力；
-----安全系數，通常取1.2~2；
-----為動載系數，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度；
-----方位系數，查表選??；
-----被抓持工件的重量 30；
帶入數據，計算得： N=1200N；
3.2連接桿的設計計算
連接桿其驅動力可可按下式計算：
式中： ——各支承處的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算：
式中： G——運動部件所受的重力（）；
——外載荷作用于導軌上的正壓力（），其大小可按下式計算：
——摩擦系數，取0.1，詳見機械設計手冊表23.4-1；
——啟動過程中的慣性力（），其大小可按下式估算：
式中： ——重力加速度，取9.8；
——速度變化量（）。如果從靜止狀態(tài)加速到工作速度時，則這個過程的速度變化量就等于桿部的工作速度。
——啟動或制動時間（），一般為0.1～。對輕載低速運動部件取小值，對重載高速部件取大值，行走機械一般取0.5～1.5。
經過計算得：
=
連接桿設計如圖3-1所示：
圖3-1：連接桿零件圖
3.2.1 連接桿強度計算
拉力
式中：——連接桿的均布載荷；
——力；
——寬度。
式中： ——均布載荷；
——反力；
——長度
式中： ——前后均布載荷
式中： ——平面上附加的均布力矩
按扭轉條件計算Ⅰ－Ⅰ截面的強度
因此Ⅰ－Ⅰ截面安全。
按彎扭合成條件計算Ⅳ－Ⅳ截面
因此Ⅳ－Ⅳ截面安全。
3.2.2 連接桿的疲勞強度校核
Ⅰ截面直徑最小，且有應力集中；Ⅱ截面為連接處，由于直徑發(fā)生實然變化，產生明顯的應力集中；由于直徑最大且無應力集中，故不必對其他地方處進行校核，而只需對Ⅰ、Ⅱ截面進行校核。
截面Ⅰ右側
因為Ⅰ截面受扭矩作用，所以
由于變化形成的理論應力集中系數由表查取。因，，經插值后可查得
軸的材料的敏性系數為
有效應力集中系數為
尺寸系數
表面質量系數為
處未經表面強化處理，即，則得綜合系數值為
取
計算安全系數
可知其安全。
截面Ⅱ左側
彎曲應力
所以 ，
扭轉應力
所以
由于軸徑變化形成的理論應力集中系數因，，經插值后可查得
，
軸的材料的敏性系數為
，
有效應力集中系數為
尺寸系數
尺寸系數
表面質量系數為
此處未經表面強化處理，即，則得綜合系數值為
取 ，
計算系數值
故安全。
3.2.3 連接桿的接觸應力校核
最大壓應力
式中：——均布載荷；
——接觸區(qū)寬度的一半。
式中：——模數；
——半徑；
——半徑。
所以
故安全。
3.3 手指座的設計校核
手指座的的結構如圖3-2所示，直徑為Φ200mm。
圖3-2：手指座
在實際工作中手指座只受到拉壓力的作用，因此只要校核手指座的拉壓應力即可。從圖3-2可以看出，手指座在連接處的面積最小，即屬于危險截面。激振力即式作用在手指座上的最大力。
右端連接處最大應力
左端連接處的最大應力
通過對手指座的以上校核，可知所設計的手指座符合設計要求。
3.4 連接架的設計與校核
連接架的設計數據如圖3-3所示：
圖3-3：連接架零件圖
（2）校核
許用應力 用插入法查得：
許用應力值
應力校正系數
當量彎矩
設計的直徑
（3）疲勞強度校核
初步分析、兩個截面有較大的應力和應力集中，下面以截面為例進行安全系數校核。
材料選用不銹鋼調質，，
對稱循環(huán)疲勞極限
脈動循環(huán)疲勞極限
等效系數
截面上的應力彎矩
彎曲應力幅
彎曲平均應力
扭轉切應力
扭轉應力幅和平均切應力
如果一個截面上有多種產生應力集中的結構，則分別求出其有效應力集中系數，從而取最大值，驗算強度合格。
3.5連桿設計與校核
本次設計的連桿如圖3-4所示：
圖3-4：連桿零件圖
連桿長度為150mm
；
許用應力 用插入法查得：
許用應力值
應力校正系數
當量彎矩
設計的法蘭最小直徑
法蘭直徑
； 驗算合格。
最終設計的紗錠搬運機械手抓結構如圖3-5所示：
、
圖3-2：紗錠搬運機械手
第4章 氣缸的設計
4.1 氣缸的介紹
氣壓傳動由于結構緊湊，制造簡單，工作可靠，故在機械制造業(yè)、輕工業(yè)和食品工業(yè)的各個部門獲得了廣泛的應用。但由于對它的研究還不夠充分，所以在很多地方，使它的應用受到了限制。在20實際60年代末，氣動元件得到發(fā)展，控制方式有所創(chuàng)新，應用啟動系統(tǒng)更為合理和安全。工業(yè)領域得到了廣泛的應用。氣壓系統(tǒng)的工作介質是空氣。
1·氣源裝置 獲得壓縮空氣的設備，空氣凈化設備。 如空壓機，空氣干燥機等。氣源裝置是向氣動系統(tǒng)提供所需壓縮空氣的動力源。他包括空氣壓縮機和氣源處理系統(tǒng)兩大部分。
2·執(zhí)行元件 將氣體的壓力能轉換成機械能的裝置，也是系統(tǒng)能量輸出的裝置。如氣缸，氣馬達等
3·控制元件 用以控制壓縮空氣的壓力，流量，流動方向以及系統(tǒng)執(zhí)行元件工作程序的元件。如壓力閥，流量閥，方向閥和邏輯元件等
4·輔助元件 起輔助作用，如過濾器，油霧器，消聲器，散熱器，冷卻器，放大器及管件等。
4.2 氣壓缸工作原理
單作用氣缸：單作用氣缸只有一腔可輸入壓縮空氣，實現(xiàn)一個方向運動。其活塞桿只能借助外力將其推回；通常借助于彈簧力，膜片張力，重力等。
主要尺寸的確定
1.氣缸工作壓力的確定
本設計的氣缸用于整個床體的升降功能：
由《液壓傳動與氣壓傳動》表3-1取氣缸工作壓力p=1Mpa
表3-1 氣壓負載常用的工作壓
負載F/N
<5000
5000～ 10000
10000～ 20000
20000～ 30000
30000～ 50000
>50000
工作壓力p/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
>5～7
假設每個氣缸受力相同，則每個氣缸收到的壓力為：
（4-1）
根據電控柜的高度，設計氣缸的推桿長度為350 mm，進行計算與設計。
假設推桿為45號鋼， F=2450N，臨界力
E=196 GPa。
根據壓桿穩(wěn)定型計算推桿直徑：
（4-2）
由公式
， （4-3）
代入計算公式，計算
（4-4）
由此得到：
取整后，得到：
本方案因為存在流水線本身自重可以是氣缸恢復初始狀態(tài)，所以選用單作用氣缸。
（4-5）
式中，
F——活塞桿上的推力，N
—— 氣缸工作時的總阻力，N
P ——氣缸工作壓力，Pa
D ——活塞直徑，m
氣缸工作時的總阻力與眾多因素有關，如運動部件慣性力、背壓阻力、密封處摩擦力等。以上因素可以載荷率η的形式計入公式，如要求氣缸的靜推力和靜拉力，則在計入載荷后：
（4-6）
計入載荷率就能保證氣缸工作時的動態(tài)特性。若氣缸動態(tài)參數要求較高；且工作頻率高，其載荷率一般取η=0.3至0.5 ，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷率可取η=0.7至0.85 。
由上式，得：
（4-7）
去較大值，且圓整后，得到
缸筒壁厚和外徑的設計
缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
（4-8）
式中，
δ - 缸筒壁厚，mm
D --- 氣缸內徑，mm
--- 氣缸試驗壓力，一般取
P --氣缸工作壓力 （Pa）
[σ]---缸筒材料許用應力（Pa）
本方案氣缸缸筒采用鋁合金ZL106,[σ]=3MPa代入己知數據，則壁厚為:
（4-9）
啊啊 啊
則筒壁外徑為70+17.5=87.5 mm。
4.3氣缸的校核
（1）活塞桿穩(wěn)定性的驗算：
當活塞桿的長度L較小時（L≤10d），可以只按強度條件校核計算活塞桿直徑d 有:
（4-10）
其中，[σ]=120MPa，
則:
所以滿足實際設計要求。
4.5缸筒和缸蓋的連接
缸筒與缸蓋的連接形式主要有拉桿式螺栓連接、螺釘式、鋼筒螺紋、卡環(huán)等，參見表3-2。對于雙頭螺栓和螺栓連接，一般是四根螺栓，但是對于工作壓力高于1MPa時，一定要校核螺栓強度，必要時增加螺栓數量，例如6根。查閱機械手冊，選擇拉桿式螺栓連接，采用4根螺釘。該結構簡單，易于加工，易于裝卸。由于工作壓力小于1MPa，故無須校核螺栓強度。
4.6氣缸推力驗算
由以上計算可知氣壓缸能產生的推力F= 6154N 大于升起床體所需的推力
F= 2450 N 。所以該氣缸滿足要求。
最后設計的紗錠搬運機械手如圖4-6所示：
圖4-6：紗錠搬運機械手總裝圖
總結
畢業(yè)設計是大學四年所學知識的一個考察,它兼顧了四年中所學的基礎和專業(yè)知識,因此不同于以前的課程設計,畢業(yè)設計是課程設計一個質的飛越.認識到這點,我對待畢業(yè)設計的態(tài)度也不敢懶散,一直抱以認真謹慎的學習態(tài)度.在接到畢業(yè)設計課題后首先要做的就是搜集各方面的資料，以前的課程設計都是老師給出的，不用自己去煩惱。但是畢業(yè)設計就不同了，它是一個綜合設計，很多資料，數據都需要自己通過各種途徑搜集得到。
在本次設計中，要用到許多基礎理論，由于有些知識已經遺忘，這使我們要重新溫習知識，因此設計之前就對大學里面所涉及到的有關該課題的課程認真的復習了一遍，開始對本課題的設計任務有了大致的了解，并也有了設計的感覺。同時，由于設計的需要，要查閱并收集大量關于機械制造方面的文獻，進而對這些文獻進行分析和總結，這些都提高了我們對于專業(yè)知識的綜合運用能力和分析解決實際問題的能力。通過本次設計還使我更深切地感受到了團隊的力量，在與同學們的討論中發(fā)現(xiàn)問題并及時解決問題，這些使我們相互之間的溝通協(xié)調能力得到了提高，團隊合作精神也得到了增強?？梢哉f，畢業(yè)設計體現(xiàn)了我們大學四年所學的大部分知識，也檢驗了我們的綜合素質和實際能力。同時也跨出了我的工程師之路的第一步。
致謝
為期三個多月的畢業(yè)設計就要結束了，我也順利的完成了我的課題設計，在此之際我要衷心的感謝在設計過程中一直幫助我支持我的老師。我要感謝指導老師，老師在整個設計過程中對我的影響很大，設計過程中的很多個難點都是在老師的悉心指導下才克服的，還有老師大親切和善也是我在整個設計過程中感受最深的。也因為這樣，和老師之間存在著師生心理障礙一下全無，我也就大方的有問題就問，有想法就提，這也使得我能更多的發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題，并解決問題。老師嚴謹的治學態(tài)度，淵博的專業(yè)知識，誨人不倦教學精神，在學術上和為人上都是我們的楷模和榜樣。同時我還要感謝跟我一起參與設計的同學，雖然我們課題不同，但是都能在討論中發(fā)現(xiàn)各自的問題，并互相提出解決的方法，設計能夠順利完成，也因為他們的幫助。
結束代表著新的開始，新的征程，本次的畢業(yè)設計將會成為我今后工作，學習生活中的一份堅實的基礎和保證。從中吸取的經驗教訓也將成為我們在今后生活道路上的一筆財富，挫折永遠是前進道路上所必須面對的，相信我們的未來會走的更好，也可以讓我們大學的老師放心。真心的感謝在大學幫助過我的老師和同學們，再次感謝你們！
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