基于PLC的自動化車間物料搬運裝置的控制設(shè)計（含CAD圖紙）

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箱座內(nèi)壁不需要與其他零件有配合的關(guān)系，所以內(nèi)表面不需要加工。左右厚壁上端有M10的螺紋孔，要求加工表面粗糙度，連接軸承下座的，底版的光孔是用來固定整個裝置的，材料為鑄鐵HT200。 3.2.2 立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立往通常為固定不動的，但機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 a.立柱的材料及熱處理 由于設(shè)計功率不是太大，對其重量和尺寸無特殊要求，故選擇常用材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理。 b.初估軸徑 按扭矩初估軸的直徑，根據(jù)[1]查表10-2，得C=106~117，考慮倒安裝軸承受扭矩作用，取C=106，則 （3-1） 式中： C——由軸承的材料和承載情況縮確定的常數(shù)； P——軸的輸出功率，KW； n——軸的轉(zhuǎn)速，r/min. 各參數(shù)值為 C=106、P=15KW、n=280，則 所以選擇軸徑40mm，軸上面設(shè)計個法蘭，用法蘭來固定軸承因為軸是靠氣缸擺動來旋轉(zhuǎn)的，所以所受的載荷很小，不需要校核。 3.2.3 軸承的選擇 軸承是用以支承軸和軸上回轉(zhuǎn)或擺動零件的部件,在各種機械中應(yīng)用廣泛。根據(jù)軸承工作時的摩擦性質(zhì)，可分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。滾動軸承依靠主要元件間的滾動接觸來承受載荷，它與滑動軸承相比，具有摩擦阻力小、效率高、啟動容易、潤滑簡便等優(yōu)點。同時，滾動軸承絕大部分已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并由專業(yè)廠家生產(chǎn)，選用和更換很方便。其缺點就是抗擊能力差，工作時有噪聲，以及工作壽命不及液體摩擦的滑動軸承。 滾動軸承的類型很多，按照滾動體的形狀，滾動軸承可分為球軸承和滾子軸承兩大類。球軸承的滾動體與內(nèi)、外圈是點接觸，運轉(zhuǎn)時摩擦耗損小，但承載能力和抗擊能力差；滾子軸承為線接觸，承載能力和抗沖擊能力較球軸承大，但運轉(zhuǎn)是耗損大。按照滾動軸承能否自動調(diào)心，可分為調(diào)心軸承和非調(diào)心軸承。按照滾動體列數(shù)多少，可分為單列軸承、雙列軸承和多列軸承。按照軸承能承受的主要載荷方向和公稱接觸角的不同，可分為向心軸承和推力軸承兩大類。 a.向心軸承 向心軸承主要承受徑向載荷，0°45°，又可分為：①徑向接觸軸承，= 0°，只能承受徑向載荷；②角接觸向心軸承，0°<45°，不僅能承受徑向載荷,而且隨著角的增大,其承受軸向載荷的能力隨之增大。 b.推力軸承 推力軸承主要承受軸向載荷，45°90°，又可分為：①軸向接觸軸承，= 90°，只能承受軸向載荷；②角接觸推力軸承，450°<<90°，它主要承受軸向載荷,同時也能承受較小的徑向載荷。隨著角的增大,其承受徑向載荷的能力將減小。 軸承所受載荷的大小、方向和性質(zhì)，是選擇滾動軸承的主要依據(jù)。本設(shè)計中軸承既承受徑向力及轉(zhuǎn)矩，又承受軸向力，因此選用推力球軸承和深溝球軸承,推力軸承主要受軸向力，球軸承主要受徑向力，又根據(jù)外廓尺寸的條件和軸的內(nèi)徑選用6006深溝球軸承和51213推力球軸承。 3.2.4 上軸承座的選擇 6006深溝球軸承: d=30 mm D=55mm B=13mm da=36mm Da=49mm 51213推力球軸承: d=65mm D=100mm T=27mm da=86mm Da=100mm 根據(jù)以上的尺寸可以確定軸承上座的尺寸,如圖3-3所示: 圖3-3 上軸承座 由于配合接觸的面比較多,所以對表面粗糙度的要求也高,軸承配合的地方要求公差等級,軸承的配合主要是內(nèi)圈與軸頸、外圈與軸承座孔的配合。滾動軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，因此，軸承內(nèi)圈與軸頸采用基孔制配合，軸承外圈與軸承座孔采用基軸制配合普通圓柱公差標(biāo)準(zhǔn)中基準(zhǔn)孔的公差帶都在零線之上，故滾動軸承內(nèi)圈與軸頸的配合要比圓柱公差標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的基孔制同名配合要緊的多。例如，一般圓柱體基孔制的K6配合為過度配合，而在滾動軸承內(nèi)圈配合中則為過盈配合。 滾動軸承內(nèi)、外圈的處的配合，既不能過緊也不能過松。過緊的配合會使軸承的內(nèi)、外圈產(chǎn)生變形，可破壞軸承的正常工作，而增加了裝拆的難度。過松的配合，不僅會影響軸的旋轉(zhuǎn)精度，甚至?xí)古浜媳砻姘l(fā)生滑動。因此，軸承配合種類的選取，應(yīng)根據(jù)軸承的類型與尺寸、載荷的大小、方向和性質(zhì)以及工作環(huán)境決定。 所以Φ30的6006軸徑上安裝軸承，這個軸徑就是根據(jù)軸承的d來的，Φ36是6006軸承的安裝尺寸，同樣根據(jù)推力軸承的尺寸來確定軸承座的尺寸。 3.2.5 下軸承座的選擇 下軸承座的尺寸是根據(jù)軸承尺寸來定的。其主要配合的地方也是安裝軸承的地方，需要公差的配合。（同上）如圖3-4： 圖3-4 下軸承座 在安裝軸承的端面上要注明公差配合，分別以其為基準(zhǔn)面，查《機械設(shè)計手冊》，標(biāo)明幾個端面的圓柱度和相對基準(zhǔn)面的圓跳動度，還有表面粗糙度。 3.2.6 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計的手臂實現(xiàn)的是水平直線運動，實現(xiàn)直線往復(fù)運動采用的是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。由于活塞氣缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用比較多。 本設(shè)計手臂很簡單，在手臂內(nèi)側(cè)固定個伸縮氣缸，如圖3-5所示： 圖3-5 大臂設(shè)計 3.2.7 小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計的手臂與上述的大臂實現(xiàn)的運動方式一樣，主要是上下直線運動。實現(xiàn)直線往復(fù)運動采用的也是氣壓驅(qū)動的活塞氣缸。 本設(shè)計手臂很簡單，在上面固定個夾緊氣缸，如圖3-6所示： 圖3-6小臂設(shè)計 3.2.8 氣爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式..等。 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 圖3-7 氣爪設(shè)計 本設(shè)計是采用兩指式，內(nèi)卡式，上下氣爪通過銷來連接，過盈配合，如圖3-7所示。設(shè)計時考慮的幾個問題： a.具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 b.手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。 c.保證工件準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。 d.具有足夠的強度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 e.考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型。 3.2.9 手部夾緊氣缸設(shè)計計算 A．手部驅(qū)動力計算 本課題氣動機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-8所示，其工件重量G=10公斤，a=37.5mm,b=70mm,根據(jù)[1]摩擦系數(shù)為f=0. 10。 圖3-8 手部結(jié)構(gòu)分析圖 a) 根據(jù)手部結(jié)構(gòu)分析示意圖，其驅(qū)動力為： （3-2） b) 根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式: （3-3） 代入公式（3-2）得： c)參照[17]實際驅(qū)動力: （3-4） 因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，根據(jù)[1]故取，并取 若被抓取工件的最大加速度取a= g時，參照[17]則： （3-5） 代入公式（3-4）得： 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1191N. B．氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。以下公式都參照[17]，根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: （3-6） 式中: —活塞桿上的推力，N —彈簧反作用力，N —氣缸工作時的總阻力，N —氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: （3-7） （3-8） （3-9） 式中: — 彈簧剛度，N/m — 彈簧預(yù)壓縮量，m 一 活塞行程，m — 彈簧鋼絲直徑，m —彈簧平均直徑，m — 彈簧外徑，m — 彈簧有效圈數(shù) 一彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 所以： 查有關(guān)手冊圓整，得 由，可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑 校核，按公式 （3-10） 有: 其中，, 則: 所以滿足設(shè)計要求。 C．缸筒壁厚的設(shè)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(nèi)徑之比小于或等于1/10，參照[17]，其壁厚可按薄壁筒公式計算: （3-11） 式中: — 缸筒壁厚，mm D—氣缸內(nèi)徑，mm —實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3, 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 根據(jù)以上計算選擇的氣缸型號為：QGSD q 32×50 B LB 其中：QGSD- 普通型單作用氣缸； q – 派生氣缸代號：q=彈簧前置型； 32 – 汽缸內(nèi)徑； 50- 氣缸行程； B –緩沖：B=可調(diào)緩沖； LB – 安裝方式：LB=軸向底座 3.2.10 升降氣缸設(shè)計計算 手臂升降裝置由轉(zhuǎn)柱、升降缸活塞軸、升降缸體、碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯(lián)接盤和導(dǎo)向桿等組成。在轉(zhuǎn)柱上端用管接頭和氣管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸手部夾緊氣缸和手臂伸縮氣缸，轉(zhuǎn)柱下端的氣路，將壓縮空氣引到升降缸上腔，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入上腔后，推動升降缸體上升，并由兩個導(dǎo)向桿進(jìn)行導(dǎo)向，同時碰鐵隨升降缸體一同上移，當(dāng)碰觸上邊的可調(diào)定位塊后，即帶動定位拉桿,緩沖撞鐵向上移動碰觸升降用液壓緩沖器進(jìn)行緩沖。上升行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊來實現(xiàn)，手臂下降靠自重實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-9所示： 圖3-9 結(jié)構(gòu)分析簡圖 A．驅(qū)動力計算 根據(jù)上圖力的作用方向，可計算活塞的驅(qū)動力F，參照[1]可知摩擦系數(shù)f=0. 17。 a) 根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動力公式為： （3-12） b) 質(zhì)量計算:手臂升降部分主要由手臂伸縮氣缸、夾緊氣缸、手臂、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時測量設(shè)計的有關(guān)尺寸，據(jù)估計 所以代入公式（3-12）： c) 參照[17]實際驅(qū)動力: 因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，參照[1]故取，并取 若被抓取工件的最大加速度取a= g時，根據(jù)[17]則： 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為1494N. B．氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。以下公式均參照[17]根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: 式中: —活塞桿上的推力，N —彈簧反作用力，N —氣缸工作時的總阻力，N —氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: 式中: — 彈簧剛度，N/m — 彈簧預(yù)壓縮量，m 一 活塞行程，m — 彈簧鋼絲直徑，m —彈簧平均直徑，m — 彈簧外徑，m — 彈簧有效圈數(shù) 一彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 3677.46 220.6 所以： 查有關(guān)手冊圓整，得 由，可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑 校核，按公式 有: 其中，, 則: 所以滿足設(shè)計要求。 C．缸筒壁厚的設(shè)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(nèi)徑之比小于或等于1/10，根據(jù)[17]其壁厚可按薄壁筒公式計算: 式中: — 缸筒壁厚，mm D—氣缸內(nèi)徑，mm —實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3, 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 根據(jù)以上計算選擇氣缸型號為：QGSD q 40×100 B FB 其中：QGSD- 普通型單作用氣缸； q –派生氣缸代號：q=彈簧前置型； 40- 汽缸內(nèi)徑； 100- 氣缸行程； B –緩沖：B=緩沖可調(diào)； FB- 安裝方式：FB=后法蘭； 3.2.11 伸縮氣缸設(shè)計計算 手臂伸縮裝置由伸縮缸活塞軸、伸縮缸體、碰鐵、可調(diào)定位塊、定位拉桿、緩沖撞鐵、定位塊聯(lián)接盤和導(dǎo)向桿等組成。在手臂右端用管接頭和氣管分別將壓縮空氣引到手腕回轉(zhuǎn)氣缸手部夾緊氣缸，手臂左端的氣路，將壓縮空氣引到伸縮缸上腔，當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入上腔后，推動升降缸體右移，并由兩個導(dǎo)向桿進(jìn)行導(dǎo)向，同時碰鐵隨升降缸體一同右移，當(dāng)碰觸上邊的可調(diào)定位塊后，即帶動定位拉桿,緩沖撞鐵向右移動碰觸左右用液壓緩沖器進(jìn)行緩沖。右移行程大小通過調(diào)整可調(diào)定位塊來實現(xiàn)，手臂左移與右移類似。結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-10所示： 圖3-10 結(jié)構(gòu)分析簡圖 A．驅(qū)動力計算 根據(jù)上圖力的作用方向，可計算活塞的驅(qū)動力F，參照[1]可知摩擦系數(shù)f=0. 17。 a) 根據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖，驅(qū)動力公式為： b) 質(zhì)量計算:小臂升降部分主要由夾緊氣缸、手臂、手爪及相關(guān)的固定元件組成。氣缸為標(biāo)準(zhǔn)氣缸，根據(jù)中國煙臺氣動元件廠的《產(chǎn)品樣本》可估其質(zhì)量，同時測量設(shè)計的有關(guān)尺寸，據(jù)估計 所以代入公式： c) 參照[17]實際驅(qū)動力: 因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，參照[1]故取，并取 若被抓取工件的最大加速度取a= g時，根據(jù)[17]則： 所以 所以夾持工件時所需夾緊氣缸的驅(qū)動力為163N. B．氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。以下公式均參照[17]根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為: 式中: —活塞桿上的推力，N —彈簧反作用力，N —氣缸工作時的總阻力，N —氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計算: 式中: — 彈簧剛度，N/m — 彈簧預(yù)壓縮量，m 一 活塞行程，m — 彈簧鋼絲直徑，m —彈簧平均直徑，m — 彈簧外徑，m — 彈簧有效圈數(shù) 一彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: 代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 3677.46 220.6 所以： 查有關(guān)手冊圓整，得 由，可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑 校核，按公式 有: 其中，, 則: 所以滿足設(shè)計要求。 C．缸筒壁厚的設(shè)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(nèi)徑之比小于或等于1/10，根據(jù)[17]其壁厚可按薄壁筒公式計算: 式中: — 缸筒壁厚，mm D—氣缸內(nèi)徑，mm —實驗壓力，取, Pa 材料為:ZL3, 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: 取，則缸筒外徑為: 根據(jù)以上計算選擇氣缸型號為：QGSD q 40×100 B LB 其中：QGSD- 普通型單作用氣缸； q –派生氣缸代號：q=彈簧前置型； 40- 汽缸內(nèi)徑； 100- 氣缸行程； B –緩沖：B=緩沖可調(diào)； LB- 安裝方式：LB=軸向底座； 3.2.12 回轉(zhuǎn)氣缸設(shè)計計算 實現(xiàn)機械手手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。在本機械手中，手臂回轉(zhuǎn)裝置由回轉(zhuǎn)缸體、轉(zhuǎn)軸、定片、回轉(zhuǎn)定位塊、回轉(zhuǎn)中間定位塊和回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器(此部件位置參見附圖)等組成。當(dāng)壓縮空氣通過管路分別進(jìn)入手臂回轉(zhuǎn)氣缸的兩腔時，推動動片連同轉(zhuǎn)軸一同回轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過平鍵而帶動升降氣缸活塞軸、定位塊聯(lián)接盤、導(dǎo)向桿、定位拉桿、升降缸體和轉(zhuǎn)柱等同步回轉(zhuǎn)。因轉(zhuǎn)柱和手臂用螺栓連接，故手胃亦作回轉(zhuǎn)運動。 手臂回轉(zhuǎn)氣缸采用矩形密封圈來密封，密封性能較好，對氣缸孔的機械加工精度也易于保證。 手臂回轉(zhuǎn)運動采用多點定位緩沖裝置，其工作原理見回轉(zhuǎn)用液壓緩沖器部分。手臂回轉(zhuǎn)角度的大小，通過調(diào)整兩塊回轉(zhuǎn)定位塊和回轉(zhuǎn)中間定位塊的位置而定。在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的工作原理如圖3-10所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。 圖3-10 回轉(zhuǎn)氣缸示意圖 參照[17]單葉片氣缸的壓力p和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為： （3-13） 或 式中: M- 回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩; P- 回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力; R- 缸體內(nèi)壁半徑; r- 輸出軸半徑; b- 動片寬度. 上述驅(qū)動力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)代以工作壓力與背壓之差。 根據(jù)以上計算選擇回轉(zhuǎn)氣缸型號為：QGH 2 50×180 B F S R 其中：QGH- 齒桿式回轉(zhuǎn)擺動氣缸； 2 - 派生氣缸代號：2=雙出軸； 50- 氣缸內(nèi)徑； 180- 回轉(zhuǎn)動擺動角度； B –緩沖：B=可調(diào)緩沖； F – 法蘭； S – 單桿基本型； R – 耐熱型；R=采用氟橡膠密封件，最高耐溫200°。 - 28 -