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第九章气动执行元件 第一节气缸第二节气动马达第三节气缸的选择和使用要求 1 按结构分类直线运动气缸摆动式 一 气缸的分类 第一节气缸 2 按缸径分类 微型气缸 小型气缸 中型气缸 大型气缸 3 按安装形式分类 1 固定式气缸 2 轴销式气缸 4 按驱动方式分类 有单作用气缸和双作用气缸两种 5 按缓冲形式分类 1 缓冲气缸 有单侧缓冲和双侧缓冲形式 2 无缓冲气缸 6 按润滑方式分类 1 给油气缸 2 不给油气缸 第一节气缸 二 普通气缸 1 单作用气缸 压缩空气只能在一个方向上控制气缸活塞的运动 活塞的反向动作则靠一个复位弹簧或施加外力来实现 所以称为单作用气缸 有预缩型和预伸型两种 第一节气缸 单作用气缸的特点如下 1 由于单边进气 因此结构简单 耗气量小 2 缸内安装了弹簧 增加了气缸长度 缩短了气缸的有效行程 由于受内装回程弹簧自由长度的影响 其行程长度一般在100mm以内 3 借助弹簧力复位 使压缩空气的能量有一部分用来克服弹簧张力 减小了活塞杆的输出力 而且输出力的大小和活塞杆的运动速度在整个行程中随弹簧的变形而变化 因此单作用气缸多用于行程较短以及对活塞杆输出力和运动速度要求不高的场合 第一节气缸 2 双作用气缸 双作用气缸被活塞分成两个腔室 有杆腔和无杆腔 通过无杆腔和有杆腔交替进气和排气 活塞杆伸出和缩回 气缸实现往复直线运动 1 后缸盖2 缓冲节流针阀3 7 密封圈4 活塞密封5 导向环6 磁性环8 活塞9 缓冲柱塞10 活塞杆11 缸筒12 缓冲密封圈13 前缸盖14 导向套15 防尘组合密封圈 第一节气缸 第一节气缸 三 标准气缸 做为标准化 系列化 通用化的产品 气动生产厂商生产的气缸尺寸系列基本上都是符合国际标准的 其功能和规格是用户普遍采用并可被用户自由选择的 这为气动产品的使用与维护带来了方便 第一节气缸 四 气缸的规格 1 缸径 气缸缸径尺寸系列 mm 注 括号内数据为非优先选项 气缸的缸筒内径D和活塞行程L是气缸的两个重要参数 通常作为选择气缸的基本依据 第一节气缸 2 气缸活塞行程 气缸活塞行程系列按照优先次序分成三个等级顺序选用 活塞行程第一优先系列 mm 活塞行程第二优先系列 mm 活塞行程第三优先系列 mm 第一节气缸 3 活塞杆外径尺寸系列 气缸活塞杆外径尺寸系列 mm 五 普通气缸的设计计算 1 气缸的输出力 普通双作用气缸无杆腔进气有杆腔排气时的理论推力为 式中F 气缸无杆腔进气有杆腔排气时的理论推力 p 工作压力 单位为Pa D 缸径 单位为m 第一节气缸 普通双作用气缸有杆腔进气无杆腔排气时的理论拉力为 五 普通气缸的设计计算 1 气缸的输出力 式中d 活塞杆直径 单位为m 普通单作用气缸 预缩型 理论推力为 式中Ft 弹簧预压量及气缸行程所产生的弹簧力 单位为N 第一节气缸 普通单作用气缸 预伸型 理论拉力为 1 气缸的输出力 2 气缸的负载率 从对气缸运行特性的研究可知 要精确确定气缸的实际输出力是困难的 于是在分析气缸性能和确定气缸的输出力时 常用到负载率的概念 气缸的负载率定义为 第一节气缸 2 气缸的负载率 第一节气缸 3 缸径计算 气缸缸径的设计计算需根据其负载大小 运行速度和系统工作压力来决定 首先 根据气缸安装及驱动负载的实际工况 分析计算出气缸轴向实际负载F 再由气缸平均运行速度来选定气缸的负载率 初步选定气缸工作压力 一般为0 4MPa 0 6MPa 再由F 计算出气缸理论输出力Ft 最后计算出缸径及活塞杆直径 并按标准圆整得到实际所需的缸径和活塞杆直径 第一节气缸 例有一气缸推动工件在水平导轨上运动 已知工件和运动件的质量m 250kg 工件与导轨间的摩擦系数 0 25 气缸行程s为300mm 动作时间为1 2s 工作压力P 0 4MPa 试选定缸径D 3 缸径计算 第一节气缸 3 缸径计算 第一节气缸 4 气缸的耗气量计算 气缸的耗气量是指气缸往复运动时所消耗的压缩空气量 它是选择空压机排量的重要参数 以单杆双作用活塞气缸为例 活塞杆伸出和返回行程的耗气量分别为 活塞往复一次所耗压缩空气量为 第一节气缸 若活塞一个往返行程所用时间为t 则单位时间内活塞运动的耗气量为 4 气缸的耗气量计算 实际耗气量为 未经压缩的自由空气的消耗量要比该值大 当实际消耗的压缩空气量为Vs时 其自由空气的耗气量Vsz可用下式计算 式中P 工作压力 单位为MPa 第一节气缸 六 无杆气缸 机械耦合式无杆气缸 没有活塞杆 它利用活塞直接或间接地驱动缸筒上的滑块 实现往复运动 特点 节省安装空间 特别适用于小缸径8 80mm场合 长行程的场合 而且运动精度高 与其他气缸组合方便 其最大行程在缸径不小于40mm时可达6m 运动速度可高达2m s 有较大的承载能力和抗力矩能力 活塞与滑块不会脱开 但可能有轻微泄漏 应用 在自动化系统 气动机器人中大量应用 第一节气缸 结构原理 机械接触式无杆气缸1 节流阀2 缓冲柱塞3 防尘不锈钢带4 密封带5 活塞6 滑块7 活塞架 第一节气缸 机械接触式无杆气缸 机械接触式无杆气缸 第一节气缸 七 磁感应气缸 磁性耦合无杆气缸 实质 也是一种无杆气缸 所以称为磁性耦合无杆气缸 特点 质量轻 结构简单 占用空间小 无外泄露 维护保养方便 但当速度快 负载大时 外部限位器使负载停止时因惯性过大 内外磁环不易吸住 活塞与外部滑块有脱开的可能 且磁性耦合的无杆气缸中间不可能增加支承点 因此最大行程受到限制 注意 实际使用中一般对滑块要加导向装置 提高承受回转扭矩的能力 第一节气缸 磁性耦合无杆气缸1 套筒2 外磁环 永久磁铁 3 外磁导板4 内磁环 永久磁铁 5 内磁导板6 压盖7 卡环8 活塞9 活塞连接轴10 缓冲柱塞11 气缸筒12 端盖13 进 排气孔 第一节气缸 磁性耦合无杆气缸 第一节气缸 八 带磁性开关的气缸 特点 又称开关气缸 这是一种在气缸活塞上装有磁环 永久磁铁 在气缸的缸筒外侧直接装有磁性行程开关 利用磁性行程开关来检测气缸活塞位置的一种气缸 除活塞上装有一个永久性磁环外 气缸其他结构原理和一般气缸相同 但缸筒必须是导磁性弱 隔磁性强的材料 如铝合金 不锈钢 黄铜等 其特点是使位置检测方便 结构紧凑 利于机电一体化 第一节气缸 带磁性开关的气缸示意图1 状态指示灯2 舌簧开关3 保护电路4 开关壳体5 导线6 活塞7 密封圈8 磁环9 缸筒 结构原理 应用注意事项 无论何种行程开关在使用时都必须了解它的开关性能 当行程开关所带的感性负载 如电磁阀 继电器 断开时 在断开的瞬间会产生一个脉冲电压 这将损害行程开关的舌簧片电极而影响工作的可靠性 因此行程开关必须带保护电路 电子舌簧式行程开关 气动舌簧式行程开关和非接触式电感行程开关 八 带磁性开关的气缸 第一节气缸 九 摆动气缸 摆动气缸 是利用压缩空气驱动输出轴做往复摆动的气动执行元件 特点与应用 气缸摆角范围小于360 目前在工业上应用广泛 多用于安装位置受到限制或转动角度小于360 的回转工作部件 比如物体的转位 工件的翻转 阀门的开闭等场合 常用的摆动气缸的最大摆动角度分为90 180 270 三种规格 类型 按结构特点可分为叶片式 齿轮齿条式两大类 第一节气缸 叶片式摆动气缸 工作原理 九 摆动气缸 1 叶片式 第一节气缸 十 气爪 手指气缸 气爪是一种变型气缸 可以实现各种抓取功能 是气动机械手中的重要部件 常在搬运 传送工件的机构中 用来抓取 拾放物体 从而将物体从一点移到另一点 气爪的主要类型 有平行气爪 摆动气爪和旋转气爪 第一节气缸 1 平行气爪 特点 两个气爪只能对心移动 每个气爪不能单独移动 这种气爪能输出很大的抓取力 可以用于内抓取 也可以用于外抓取 平行气爪 第一节气缸 2 摆动气爪 特点 两气爪可同时移动且自动对中 气爪的内 外抓取摆角范围为40 抓取力大 摆动气爪 第一节气缸 3 旋转气爪 特点 两个气爪可同时移动并自动对中 旋转气爪 第一节气缸 1 串联式气液阻尼缸 串联式气液阻尼缸的工作原理图1 负载2 液压缸3 节流阀4 单向阀5 油箱6 中盖7 气缸 十一 气 液阻尼缸 第一节气缸 2 并联式气液阻尼缸 液压缸与气缸并联 用刚性联接板相联 其工作原理与串联式气液阻尼缸相同 并联式气液阻尼缸的工作原理图 第一节气缸 气动马达 将压缩空气的液压能转换为气动执行元件回转运动的机械能的能量转换装置 气动马达结构形式 叶片式 活塞式和齿轮式 1 气动马达的特点及应用 1 气动马达工作安全 2 气动马达有很宽的功率和速度调节范围 3 正反转实现方便 4 气动马达具有结构简单 体积小 重量轻 操纵容易 维修方便等特点 其用过的空气不需处理 不会造成污染 第二节气动马达 5 具有过载保护性能 6 气动马达能长期满载工作 并且温升小 7 具有较高的启动转矩 可以直接带负载启动 8 叶片式气动马达因转速高 零部件磨损快 需及时检修 清洗或更换零部件 9 气动马达还具有输出功率小 耗气量大 效率低 噪声大和易产生振动等缺点 第二节气动马达 2 叶片式气动马达 1 工作原理 a b c 叶片式气动马达1 转子2 定子3 叶片 第二节气动马达 2 特点 叶片式气动马达体积小 重量轻 结构简单 但耗气量较大 一般用于中 小容量 高转速的场合 2 叶片式气动马达 3 应用 叶片式气动马达主要用于矿山机械和气动工具中如风钻 风扳手 风砂轮等 第二节气动马达 选用气缸的主要依据 工作压力范围 负载要求 工作行程 工作介质温度 环境条件 温度等 润滑条件及安装要求等 1 气缸的选择 第三节气缸的选择和使用要求 1 根据工作要求 选定气缸规格如缸径和行程 确定工作压力 2 根据使用目的 位置 环境确定气缸的品种和安装形式 3 根据运动速度选择气缸进 排气口及导管内径大小4 验算缓冲能力 5 选择气缸安装方式 6 选择磁性开关 2 气缸的使用要求 1 气缸的一般正常工作条件为周围环境及介质温度在 35 C 80 C范围内 但要保证不冻结 工作压力在0 4 0 6MPa范围内 2 安装前应在1 5倍的工作压力下试压 不应泄漏 3 注意合理润滑 除无油润滑气缸外 应正确设置