第3章夾緊氣缸的設(shè)計3.1認識其他類型氣缸3.2認識氣壓馬達3.3夾緊氣缸的設(shè)計返回3.1認識其他類型氣缸圖3-1為某機床上的夾緊裝置示意圖。它用氣缸作為夾緊動力裝置，氣缸伸出時夾緊工件，氣缸收回時松開工件。裝置所需的夾緊力為4500N,供氣壓力為0.7MPa，氣缸行程為600mm，現(xiàn)需確定該夾緊裝置選用什么氣缸?氣缸的缸徑及活塞桿直徑有多大?本項目分3個學習任務，以實現(xiàn)對該裝置的夾緊氣缸的設(shè)計。通過本項目的實施，要求達到如下的目標。3.1.1氣缸的類型一、氣缸的分類(1)按壓縮空氣在活塞端面作用力的方向不同，氣缸可分為單作用氣缸和雙作用氣缸。下一頁返回3.1認識其他類型氣缸(2)按結(jié)構(gòu)特點不同，氣缸可分為活塞式、薄膜式等，具體分類如圖3-2所示。(3)按安裝方式不同，分為耳座式、法蘭式、耳環(huán)式、耳軸式等。(4)按有無緩沖裝置，分為無緩沖、單側(cè)緩沖、雙側(cè)緩沖等。(5)按尺寸分類，分為微型氣缸(缸徑為2.5~6mm)、小型氣缸(缸徑為8~25mm)、中型氣缸(缸徑為32~320mm、大型氣缸(缸徑大于320mm)等。常用的氣缸圖形符號如表3-1所示。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸二、其他氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理1.雙活塞桿雙作用氣缸雙活塞桿雙作用氣缸的結(jié)構(gòu)與單活塞桿雙作用氣缸基本相同，只是活塞兩側(cè)都裝有活塞桿，其結(jié)構(gòu)和圖形符號如圖3-3所示。因兩端活塞桿直徑相同，所以活塞往復運動的速度和輸出力相等，這種氣缸常用于氣動加工機械及包裝機械設(shè)備上。2.膜片式氣缸膜片式氣缸如圖3-4所示。它由膜片取代了活塞，活塞桿連接在膜片的正中央。氣缸利用膜片的變形使活塞桿前進，活塞桿的位移較小。這種氣缸的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，維修方便，密封性能好，制造成本低，廣泛應用于生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)器上。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸3.緩沖氣缸氣缸在行程末端的運動速度較大時，為了防止活塞與氣缸端蓋發(fā)生碰撞，必須設(shè)置緩沖裝置。在圖3-5所示的緩沖氣缸中，氣缸兩側(cè)都設(shè)置了緩沖裝置。在活塞到達行程終點前，緩沖柱塞將柱塞孔堵死。當活塞再向前運動時，被封閉在缸內(nèi)的空氣因被壓縮而吸收運動部件的慣性力所產(chǎn)生的動能，從而使運動速度減慢。在實際應用中，常使用節(jié)流閥將封閉在氣缸內(nèi)的空氣緩慢地排出。當活塞反向運動時，壓縮空氣經(jīng)單向閥進入氣缸，因而能正常啟動。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸調(diào)節(jié)節(jié)流閥打開的程度，可調(diào)節(jié)緩沖效果，控制氣缸行程終端的運動速度，因而稱為可調(diào)緩沖氣缸;若為固定節(jié)流口，其開口度不可調(diào)，即為固定緩沖氣缸。氣缸的緩沖方式和緩沖原理如表3-2所示。4.擺動氣缸擺動氣缸是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闅飧纵敵鲚S的有限回轉(zhuǎn)機械能的一種氣缸。它多用于安裝位置受到限制或轉(zhuǎn)動角度小于360°的回轉(zhuǎn)工作部件，如夾具的回轉(zhuǎn)、閥門的開啟、轉(zhuǎn)塔車床、轉(zhuǎn)塔刀架的轉(zhuǎn)位和自動線上物料的轉(zhuǎn)位等場合。單葉片擺動氣缸的工作原理圖如圖3-6所示。定子3與缸體4固定在一起，葉片1和轉(zhuǎn)子2(輸出軸)連接在一起。當左腔進氣時，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動;反之，轉(zhuǎn)子則逆時針轉(zhuǎn)動。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸5.氣一液阻尼缸氣一液阻尼缸由氣缸和液壓缸組合而成，以壓縮空氣為動力，利用油液的不可壓縮性和控制流量來獲得活塞的平穩(wěn)運動并調(diào)節(jié)活塞的運動速度。與普通氣缸相比，它傳動平穩(wěn)、定位精確、噪聲小;與液壓缸相比，它不需要液壓源且經(jīng)濟性好。由于它同時具有氣缸和液壓缸的優(yōu)點，因此得到了越來越廣泛的應用。串聯(lián)型氣一液阻尼缸的工作原理圖如圖3-7所示。它將液壓缸和氣缸串聯(lián)成一個整體，兩個活塞固定在一根活塞桿上。當氣缸右腔供氣時，活塞克服外載并帶動液壓缸活塞向左運動。此時液壓缸左腔排油，油液只能經(jīng)節(jié)流閥1緩慢流回右腔，對整個活塞的運動起到阻尼作用。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸因此，調(diào)節(jié)節(jié)流閥就能達到調(diào)節(jié)活塞運動速度的目的。當壓縮空氣進入氣缸左腔時，液壓缸右腔排油，此時單向閥3開啟，活塞能快速返回。油箱2的作用只是用來補充液壓缸因泄漏而減少的油量，因此改用油杯也可以。三、標準氣缸簡介標準氣缸是指氣缸的功能和規(guī)格是普遍使用的、結(jié)構(gòu)容易制造的、制造廠通常作為通用產(chǎn)品供應市場的氣缸。這種氣缸從結(jié)構(gòu)到參數(shù)都已標準化、系列化。1.標準氣缸的主要參數(shù)標準氣缸的主要參數(shù)是缸徑D和行程L。因為在一定的氣源壓力下，缸徑D標記氣缸活塞桿的理論輸出力，行程L標記氣缸的作用范圍。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸2.標準氣缸的標記和系列標準氣缸使用的標記是用符號“QG‘’表示氣缸，用符號“A、B、C、D、H”表示5種系列。具體的標記方法是:5種標準化氣缸系列為:①Q(mào)GA—無緩沖普通氣缸;②QGB—細桿(標準桿)緩沖氣缸;③QGC—粗桿緩沖氣缸;④QGD—氣一液阻尼缸;⑤QGH—回轉(zhuǎn)氣缸。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸3.1.2氣缸的選用一、預選氣缸的缸徑1.根據(jù)氣缸的負載狀態(tài)，確定氣缸的軸向負載力F負載力是選擇氣缸時的最主要因素。負載狀況不同，作用在活塞桿軸向的負載力也不同。負載力跟負載狀態(tài)的關(guān)系如表3-3所示。2.根據(jù)負載的運動狀態(tài)，預選氣缸的負載率η氣缸的負載率η是指氣缸活塞桿受到的軸向負載力F與氣缸的理論輸出力F0之比。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸氣缸的負載率η跟負載的運動狀態(tài)有關(guān)，可參考表3-4選取。3.根據(jù)氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力PP應小于減壓閥進口壓力的85%。4.選定缸徑D已知F、η和P，對單作用氣缸，預設(shè)桿徑與缸徑之比d/D=0.5，根據(jù)氣缸理論輸出力的計算公式和負載率計算公式，選定缸徑幾對雙作用氣缸預設(shè)桿徑與缸徑之比d/D=0.3~0.4，同樣使用氣缸理論輸出力的計算公式和負載率計算公式，選定缸徑D。缸徑D的尺寸應標準化。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸氣缸的理論輸出力是指氣缸處于靜止狀態(tài)時，空氣壓力作用在活塞有效面積上產(chǎn)生的推力或拉力，計算公式如表3-6所示。5.選定活塞桿直徑對單作用氣缸，預設(shè)桿徑與缸徑之比d/D=0.5;對雙作用氣缸，預設(shè)桿徑與缸徑之比d/D=0.3~0.4。活塞桿直徑d應圓整，圓整值如表3-7所示。二、預選氣缸行程根據(jù)氣缸的操作距離及傳動機構(gòu)的行程比來預選氣缸的行程。為便于安裝調(diào)試，對計算出的行程要留有適當余量。應盡量選為標準行程，降低成本。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸三、選擇氣缸的品種根據(jù)氣缸承擔任務的要求來選擇氣缸的類型。例如，要求氣缸到達行程終端無沖擊現(xiàn)象和撞擊噪聲，應選緩沖氣缸;要求安裝空間窄且行程短，可選薄型缸;有橫向負載，可選帶導桿氣缸;要求制動精度高，應選鎖緊氣缸;除活塞桿做直線往復運動外，還需缸體做擺動，可選耳軸式或耳環(huán)式安裝方式的氣缸等。選好氣缸類型和尺寸后，還要驗算是否有橫向負載超過活塞桿的承受能力，確定氣缸的安裝方式，選擇接頭、配管以及元件等。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸3.1.3氣缸的維護(1)要使用清潔干燥的壓縮空氣，空氣中不得含有有機溶劑的合成油、鹽分、腐蝕性氣體等，以防止缸、閥動作不良。(2)給油潤滑氣缸應配置流量合適的油霧器;不給油潤滑氣缸因缸內(nèi)預加了潤滑脂，則可以長期使用。(3)缸筒和活塞桿的滑動部位不得受損傷，以防止氣缸動作不良、損壞活塞桿密封圈等造成漏氣。上一頁下一頁返回3.1認識其他類型氣缸(4)緩沖閥處應留出適當?shù)木S護調(diào)整空間，而磁性開關(guān)等應留出適當?shù)陌惭b調(diào)整空間。(5)氣缸若長期放置不用，應一個月動作一次，并涂油保護以防銹。(6)若氣缸用于工作頻繁、振動大的場合，安裝螺釘和各個連接部位要采用防松措施。上一頁返回3.2認識氣壓馬達3.2.1氣壓馬達的類型氣壓馬達因結(jié)構(gòu)不同，可分為容積型和速度型，如圖3-8所示。容積型氣壓馬達是利用壓力空氣的壓力能量;速度型氣壓馬達是利用壓縮空氣的壓力和速度的能量。容積型氣壓馬達使用在一般機械上;速度型氣壓馬達用在超高速回轉(zhuǎn)裝置上。一、葉片式氣壓馬達葉片式氣壓馬達的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的中心和外毅中心有一個偏心量，轉(zhuǎn)子上有槽孔，葉片(3~10片)插入轉(zhuǎn)子圓周的槽孔內(nèi)。葉片在徑向方向滑動并與內(nèi)毅表面密封，利用流入葉片和葉片之間的空氣使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。槽孔底部裝有彈簧或加以預緊力以使葉片在馬達啟動之前得以與內(nèi)毅表面密接，適當?shù)碾x心力更可得到較好的氣密性。下一頁返回3.2認識氣壓馬達葉片式氣壓馬達結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-9所示。葉片式氣壓馬達構(gòu)造簡單，價格低廉，適用于中容量高速的地方。二、齒輪式氣壓馬達齒輪式氣壓馬達是使壓縮空氣作用在兩個嚙合的齒輪的齒廓，迫使齒輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生扭矩。齒輪式氣壓馬達可作為極高功率(44kW)的傳動機器使用，正逆轉(zhuǎn)容易。最高轉(zhuǎn)速可達10000r/min。齒輪式氣壓馬達結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-10所示。三、活塞式氣壓馬達活塞式氣壓馬達是利用壓縮空氣作用在活塞端面上，借助連桿、曲軸等構(gòu)件將活塞力轉(zhuǎn)變?yōu)轳R達軸的回轉(zhuǎn)，其輸出功率的大小與輸入空氣壓力、活塞的數(shù)目、活塞面積、行程長度、活塞速度等因素有關(guān)。上一頁下一頁返回3.2認識氣壓馬達活塞式氣壓馬達一般用在中、大容量及需要低速回轉(zhuǎn)的地方，啟動轉(zhuǎn)矩較好。依其構(gòu)造，可分為軸向活塞式和徑向活塞式兩種，其結(jié)構(gòu)圖分別如圖3-11和圖3-12所示。四、渦輪式氣壓馬達渦輪式氣壓馬達如圖3-13所示。壓縮空氣直接吹在輪葉上，將壓縮空氣的速度能和壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運動。渦輪式氣壓馬達一般用于高速低轉(zhuǎn)矩的場合，其速度可達到2000~4000r/min。牙醫(yī)使用的氣鉆，其轉(zhuǎn)速可達到15000r/min。上一頁下一頁返回3.2認識氣壓馬達3.2.2氣壓馬達的特點與選用一、氣壓馬達的特點①具有過載保護作用。過載時馬達降低轉(zhuǎn)速或停止，過載解除后即可重新正常運轉(zhuǎn);②可以實現(xiàn)無級調(diào)速。通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的打開程度控制調(diào)節(jié)壓縮空氣的流量，就能控制調(diào)節(jié)馬達的轉(zhuǎn)速;③能夠正反向旋轉(zhuǎn)。改變進氣和排氣方向就能實現(xiàn)馬達正反向的轉(zhuǎn)換，而且換向時間短、沖擊小;④啟動力矩較高?？芍苯訋迂撦d啟動，啟停迅速，而且可長時間滿載運行，溫升較小;上一頁下一頁返回3.2認識氣壓馬達⑤工作安全且能適應惡劣的工作環(huán)境。在易燃、易爆、高溫、振動、潮濕、粉塵等不利條件下都能正常工作;⑥功率范圍及轉(zhuǎn)速范圍較寬，功率小到幾百瓦，大到幾萬瓦;⑦耗氣量大，效率低，噪聲大。二、氣壓馬達的選擇方法和使用要求1.氣壓馬達的選擇上一頁下一頁返回3.2認識氣壓馬達不同類型的氣壓馬達具有不同的特點和適用范圍，主要根據(jù)負載的狀態(tài)要求來選擇適用的氣壓馬達。不同類型的氣壓馬達的特點和適用范圍如表3-8所示。2.氣壓馬達的使用要求①應不間斷地進行潤滑，否則會因發(fā)熱而降低功率;②應盡量減少排氣一側(cè)的背壓。上一頁返回3.3夾緊氣缸的設(shè)計圖3-1為某機床上的夾緊機構(gòu)示意圖，它用氣缸作為夾緊動力裝置，氣缸伸出時夾緊工件，氣缸收回時松開工件。所需的夾緊力為4500N，供氣壓力為0.7MPa，氣缸行程為600mm，要求確定該氣缸的類型、缸徑及活塞桿直徑。一、任務分析在選擇這個夾緊裝置時一般先確定氣動執(zhí)行元件的類型，是選擇氣缸還是氣動馬達，再確定它的種類及具體的結(jié)構(gòu)。為使選出的執(zhí)行元件正確、合理，必須掌握執(zhí)行元件的類型、工作原理、結(jié)構(gòu)及選擇的方法。選擇圖3-1所示夾緊機構(gòu)元件的步驟為:確定氣動執(zhí)行元件類型一計算氣缸內(nèi)徑及活塞桿直徑一對計算出的直徑進行圓整一根據(jù)圓整值確定氣缸型號。下一頁返回3.3夾緊氣缸的設(shè)計二、設(shè)計步驟(1)熟悉氣缸的種類和結(jié)構(gòu)特點。(2)小組根據(jù)設(shè)計要求討論和確定設(shè)計方案。(3)完成相關(guān)的設(shè)計報告。三、設(shè)計參考方案因為該夾緊機構(gòu)需要實現(xiàn)往復直線運動，所以選擇活塞式氣缸作為夾緊動力裝置。已知夾緊力K=4500N，供氣壓力p=0.7MPa，氣缸行程為600mm，則負載力F=K=4500N，選用η=50%。上一頁下一頁返回3.3夾緊氣缸的設(shè)計根據(jù)公式圓整后取D=160mm。因為雙作用氣缸預設(shè)桿徑與缸徑之比d/D=0.3~0.4，所以，活塞桿直徑d=(0.3~0.4)D=(0.3~0.4)x160=(48~64)mm，圓整取d=50mm。最后，根據(jù)缸徑D和活塞桿直徑d選擇某一廠家的氣缸的具體型號，其中，有效行程為600mm。上一頁下一頁返回3.3夾緊氣缸的設(shè)計四、問題探究(1)缸徑和活塞桿直徑為什么需要標準化?(2)查詢資料，試確定氣缸的安裝方式。上一頁返回圖3-1夾緊裝置示意圖返回圖3-2氣缸按結(jié)構(gòu)特點分類返回表3-1常用氣缸的圖形符號返回表3-1常用氣缸的圖形符號(續(xù))返回圖3-3雙活塞桿