氣壓傳動及控制

—氣動執(zhí)行元件什么是氣動系統(tǒng)執(zhí)行元件？氣動系統(tǒng)的執(zhí)行元件:將壓縮空氣的壓力能轉化為機械能，驅動機構實現(xiàn)直線往復運動、擺動、旋轉運動或沖擊動作的元件。氣動執(zhí)行元件分為氣缸和氣動馬達兩大類。氣缸用于實現(xiàn)直線往復運動（直線氣缸）或擺動（擺動氣缸），輸出力或力矩，以及輸出直線或擺動位移。氣動馬達用于實現(xiàn)連續(xù)回轉運動，輸出力矩和角位移。氣缸的典型結構和工作原理

氣動系統(tǒng)中最常使用的是單活塞桿雙作用氣缸，其典型結構如上圖所示。它由缸筒、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封件等組成。這種雙作用氣缸被活塞分成有桿腔和無桿腔。有活塞桿的腔室稱為有桿腔，無活塞桿的腔室稱為無桿腔。氣缸--氣缸的原理及分類單出桿雙作用氣缸是最常見的氣缸，對應不同的使用條件和要求有各種形式的氣缸。氣缸--氣缸的原理及分類當從無桿腔輸入壓縮空氣時，有桿腔排氣，氣缸兩腔的壓力差作用在活塞上所形成的力克服各種阻力負載推動活塞前進，使活塞桿伸出；當無桿腔排氣，有桿腔進氣時，活塞桿縮至初始位置。有桿腔和無桿腔交替進氣和排氣，活塞實現(xiàn)往復直線運動。氣缸的分類

氣缸的種類很多，分類的方法也不同。通?？梢园磯嚎s空氣作用在活塞端面上的方向、結構特征及使用功能等來分類。氣缸--氣缸的原理及分類氣缸--氣缸的原理及分類按壓縮空氣作用在活塞端面上的方向分類：單作用氣缸：是指壓縮空氣僅在氣缸的一端進氣，推動活塞向一個方向運動，活塞的返回則借助于彈簧力、膜片張力、活塞桿的自重或外力來實現(xiàn)。借助彈簧力時可分彈簧壓出和彈簧壓回兩種方式。雙作用氣缸：是指壓縮空氣交替從氣缸兩端進入，推動活塞作往復運動。雙作用氣缸又可分為單出桿和雙出桿兩種。雙出桿氣缸活塞兩側受壓面積相同，兩個方向各參數對稱，容易調整兩個方向速度相同，便于控制。但需要空間將近時是單出桿氣缸的兩倍。氣缸--氣缸的原理及分類單作用氣缸彈簧壓出彈簧壓入雙作用氣缸單出桿雙出桿按氣缸的結構特征分類：氣缸--氣缸的原理及分類活塞式氣缸膜片式氣缸按氣缸的功能分類：普通氣缸：包括單作用式和雙作用式氣缸。常用于無特殊要求的場合。緩沖氣缸：氣缸的一端或兩端帶有緩沖裝置，以防止和減輕活塞運動到端點時對氣缸缸蓋的撞擊。高速氣缸：活塞運動速度超過500mm/s，一般在1-3m/s之間。低摩擦氣缸：氣缸內系統(tǒng)摩擦力的大小會直接影響氣缸運動的穩(wěn)定性。減小摩擦力的措施有：降低缸筒內表面和活塞桿外表面等滑動表面的粗糙度值；減小密封圈的接觸面積；采用低摩擦系數的材料等。耐熱氣缸：用于環(huán)境溫度為120～150℃，其氣缸密封圈、活塞上導向環(huán)和緩沖墊等均需用耐熱材料，如密封圈和緩沖墊用氟橡膠，導向環(huán)用聚四氟乙烯。耐腐蝕氣缸：用于有腐蝕性環(huán)境下工作。其氣缸外漏表面的零件均需用防腐性材料，如缸筒、活塞桿、端蓋和拉桿等選用不銹鋼等制作，根據腐蝕狀況可選用不同的耐腐蝕材料。氣缸--氣缸的原理及分類按氣缸的安裝形式可分為：固定式氣缸：氣缸安裝在機體上固定不動，有基本型、腳座型和法蘭型。擺動式氣缸：耳環(huán)型和耳軸型，缸體圍繞固定軸可作一定角度的擺動?；剞D式氣缸

缸體固定在機床主軸上，可隨機床主軸作高速旋轉運動。這種氣缸常用于機床上氣動卡盤中，以實現(xiàn)工件的自動裝卡。

嵌入式氣缸：氣缸缸筒直接制作在夾具體內。氣缸--氣缸的原理及分類氣缸--氣缸的原理及分類固定式氣缸氣缸--氣缸的原理及分類擺動式氣缸兩種密封原理：壓縮密封、氣壓密封氣缸--氣缸的原理及分類氣缸--氣缸的原理及分類壓縮密封圈特點預壓縮量越大，密封性越好，但摩擦阻力也越大。能雙向密封。氣壓密封圈特點氣壓越高，密封性越好。只能單向密封，雙作用氣缸活塞上必須裝兩個。唇部對磨損有自補償作用。氣缸為什么有緩沖？當活塞運動到行程終端的速度較大，且有一定的質量負載，這時如果沒有緩沖，活塞會撞擊端蓋造成氣缸損壞。氣缸--氣缸的緩沖緩沖方式：無緩沖、墊緩沖、氣緩沖和液壓緩沖器。這幾種緩沖方式的緩沖能力由弱到強。氣缸--氣缸的緩沖緩沖方式緩沖原理適合場合無緩沖適合微型缸、小型單作用氣缸和中小型薄型缸墊緩沖在活塞兩側設置聚氨酯橡膠墊，吸收動能適合缸速不大于750mm/s的中小型氣缸和缸速不大于1000mm/s的單作用氣缸氣緩沖將活塞運動的動能轉化成密封氣室的壓力能適合缸速不大于500mm/s的大中型氣缸和缸速不大于1000mm/s的中小型氣缸液壓緩沖器將活塞運動的動能傳遞給液壓緩沖器，轉化成熱能和油液的彈性能適合缸速大于1000mm/s的氣缸和缸速不大的高精度氣缸氣缸--氣缸的緩沖氣緩沖的原理氣缸--有關氣缸的幾個基本概念氣缸的理論輸出力氣缸向外伸出時的理論輸出力為：氣缸--有關氣缸的幾個基本概念氣缸的實際輸出力由于活塞等運動部件的慣性力以及密封等部分的摩擦力，活塞桿的實際輸出力小于理論推力，稱這個推力為氣缸的實際輸出力。

F實——氣缸的實際推力（N）；R——摩擦阻力（N）；m——活塞等運動部件的質量（kg）；a——進氣側和排氣側壓縮空氣壓力（m/s2）。

氣缸--有關氣缸的幾個基本概念氣缸的效率氣缸的效率是氣缸的實際推力和理論推力的比值。氣缸--有關氣缸的幾個基本概念氣缸的效率取決于密封的種類，氣缸內表面和活塞桿加工的狀態(tài)以及潤滑狀態(tài)如何。此外，氣缸的運動速度、排氣側壓力、外載荷狀況及管道狀態(tài)等都對會效率產生一定的影響。

氣缸的效率曲線氣缸--有關氣缸的幾個基本概念氣缸耗氣量

氣缸的耗氣量是氣缸每分鐘消耗的空氣的量。一般情況下，氣缸的耗氣量是指耗自由空氣量。

氣缸--有關氣缸的幾個基本概念s——活塞行程（m）；p——壓縮空氣壓力（MPa）；n——每分鐘往復運動次數。A——活塞面積（m2）雙作用取兩側面積之和

氣缸的實際耗氣量要比上式計算的多，取計算值的1.2-1.5倍。氣缸的耗氣量可分為最大耗氣量和平均耗氣量。最大耗氣量是氣缸以最大速度運動時所需要的空氣流量。平均耗氣量是氣動系統(tǒng)的一個工作循環(huán)周期內所消耗的空氣的平均流量。平均耗氣量用于選用空壓機、計算運轉成本。最大耗氣量用于選定空氣處理元件、控制元件及配管尺寸。最大耗氣量和平均耗氣量之差用于選定氣罐的容積。氣缸--有關氣缸的幾個基本概念氣缸的使用壓力范圍：最低使用壓力，最高使用壓力最低使用壓力是指保證正常工作的最低供給壓力，氣缸能夠平穩(wěn)運動且泄漏量在允許范圍內。雙作用缸的最低使用壓力一般在0.05-0.1MPa單作用缸的最低使用壓力一般在0.15-0.25MPa最高使用壓力是指氣缸長時間在此壓力作用下能夠正常工作而不損壞的壓力。一般為1MPa。氣缸--有關氣缸的幾個基本概念耐壓性能：在氣缸的最高使用壓力1.5倍的壓力下保壓1min，保證氣缸的連接部位沒有松動，零件沒有永久變形或其他異?，F(xiàn)象。環(huán)境溫度和介質溫度：非磁性開關的氣缸：5-70℃，磁性開關氣缸：5-60℃溫度過高，密封材料會軟化，溫度過低密封材料會硬化，而且可能會結冰，氣缸動作不良。氣缸--有關氣缸的幾個基本概念氣缸的動態(tài)特性是指在氣缸運動過程中氣缸兩腔內空氣壓力，溫度，活塞位移、速度、加速度等參數的變化。它能真實地反映氣缸的工作性能。典型的氣動回路氣缸--氣缸的動態(tài)特性氣缸--氣缸的動態(tài)特性氣缸的模型由如下幾個方程描述：狀態(tài)方程：

能量方程：

氣缸--氣缸的動態(tài)特性氣缸的模型由如下幾個方程描述：運動方程：

節(jié)流口流量方程：氣缸--氣缸的動態(tài)特性氣缸--氣缸的動態(tài)特性當換向閥切換前，進氣腔中的氣體壓力為大氣壓。當換向閥切換后，進氣腔與氣源接通，因進氣腔容積小，氣體將很快充滿，壓力快速上升。排氣腔則不同，啟動前其腔中壓力為氣源壓力，因為排氣腔的容積大，腔中氣體壓力的下降速度要比進氣腔中壓力上升的速度緩慢的多。當兩腔的壓力差超過起動壓差后，氣缸就開始運動。起動以后，活塞所受的摩擦力從靜摩擦力轉為動摩擦力而變小，使活塞加速運動。由于活塞的運動，進氣腔容積相對增大，只要補充氣源充分，活塞就繼續(xù)運動。另一方面，排氣腔容積在不斷減小，在不斷排氣過程中腔中壓力繼續(xù)下降。活塞在兩腔壓力差作用下繼續(xù)前進。氣缸--氣缸的動態(tài)特性當氣缸行程較長，且活塞桿上有負載時，會產生進排氣速度與活塞速度相平衡的情況，這時壓力特性曲線將趨于水平，活塞在兩腔不變的壓力差的推動下勻速前進。當氣缸達到行程末端，排氣腔壓力急劇下降至大氣壓，進氣腔壓力上升至氣源壓力。在氣缸到達末端時，往往速度很高，容易造成氣缸的沖擊。因而在氣缸的設計中要考慮緩沖裝置。氣缸--氣缸的動態(tài)特性由于氣缸在整個運動過程中，進氣腔和排氣腔的壓力是在不斷變化的，因而推動活塞的力也比較復雜，再加上氣體的壓縮性，要使氣缸在全行程中保持勻速運動是困難的。氣缸在一般工作條件下，其平均速度在0.5m/s以下。氣缸的速度受到限制不是本身不能達到，而是由于緩沖能力不夠。氣缸--氣缸的動態(tài)特性由于氣缸中使用的氣體為可壓縮氣體，所以當外界加在氣缸活塞上的負載變化較大時，即使采用各種速度控制閥和各種調速回路，也難于實現(xiàn)氣缸速度的均勻和穩(wěn)定。當外界負載變化時，將引起氣缸內空氣壓力的變化，為了達到新的平衡，只能依靠缸內氣體的膨脹和壓縮來進行變動，此時可能出現(xiàn)氣缸忽走忽停的現(xiàn)象，稱之為氣缸的“爬行”。這實際上也是由氣體的可壓縮性引起的。當氣缸的運行速度過低時，也會出現(xiàn)氣缸的爬行現(xiàn)象，如果外界負載變化很大時，可能出現(xiàn)活塞不但不前進，反而后退的現(xiàn)象，稱為氣缸的“自走”。氣缸--氣缸的動態(tài)特性氣缸的選型一、選缸徑(1).根據負載的狀態(tài)，確定氣缸的軸向負載力F(2).根據負載的狀態(tài)，預選氣缸的負載率η負載率與負載的運動狀態(tài)氣缸--氣缸的選型及計算負載的運動狀態(tài)靜載荷(如夾緊)動載荷氣缸速度50-500mm/s氣缸速度>500mm/s負載率η<70%η<50%η<30%氣缸--氣缸的選型及計算氣缸負載率η氣缸的負載率是氣缸活塞桿受到的軸向負載力F與氣缸的理論出力F0之比。(3).計算氣缸的理論出力：

其中：F--氣缸的軸向負載力

F0--氣缸的理論出力(4).計算缸徑：根據氣源供氣條件，確定氣缸的使用壓力P，P應小于減壓閥入口壓力的85%。對單作用氣缸，預設桿徑與缸徑之比d/D=0.5，雙作用缸預選d/D=0.3-0.4。根據氣缸的理論輸出力公式可以得到D。氣缸--氣缸的選型及計算二、選行程

根據氣缸的操作距離及傳動機構的行程比來預選氣缸的行程。盡量選為標準行程。三、選氣缸作用方式單桿單作用氣缸：彈簧壓回型、彈簧壓出型單桿雙作用氣缸、雙桿雙作用氣缸。四、選擇氣缸品種（輕型、薄型、帶導桿等）和安裝方式（基本型、腳座型、法蘭型、耳環(huán)型和耳軸型等）氣缸--氣缸的選型及計算五、選緩沖方式：

根據最大速度和負載質量選擇，可分為：無緩沖、墊緩沖、氣緩沖和油壓減震器。六、選擇其他技術指標：

最高使用壓力，最低使用壓力、環(huán)境溫度和介質溫度等。七、選磁性開關八、選擇活塞桿端部接頭氣缸--氣缸的選型及計算活塞桿長度的驗算在氣缸工作過程中，活塞桿最好受拉力，但在很多場合，活塞桿是承受推力負載，對細長桿件受壓往往會產生彎曲變形，因此除需進行強度校驗外，有時還要進行穩(wěn)定性校驗。

強度檢驗使活塞桿所承受的應力小于材料的許用應力，即

式中F1——活塞桿上總推力（N）；

d——活塞桿直徑（m）； [σ]——活塞桿材料的許用應力（N/m2）。

則

氣缸--氣缸的選型及計算穩(wěn)定性校驗當活塞桿計算長度L＞10d時，需把氣缸整體當作細長桿件來處理，按縱向彎曲極限力計算。此時若軸向推力負載達到了極限值Fk后，極微小的干擾都會使活塞桿發(fā)生彎曲變形，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，這樣會影響甚至破壞氣缸的正常工作。因此必須對氣缸的穩(wěn)定性進行校驗。

L——活塞桿的計算長度（m）； E——材料的彈性模量，對鋼取E＝2.1×1011N/m2； n——活塞桿的安裝系數（0.25～4），與安裝形式有關

F——氣缸承受的軸向壓力（N），即氣缸理論推力；

m——安全系數（一般取2～6）。氣缸--氣缸的選型及計算高位置精度氣缸雙出桿氣缸將兩個單桿薄型氣缸并聯(lián)成一體，用于要求高精度導向的場合。能承受一定的橫向負載。帶導桿氣缸將與活塞桿平行的兩根導桿與氣缸組成一體。結構緊湊，導向精度高，能承受較大的橫向負載和力矩?？捎糜谳斔途€上工件的推出、提位和限位等。氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸無桿氣缸分為機械接觸式和磁性耦合式特點：沿行程方向節(jié)省安裝空間?？梢杂休^大的行程缸徑比，達50-200可以有較大的行程，MY1系列最長可達5m?；钊麅蓚仁軌好娣e相等。氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸制動氣缸用換向閥控制的氣缸一般只能在起始和末端位置停止，很難在中間位置準確地、剛度很大的停住。制動氣缸用于高精度的中途停止、異常事故的緊急停止和防止落下等，以確保安全。制動氣缸可分成制動塊式和斜板式。按制動方式可分成：彈簧制動，氣壓制動和彈簧加氣壓制動三種。氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸端鎖氣缸一般的氣缸在兩端停止后，如果負載變化較大，有一個較大的力推動氣缸，就可以拖動氣缸運動。這往往是我們不希望看到的。端鎖氣缸在氣缸停止時，將氣缸鎖定在行程末端，以確保安全。當閥換向驅動氣缸動作時，自動打開端鎖，保證氣缸正常動作。端鎖氣缸按鎖定位置分為：有桿側鎖、無桿側鎖和兩側鎖。氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸帶閥氣缸帶閥氣缸是由氣缸、換向閥和速度控制閥等組成的一種組合式氣動執(zhí)行元件。帶閥氣缸將氣閥藏在缸體內或與氣缸連成一體。它省去了連接管道和管接頭，減少了能量損耗，具有結構緊湊，安裝方便等優(yōu)點。缺點是不能將電磁閥集中裝在一起，不利于管理。帶閥氣缸的閥有電控、氣控、機控和手控等各種控制方式。閥的安裝形式有安裝在氣缸尾部、上部等幾種。氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣動手爪氣動手爪這種執(zhí)行元件主要是針對機械手的用途而設計的。它可以用來抓取物體，實現(xiàn)機械手各種動作。氣動手爪有兩爪、三爪和四爪等類型，其中兩爪中有平開式和支點開閉式，驅動方式有直線式和旋轉式。氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣缸--特殊氣缸氣液組合式執(zhí)行元件氣液組合式執(zhí)行元件氣缸通常是以可壓縮空氣為工作介質，動作快，但速度較難控制，當負載變化較大時，容易產生“爬行”或“自走”現(xiàn)象。另外，壓縮空氣的壓力較低，因而氣缸的輸出力較小。為此，經常采用氣缸和油缸相結合的方式，組成各種氣液組合式執(zhí)行元件，以達到控制速度或增大輸出力的目的。

氣液組合式執(zhí)行元件氣液阻尼缸

氣液阻尼缸是利用氣缸驅動油缸，油缸除起阻尼作用外，還能增加氣缸的剛性（因為油是不可壓縮的），發(fā)揮了液壓傳動穩(wěn)定、傳動速度較均勻的優(yōu)點。常用于機床和切削裝置的進給驅動裝置。氣液阻尼缸的結構可分為串聯(lián)式并聯(lián)式兩種。氣液組合式執(zhí)行元件串聯(lián)式并聯(lián)式氣液組合式執(zhí)行元件氣液轉換器

氣液轉換器是將氣壓直接轉換為油壓（增壓比為1:1）的氣液轉換元件，可作為輔助元件應用于氣液回路中。特點：與液壓相比，不需要復雜龐大的油泵站，成本低；與氣液阻尼缸相比，氣液轉換器與油缸分離，可放在任意位置，操作簡便；由于工作液壓油油溫穩(wěn)定，空氣不會混入油中，因此能獲得穩(wěn)定的移動。可用于精密切割、精密穩(wěn)定的進給運動。氣液組合式執(zhí)行元件利用氣液轉換器的回路擺動氣缸是利用壓縮空氣驅動輸出軸在一定角度范圍內作往復回轉運動的氣動執(zhí)行元件。擺動氣缸是一種在小于360°角度范圍內做往復擺動的氣缸。常用的擺動氣缸的最大擺動角度分別為90°、180°、270°三種規(guī)格。擺動氣缸主要用于物體的轉位、翻轉、分類、夾緊，閥門的開閉以及機器人的手臂動作。氣缸--擺動氣缸擺動氣缸的分類擺動氣缸按結構特點可分為葉片式和活塞式兩種擺動氣缸原理及分類活塞式擺動氣缸是將活塞的往復運動通過各種機構轉變?yōu)檩敵鲚S的擺動運動。按結構不同可分為齒輪齒條式、螺桿式和曲柄式等幾種。齒輪齒條式擺動氣缸是通過連接在活塞上的齒條使齒輪回轉的一種擺動氣缸，其結構原理如圖所示?；钊麅H作往復直線運動，摩擦損失少，齒輪的效率較高，但由于齒輪對齒條的壓力角不同，使其受到側壓力，效率受到影響。若制造好，效率η可達到95%左右。擺