液压与气压传动执行元件课件

School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Chapter 3 Chapter 3 执行元件执行元件 本章主要内容：本章主要内容： 3.13.1 液压缸液压缸 3.23.2 气缸气缸 3.33.3 液压马达液压马达 3.43.4 气动马达气动马达 3.53.5 液压缸的设计计算液压缸的设计计算 3.63.6 气缸的工作特性气缸的工作特性及及计算计算 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 了解液压与气压传动中各种执行元件的结构形式、工 作原理； 掌握执行元件的设计计算方法和特点。 单杆活塞液压缸； 密封、缓冲、排气。 目的任务目的任务: : 重点难点重点难点: : School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1Part 3.1 液压缸液压缸 液压缸是实现直线往复运动的执行元件 。 液压与气压传动中的执行元件是将流体的压力能转 化为机械能的元件。它驱动机构作直线往复或旋转 （或摆动）运动，其输入为压力和流量，输出为力 和速度，或转矩和转速。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.1Part 3.1.1 液压缸液压缸的类型的类型 液压缸按其结构形式，可以分为活塞缸活塞缸、柱塞缸柱塞缸和伸缩缸伸缩缸等 。 1. 1. 活塞式液压缸活塞式液压缸 1）双杆活塞缸 图图3-1a3-1a所示 为缸筒固定的双杆活塞缸缸筒固定的双杆活塞缸， 活塞两侧的活塞杆直径相等 它的进、出油口位于缸筒两 端。当工作压力工作压力和输入流量输入流量 相同时，两个方向上输出的 推力推力F F和速度速度v v是相等的。其 值为： 图 图3-13-1 双杆活塞缸 a a）缸筒固定 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 式中 A A 活塞的有效面积； D D、d d 活塞和活塞杆的直径； q q 输入流量； p p1 1 、p p 2 2 缸的进、出口压力； mm、 V V 缸的机械效率、容积效率。 （3-13-1） （3-23-2） 1 1）双杆活塞缸）双杆活塞缸 这种安装形式，工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍，占 地面积大，适用于小型机械适用于小型机械。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 图3-1b所示为活塞杆固定的双活塞杆固定的双 杆活塞缸杆活塞缸。它的进、出油液可经 活塞杆内的通道输入液压缸或从 液压缸流出。也可以用软管连接 ，进、出口就位于缸的两端。它 的推力和速度与缸筒固定的形式 相同。但是其工作台移动范围为 缸筒有效行程的两倍，故可用于可用于 较大型的机械较大型的机械 。 图图3-13-1 双杆活塞缸 b b）活塞杆固定 1 1）双杆活塞缸）双杆活塞缸 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 2）单杆活塞缸单杆活塞缸 图图3-23-2所示为 单杆活塞缸。由于只在活塞 的一端有活塞杆，使两腔的 有效工作面积不相等，因此 在两腔分别输入相同流量的 情况下，活塞的往复运动速 度不相等。它的安装也有缸缸 筒固定筒固定和活塞杆固定活塞杆固定两种， 进、出口的布置根据安装方 式而定；但工作台移动范围但工作台移动范围 都为活塞有效行程的两倍都为活塞有效行程的两倍 。 2 2）单杆活塞缸）单杆活塞缸 图图3-23-2 单杆活塞缸 a a）向右运动 b b）向左运动 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 2 2）单杆活塞缸）单杆活塞缸 单杆活塞缸的推力推力和速度速度计算式如下： （3-33-3） （3-43-4） （3-53-5） （3-63-6） School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 在液压缸的活塞往复运动速度有一定要求的情况下，活塞杆直径活塞杆直径 d d通常根据液压缸速度比 = =v v 2 2/ /v v1 1 的要求以及缸内径缸内径D D来确定。由式式 （3-53-5）和式（式（3-63-6）得： 2 2）单杆活塞缸）单杆活塞缸 （3-73-7） （3-83-8） 由此可见，速比速比 v v 越大越大，活塞杆直径活塞杆直径d d越大越大 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 图图3-33-3 差动液压缸 单杆活塞缸的左右腔同时接通压力油，如图图3-33-3 所示，称为差动连接差动连接，此缸称为差动液压缸差动液压缸。 差动液压缸左、右腔压力相等，但左、右腔有 效面积不相等，因此，活塞向右运动。差动连 接时因回油腔的油液进入左腔，从而提高活塞 运动速度，其推力和速度按下式计算 ： 3 3）差动液压缸）差动液压缸 （3-93-9） 考虑容积效率V （3-103-10） 向液压缸右腔输油，而左腔通油箱活塞便向左运动，推力和速 度与式（式（3-43-4）式（）式（3-63-6） ）相同。如要求v v 3 3 和活塞向左运动的速 度v v 2 2 相等，即v v 3 3 = =v v 2 2 ，则必须使D= School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 2. 2. 柱塞式液压缸柱塞式液压缸 Part 3.1.1Part 3.1.1 液压缸液压缸的类型的类型 图图3-43-4 柱塞式液压缸 a a）单柱塞缸 b b）双柱塞缸 11缸筒 22柱塞 单柱塞缸只能实现一个方向运动，反向 要靠外力，如图图3-4a3-4a所示。用两个柱塞 缸组合，如图图3-4b3-4b所示，也能用压力 油实现往复运动。柱塞运动时，由缸盖 上的导向套来导向，因此，缸筒内壁不 需要精加工。它特别适用于行程较长的特别适用于行程较长的 场合场合。 （3-113-11） （3-123-12）式中 d d柱塞直径 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 3. 3. 伸缩式液压缸伸缩式液压缸 Part 3.1.1Part 3.1.1 液压缸液压缸的类型的类型 伸缩式液压缸伸缩式液压缸由两上两上或多个活塞多个活塞套装而成，前一级缸的活塞杆是后 一级缸的缸筒。伸出时，可以获得很长的工作行程，缩回时可保持 很小的结构尺寸。图图3-53-5（见书（见书P111P111）所示为一种双作用式普通伸 双作用式普通伸 缩缸缩缸，在各级活塞依次伸出时，液压缸的有效面积是逐级变化的。 在输入流量和压力不变的情况下在输入流量和压力不变的情况下，则液压缸的输出推力和速度也逐 级变化。其值为 ： （3-133-13） （3-143-14） 式中 i第i级活塞 这种液压缸起动时，活塞有效面积 最大，因此，输出推力也最大。随着行程 逐级增长，推力随之逐级减小；速度则逐 级增快。如欲推力和速度始终保持恒定， 可采用同步伸缩液压缸 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 图图3-63-6 单作用式三级同步伸缩液压缸 11外缸筒 2 2 一级活塞缸筒 33二级活塞缸筒 44三级活塞 3. 3. 伸缩式液压缸伸缩式液压缸 Part 3.1.1Part 3.1.1 液压缸液压缸的类型的类型 图图3-63-6所示为单作用式三级同步单作用式三级同步 伸缩液压缸伸缩液压缸的工作原理图工作原理图。该缸 的各级活塞面积设计成A A 1 1 =2=2A A 2 2 、 A A2 2 =2=2A A 3 3 、A A 3 3 =2=2A A 4 4 ，并在一级和二 级活塞缸筒的左端各设一带有顶 杆的单向阀，而在其缸筒右侧壁 面各开有小孔。正常工作时赣阀 均关闭。 当压力油进入当压力油进入B B腔时腔时，一级活塞一级活塞 2 2向左移动，C C腔油腔油通过小孔小孔进 入D D腔腔，推动二级活塞二级活塞3 3以相同 速度向左移动；同样原理同样原理，三级三级 活塞活塞4 4也以同一速度向左移动， 若因泄漏原因若因泄漏原因，二级二级或三级活塞三级活塞 没有移动到最左位置，则相应的相应的 单向阀单向阀开启，补充液压油使其到 位。外力推其向右移动时各活塞 动作与向左移动时相反。一级一级和 二级活塞二级活塞运动到最右端时，两个 单向闪的顶杆使其开启，从而恢 复各级间的平衡状态 。 这种同步伸缩缸输出的推力和速 度为： （3-153-15） （3-163-16） School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 图图3-73-7所示为单杆活塞式液压缸单杆活塞式液压缸，它由缸筒缸筒2626，活塞杆活塞杆1 1，前后缸前后缸 盖盖2222、2929，活塞杆导向环活塞杆导向环4 4，活塞前缓冲活塞前缓冲9 9等主要零件组成。活塞 与活塞杆用螺纹连接，并用止动销止动销1414固死。前前、后缸盖后缸盖通过法兰法兰 2323和螺钉螺钉（图中未示）压紧在缸筒的两端。为了提高密封性能并 减少摩擦力，在活塞活塞与缸筒缸筒之间、活塞杆活塞杆与导向环导向环之间、导向环 导向环 与前缸盖前缸盖这间、活塞杆活塞杆与导向环 导向环之间、导向环导向环与前缸盖前缸盖之间、前前 后缸盖后缸盖与缸筒之间缸筒之间装有各种动动、静密封圈静密封圈。当活塞移动接近左右 终端时，液压缸回油腔的油液压缸回油腔的油只能通过缓冲柱塞上通流面积缓冲柱塞上通流面积逐渐减 小的轴向三角槽轴向三角槽和可调缓冲器可调缓冲器2424回油箱，对移动部件起制动缓冲 作用。缸中空气经可调缓冲器中的排气通道排出 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 从图图3-73-7可以看到，液压缸的结构可以分为缸筒 缸筒和缸盖缸盖、活塞活塞和 活塞杆活塞杆、密封装置密封装置、缓冲装置缓冲装置和排气装置排气装置五个部分 。 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 图图3-73-7 单杆活塞式液压缸结构 11活塞杆 22防尘圈 33活塞杆密封 44活塞杆导向环 5 5、7 7、1616、1919反衬密封圈 6 6、8 8、1010、1717、1818O型密封 99活塞前缓冲 1111活塞 1212活塞密封 1313、1515低 摩密封 1414螺钉止动销 2020止动销 21 21密封圈 2222前缸盖 2323法兰 2424可调缓 冲器 2525螺纹止动销 2626缸筒 27 27后缓冲套 2828后止动环 2929后缸盖 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 1. 1. 缸筒和缸盖缸筒和缸盖 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 缸筒和缸盖的常见连接结构形式如图图3-83-8所示。 图图3-8a3-8a采用法兰连接法兰连接，结构简单结构简单、 加工和装拆都方便加工和装拆都方便，但外形尺寸和外形尺寸和 质量都大质量都大。图图3-8b3-8b为半环连接半环连接，加加 工和装拆方便工和装拆方便，但是，这种结构须须 在缸筒外部开有环形槽而削弱其强在缸筒外部开有环形槽而削弱其强 度度，有时要为此增加缸的壁厚有时要为此增加缸的壁厚。 图图3-83-8 缸筒和缸盖结构 1缸盖 2缸筒 3压板 4半环 5防松螺母 6拉杆 图图3-83-8 缸筒和缸盖结构 1缸盖 2缸筒 3压板 4半环 5防松螺母 6拉杆 图图3-8c3-8c为外螺纹连接外螺纹连接，图图3-8d3-8d为为 内螺纹连接内螺纹连接。螺纹连接装拆时要螺纹连接装拆时要 使用专用工具使用专用工具，适用于较小的缸适用于较小的缸 筒筒。 图图3-8e3-8e为拉杆式连接拉杆式连接，容易加容易加 工和装拆工和装拆，但外形尺寸较大但外形尺寸较大， 且较重且较重。图图3-8f3-8f为焊接式连接焊接式连接 结构简单结构简单，尺寸小尺寸小，但缸底处但缸底处 内径不易加工内径不易加工，且可能引起变可能引起变 形形 。 图图3-83-8 缸筒和缸盖结构 11缸盖 22缸筒 3压板 44半环 55防松螺母 66拉杆 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 2. 2. 活塞和活塞杆活塞和活塞杆 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 活塞活塞和活塞杆的结构活塞杆的结构形式很多 ，有螺纹式连接螺纹式连接和半环式连接半环式连接 等，如图图3-93-9所示。前者结构前者结构 简单简单，但需有螺母防松装置需有螺母防松装置。 后者结构复杂后者结构复杂，但工作较可靠工作较可靠 。此外，在尺寸较小的场合， 活塞和活塞杆也有制成整体式 结构的 图图3-93-9 活塞和活塞杆的结构 a）螺纹式连接 b）半环式连接 1弹簧卡圈 2轴套 3螺母 4半环 5压板 6活塞 7活塞杆 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 3. 3. 密封装置密封装置 密封装置密封装置用来防止液压系统油液 的内外泄漏和防止外界杂质侵入 。它的密封机理、结构等将在第 五章中详述 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 4. 4. 缓冲装置缓冲装置 缓冲装置缓冲装置是利用活塞活塞或缸筒缸筒移动到接近终点时，将活塞活塞和缸盖缸盖之间 的一部分油液封住，迫使油液从小孔小孔或缝隙缝隙中挤出，从而产生很大从而产生很大 的阻力的阻力，使工作部件平稳制动使工作部件平稳制动，并避免活塞和缸盖的相互碰撞并避免活塞和缸盖的相互碰撞。 液压缸缓冲装置的工作原理如图图3-103-10所示。理想的缓冲装置应在其 整个工作过程中保持缓冲压力恒定不变，实际的缓冲装置则很难做 到这点 。 图图3-103-10 液压缸缓冲装置的工作 原理（缓冲柱塞的形式） a）反抛物线式 b）阶梯圆柱式 c）节流口变化式 d）单圆柱式 e）环形缝隙 f）圆锥台式 图图3-113-11所示为上述各种形式缓冲各种形式缓冲 装置的缓冲压力曲线装置的缓冲压力曲线。由图可见 ，反抛物线式性能曲线最接近于 理想曲线，缓冲效果最好。但是 ，这种缓冲装置需要根据液压缸 的具体工作情况进行专门设计和 制造，通用性差。阶梯圆柱式的 缓冲效果也很好。最常用的则是 节流可调的单圆柱式节流可调的单圆柱式和节流口变节流口变 化式化式 。 图图3-113-11 各种缓冲装置的缓冲压力曲线 1单圆柱式 2圆锥台式 3阶梯 圆柱式 4反抛物线式 5理想曲线 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 4. 4. 缓冲装置缓冲装置 1）节流口可调式缓冲装置（图图3-10d3-10d） 当活塞上的缓冲柱塞进入端盖凹腔后当活塞上的缓冲柱塞进入端盖凹腔后， 圆环形的回油腔中的油液只能通过针形 节流阀流出，这就使活塞制动。调节节 流阀的开口，可改变制动阻力的大小。 这种缓冲装置起始缓冲效果好这种缓冲装置起始缓冲效果好，随着活随着活 塞向前移动塞向前移动，缓冲效果逐渐减弱缓冲效果逐渐减弱，因此因此 它的制动行程较长它的制动行程较长 。 图图3-103-10 液压缸缓冲装置的工 作原理（缓冲柱塞的形式） School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 4. 4. 缓冲装置缓冲装置 2）节流口变化式缓冲装置（图图3-10c3-10c） 它的缓冲柱塞上开有变截面的轴向三角 形节流槽。当活塞移近端盖时当活塞移近端盖时，回油腔 油液只能经过三角槽流出，因而使活塞 受到制动作用。随着活塞的移动随着活塞的移动，三角 槽通流截面逐渐变小，阻力作用增大， 因此，缓冲作用均匀，冲击压力较小， 制动位置精度高 。 图图3-103-10 液压缸缓冲装置的工 作原理（缓冲柱塞的形式） School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.2Part 3.1.2 液压缸液压缸的结构的结构 5. 5. 排气装置排气装置 排气装置排气装置用来排除积聚在液压缸 内的空气。常用的排气装置如图图3-3- 1212所示。图图3-12a3-12a所示为在液压缸 的最高部位设置排气孔与排气阀 连接进行排气。图图3-12b3-12b为在液压 缸的最高部位处安装排气塞 。 图图3-123-12 排气装置 a a）排气阀 b b） ）排气塞 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.3Part 3.1.3 液压缸液压缸的特性的特性 液压缸的特性液压缸的特性是指它在稳态下工作时的各项参数间的关系 。 1. 1. 液压缸的推力和速度液压缸的推力和速度 液压缸的推力推力和速度速度的数值由液压缸类型 液压缸类型和工作方式工作方式决定，由本章 第一节有关公式求出。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.1.3Part 3.1.3 液压缸液压缸的特性的特性 2. 2. 容积效率、机械效率和总效率容积效率、机械效率和总效率 液压缸难免会存在泄漏，它的容积效率容积效率可用下式表示： （3-173-17） 式中 q输入液压缸的流量； q1液压缸的泄漏流量。 q q1 1 与采用密封形式采用密封形式有关。当采用橡胶圈密封时当采用橡胶圈密封时，q q 1 1 较小， V V 11；采采 用间隙密封时用间隙密封时，q q 1 1 就大， V V 就低。 液压缸运动时液压缸运动时，要克服密封装置和导向部分的摩擦力，就会造成机 械损失，把这些损失折算成压力损失p，则机械效率机械效率可表示为： （3-183-18） 式中 p液压缸的工作压力。 液压缸的机械效率，一般在额定压力下，可取m=0.9。 液压缸的总效率为： （3-193-19） School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2Part 3.2 气缸气缸 气缸气缸是气动系统中使用最多的 执行元件，它以压缩空气为动 力驱动机构作直线往复运动。 Part 3.2.1Part 3.2.1 气缸气缸的类型的类型 气缸的分类如表表3-13-1所示。 表表3-13-1 气缸的类型 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.2Part 3.2.2 普通气缸普通气缸 普通气缸普通气缸是在缸筒内只有一个活塞和一根活塞杆的气缸，有单作用单作用 气缸气缸和双作用气缸双作用气缸两种 。 图图3-133-13所示为普通型双作用气缸的结构普通型双作用气缸的结构。气缸一般由缸筒缸筒1111，前后前后 缸盖缸盖1313、1 1，活塞活塞8 8，活塞杆活塞杆1010，密封件和紧固件密封件和紧固件等零件组成。缸筒 在前后缸盖之间由四根拉杆和螺母将其紧固锁定（图中未画出）。 活塞与活塞杆相连，活塞上装有密封圈密封圈4 4、导向环导向环5 5及磁性环磁性环6 6。为为 防止漏气和外部粉尘的侵入防止漏气和外部粉尘的侵入，前缸盖上装有活塞杆用防尘组合密封前缸盖上装有活塞杆用防尘组合密封 圈圈1515。磁性环用来产生磁场，使活塞接近磁性开关时发出电信号， 即在普通气缸上装了磁性开关就构成开关气缸。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.2Part 3.2.2 普通气缸普通气缸 图图3-133-13 普通型单活塞杆双作用气缸 1后缸盖 2缓冲节流阀 3、7密封圈 4活塞密封圈 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 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.2Part 3.2.2 普通气缸普通气缸 图图3-143-14所示为普通型单作用气缸结构原理图普通型单作用气缸结构原理图，在活塞活塞5 5的一侧装有使 活塞杆活塞杆9 9退回的弹簧弹簧7 7，在前缸盖前缸盖1010上开有呼吸孔呼吸孔。除此之外，其结 构基本上和双作用气缸相同。图示单作用气缸的缸筒缸筒6 6和前后缸盖前后缸盖之 间采用滚压铆接方式固定滚压铆接方式固定。弹簧装在有杆腔，气缸活塞杆初始位置 处于退回的位置。这种气缸称为预缩型单作用气缸。 图图3-143-14 普通型单活塞杆单作用气缸 1后缸盖 2、8橡胶缓冲垫 3活塞密封圈 4导向环 5活塞 6缸筒7弹簧 9活塞杆 10前缸盖 11螺母 12导向套 13卡环 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 1. 1. 无杆气缸无杆气缸 无杆气缸无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，它利用活塞直接或间接实现 往复直线运动。这种气缸最大优点是节省了安装空间最大优点是节省了安装空间，特别适用于特别适用于 小缸径长行程的场合小缸径长行程的场合。在自动化系统、气动机器人中获得了大量应 用 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 图图3-153-15 无杆气缸 1节流阀 2缓冲柱塞 3密封带 4防尘不锈钢带 5活塞 6滑块 7管状体 图图3-153-15所示为无杆气缸无杆气缸 结构原理图结构原理图。在气缸筒 轴向开有一条槽，在气 缸两端设置空气缓冲装 置。活塞活塞5 5带动与负载相 连的滑块滑块6 6一起在槽内移 动，且借助缸体上的一 个管状沟槽防止其产生 旋转。因防泄漏和防尘 的需要，在开口部采用 聚氨酯密封带聚氨酯密封带3 3和防尘不防尘不 锈钢带锈钢带4 4固定在两侧端盖 上 。 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 1. 1. 无杆气缸无杆气缸 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 这种气缸适用缸径880mm880mm，最大行程在缸径不小于不小于40mm40mm时可达 6m6m。气缸运动速度高，可达2m/s2m/s。由于负载与活塞是和在气缸槽由于负载与活塞是和在气缸槽 内运动的滑块连接的内运动的滑块连接的，因此在使用中必须考虑滑块上所受的径向和 轴向负载。为了增加承载能力为了增加承载能力，必须增加导向机构。若需用无杆气 缸构成气动伺服定位系统，可用内置式位移传感器的无杆气缸。 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 1. 1. 无杆气缸无杆气缸 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 2. 2. 磁性气缸磁性气缸 图图3-163-16所示为一种磁性耦合的无一种磁性耦合的无 活塞杆气缸活塞杆气缸。在活塞上安装了一 组高磁性的稀土永久磁环，磁力 线穿过薄壁筒（不锈钢或铝合金 非导磁材料）作用在缸筒外面的 另一组磁环套上。由于两组磁环由于两组磁环 极性相反极性相反，两者间具有很强的吸 力，当活塞在输入气压作用下移当活塞在输入气压作用下移 时时，则通过磁力线带动缸筒外的 磁环套与负载一起移动。在气缸 行程两端设有空气缓冲装置。 图图3-163-16 磁性气缸 它的特点特点是：体积小体积小，质量轻 质量轻 ，无外部空气泄漏无外部空气泄漏，维护保养维护保养 方便方便。当速度快、负载大时， 内外磁环不易吸住内外磁环不易吸住，且磁性耦且磁性耦 合的无杆气缸中间不可能增加合的无杆气缸中间不可能增加 支承点支承点，因此最大行程受到限 制 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 3. 3. 开关气缸开关气缸 开关气缸开关气缸又称带磁性开关气缸带磁性开关气缸，是指在气缸活塞上置有永久磁环， 利用直接安装在缸筒上的行程开关来检测气缸活塞位置的一种气缸 。一般的普通气缸、无杆气缸、磁性气缸、制动气缸、摆动马达、 手指气缸等都能构成开关气缸。与以往在活塞杆端部设置挡块用行 程控制阀发讯来检测行程的方法相比，用开关气缸使位置检测更加位置检测更加 方便方便，且结构紧凑且结构紧凑 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 图图3-173-17所示为开关气缸。用于气 缸发讯的行程开关有三种：电子电子 舌簧式行程开关舌簧式行程开关、气动舌簧式行气动舌簧式行 程开关程开关和非接触式电感行程开关非接触式电感行程开关 。无论何种行程开关，在使用时 都必须了解它的开关性能 。 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 3. 3. 开关气缸开关气缸 图图3-173-17 开关气缸 1磁铁 2舌簧开关 3显示器 4保护电路 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 3. 3. 开关气缸开关气缸 图图3-183-18 开关特性 1永久磁环 2缸筒 3开关接通 4开关断开 5开关中心 图图3-183-18表示了行程开关的开关特行程开关的开关特 性性。开关从接通状态至断开状态 活塞上磁环移动的距离称为开关开关 动作距离动作距离s s。若活塞朝一个方向移若活塞朝一个方向移 动使开关接通后动使开关接通后，再朝反方向移 动使开关断开，这两个状态之间 的距离称为迟滞迟滞h h 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 3. 3. 开关气缸开关气缸 若在一个开关气缸上同时安装两个行程开关若在一个开关气缸上同时安装两个行程开关，其间的最小距离最小距离应是 h h maxmax+3mm +3mm，3mm3mm为安全裕量安全裕量 。 开关气缸用于在行程中途检测开关信号时开关气缸用于在行程中途检测开关信号时，气缸所允许的活塞最大最大 速度速度v v由下式决定： 式中 v允许的活塞最大速度，单位为m/s； s开关动作距离，单位为mm； t 负载动作时间，单位为ms 。 当行程开关所带的感性负载当行程开关所带的感性负载（如电磁阀如电磁阀、继电器继电器）断开时断开时，在断开，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响工作的可靠性。因此，行程开关必须带保护电路 。 （3-143-14） School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 4. 4. 制动气缸制动气缸 带有制动装置的气缸带有制动装置的气缸称为制动气缸制动气缸，也称锁紧气缸锁紧气缸。制动装置一般安 装在普通气缸的前端，其结构有偏心凸轮偏心凸轮、卡套锥面卡套锥面等多种形式。按 制地劝方式有弹簧制动弹簧制动、气压制动气压制动和弹簧气压制动弹簧气压制动三种方式。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 4. 4. 制动气缸制动气缸 图图3-193-19所示为一种制动装置工作原理图制动装置工作原理图 。制动装置有两个工作状态，即自由状自由状 态态（松闸）和制动状态制动状态。 图图3-193-19 制动装置工作原理 a）自由状态 b）制动状态 1复位弹簧 2制动钳 3制动弹簧 4制动活塞 5活塞杆 自由状态自由状态（图3-19a3-19a）气缸运动时，在C C 口输入气压口输入气压，使制动活塞制动活塞4 4下移，则制制 动钳动钳2 2处于放松状态，气缸活塞杆气缸活塞杆5 5可以 自由移动 。 制动状态制动状态（图3-19b3-19b）当气缸活塞杆从 运动状态进入制动状态时，C C口口迅速排 气，复位弹簧复位弹簧1 1使制动钳制动钳在制动弹簧制动弹簧3 3的 作用下张开，卡紧活塞杆活塞杆5 5使之停止运 动 。 由动作原理动作原理可知，制动装置制动装置是靠弹簧力 使活塞杆停在任意位置的。因此在动力 源出现故障的情况下，制动装置仍能自 动而且可靠地保持制动力。同时，在交 变载荷或存在工作压力脉动以及系统出 现泄漏的情况下，制动装置仍可使活塞 杆长时间地精确制动和定位 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 5. 5. 坐标气缸坐标气缸 坐标气缸坐标气缸是一种单活塞杆双作用气缸单活塞杆双作用气缸，具有精密的导向功能精密的导向功能、极强极强 的抗扭性能和良好的负载性能的抗扭性能和良好的负载性能，位置重复精度高达位置重复精度高达0.01mm0.01mm，常用 来构成各种加工加工、定位的坐标系统定位的坐标系统，故称为坐标气缸 坐标气缸，又称为直线直线 驱动装置驱动装置。坐标气缸是构成模块化气动机械手水平移动和垂直移动 的驱动模块 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 5. 5. 坐标气缸坐标气缸 图图3-203-20所示为坐标气缸的结构坐标气缸的结构。 该缸中导向筒可移动，而相对应 的活塞杆是固定的。在工作气压在工作气压 作用下作用下，导向筒带动挡块4一起运 动，当到达行程终端时即停止当到达行程终端时即停止。 由图可见，终端固定接块可用来 调整气缸的行程，在其内装置液 压缓冲器和接近式传感器 。 图图3-203-20 坐标气缸 1活塞杆 2导向筒 3精密导向滚珠轴承 4挡块 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 这种气缸的特点特点有： 1）气缸内置导向筒导向筒及防转动防转动结构，精密导向有四个独立的 独立的、无无 间隙间隙的滚珠轴承滚珠轴承，保证了高的弯曲强度高的弯曲强度、低振动低振动及超精密定位超精密定位； 2）气缸在全行程上位置可调位置可调，且行程位置的调整并不影响气缸不影响气缸 行程终端的缓冲行程终端的缓冲； 3）行程终端设有液压缓冲器液压缓冲器，使速度减至最小使速度减至最小； 4）内置接近式传感器接近式传感器可检测活塞行程位置活塞行程位置 。 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 5. 5. 坐标气缸坐标气缸 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 5. 5. 坐标气缸坐标气缸 气动手指气缸气动手指气缸能实现各种抓取功能，是现代气动机械手的关键部 件。图图3-213-21所示的手指气缸的特点有： 所有的结构都是双作用的双作用的，能实现双向抓取双向抓取，可自动对中自动对中， 重复精度高重复精度高； 抓取力矩恒定抓取力矩恒定； 在气缸两侧可安装非接触式行程检测开关非接触式行程检测开关； 有多种安装多种安装、连接方式连接方式； 耗气量少耗气量少 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 图图3-213-21 手指气缸 a）平行手指 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 6 6. . 手指气缸手指气缸 图图3-21a3-21a所示为平行手指气缸平行手指气缸，平行手指 通过两个活塞工作。每个活塞由一个滚 轮和一个双曲柄与气动手指相连，形成 一个特殊的驱动单元。这样，气缸手指 总是径向移动，每个手指是不能单独移 动的 。 如果手指反向移动如果手指反向移动，则先前受压的活塞先前受压的活塞 处于排气状态排气状态，而另一个活塞另一个活塞处于受压 受压 状态态 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 图图3-213-21 手指气缸 b）摆动手指 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 6 6. . 手指气缸手指气缸 图图3-21b3-21b所示为摆动手指气缸摆动手指气缸，活塞杆上 有一个环形槽，由于手指耳轴与环形槽相 连，因而手指可同时移动且自动对中自动对中，并 确保抓取力矩始终恒定抓取力矩始终恒定 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 图图3-213-21 手指气缸 c）旋转手指 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 6 6. . 手指气缸手指气缸 图图3-21c3-21c所示为旋转手指气缸旋转手指气缸，其动作其动作 和齿轮齿条的啮合原理相似和齿轮齿条的啮合原理相似。活塞活塞与 一根可上下移动的轴上下移动的轴固定在一起。轴 的末端有三个环形槽，这些槽与两个 驱动轮的齿啮合。因而，两个手指可 同时移动并自动对中，其齿轮齿条啮 合原理确保了抓取力矩始终恒定 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 7 7. . 气液阻尼缸气液阻尼缸 气液阻尼缸气液阻尼缸是一种由气缸和液压缸构成的组合缸。由气缸产生 驱动力，而用液压缸的阻尼调节作用获得平稳的运动。这种气 缸常用于机床和切削加工的进给驱动装置，克服普通气缸在负 载变化较大时容易产生的“爬行爬行”或“自移自移”现象，满足驱动刀具 进行切削加工的要求。 气液阻尼缸有串联式串联式和并联式并联式两种结构 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 7 7. . 气液阻尼缸气液阻尼缸 图图3-223-22 气液阻尼缸 a）串联式 b）速度特性 1负载 2液压缸 3节流阀 4单向阀5贮油杯 6中盖 7气缸 1）串联式气液阻尼缸串联式气液阻尼缸 图图3-22a3-22a、 b b所示为这种气液阻尼缸的工作原工作原 理图理图及其速度特性速度特性。它由一根活 塞杆将气缸活塞和液压缸活塞串 联在一起，两缸之间用中盖中盖6 6隔开 ，防止空气与液压油互窜。在液 压缸的进出口处连接了调速用的 液压单向节流阀。由节流阀节流阀3 3和单单 向阀向阀4 4组成的节流机构节流机构可调节液压 缸的排油量，从而调节活塞运动 的速度 。 当气缸活塞向右退回运动时当气缸活塞向右退回运动时，液 压缸右腔排油，此时单向阀打开 ，回油快，使活塞快速退回。图 示节流机构能实现慢进快退的 速度特性，如图图3-22b3-22b所示。若 图中去掉单向阀，则能实现慢进 慢退的速度特性 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 7 7. . 气液阻尼缸气液阻尼缸 图图3-223-22 气液阻尼缸 c）并联式 2）并联式气液阻尼缸并联式气液阻尼缸 图图3-22c3-22c所示为这 种气液阻尼缸的工作原理图工作原理图。其特点是 液压缸液压缸与气缸并联气缸并联，用刚性连接板相联用刚性连接板相联 ；液压缸活塞杆可在连接板内浮动液压缸活塞杆可在连接板内浮动一段 行程（或调节）。其工作原理和速度特 性与串联式气液阻尼缸相同。 这种结构特点特点是，缸体长度短缸体长度短、占空间 占空间 位置小位置小，消除了气缸和液压缸之间的窜消除了气缸和液压缸之间的窜 通现象通现象。液压缸能单独制造，便于选用 。使用时应注意使用时应注意；液压缸活塞杆与气缸 活塞杆轴线以及负载作用线应处在同一 轴线上，否则运动时会产生附加力矩， 引起运动速度的不稳定等现象 。 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 8 8. . 仿生气动肌腱仿生气动肌腱MASMAS（Muscle Actuator SinaleMuscle Actuator Sinale） 仿生气动肌腱仿生气动肌腱是一种新型的拉伸型执行元件，是2000年新概念气 动元件。如同人类的肌肉那样仿生气动肌腱能产生很强的收缩力 ，其以崭新的设计构思突破了气动驱动器做功必须由气体介质（崭新的设计构思突破了气动驱动器做功必须由气体介质（ 流体）推动活塞这一传统概念流体）推动活塞这一传统概念。 从结构上看，传统的气缸传统的气缸具有活塞活塞、活塞杆活塞杆 、密封圈密封圈、缸筒缸筒、端盖端盖等零部件，而仿生气 动肌腱却“简单”很多：一段加强的纤维管两 端由连接器固定（见图图3-233-23），因为没有运 动的机械零件和外部摩擦，故寿命比一般气 缸更长、更耐用，应用范围更广 。 图3-23 仿生气动肌腱 School of Mechanical Engineering东南大学机械工程学院 第三章第三章 执行元件执行元件液压与气压传动液压与气压传动 Part 3.2.3Part 3.2.3 其他形式气缸其他形式气缸 8 8. . 仿生气动肌腱仿生气动肌腱MASMAS（Muscle Actuator SinaleMuscle Actuator Sinale） 1 1）工作原理）工作原理 仿生气动肌腱仿生气动肌腱并不如其外形所示那样似乎仅是一根 普通的橡胶管，而是一个能量转换装置能量转换装置。如上所述，仿生气动肌 腱实质上是由一根包囊着特殊纤维格栅网的橡胶织物管一根包囊着特殊纤维格栅网的橡胶织物管与两端连两端连 接接头接接头组成。这种