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第12章 气动执行元件 气动执行元件是将压缩空气的压力能转换成机械能的气动元件，它可以驱动工作机构实现直线往反运动、摆动、夹持和旋转运动。可实现直线往反运动、摆动或夹持运动的气动执行元件称为气缸；可实现连续旋转运动的气动执行元件称为气马达。,12.1 气缸 气压传动广泛应用于自动控制领域，为了满足各种不同的控制方式和动作要求，气缸的种类和结构形式非常多，。 12.1.1.普通气缸这里仅就一些常用的气缸予以介绍 普通气缸是指无特殊装置，仅用于直线推拉负载的常用气缸。,(1) 单杆双作用气缸 单杆双作用气缸是最常用的一种普通气缸，如图12-1所示。,图12-1双作用普通气缸 (a) 外观； (b) 结构； (c) 职能符号,单杆双作用普通气缸与单杆双作用液压缸的缸体结构和动作原理基本相似，它们都是由缸筒、活塞、活塞杆、导向套、前缸盖、后缸盖及密封元件等组成，也都是由有压流体推动活塞前进和后退，不同之处主要表现在： 因气缸的工作压力很小，所以除活塞杆外，大都采用铝合金材料制成，不仅加工容易，制作成本低，而且非常轻便。 因气缸的工作压力小，且在很多情况下进出气口都配有单向节流阀，动作较慢，所以很多气缸没有缓冲装置（有缓冲装置的气缸，通常是在缸盖内侧安装橡胶缓冲垫，或者象液压缸一样，利用缓冲柱塞在活塞两侧产生气垫。如图12-1所示就是在活塞两侧装有缓冲柱塞，具有缓冲功能的双向缓冲气缸）。 气缸在系统组装时不需要放气，所以没有放气装置。,(2)单作用普通气缸 单作用普通气缸如图12-2所示。,图12-2 单作用气缸 (a) 几种型号单作用气缸外观； (b) 结构； (c) 职能符号,单作用普通气缸一般都装有复位弹簧，其动作原理与附弹簧式单作用液压缸基本一样。为了适应各种控制系统中的控制需要，单作用普通气缸不仅小巧、其外观形态和具体的组合样式比液压缸要繁杂得多。,(3) 普通气缸的安装方式 根据不同的工作要求，普通气缸有多种的安装方式，如图12-3所示。,图12-3 普通气缸的安装方式,图12-3（a）（d）为固定式气缸，气缸安装在机体上固定不动。 图12-3（a）靠气缸下脚固定在机座上；图10-2（b）靠气缸前端的方头固定在机架上；图12-3（c）靠气缸前端的方铁块用螺栓固定在机体上；图10-2（d）靠气缸后端的方铁块用螺栓固定在机体上。 图12-3（e）（g）为摆动式气缸，其缸体可围绕某一固定轴线作一定角度的摆动。 图12-3（e）的缸体可围绕气缸前端两小轴的轴线摆动；图12-3（f）的缸体可围绕气缸中部两小轴的轴线摆动；图12-3（g）的缸体可围绕气缸尾端轴孔的轴线摆动。 气缸活塞杆前端与工作机件的联结通常应采用活套联结（不固定死），这不仅可减小气缸与工作机件在安装时的定位难度，而且气缸在运动时处自由状态，可增加气缸的使用寿命。,单杆双作用普通气缸推力和拉力的计算方法与同类型液压缸基本一样，不同的是，因为气体具有很大的的可压缩性，所以气缸的负载效率（即负载率）通常较低，而且负载率还与气缸的运动状态有关。 普通气缸的负载率可参考表12-1。,表12-1气缸在各种运动状态下的负载率,(4) 单杆双作用普通气缸的受力分析,【例12-1】用气缸水平推动台车，负载质量m=150kg，台车与床面间的摩擦系数f=0.3,气缸行程L=300 mm，要求气缸前进的动作时间t=0.8s，工作压力p=0.5MPa，试选定单杆双作用气缸的缸径。 解：轴向负载力为： 气缸的平均速度为： 按表12-1选取负载率为： 气缸的理论输出力为：,故，气缸缸径为：,根据气缸的国家标准系列，可选取双作用缸的缸径为50mm。 其他结构的气缸也可参考以上方法选取缸径。,（5）气缸的耗气量和气缸的最大工作流量 气缸的耗气量是指气缸在单位时间里往复运动时所消耗的压缩空气的量，它是选择空气压缩机排量的主要参数。 气缸的最大工作流量是指气缸在往复运动的某一过程中，单位时间里可能消耗的压缩空气的最大量，它是选择气动控制元件的主要参数。 下面以单杆双作用普通气缸为例进行计算。 若单杆双作用普通气缸的活塞直径为D, 活塞杆直径为d.，活塞的行程为L,，活塞每分钟往复运动的次数为N，活塞前进和后退的时间都为t。 则，气缸的耗气量Q耗为,（12-1）,（12-2）,气缸的最大工作流量Q max为：,用Q耗值选用空气压缩机时有两点需要引起注意： 在多个执行元件同时工作时，Q耗应是所有执行元件同时工作时的共同耗气量。 Q耗是理论计算值，选用空气压缩机时还应乘以泄漏系数K1=1.2-1.5和备用系数K2=1.3-1.6（即Qac耗= K1 K2Q耗）。 其他结构的气缸也可参照以上方法计算气缸的耗气量和气缸的最大工作流量。,另外，对于气动元件的流量或耗气量，若元件的参数采用在压力状态下（一般指0.5Mpa的工作压力下）的空气流量或耗气量，则可由上面的方式求取。若元件的参数采用自由空气的流量或耗气量，还必须将压力状态下的空气流量或耗气量转换成自由空气的流量或耗气量。其转换成公式如下：,式中，p为工作压力，单位为Mpa。,（12-3）,Q自由=Q压,p+0.1013,0.1013,10.1.2 特殊气缸 具有特殊功能的气缸即为特殊气缸。在气压传动中，特殊气缸的种类很多，它们被广泛应用于各种特殊环境下的气动控制系统。 (1) 无杆气缸 无杆气缸没有普通气缸的刚性活塞杆，是一种用活塞直接或间接推动工作附件往返运动的特殊气缸。无杆气缸主要有机械接触式和磁性耦合式两种。,1）机械接触式无杆气缸 图12-4所示为机械接触式无杆气缸的外观及结构原理图。,图12-4 机械接触式无杆气缸 (a) 外观； (b) 结构； (c) 职能符号,机械接触式无杆气缸的缸筒上方开有一条轴向槽，活塞轭7卡在缸筒上方的轴向槽中，与活塞5和滑块6连成一体。为了保证轴向槽的密封和防尘，在轴向槽内侧安装有聚氨酯密封带3，在轴向槽外侧安装有不锈钢防尘带4，并将它们固定在两端的缸盖上。活塞5、活塞轭7和滑块6的组合体可在气压的推动下在轴向槽中沿缸筒作直线运动。同时，气缸外围的滑块6还包合在缸筒外径上的导向沟槽里，起到限制活塞轭7及组件发生扭转或径向移动的作用。 机械接触式无杆气缸适用于缸径小于80mm的场合，且行程大、运动速度高。在缸径大于40mm时，行程可达6m。高速型机械接触式无杆气缸的运动速度可达2m/s。为了使活塞在高速运动时不冲撞缸盖，机械接触式无杆气缸通常都装有缓冲装置。 机械接触式无杆气缸广泛用于数控车床的开门装置、多功能坐标机械手的位移装置和自动输送线上的工件传送装置等,2）磁性耦合式无杆气缸 图12-5所示为磁性耦合式无杆气缸的外观及结构原理图,图12-5 磁性耦合式无杆气缸 (a) 外观； (b) 结构； (c) 职能符号,磁性耦合式无杆气缸的活塞8上安装有一组高磁性永久磁环4；薄壁缸筒11是非导磁材料（不锈钢或铝合金等）；在薄壁缸筒11外部套装了另一组高磁性永久磁环2，且与内磁环的极性相反。由于两组磁环极性相反，具有很强的吸引力，所以当活塞8移动时，在磁力的作用下，可带动缸筒11外面的磁环套1和负载一起运动。 磁性耦合式无杆气缸体积小，重量轻，与外部无轴向槽引起的空气泄漏，维修保养方便，广泛用于数控机床、大型压铸机、注塑机的开门装置，纸张、布匹、塑料薄膜的切断控制系统，以及重物提升和多功能坐标移动的场合。 磁性耦合式无杆气缸的不足之处主要是：一，当速度过快、负载大过时，内外磁环会发生松脱现象。二，缸筒外壁有运动的外磁环，所以气缸中间不能加支撑点，使最大行程受到限制。,2019/8/5,19,可编辑,（2）磁性开关气缸 图12-6所示为磁性开关气缸的结构原理图。,图12-6 磁性开关气缸的工作原理图,磁性开关气缸也在活塞上安有永久磁环，缸筒也是非导磁材料（不锈钢或铝合金等），在磁性开关气缸的缸筒外壁，可安放各种固定磁敏传感器或磁性开关，当带磁环的活塞运动到磁性开关安放的所在位置时，可触发磁性开关，发出位置控制信号。 由于磁性开关可根据所需的工作位置在缸筒外壁任意调节，不仅安装方便，而且不需要机械动作配合，所以在电气程序控制系统中常作为位置发信元件，应用非常广泛。,（3）摆动气缸 摆动气缸是能实现角位移，对外输出扭矩的一种气动执行元件。常用的摆动气缸可分为齿轮齿条式和叶片式两类，它们主要用于转动角度小于360的回转机构，例如夹具的回转、阀门开闭、工作台或自动线上的物料转位等。,1） 齿轮齿条式摆动气缸 图12-7所示为齿轮齿条式摆动气缸的外观及结构原理图。,1缓冲节流阀 2缓冲柱塞 3齿条组件 4齿轮 5输出轴 6活塞 7缸体 8端盖,图12-7 齿轮齿条式摆动气缸结构原理 (a) 外观； (b) 结构； (c) 职能符号,2）叶片式摆动气缸 叶片式摆动气缸可分为单叶片式、双叶片式两种。单叶片式摆动气缸摆动角度大，但输出扭矩小；反之，双叶片式摆动气缸摆动角度小，但输出扭矩大。 图12-8（b）是单叶片式摆动气缸，气缸的叶片和输出轴固定在一起。当压缩空气推动叶片转动时，可带动输出轴一起转动，对外输出扭矩。图12-8（c）为双叶片式摆动气缸，其工作原理与单叶片式基本相同。,图12-8 叶片式摆动气缸 (a) 外观； (b)、 (c) 结构原理,（4）气、液阻尼缸 由于气体的可压缩性，普通气缸在工作时，如果负载变化较大，很容易产生“爬行”或“自移”现象，运行极不稳定。 气、液阻尼缸将气缸和液压缸组合在一起，以气缸作为动力源，利用液压缸运行稳定、易于调速的特点，使气缸依托着液压缸，在稳定的状态下运行。 气、液阻尼缸有串联和并联两种形式。图12-9为串联式，图12-10为并联式。,图12-9 串联式气、 液阻尼缸,图12-10 并联式气、 液阻尼缸,在图12-9中，当压缩空气从气缸左口进入左腔时，推动串联活塞右移，从而使液压缸右腔的油液通过单向阀快速流入左腔，活塞杆随之快速缩回；当压缩空气从气缸右口进入右腔时，推动串联活塞左移，液压缸左腔的油液只能通过节流阀流入右腔，活塞杆则可按可调节流阀的所调速度稳定地向外伸出。 系统上面的油箱一方面可补充液压缸运行时的油液泄漏，同时还可补充液压缸因左右两腔的容积差在相互流动时造成的流量差。 图12-10与图12-9的工作原理基本一样。 气、液阻尼缸与气缸相比，传动平稳，停位准确，噪声小；与液压缸相比，不需要液压源，经济性好。由于气、液阻尼缸综合了气缸和液压缸的优点，所以得到了越来越广泛的应用。,（5）气爪,（a） (b) (c) (d) 图12-11气爪 （a）平行气爪；（b）摆动气爪；（c）旋转气爪；（d）三点气爪,气爪是可实现夹持运动的执行元件。 图12-11是可实现四种夹持运动的气爪。它们都在小型气缸的驱动下，通过各种不同的连杆机构，实现不同的夹持运动：如图（a）可实现平行夹持；图（b）可实现摆动夹持；图（c）可实现旋转夹持；图（d）可实现三点夹持。 气爪是气动机械手的重要组成部分，在自动化技术中应用非常普遍。,12.2气动马达 气动马达是一种可实现连续旋转运动的气动执行元件，其作用相当于电动机或液压马达。常见的气动马达主要是叶片式气动马达和活塞式气动马达。,12.2.1叶片式气动马达 图12-12(a)所示是可双向旋转的叶片式气动马达的工作原理。 叶片式气动马达与叶片式液压马达的工作原理基本一样，压缩空气由A口输入后，一部分可经专用通道进入叶片底部，将叶片推出滑槽，使叶片贴紧定子的内壁，在转子和定子之间形成了一个个相互隔离的密封空间。由于两叶片伸出长度不等，所以进入密封空间里的压缩空气作用在前后两个叶片上的面积不同，因此，产生了转矩差，可推动叶片与转子按时针方向旋转。 改变压缩空气的输入方向可改变转子的转向；改变转子和定子之间的偏心距可改变马达的转速。,12.2.2径向活塞式气动马达 图12-12(b)所示是径向活塞式气动马达的工作原理。 径向活塞式气动马达与径向活塞式液压马达的工作原理基本一样，压缩空气进入配气阀后，由配气阀分配给腔体由小变大的气缸，推动活塞，并经活塞连杆和连杆前端的滑块，顺次推动偏心轮，并带动主轴一起转动，由主轴对外输出扭矩。,(a) (b) (c) 图12-12 气动马达 (a) 可双向旋转的叶片式气动马达； (b) 径向活塞式气动马达的； (c) 职能符号,12.2.3气动马达的优缺点 （1）气动马达的优点 1）安全 气动马达无火源，非常适宜于在易燃、易爆的特殊环境下工作。 2）无过载隐患 气动马达过载时只是被迫停止转动，过载解除后照样运行，不会引发故障。 3）控制简单易行 气动马达的正转、反转和无级调速都只需要少量的元件，简单的连接，就能轻易实现。 4）启动转矩高，且可长期满载工作 气动马达可直接带负载启动；长期满载工作，温升也较小。 5）结构简单，操纵方便，维修容易，成本低 （2）气动马达的缺点 气动马达的缺点主要表现在：速度稳定性差，输出功率小，效率低，耗气量大，噪声大，容易产生振动等。,12.2.4气动马达的职能符号 气动马达的职能符号如图12-13所示。,图12-13气动马达的职能符号 （a）单向定量气马达；（b）单向变量气马达； （c）双向定量气马达；（d）双向变量气马达,思考题与习题 12-1气缸的安