气动技术4(气动系统执行元件)课件

气压传动及控制

第四章气动系统执行元件李军哈工大气动技术中心2006年3月17日§4.1什么是气动系统执行元件？§4.2直线气缸4.2.1气缸的原理及分类4.2.2有关气缸的几个基本概念4.2.3气缸的动态特性4.2.4气缸的选型及计算4.2.5特殊气缸§4.3摆动气缸4.3.1摆动气缸原理及分类4.3.2摆动气缸的选型主要内容气动系统的执行元件:

将压缩空气的压力能转化为机械能，驱动机构实现直线往复运动、摆动、旋转运动或冲击动作的元件。气动执行元件分为气缸和气动马达两大类。气缸用于实现直线往复运动（直线气缸）或摆动（摆动气缸），输出力或力矩，以及输出直线或摆动位移。气动马达用于实现连续回转运动，输出力矩和角位移。§4.1什么是气动系统执行元件？气缸的典型结构和工作原理

气动系统中最常使用的是单活塞杆双作用气缸，其典型结构如上图所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖、密封件、防尘圈、导向套、耐磨环及缓冲部件等组成。这种双作用气缸被活塞分成有杆腔和无杆腔。有活塞杆的腔室称为有杆腔，无活塞杆的腔室称为无杆腔。§4.2.1气缸的原理及分类当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服各种阻力负载推动活塞前进，使活塞杆伸出；当无杆腔排气，有杆腔进气时，活塞杆缩至初始位置。有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。单出杆双作用气缸是最常见的气缸，对应不同的使用条件和要求有各种形式的气缸。§4.2.1气缸的原理及分类气缸的分类

气缸的种类很多，分类的方法也不同。通常可以按压缩空气作用在活塞端面上的方向、结构特征及使用功能等来分类。§4.2.1气缸的原理及分类按压缩空气作用在活塞端面上的方向分类：单作用气缸：是指压缩空气仅在气缸的一端进气，推动活塞向一个方向运动，活塞的返回则借助于弹簧力、膜片张力、活塞杆的自重或外力来实现。借助弹簧力时可分弹簧压出和弹簧压回两种方式。双作用气缸：是指压缩空气交替从气缸两端进入，推动活塞作往复运动。双作用气缸又可分为单出杆和双出杆两种。双出杆气缸活塞两侧受压面积相同，两个方向各参数对称，容易调整两个方向速度相同，便于控制。但需要空间将近时是单出杆气缸的两倍。§4.2.1气缸的原理及分类§4.2.1气缸的原理及分类单作用气缸双作用气缸弹簧压出弹簧压入单出杆双出杆按气缸的结构特征分类：§4.2.1气缸的原理及分类活塞式气缸膜片式气缸按气缸的功能分类：普通气缸：包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊要求的场合。缓冲气缸：气缸的一端或两端带有缓冲装置，以防止和减轻活塞运动到端点时对气缸缸盖的撞击。高速气缸：活塞运动速度超过500mm/s，一般在1-3m/s之间。低摩擦气缸：气缸内系统摩擦力的大小会直接影响气缸运动的稳定性。减小摩擦力的措施有：降低缸筒内表面和活塞杆外表面等滑动表面的粗糙度值；减小密封圈的接触面积；采用低摩擦系数的材料等。耐热气缸：用于环境温度为120～150℃，其气缸密封圈、活塞上导向环和缓冲垫等均需用耐热材料，如密封圈和缓冲垫用氟橡胶，导向环用聚四氟乙烯。耐腐蚀气缸：用于有腐蚀性环境下工作。其气缸外漏表面的零件均需用防腐性材料，如缸筒、活塞杆、端盖和拉杆等选用不锈钢等制作，根据腐蚀状况可选用不同的耐腐蚀材料。§4.2.1气缸的原理及分类按气缸的安装形式可分为：固定式气缸：气缸安装在机体上固定不动，有基本型、脚座型和法兰型。摆动式气缸：耳环型和耳轴型，缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动。回转式气缸：缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。

嵌入式气缸：气缸缸筒直接制作在夹具体内。§4.2.1气缸的原理及分类§4.2.1气缸的原理及分类固定式气缸§4.2.1气缸的原理及分类摆动式气缸气缸的两种密封原理：压缩密封是将密封圈放入密封沟槽内时，便有一定的预压缩量，靠密封面上的接触面压力阻塞泄漏通路。气压密封是靠气压将密封圈的唇部压紧在密封面上以保证密封。§4.2.1气缸的原理及分类压缩密封气压密封压缩密封圈特点预压缩量越大，密封性越好，但摩擦阻力也越大。能双向密封。气压密封圈特点气压越高，密封性越好。只能单向密封，双作用气缸活塞上必须装两个。唇部对磨损有自补偿作用。§4.2.1气缸的原理及分类气缸的缓冲气缸为什么有缓冲？当活塞运动到行程终端的速度较大，且有一定的质量负载，这时如果没有缓冲，活塞会撞击端盖造成气缸损坏。缓冲方式：无缓冲、垫缓冲、气缓冲和液压缓冲器。这几种缓冲方式的缓冲能力由弱到强。§4.2.1气缸的原理及分类缓冲方式缓冲原理适合场合无缓冲适合微型缸、小型单作用气缸和中小型薄型缸垫缓冲在活塞两侧设置聚氨酯橡胶垫，吸收动能适合缸速不大于750mm/s的中小型气缸和缸速不大于1000mm/s的单作用气缸气缓冲将活塞运动的动能转化成密封气室的压力能适合缸速不大于500mm/s的大中型气缸和缸速不大于1000mm/s的中小型气缸液压缓冲器将活塞运动的动能传递给液压缓冲器，转化成热能和油液的弹性能适合缸速大于1000mm/s的气缸和缸速不大的高精度气缸§4.2.1气缸的原理及分类气缓冲的原理§4.2.1气缸的原理及分类液压缓冲器的原理§4.2.1气缸的原理及分类§4.2.1气缸的原理及分类§4.2.2有关气缸的几个基本概念气缸的理论输出力指气缸的使用压力作用在活塞有效面积上产生的推力或拉力。单出杆单作用气缸弹簧压回型气缸的理论输出推力弹簧压回型气缸的理论返回拉力弹簧压出型气缸的理论输出拉力弹簧压出型气缸的理论返回推力§4.2.2有关气缸的几个基本概念单出杆双作用气缸理论输出推力(活塞杆伸出)理论输出力理论输出拉力(活塞杆返回)双出杆双作用气缸§4.2.2有关气缸的几个基本概念气缸的实际输出力由于在气缸运动过程中排气腔内的压力高于大气压,活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。§4.2.2有关气缸的几个基本概念气缸负载率η气缸的负载率是气缸活塞杆受到的轴向负载力F与气缸的理论出力F0之比。§4.2.2有关气缸的几个基本概念负载的运动状态静载荷(如夹紧)动载荷气缸速度50-500mm/s气缸速度>500mm/s负载率η<70%η<50%η<30%负载率与负载的运动状态§4.2.2有关气缸的几个基本概念气缸耗气量

气缸的耗气量是气缸运动过程中消耗空气的流量。一般情况下，气缸的耗气量是指耗自由空气流量。

气缸的耗气量可分为最大耗气量和平均耗气量。最大耗气量是气缸以最大速度运动时所需要的空气流量。平均耗气量是气动系统的一个工作循环周期内所消耗的空气的平均流量。平均耗气量用于选用空压机、计算运转成本。最大耗气量用于选定空气处理元件、控制元件及配管尺寸。最大耗气量和平均耗气量之差用于选定气罐的容积。s——活塞行程（m）；p——压缩空气压力（MPa）；n——每分钟往复运动次数。A——活塞面积（m2）双作用取两侧面积之和

气缸的实际耗气量要比上式计算的多，取计算值的1.2-1.5倍。§4.2.2有关气缸的几个基本概念气缸的使用压力范围：最低使用压力，最高使用压力最低使用压力是指保证正常工作的最低供给压力，气缸能够平稳运动且泄漏量在允许范围内。双作用缸的最低使用压力一般在0.05-0.1MPa单作用缸的最低使用压力一般在0.15-0.25MPa最高使用压力是指气缸长时间在此压力作用下能够正常工作而不损坏的压力。一般为1MPa。§4.2.2有关气缸的几个基本概念耐压性能：在气缸的最高使用压力1.5倍的压力下保压1min，保证气缸的连接部位没有松动，零件没有永久变形或其他异常现象。环境温度和介质温度：温度过高，密封材料会软化，磁性开关失效，温度过低密封材料会硬化，而且可能会结冰，气缸动作不良。§4.2.2有关气缸的几个基本概念气缸的动态特性是指在气缸运动过程中气缸两腔内空气压力，温度，活塞位移、速度、加速度等参数的变化。它能真实地反映气缸的工作性能。典型的气动回路§4.2.3气缸的动态特性气缸的模型由如下几个方程描述：状态方程：

能量方程：

§4.2.3气缸的动态特性运动方程：

节流口流量方程：§4.2.3气缸的动态特性§4.2.3气缸的动态特性§4.2.3气缸的动态特性当换向阀切换前，进气腔中的气体压力为大气压。当换向阀切换后，进气腔与气源接通，因进气腔容积小，气体将很快充满，压力快速上升。排气腔则不同，启动前其腔中压力为气源压力，因为排气腔的容积大，腔中气体压力的下降速度要比进气腔中压力上升的速度缓慢的多。当两腔的压力差超过起动压差后，气缸就开始运动。起动以后，活塞所受的摩擦力从静摩擦力转为动摩擦力而变小，使活塞加速运动。由于活塞的运动，进气腔容积相对增大，只要补充气源充分，活塞就继续运动。另一方面，排气腔容积在不断减小，在不断排气过程中腔中压力继续下降。活塞在两腔压力差作用下继续前进。§4.2.3气缸的动态特性当气缸行程较长，且活塞杆上有负载时，会产生进排气速度与活塞速度相平衡的情况，这时压力特性曲线将趋于水平，活塞在两腔不变的压力差的推动下匀速前进。当气缸达到行程末端，排气腔压力急剧下降至大气压，进气腔压力上升至气源压力。在气缸到达末端时，往往速度很高，容易造成气缸的冲击。因而在气缸的设计中要考虑缓冲装置。§4.2.3气缸的动态特性由于气缸在整个运动过程中，进气腔和排气腔的压力是在不断变化的，因而推动活塞的力也比较复杂，再加上气体的压缩性，要使气缸在全行程中保持匀速运动是困难的。气缸在一般工作条件下，其平均速度在0.5m/s以下。气缸的速度受到限制不是本身不能达到，而是由于缓冲能力不够。§4.2.3气缸的动态特性由于气缸中使用的气体为可压缩气体，所以当外界加在气缸活塞上的负载变化较大时，即使采用各种速度控制阀和各种调速回路，也难于实现气缸速度的均匀和稳定。当外界负载变化时，将引起气缸内空气压力的变化，为了达到新的平衡，只能依靠缸内气体的膨胀和压缩来进行变动，此时可能出现气缸忽走忽停的现象，称之为气缸的“爬行”。这实际上也是由气体的可压缩性引起的。当气缸的供气压力过低或运行速度过低时，也会出现气缸的爬行现象。如果外界负载变化很大时，可能出现活塞不但不前进，反而后退的现象，称为气缸的“自走”。§4.2.3气缸的动态特性气缸的选型一、选气缸作用方式单杆单作用气缸：弹簧压回型、弹簧压出型单杆双作用气缸、双杆双作用气缸。二、选缸径(1).根据负载的状态，确定气缸的轴向负载力F(2).根据负载的状态，预选气缸的负载率η负载的运动状态静载荷(如夹紧)动载荷气缸速度50-500mm/s气缸速度>500mm/s负载率η<70%η<50%η<30%§4.2.4气缸的选型及计算负载率与负载的运动状态(3).计算气缸的理论出力：

其中：F--气缸的轴向负载力

F0--气缸的理论出力(4).计算缸径：根据气源供气条件，确定气缸的使用压力P，P应小于减压阀入口压力的85%。对单作用气缸，预设杆径与缸径之比d/D=0.5，双作用缸预选d/D=0.3-0.4。根据气缸的理论输出力公式可以得到D。§4.2.4气缸的选型及计算三、选行程

根据气缸的操作距离及传动机构的行程比来预选气缸的行程。尽量选为标准行程。四、选择气缸品种（轻型、薄型、带导杆等）和安装方式（基本型、脚座型、法兰型、耳环型和耳轴型等）§4.2.4气缸的选型及计算五、选缓冲方式：

根据最大速度和负载质量选择，可分为：无缓冲、垫缓冲、气缓冲和油压减震器。六、选择其他技术指标：

最高使用压力，最低使用压力、环境温度和介质温度等。七、选磁性开关八、选择活塞杆端部接头§4.2.4气缸的选型及计算活塞杆长度的验算

在气缸工作过程中，活塞杆最好受拉力，但在很多场合，活塞杆是承受推力负载，对细长杆件受压往往会产生弯曲变形，因此除需进行强度校验外，有时还要进行稳定性校验。强度检验使活塞杆所承受的应力小于材料的许用应力，即

式中F1——活塞杆上总推力（N）；

d——活塞杆直径（m）；[σ]——活塞杆材料的许用应力（N/m2）。

则§4.2.4气缸的选型及计算稳定性校验当活塞杆计算长度L＞10d时，需把气缸整体当作细长杆件来处理，按纵向弯曲极限力计算。此时若轴向推力负载达到了极限值Fk后，极微小的干扰都会使活塞杆发生弯曲变形，出现不稳定现象，这样会影响甚至破坏气缸的正常工作。因此必须对气缸的稳定性进行校验。

L——活塞杆的计算长度（m）； E——材料的弹性模量，对钢取E＝2.1×1011N/m2； n——活塞杆的安装系数（0.25～4），与安装形式有关

F——气缸承受的轴向压力（N），即气缸理论推力；

m——安全系数（一般取2～6）。§4.2.4气缸的选型及计算高位置精度气缸

用于位置精度（平面度、直角度等）要求高的组装机器人和工件搬运设备上。双出杆气缸

将两个单杆薄型气缸并联成一体，用于要求高精度导向的场合。能承受一定的横向负载。带导杆气缸

将与活塞杆平行的两根导杆与气缸组成一体。结构紧凑，导向精度高，能承受较大的横向负载和力矩。可用于输送线上工件的推出、提位和限位等。§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸无杆气缸

分为机械接触式和磁性耦合式

特点：沿行程方向节省安装空间。可以有较大的行程缸径比，达50-200可以有较大的行程，系列最长可达5m-10m。活塞两侧受压面积相等。§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸制动气缸用换向阀控制的气缸一般只能在起始和末端位置停止，很难在中间位置准确地、刚度很大的停住。制动气缸用于高精度的中途停止、异常事故的紧急停止和防止落下等，以确保安全。制动气缸可分成制动块式和斜板式。按制动方式可分成：弹簧制动，气压制动和弹簧加气压制动三种。§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸端锁气缸一般的气缸在两端停止后，如果负载变化较大，有一个较大的力推动气缸，就可以拖动气缸运动。这往往是我们不希望看到的。端锁气缸在气缸停止时，将气缸锁定在行程末端，以确保安全。当阀换向驱动气缸动作时，自动打开端锁，保证气缸正常动作。端锁气缸按锁定位置分为：有杆侧锁、无杆侧锁和两侧锁。§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸带阀气缸

带阀气缸是由气缸、换向阀和速度控制阀等组成的一种组合式气动执行元件。带阀气缸将气阀藏在缸体内或与气缸连成一体。它省去了连接管道和管接头，减少了能量损耗，具有结构紧凑，安装方便等优点。缺点是不能将电磁阀集中装在一起，不利于管理。带阀气缸的阀有电控、气控、机控和手控等各种控制方式。阀的安装形式有安装在气缸尾部、上部等几种。§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸气动手爪气动手爪这种执行元件主要是针对机械手的用途而设计的。它可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。气动手爪有两爪、三爪和四爪等类型，两爪中有平开式和支点开闭式驱动方式有直线式和旋转式。§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸§4.2.5特殊气缸气缸通常是以可压缩空气为工作介质，动作快，但速度较难控制，当负载变化较大时，容易产生“爬行”或“自走”现象。另外，压缩空气的压力较低，因而气缸的输出力较小。为此，经常采用气缸和油缸相结合的方式，组成各种气液组合式执行元件，以达到控制速度或增大输出力的目的。

§4.2.5特殊气缸气液组合式执行元件气液阻尼缸

气液阻尼缸是利用气缸驱动油缸，油缸除起阻尼作用外，还能增加气缸的刚性（因为油是不可压缩的），发挥了液压传动稳定、传动速度较均匀的优点。常用于机床和切削装置的进给驱动装置。气液阻尼缸的结构可分为串联式并联式两种。

§4.2.5特殊气缸气液组合式执行元件串联式并联式§4.2.5特殊气缸气液组合式执行元件气液转换器

气液转换器是将气压直接转换为油压（增压比为1:1）的气液转换元件，可作为辅助元件应用于气液回路中。特点：与液压相比，不需要复杂庞大的油泵站，成本低；与气液阻尼缸相比，气液转换器与油缸分离，可放在任意位置，操作简便；由于工作液压油油温稳定，空气不会混入油中，因此能获得稳定的移动。可用于精密切割、精密稳定的进给运动。§4.2.5特殊气缸气液组合式执行元件利用气液转换器的回路§4.2.5特殊气缸气液组合式执行元件摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的气动执行元件。摆动气缸是一种在小于360°角度范围内做往复摆动的气缸。常用的摆动气缸的最大摆动角度分别为90°、180°、270°三种规格。摆动气缸主要用于物体的转位、翻转、分类、夹紧，阀门的开闭以及机器人的手臂动作。§4.3.1摆动气缸原理及分类实例：分路阀驱动部分采用摆动气缸驱动，结构紧凑，有利于现场进行维修和保养。用途：适宜为粉粒状物料，在输送系统中起管路切换的作用。广泛应用在化工、食品、粮食加工、能源电力、机械、建材、港口码头等行业。§4.3.1摆动气缸原理及分类摆动气缸的分类

摆动气缸按结构特点可分为叶片式和活塞式两种§4.3.1摆动气缸原理及分类活塞式摆动气缸是将活塞的往复运动通过各种机构转变为输出轴的摆动运动。按结构不同可分为齿轮齿条式、螺杆式和曲柄式等几种。齿轮齿条式摆动气缸是通过连接在活塞上的齿条使齿轮回转的一种摆动气缸，其结构原理如图所