气压传动--执行元件4

第四章 气动执行元件 主 要 内 容
4.1 常用气缸 4.1.1 标准气缸 4.1.3 套筒气缸 4.1.5 回转气缸 4.1.7 省空间气缸 4.1.9 夹紧气缸 4.1.11 帯限位开关气缸 4.1.13 磁性无杆气缸 4.1.15 正弦气缸 4.1.17 气液组合气缸 气缸基本特性 气缸选型 4.1.2 4.1.4 4.1.6 4.1.8 4.1.10 4.1.12 4.1.14 4.1.16 薄膜气缸 冲击气缸 摆动气缸 滑台气缸 锁定气缸 带阀气缸 机械无杆气缸 指形气缸
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4.1.14 机械无杆气缸
动画 机械式无杆气缸有较大的承载能力和抗力矩能力，可能有 轻微外漏。
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4.1.15 正弦气缸
动画
能实现平稳加速、减速（0.5g以下）的气缸称为正弦气缸。 在缓冲套上，沿轴向的沟槽深度按正弦曲线变化以实现平稳缓 冲而得名。
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4.1.8 滑台气缸
滑动装置气缸是由两个单杆气缸并联成一体（双联气 缸），用于位置精度（平面度、直角度等）要求高的组装 机器人和工件搬送设备上。
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气动滑台是将滑台与各种气缸装配成紧凑一体化气动装置。 适用于精密组装、定位、传送工件等。
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4.1.9 夹紧气缸
能量方程：
d dV (CV mT ) = Q + C P GT f − P dt dt
dV dT RT = (Q + C P GT f − CV TG − P ) dt dt CV PV
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运动方程：
d 2x dx M = P1 ⋅ A1 − P2 ⋅ A2 − Pa ( A1 − A2 ) − M ⋅ g ⋅ sin α − k f ⋅ − F dt dt
4.1.16 指形气缸
动画 气动手爪可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。有两 爪、三爪和四爪等类型，其中两爪中有平开式和支点开闭式。
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4.1.17 气液组合式阻尼缸气缸
串联式
并联式
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4.2.1 气缸静态特性
气缸理论输出推力： F理 = F1 − F2 = ( A1 p1 − A2 p2 ) × 10 6 气缸实际输出推力： F实 = ( A1 p1 − A2 p2 ) × 10 6 − ( R ± ma )
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夹紧侧带锁:夹紧状态保持， 防止工件因重量而滑落。
非加紧侧带锁:未夹紧状态保 持，防止夹紧臂因重量而落至 工作位置。
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4.1.10 锁紧气缸
动画
电磁阀控制标准气缸停止，其定位精度差。锁紧气缸用于 高精度定位停止、异常事故紧急停止、防止下落、负载拖动， 以确保安全。也叫端锁气缸。
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4.1.7 省空间气缸
省空间气缸是指轴向或径向尺寸比标准气缸有较大减小 的气缸。具有结构紧凑、重量轻、占用空间小等优点。
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薄型气缸 缸筒与无杆侧端盖压 铸成一体，杆盖用弹 性挡圈固定，缸体为 方形。常用于固定夹 具和搬运中固定工件 等。
自由安装气缸
扁平气缸
缸筒与杆盖压铸成一 活塞形状是椭圆 体，无杆侧端盖用弹 形，活塞杆不回 性挡圈固定。从任何 转，缸体为长方 方向都可以直接安装。 形，可在狭窄空 间安装。 动画
其中： 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），（如双作用取两侧面积之和） *气缸实际耗气量要比计算多 ，可取计算值1.2-1.5倍。 最大耗气量：气缸以最大速度运动时所需空气流量。用于确定元件、配管尺寸。 平均耗气量：系统一个工作周期内的平均流量。用于确定空压机、计算成本。 *最大耗气量和平均耗气量之差用于选定气罐的容积。
气缸的效率取决于密 封的种类、气缸内表面和 活塞杆加工、润滑状况、 运动速度、排气侧压力、 外载荷、管道状况。 气缸效率曲线
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气缸耗气量 ：气缸每分钟消耗的空气的量。一般情况下
指消耗自由空气量。
q 压 = A ⋅ s ⋅ n ⋅ 10 3 q自 . . ⎛ p + 01013⎞ 3 ⎛ p + 01013⎞ = q压 ⎜ ⎟ ⎟ = A ⋅ s ⋅ n ⋅ 10 ⋅ ⎜ ⎝ 01013 ⎠ ⎝ 01013 ⎠ . .
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4.1.5 回转气缸
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4.1.6 摆动气缸
动画
叶片式摆动气缸有单叶片式和双叶片式。双叶片式的输 出力矩比单叶片式大一倍，但转角小于180度。
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4.1.6 摆动气缸
动画 齿轮齿条摆动气缸:气压力 活塞 齿条 齿轮 力矩 和转角。 摆动平台是在转轴上安装了一个平台。 用于物体转位、翻转、分类、夹紧、阀门开闭以及机器 人手臂动作等。
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4.1.1 标准气缸
动画
动画
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动画
动画
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气缸基本组件：
1、缸筒：内表面粗糙度应达Ra0.8μm，钢质内表面应镀硬 铬。材质有高碳钢、高强度铝合金、黄铜和不锈钢管。 2、端盖：设有通气口、密封圈、防尘圈、缓冲机构。常用 可锻铸铁，现常用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜。 3、导向套：提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量径 向负载，减小下弯量，延长寿命。常用烧结含油合金、铅 青铜铸件。 4、活塞：设有密封圈、耐磨环。常用铝合金、铸铁，小型 缸有用黄铜制成。耐磨环提高气缸导向性，减少密封磨损和 摩擦阻力，常用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等。 5、活塞杆：常使用高碳钢、不锈钢，表面经镀硬铬处理，提 高密封圈耐磨性。
4.2 4.3
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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。 弹簧压入 单作用气缸 弹簧压出 标准气缸 单出杆 双作用气缸 双出杆 气缸 冲击气缸 摆动气缸 特殊气缸 制动气缸 执行元件 磁性气缸 指形气缸 马达 实现连续回转运动，输出力矩和角位移。
式中： F ——气缸的推力（N）； R ——摩擦阻力（N）； M ——活塞等运动部件的质量（kg）； P1，P2 ——进气侧和排气侧压缩空气压力（MPa）； a ——进气侧和排气侧压缩空气压力（m/s2）。
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气缸效率：气缸实际推力和理论推力比值。
η=
F实 F理
( A1 p1 − A2 p2 ) × 10 6 − ( R ± ma ) = ( A1 p1 − A2 p2 ) × 10 6
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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） 五、选缓冲方式： 根据最大速度和负载质量选择：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、选限位(磁性)开关 八、选择活塞杆端部接头
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4.1.11 带磁性开关气缸
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4.1.12 带阀气缸
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4.1.13 磁性无杆气缸
动画 节省安装空间(有杆气缸约2.2L(行程),无杆气缸约1.2L)，行 程缸径比可达50至200，定位精度高、重量轻、结构简单、无外 泄漏。但限位器使负载停止时，活塞与移动支架有可能脱开。
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4.1.2 薄膜气缸
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4.1.3 套筒气缸
动作：先大后小；
一般为单作用缸。
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4.1.4 冲击气缸
ห้องสมุดไป่ตู้
蓄能 启动 冲击 回程
冲击气缸
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4.1.4 冲击气缸
非快排型冲击气缸 1-蓄能器 2-中盖 3-气缸 4-前盖 5-活塞 6-排气阀 7-后盖 A、B-进排气孔
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十、活塞杆稳定性校验 活塞杆长度L＞10d时，需把气缸整体当作细长杆件 来处理，此时若轴向负载推力达到了极限值后，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。因此 必须对气缸稳定性进行校验。
L=
πd
8
2
nE mF
L——活塞杆的计算长度（m）； E——材料的弹性模量，对钢取E＝2.1×1011 N/m2； n——活塞杆的安装系数（0.25～4），与安装方式有关； 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）。
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最低使用压力：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：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。 耐压性能：在气缸最高使用压力1.5倍的压力下保压1min， 气缸连接部位无松动，零件无永久变形或其他异常现象。 使用温度：无磁性开关气缸5-70℃，磁性开关气缸5-60℃， 温度过高，密封材料会软化，温度过低密封材料会硬化，而 且可能会结冰，动作不良。
1
κ −1
A ⋅ pH
2 κ ⋅ , RTH κ + 1
pH > 1.89 pL
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4.3 气缸选型
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).根据负载状况，确定气缸的轴向负载力F (2).根据负载状况，预选气缸的负载率η
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负载状况与负载力：
负载状况与负载率η关系表：
负载运动状态 负载率 静载荷(如夹紧) η<70% η<50% 动 载 荷 气缸速度50-500mm/s 气缸速度>500mm/s η<30%
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(3).计算气缸的理论出力：
F0 =
F
η
× 100%
(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。
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4.2.2 气缸动态特性
典型气动回路
气缸动态特性：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 真实地反映气缸工作性能。
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气缸动态模型由如下几个方程描述 ： 状态方程：
PV = mRT
dP 1 PV dT dV = ( ⋅ + RTG − P ) dt V T dt dt
流量(节流口)方程：
⎧ ⎪ ⎪ A ⋅ pH ⎪ G=⎨ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩
2 κ +1 ⎡ ⎤ κ 2 κ ⎢⎛ pL ⎞ ⎛ pL ⎞ κ ⎥ ⎜ ⎟ −⎜ ⋅ ⎟ ⎜p ⎟ ⎥ RTH κ − 1 ⎢⎜ pH ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ H⎠ ⎥ ⎢ ⎣ ⎦
,
pL ≤ pH ≤ 1.89 pL
⎛ 2 ⎞ ⎟ ⎜ ⎝ κ + 1⎠
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九、活塞杆强度校验： 活塞杆承受应力小于材料许用应力，即
π
F1 d
2
≤ [ο ]
d≥
4
π [ο ]
4F1
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）。
*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，因此还要进行稳定性校验。