气动技术_5、气动执行元件(1)(图文教程)

第5章 气动执行元件

5.1 概述

    在气动系统中，将压缩空气的能量转变为机械能，实现直线、转动或摆动运动的传动装置称为气动执行元件。气动执行元件有产生直线往复运动的气缸，在一定角度范围内摆动的摆动马达以及产生连续转动的气动马达三大类。气动执行元件的分类如图5.1所示。

 气动执行元件特点如下：

1)与液压执行元件相比，气动执行元件的运动速度快，工作压力低，适用于低输出力的场合。能正常工作的环境温度范围宽，一般可在-35～+80℃ (有的甚至可达+200℃)的环境下正常工作。

2)相对机械传动来说，气动执行元件的结构简单，制造成本低，维修方便，便于调节其输出力和速度的大小。另外，其安装方式、运动方向和执行元件的数目，又可根据机械装置的要求由设计者自由地选择．特别是制造技术的发展，气动执行元件已向模块化、标准化发展。借助于计算机数据传输技术发展起来的气动阀岛，使气动系统的接线大大简化。这就为简化整个机械的结构设计和控制提供了有利条件。目前已有精密气动滑台、气动手指等功能部件构成的标准气动机械手产品出售。

3)由于气体的可压缩性，使气动执行元件在速度控制、抗负载影响等方面的性能劣于液压执行元件。当需要较精确地控制运动速度，减少负载变化对运动的影响时，常需要借助气动一液压联合装置等来实现。

5.2 气缸 表5.1气缸的分类

一、气缸的分类

    气缸的种类繁多，可按不同方法进行分类，详见表5.1。 

    活塞式气缸的内部装有带密封的活塞，而无活塞式气缸则使用膜片或膜盒等，其特点是无摩擦力，但行程较短。

    单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸，由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧压缩空气作用的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，活塞两侧受压缩空气作用的面积相同，活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。双活塞杆气缸又可分为缸体固定式和活塞杆固定式两种。

    单向作用气缸是由一侧气口供给压缩空气驱动活塞运动；依靠弹簧力、外力或自重等退回，而双向作用气缸是由两侧气口供给压缩空气使活塞作往复运动。

    为防止活塞冲击缸盖，可在气缸的行程终端设置缓冲装置，这种气缸称缓冲气缸。在缸径为32mm以上的大中型气缸中，有利用空气可压缩性的可调式缓冲装置；有单侧缓冲型和双侧缓冲型。而缸径在32mm以下的小型气缸中，常使用由聚氨酯橡胶等制成的固定式弹性缓冲装置。 

表5.2 气缸的分类、原理与特点

    气缸的安装形式可分为固定式、摆动式、回转式和嵌入式。固定式气缸采用法兰或双螺栓把气缸安装在机体上。摆动式气缸能绕一固定轴作一定角度的摆动，其结构有头部、中间及尾部轴销式。回转式气缸是一种缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作旋转运动的气缸。嵌人式气缸是一种缸筒直接制作在夹具内的气缸。

    给油气缸工作时需提供油雾润滑，应用于给油润滑气动系统。无给油气缸已预先封入润滑脂等，工作时定期给予补充，不需要润滑装置，应用于无给油润滑气动系统。无油润滑气缸有含油润滑材料和含油密封圈等部件，不需要润滑装置或预先封人润滑脂等，应用于无油润滑气动系统。

在各类气缸中使用最多的是活塞式单活塞杆型气缸，称为普通气缸。

各类气缸的分类、原理与特点如表5.2所示。

二、普通气缸

（一）普通气缸的结构 普通气缸可分为单作用气缸和双作用气缸两种。

1．双作用气缸

    气缸一般由缸筒、前后缸盖、活塞、活塞杆、密封件和紧固件等零件组成，如图5.2所示。缸筒在前后缸盖之间由4根拉杆和螺母将其紧固锁定(图中未画出)。缸内有与活塞杆相连的活塞，活塞上装有活塞密封圈。为防止漏气和外部灰尘的侵入，前缸盖装有活塞杆的密封圈和防尘圈。这种双作用气缸被活塞分成有杆腔(简称头腔或前腔)和无杆腔(简称尾腔或后腔)。

    当从无杆腔端的气口输入压缩空气时，若气压作用在活塞上的力克服了运动摩擦力及负载等各种反作用力，则气压力推动活塞前进，而有杆腔内的空气经其出气口排人大气，使活塞杆伸出。同样，当有杆腔端气口输入压缩空气，其气压力克服无杆腔的反作用力及摩擦力时，则活塞杆退回至初始位置。通过无杆腔和有杆腔做交替进气和排气，活塞杆伸出和退回，气缸实现往复直线运动。

2．单作用气缸

    单向作用方式常用于小型气缸，其结构如图5.3所示。在气缸的一端装有使活塞杆复位的弹簧，另一端的缸盖上开有气口。除此之外，其结构基本上与双作用气缸相同。其特点是，弹簧压缩后的长度使气缸全长增加。

(二)气缸的缓冲

    气缸缸盖上未设缓冲装置的气缸称为无缓冲气缸，缸盖上设有缓冲装置的气缸称为缓冲气缸。图5.2所示为单活塞杆双作用缓冲气缸。缓冲装置由节流阀、缓冲柱塞和缓冲密封圈等组成。当气缸行程接近终端时，由于缓冲装置的作用，可以防止高速运动的活塞撞击缸盖。

常用的缓冲装置有气垫缓冲装置，橡胶缓冲垫和液压吸震器三种。

1、气垫缓冲

    气缸缓冲装置的工作原理如图5.4所示。气缸的活塞上伸出一个凸台(缓冲环)。端盖上有一个Ｖ型密封圈。当活塞杆向右运动，接近终端时，杆端凸台伸进了密封圈内，使排气通道被断开。背压腔里的空气不能从排气通道内自由流出而被封死，迫使背压腔里的空气从一个可调节的节流小口排出。背压腔里的空气由于气阻很大，流道被阻，压力升高，背压腔的压力作用在活塞右端，阻止活塞继续运动，形成一个具有很大阻碍作用的气垫，吸收了活塞的动能，使活塞的惯性得到缓冲(图5.4a) 。

    当重载高速运动的活塞在缓冲气垫的作用下，缓缓运动落到气缸盖以后，向相反方向运动时，其情况如图5.4b所示。当活塞向相反方向运动时，原来的排气腔成为进气腔。进气腔的高压空气将具有单向阀功能的密封圈向上吹起，打开密封气口，使空气可以自由地进入活塞右腔，从而推动活塞向左运动。当移动速度慢，拖动负载小或缸径较小的情况下，不必选用这种气垫或缓冲机构。例如气缸的直径过小，缓冲凸台的直径相对较大，在起始端，气缸回程速度会过快，产生”突跳”现像。因此不宜选用气垫或缓冲机构。是否选用这种气垫式缓冲装置，应该根据气缸移动速度的快慢，拖动负载的大小来选择。

２、橡胶垫缓冲

    在没有必要采用气垫缓冲方式的情况，选择用弹性橡胶垫片作为缓冲件的气缸就完全可以满足了要求了。图5.5气缸采用了橡胶垫作为缓冲装置。零件1、2是起缓冲作用的聚氨酯橡胶垫。

３、液压吸震器缓冲

    当气缸活塞运动速度比较高、拖动负载比较大的情况下，容易造成很大的撞击。这种情况下，可以在末端板上安装油压吸震器来吸收比较大的动能，起到缓冲作用。图5.6是油压吸震器的外形图。当动能传递到吸震器活塞杆头部时，吸震器在活塞底部建立起油压，如图5.7所示。这个油压的压力能通过吸震器内管内的释放小孔逐渐释放，以达到吸收动能，缓冲惯性冲击的目的。

（三）普通气缸的安装方式

    气缸的安装方式，如表5.3所示。使负荷作直线运动时，使用脚架型和法兰型安装方式；作摆动运动时，使用耳环型和轴销型安装方式。

表5.3 气缸的安装方式

(四)气缸的规格

    气缸的尺寸规格主要以气缸的缸筒内径和活塞行程分类；也有按活塞杆直径和杆端螺纹尺寸分类的方法。

    气缸的缸筒内径尺寸见表5.4，摘自GB2348—80(IS03320)液压气动系统及元件一缸径及活塞杆外径系列。气缸可按缸径进行如下分类：

1) Φ2.5～Φ6mm的为微型气缸；

2) Φ8～Φ25mm的为小型气缸；

3) Φ32～Φ320mm的为中型气缸；

4) 大于Φ320mm的为大型气缸。

    气缸活塞行程系列按照优先次序分成三个等级顺序选用，如表5.4所示。 国际标准IS06430、6431中推荐活塞公称行程允差见表5.5。当行程>1250mm时，其公称行程允差由供需双方确定。活塞杆外径尺寸系列如表5.6所示。气缸活塞杆常用螺纹尺寸如表5.7所示。

表5.4 气缸的缸筒内径尺寸及行程优先系列 (mm)

注：括号内数据为非优先选项。 

表5.5 活塞公称行程允差 (mm)

表5.6 活塞杆外径尺寸系列

表5.7 气缸活塞杆常用螺纹尺寸

三、特殊气缸 

（一）套筒气缸

    套筒气缸又称伸缩气缸，分为单作用和双作用两种，图5.8所示为其结构原理图。其特点是行程长，径向尺寸较大，轴向尺寸小，推力和速度随工作行程的变化而变化。气缸的推力由最后一级即直径最小的一级来确定。

(二)多位气缸

    采用数个气缸串联起来，并通过设定各个气缸 的行程。以获得多个停止位置伪气缸，称多位气缸。其结构原理如图5.9所示。图5.9a所示为三位气缸，是由两个普通双作用气缸串接而成的双活塞气缸．两个活塞的行程分别为S1、S2，且Sl。当四个气口都未输入气压时，气缸处于零位，气缸活塞杆伸出位置为0。当a口输入气压，b口排气时。气缸活塞杆伸出位置为s1。当c口输入气压。d口排气时，气缸活塞杆伸出位置为s2。在d口输入气后，c口排气，气缸复位，即气缸活塞杆有3个伸出停止位置0，s1和s2。

图5.9b所示为四位气缸，是由两个相同缸径的普通双作用气缸对接而成的双活塞气缸，两活塞行程S1、S2可以相同。也可以不同。活塞运动方向相反。将一端活塞杆固定，则气缸另一端活塞杆只有四个停止位置，即0、Sl、S2和Sl+S2。

（三）串联气缸

    将两个缸径相同的普通双作用气缸串联在一起即为串联气缸，如图5.10所示。由于两个活塞串联在一根活塞杆上，其输出力比一个活塞的气缸增加一倍。这种气缸常用于要求增加气缸输出力，而不能增大气缸直径，但允许增长缸体的场合。

(四)气液阻尼缸

    气液阻尼缸是气缸和液压缸的组合缸，用气缸产生驱动力，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，它克服了普通气缸在负载变化较大时容易产生的“爬行”或“自走”现象。

1．结构和工作原理

    气液阻尼缸按其结构分为串联式和并联式两种，如图5.11所示。

    串联式气液阻尼缸结构实际上是用同一根活塞杆将气缸与液压缸串联在一起的结构，两缸之间用隔板隔开，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(或单向阀+节流阀)，如图5.11a所示。当气缸活塞向左伸出时，带动液压缸活塞一起运动，液压缸左腔排油，单向阀关闭，液压油只能通过节流阀排人液压缸的右腔内。调节节流阀开度，控制排油速度，便可调节气液阻尼缸活塞的运动速度。当气缸活塞向右运动时快速缩回。

    串联式缸体较长，加工与安装时对同心度要求较高，要注意解决两缸间的窜气问题。串联式的液压缸可设在气缸的前端或后端。液压缸在后端的 因液压缸只有一端有活塞杆工作时要用较大的油杯进行储油及补油，且要在油杯和气缸之间加单向阀。

    图5.11b所示得并联式气液阻尼缸的特点是，缸体长度短，结构紧凑，调整方便，消除了气缸和液压缸之间的窜气现象。但由于气缸和液压缸要安装在不同轴线上，易产生附加力矩。增加导轨磨损，甚至可能因憋劲而产生爬行现象，使用时应予以注意。

2．气液阻尼缸的调速类型

    按调速的特性可分为：

1)慢进慢退型，采用节流阀调速。

2)慢进快退型，采用单向阀与节流阀并联的速度控制阀调速。

3)快速趋近型，采用快速趋近式线路调速。

各类调速特性见表5.8。

表5.8 气液阻尼缸的各类调速特性

    在气液阻尼缸的实际回路中，由于速度控制阀结构和安装位置不同，又有多种结构形式和调速类型。有一种气液精密调速缸可组成六种调速类型，调速范围0.08—120mm／s，最低工作速度达0.08mm／s。气液阻尼缸的调速也可采用行程阀和单向节流阀，构成与气缸调速回路相类似的各种调速回路。

(五)制动气缸

    带有制动装置的气缸称为制动气缸，也称锁紧气缸。制动装置一般安装在普通气缸的前端，其结构有卡套锥面式、弹簧式和偏心式等多种形式。图5.12a所示的制动气缸为卡套锥面式制动装置，它由制动闸瓦、制动活塞和弹簧等构成。

制动气缸的工作原理如图5.12b、c所示，在工作中其制动装置有两个工作状态，即放松状态和制动夹紧状态。

1) 放松状态 气缸运动时，在C口输入气压，使制动活塞受压右移，则制动机构处于放松状态，气缸活塞杆可以自由运动，如图5.12b所示。

2) 夹紧状态 当气缸由运动状态进入制动状态时，C口迅速排气，压缩弹簧迅速使制动活塞复位并压紧制动闸瓦。此时制动闸瓦紧抱活塞杆使之停止运动，如图5.12c所示。

    由工作原理可知，制动装置是靠压缩弹簧力使活塞杆停在任意位置的。因此，在工作过程中即使动力气源出现故障，仍能锁定活塞杆不使其移动。这种制动气缸夹紧力大，动作可靠，如缸径为40mm的制动气缸，其夹紧力为1400N。为使制动气缸工作可靠，气缸的换向回路推荐使用如图5.13所示的平衡换向回路。回路中的减压阀用于调整气缸平衡。制动气缸在使用过程中制动动作和气缸的平衡是同时进行的，而制动的解除与气缸的再启动也是同时进行的。这样，制动夹紧力只要消除运动部件的惯性就可以了。

    在气动系统中，采用三位阀能控制气缸活塞在中间任意位置停止。但在外界负载较大且有波动，或气缸竖直安装使用，及其定位精度与重复精度要求较高时，可选用制动气缸。

（六）磁性开关气缸

以往，气缸行程是靠在活塞杆上设置的挡块与行程开关配合进行检测的．这种方法给设计、制造和安装带来诸多不便。现在采用将信号开关直接安装在气缸上，同时在气缸活塞上设置永久磁性橡胶环，构成带磁性开关的气缸，从而使气缸行程检测方便，气缸结构更加紧凑。图5.14所示为磁性开关气缸的结构原理。

    前述的普通气缸和多位气缸、串联气缸、气液阻尼缸、制动气缸等特殊气缸都能按要求构成磁性开关气缸。

1．结构、工作原理

    磁性开关气缸的开关输出信号有电信号和气信号两种。图5.15所示为磁性开关动作原理。

1)电开关 如图5.15a所示，它是在气缸活塞上安装了永久磁环，在缸筒外壳上装有开关。开关内装有舌簧片、保护电路和动作指示灯等。均用树脂塑封在一个盒子内。当活塞移动使磁性环接近开关时。开关的舌簧被磁化相互吸合接触，则开关接通。当活塞离开，舌簧消磁，两簧片弹开，则开关断开。

电开关有触点开关和无触点开关两种。无触点开关由磁性电阻的桥式元件构成。当活塞磁环接近开关时，电阻的变化导致电压信号的变化，经放大器放大后控制开关电路。这种开关的特点是无机械触点，其开关性能、可靠性和寿命均优于触点开关。

2)气开关 气开关动作原理与气障一样，如图5.15b所示。在活塞磁环离开开关时，开关的舌簧关断P口输入的气流，使A口无输出信号。当活塞移动使磁环接近开关时，开关的舌簧被磁化吸合，喷嘴打开，使气流从P口流向A口输出。根据磁铁安装的位置不同可分为磁铁活塞式(磁铁安装在活塞上)和磁铁内藏式(磁铁安装在开关内)。 磁性开关气缸的缸筒必须采用铝合金和不锈钢等非导磁性材料制成。

2．开关特性

    图5.16表示开关的特性。开关从接通状态至断开状态活塞移动的距离，称开关动作范围b。活塞朝一个方向移动使开关为接通状态后，再朝反方向移动使开关为断开状态，这两个状态之间的距离。称滞后范围H。

1) 两开关之间的最小距离 在一个磁性开关气缸上安装两个开关，其间的最小距离是Hmax+3mm，其中滞后范围Hmax由开关特性决定，3mm为安全余量。

2) 气缸最大速度 气缸行程中途能使开关正确动作的允许最大速度:

 (mm／ms 或m/s)

3．使用注意事项

1)开关使用的电压、电流及触点容量应在规定范围内。

2)注意负载过渡电特性。在选用开关负载时，还必须考虑其过渡电特性。过渡特性包括开关由开到关时产生的瞬时冲击电压，和开关由关到开时产生的冲击电流。因此，在使用内部无保护电路的开关时，必须在冲击发生源处设置吸收回路，如图5.17所示。 

3)对于使用内部无保护电路的开关时，当接线长度大于10m时，应将扼流线圈尽量靠近开关安装，如图5.18所示。

4)不能在强磁场内使用。当开关气缸在强磁场内使用时会产生误动作。如在电焊机和大容量的电动机附近，必须使气缸开关离开，lm以上。如不能满足，则必须在开关周围或磁场波周围进行磁屏蔽。

(七)无杆气缸

    无活塞杆气缸有绳索气缸、钢带气缸、机械接触式气缸和磁性耦合式气缸．它们没有普通气缸的刚性活塞杆，而是利用活塞直接或间接连接外界执行机构，跟随活塞直接或间接实现往复直线运动。这种气缸具有结构简单，节省安装空间的最大优点，特别适用于小缸径长行程的场合。

1．绳索气缸、钢带气缸

    这类气缸用绳索、钢带等代替刚性活塞杆联接活塞，将活塞的推力传到气缸外，带动执行机构进行往复运动。这种气缸又称为柔性气缸。其主要特点是在同样活塞行程下，安装长度比普通气缸小一半。

1)绳索气缸 采用柔软的弯曲性大的钢丝绳代替刚性活塞杆，其结构原理如图5.19所示。

绳索气缸的绳索是特制的，在钢丝绳外包一层尼龙，要求表面光滑，尺寸一致，以保证绳索与缸盖孔的密封。绳索与通常使用的钢丝绳一样，需考虑冲击和延伸等问题，在传递运动时防止产生抖动。

当负载运动方向与活塞的运动方向不一致时，可采用滑轮。

 2)钢带气缸 采用钢带代替刚性活塞杆，克服了绳索气缸密封困难及结构尺寸大的缺点，具有密封和联接容易、运动平稳的特点，与测量装置结合，易实现自动控制。其结构原理和绳索气缸相同。

 绳索气缸和钢带气缸与开关或阀连接．即可构成带开关或阀的绳索气缸和钢带气缸。

2．机械接触式无杆气缸

    图5.20为机械接触式无杆气缸结构原理图。在气缸筒的轴向开有一条槽，与普通气缸一样，可在气缸两端设置空气缓冲装置。活塞带动与负载相连的拖板一起在槽内移动。为了防泄漏及防尘，在开口部采用聚氨酯密封带和防尘不锈钢覆盖带，并固定在两端缸盖上。

    这种气缸具有与绳索气缸相似的优点，但机械接触式无杆气缸占据的空间更小，不需要设置防转动机构。适用于缸径8へ80mm的气缸，最大行程(在缸径≥40mm时)可达6m。气缸运动速度高，标准型可达0.1へ1.5m／s；高速型可达0.3へ3.Om／s。由于负载与活塞是在气缸槽内运动的滑块连接的，因此在使用中必须注意径向和轴向负载。为了增加承载能力，必须加导向机构。

3．磁性耦合无杆气缸 图5.21为磁性耦合无杆气缸的结构原理图。在活塞上安装一组高磁性的稀土永久磁环，磁力线通过薄壁缸筒(不锈钢或铝合金非导磁材料)与套在外面的另一组磁环作用。由于两组磁环极性相反，具有很强的吸力。当活塞在两端输入气压作用下移动时，则在磁力作用下，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。它的特点是小型，轻量化，无外部泄漏，维修保养方便。当速度快、负载大时，内外磁环易脱开，即负载大小受速度的影响，见图5.22所示。且磁性耦合无杆气缸中间不可能增加支承点，最大行程受到限制。

(八)数字气缸

    气缸活塞的位移是根据输入编码的数字信号来确定的。图5。23是数字气缸的结构原理图。气缸由缸筒、缸盖和若干个活塞组成。每个活塞的右端有T形头部伸出?左端有环形拉钩，左面活塞的T形头总是套在右面括塞的环形拉钩中。最左面的那个活塞是以缸盖的T形头为基准，而那个活塞的T形头又作为前一个活塞的基准面顺序联锁在一起，最右面的活塞则与活塞杆连在一起。各个活塞的单独位移量。a1、a2、…、an依次是一个以2为公比的几何级数。

    气缸的工作原理：初始状态时，由于B腔已输入复位气压pb，则各个活塞都会自动退回零位。当有一个输入端输入信号气压时，如输入端2加入信号气压，则活塞杆向前伸出a2距离。同样，在气缸各输入端按要求加入信号气压时，使活塞杆移动所要求的距离。若数字气缸有几个活塞，则活塞杆有2n个输出位置。例如气缸有7个活塞，活塞杆就有128个输出位置。若各活塞的位移量依次是0.5、1、2、4、8、16、32mm时，则活塞杆就可以在0.5—63.5mm的行程中，实现以0.5mm为级差的等差数列中的任一数值的位移。

    数字气缸主要用于一定范围内的多点位置控制。若要求执行机构推动工作部件达到平面上某一点(xi,yi)，可用两个数字气缸来完成。

（九）伺服气缸

    伺服气缸主要用作伺服传动