液压与气压传动教程 气动技术 第5章 气动执行元件

发布日期:[15-02-16 10:08:05] 浏览人次:[]

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

分类依据

类 别

按受压运动件

按活塞杆数目

按驱动方式

按缓冲方式

按尺寸规格

按安装形式

按润滑形式

按功能

活塞式、无活塞式

单活塞杆型、双活塞杆型

单向作用、双向作用

无缓冲型、缓冲型(单侧缓冲、双

侧缓冲)

微型、小型、中型、大型

固定式、摆动式、回转式、嵌入式

给油润滑、无给油润滑、无油润滑

普通型、特殊型

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

类别

名称

简图

原理和特点

名称

简图

原理和特点

单作用气缸

柱塞式气缸

压缩空气驱动柱塞向一个方向运动;借助外力复位;对负载的稳定性较好,输出力小,主要用于小直径气缸。

活塞式气缸

压缩空气驱动活塞向一个方向运动;借助外力或重力复位;较双向作用气缸耗气量小。

薄膜式气缸

以膜片代替活塞的气缸。单向作用,借助弹簧力复位。行程短、结构简单、密封性好,缸体不需加工。仅适用短行程。

压缩空气驱动活塞向一个方向运动;借助弹簧力复位;结构简单耗气量小,弹簧起背压作用,输出力随行程变化而变化。适用于小行程

双作气用缸

普通气缸

压缩空气驱动活塞向两个方向运动,活塞行程可根据实际需要选定。双向作用的力和速度不同。

双杆气缸

压缩空气驱动活塞向两个方向运动,且其速度和行程分别相等。适用于长行程。

不可调缓冲气缸

设有缓冲装置以使活塞临近行程终点时 减速,防止活塞撞击缸端盖,减速值不可调整。a为一侧缓冲;b为两侧缓冲。

可调缓冲气缸

设有缓冲装置,使活塞接近行程终点时减速,且减速值可根据需要调整。(a)为一侧可调缓冲;(b)为两侧可调缓冲。

特殊气缸

差动气缸

气缸活塞两侧有效面积差较大,利用压力差原理使活塞往复运动,工作时活塞杆侧始终通以压缩空气,其推力和速度均较小

双活塞气缸

两个活塞同时向相反方向运动。

多位气缸

活塞沿行程长度方向可占有四个位置,当气缸的任一空腔接通气源,活塞杆就可占有四个位置中的一个

串联气缸

在一根活塞杆上串联多个活塞,应各活塞有效面积总和大,所以增加了输出推力。

 

类别

名称

简图

原理和特点

名称

简图

原理和特点

 

冲击式气缸

利用突然大量供气和快速排气相结合的方法得到活塞杆的快速冲击运动,用于切断、冲孔、打入工件等。

滚动膜片气缸

利用了膜片式优点,克服其缺点,可获得较大行程,但膜片因受气缸和活塞之间不间断的滚压所以寿命较低。动作灵活,摩擦小。

数字气缸

将若干个活塞沿轴向依次装在一起,每个

活塞的行程由小到大按几何级数增加

伺服气缸

将输入的气压信号成比例地转换为活塞杆的机械位移。包括测量环节、比较环节、放大转换环节、执行环节及反馈环节,用于自动调节系统中。

缸体可转缸

进排气导管和气缸本体可相对转动。用于

机床央具和线材卷曲装置上。

增压气缸

活塞杆两端面积不相等,利用压力与面积乘积不变原理,可由小活塞端输出高压气体。

气液增压缸

根据液体是不可压缩和力的平衡原理,利用两个相连活塞面积的不等,压缩空气驱动大活塞,可由小活塞输出高压液体。

气液阻尼缸

利用液体不可压缩的性能及液体排最易于控制的优点,获得活塞杆的稳速运动。

绕性气缸

气缸为挠性管材,左端进气滚轮向滚动,可带动机构向右移动,反之向左移动,常用于门窗阀开闭。

缸索性气缸

活塞杆是由钢索构成,当活塞靠气压推动时,钢索跟随移动,并通过该轮牵动托盘,可带动托盘往复移动。

伸缩气缸

伸缩缸由套筒构成,可增大活塞行程适用做翻斗车气缸。推力和速度随行程而变化

磁性无杆缸

活塞内有磁性环,移动时带动气缸外有磁性的滑台运动。用于行程大、位置小及轻载时。

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

类型

安装方式

说 明

基本型

不带安装附件,安装时需根据所选用的安装方式选配固定螺栓。

脚架型

带脚架安装附件,用于负荷作水平方向直线运动的场合。

法兰型

带法兰,可垂直安装。

用于负荷作垂直方向直线运动的场合。

耳环型

带有单耳环型(Ⅱ型)或双耳环型(U型)安装附件。

用于负荷作摆动运动场合。

轴销型

中间轴销型

带有头部、尾部或中间轴销型安装附件,用于负荷作摆动运动场合。

(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)

缸径

8

10

12

16

20

25

32

40

50

63

80

(90)

100

(110)

125

(140)

160

(180)

200

(220)

250

320

400

500

630

 

行程

第一

25

50

80

120

125

160

200

250l

320

400

     

500

630

800

1000

1250

1600

2000

2500

3200

4000

     

第二

 

40

   

63

 

90

110

140

180

     

220

280

360

450

550

700

900

1100

1400

1800

     

2200

2800

3600

                   

第三

240

260

300

340

380

420

480

530

600

650

     

750

850

950

1050

1200

1300

1500

1700

1900

2100

     

2400

2600

3000

3400

3800

               

注:括号内数据为非优先选项。 

表5.5 活塞公称行程允差 (mm)

缸径

32

40/50

63

缸径

80/100

125/160

200/250/320

行程

≤500

>500

≤500

行程

>500

≤500

≤1250

允差

+2.00

+3.20

+2.50

允差

+4.00

+4.00

+5.00

表5.6 活塞杆外径尺寸系列

4

5

6

8

10

12

14

16

18

20

22

25

28

32

36

40

45

50

56

63

70

80

90

100

110

125

140

160

180

200

220

250

280

320

360

400

表5.7 气缸活塞杆常用螺纹尺寸

螺纹尺寸

螺纹长度

螺纹尺寸

螺纹长度

短型

长型

短型

长型

M3×0.35

M4×0.5

M4×0.7

M5×0.5

M6×0.75

M6×1

M8×1

M8×1.25

M10×1.25

M12×1.25

M14×1.5

M16×1.5

6

8

8

10

12

12

12

12

14

16

18

22

9

12

12

15

16

16

20

20

22

24

28

32

M18×1.5

M20×1.5

M22×1.5

M24×2

M27×2

M30×2

M33×2

M36×2

M42×2

M48×2

M56×2

M64×2

25

28

30

32

36

40

45

50

56

63

75

85

36

40

44

48

54

60

66

72

84

96

112

128

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

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

调速类型

作用原理

结构示意图

特性曲线

应 用

双向节流

在阻尼缸油路上装节流阀,使活塞往复运动的速度相同。

适用于空行程和工作行程静较短的场合(L<20mm)。

单向节流

在调速回路中并联单向阀,慢进时单向阀关闭,快退时则打开,实现快速退回。

适用于加工时空行程短

而工作行程较长的场合。

快速趋近

开始时,右腔油从f→a回路流入左端,快速趋近。活塞过f点后,实现慢进。退回时单向阀打开,实现快退。

快速趋进节约了空行程时间,提高了劳动生产率。

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装置,它根据输入的气动仪表控制信号使活塞进行成比例的位移。适用于电站、化工、煤气、造纸及卷烟等行业连续生产过程的开环或闭环控制。

这种气缸有两种构成方法:一种是由一个低摩擦双作用普通气缸和整体安装的气动伺服阀构成;另一种是由一个低摩擦双作用普通气缸和位置定位器构成。.图5.24所示是用气动伺服阀构成的一种伺服气缸结构原理图。

这种伺服气缸是根据力平衡原理工作的。在初始工作状态时,在伺服气缸中通人0.3—0.7MPa的工作气压后,压缩空气分三路进入伺服阀:一路向右经节流气阻R、喷嘴流入大气,腔室E内无气压作用;一路向左流人腔室F,作用在膜片2上,把阀心推向右侧,打开第三路压缩空气至气缸腔室的通路,于是B腔进气,A腔排气,气缸活塞杆退回至零位。

若输入某定值的控制压力pc,则pc作用在信号腔膜片6(挡板)上,使膜片靠近喷嘴。背压室E的压力随膜片与喷嘴之间的距离减小而成比例增大。此时,由于喷嘴挡板的放大作用,且膜片4的有效面积大于膜片2的有效面积,把阀心推向左移,将气缸A口打开,B口关小,使气缸活塞杆向右位移,同时把反馈弹簧拉伸相应的长度。当气缸活塞杆达到与控制压力pc成比例的位置时,这时由反馈弹簧产生的力正好和控制压力pc作用在膜片2上的力相平衡。气缸活塞杆在全行程的每个位置上都保持在这种平衡状态。一旦控制压力pc降低,在此瞬间由弹簧产生的力就大于作用在膜片2上的气压力,阀心向右移动,A口关小,B口打开,活塞杆向左退回,直到弹簧力再次与作用在膜片2上的气压力相平衡为止。伺服气缸的主要性能如表5.9所示。

表5.9 伺服气缸的主要性能

工作压力范围

控制压力范围

线性度

重复精度

灵敏度

行程范围

0.3—0.7MPa

0.02—0.1MPa

±2%

(全行程)

±1%

(全行程)

±0.5%

(全行程)

25—300mm

(十)其它气缸

除了上述的普通气缸和特殊气缸外,还有适用于不同使用工作环境的气缸,如耐热气缸、耐酸气缸;多种功能的组合气缸;适于多方位安装的气缸以及各种专用气缸,如气动机械手用的气动手钳等等。

1.薄型气缸

图5.25所示为其结构原理图。这种气缸结 构紧凑,轴向尺寸较普通气缸短。如图所示,活塞 上采用组合0形密封圈密封,缸盖上没有空气缓冲机构,缸盖与缸筒之间采用弹簧卡环固定。这种气缸可利用外壳安装面直接安装。气缸行程较短,常用缸径为10~lOOmm,行程为50mm以下。这种气缸常用于固定夹具等。

2.导向气缸

设有防止活塞杆回转装置的气缸,称导向气缸。各种类型的气缸根据需要都可设置不同的导向装置,图5.26所示为导向气缸的结构原理图。

3.滑台气缸

 图5.27所示为其结构原理图。它由两个双活塞杆双作用气缸并联构成,动作原理与普通气缸相同。两个气缸腔室之间是通过中间缸壁上的导气孔相通的。以保证两个气缸同时动作。其特点是缸的输出力增加一倍,外型轻巧,节省安装空间。安装方式有滑台固定型(滑台面固定)和边座固定型(滑台面移动)两种方式。不回转精度为±0.1o,适用于气动机械手臂等应用场合。

4.回转气缸

图5.28是回转气缸结构原理图。它一般都与气动夹盘配合使用,由气缸活塞的进退来控制工件松开和夹紧,应用于机床的自动装夹。气缸缸体用过渡法兰盘连接在机床主轴后端,随主轴一起转动,而导气套不动,气缸本体的导气轴可以在导气套内相对转动。气缸随机床主轴一起作回转运动的同时,活塞作往复运动。导气套上的进、排气孔的径向孔端与导气轴的进、排气槽相通。导气套与导气轴因需相对转动,装有滚动轴承,并以研配间隙密封。

 5.冲击气缸

冲击气缸是把压缩空气的能量转换成为活塞高速运动(最大速度可达lOm/s以上)的冲击动能的一种特殊气缸。

(1)结构

图5.29所示为普通型冲击气缸结构原理图。和普通气缸不同的是,有一个带有流线形喷口的中盖和蓄能腔。喷口的直径为缸径的1/3。

(2)工作原理

冲击气缸有普通型和快排型两种。它们的工作原理基本相同,差别只是快排型冲击气缸在普通型气缸的基础上增加了快速排气结构。以获得更大的能量。

图5.30所示为普通型冲击气缸的工作原理。图5.30a为气缸的初始状态,活塞在工作压力作用下处于上限位置,封住喷口。图5.30b为蓄能状态。换向阀换向,工作气压向蓄能腔充气,头腔排气。由于喷口的面积为缸径面积的1/9,只有当蓄能腔压力为头腔压力的8倍时,活塞才开始移动。图5.30c为气缸的冲击状态,活塞开始移动瞬间,蓄能腔内的气压可认为已达到工作压力,尾腔通过排气口与大气相通。一旦活塞离开喷口,则蓄能腔内的压缩空气经喷口以声速向尾腔充气,且气压作用在活塞上的面积突然增大8倍,于是活塞快速向下冲击作功。

6.锁定气缸

在气缸活塞杆行程的两端设有防止活塞退回或伸出的锁定装置的气缸称为锁定气缸。它可防止停电时发生故障,保障安全。其结构如图5.31所示,锁定装置采用弹簧结构。其动作原理是:活塞杆行程到位时靠弹簧定位并被锁定不动。工作时,当工作气压达到一定压力时弹簧被压缩,使定位脱开,活塞杆开始运动。各种类型的气缸根据需要都可以设置锁定装置。

四 气缸的使用和维修

(一)缸筒材料及工艺

气缸筒一般采用圆筒型结构,随气缸品种的发展,有采用方形,矩形的成形管材,也有用于防转动气缸的椭圆内孔的异形管材。

缸筒材料一般采用冷拔钢管、铝合金管、不锈钢管、铜管和工程塑料管。中小型气缸多用铝合金管和不锈钢管,使用磁性开关的气缸的缸筒,则要求用非导磁材料。用于冶金、汽车等行业的重型气缸一般采用冷拔精拉钢管,有时也用铸铁管。对铸铁管应进行人工时效处理,对于采用凸缘型缸筒结构的焊接件需退火处理。

要求缸筒材料内表面有一定的硬度,以抵抗活塞运动的磨损。钢管内表面需镀铬珩磨,镀层厚度0.02mm;铝合金管需经硬质阳极氧化处理,硬质氧化膜厚度30—50μm。缸筒与活塞动配合精度H9,圆柱度公差为(O.02—0.03)/100,表面粗糙度为Ra0.2~0.4 μm。缸筒两端面对内孔轴线的垂直度公差为0.05—0.1mm。气缸筒应能承受1.5倍于最高工作压力条件下的耐压试验,并不得有泄漏。缸筒壁厚与最大工作压力Pmax及缸径成正比,与缸筒材料的许用应力成反比。

(二)活塞杆材料及工艺

活塞杆是用来传递力的重要零件,要求能承受拉伸、压缩、振动等负载,表面耐磨,不发生锈蚀。活塞杆材料一般选用35钢、45钢,特殊场合用精轧不锈钢等材料。钢材表面需镀硬铬及调质热处理。活塞杆伸出在缸体外面,易受粉尘影响,使活塞杆表面容易划伤。在多尘环境中应在杆上安装防尘套,其材料大多为涂覆橡胶的尼龙布,在高温场合也有用玻璃纤维布材料。

在使用中应注意在大惯性负载运动停止时,往往伴随着冲击。由于冲击作用而容易引起活塞杆头部的破坏。因此,在使用时应检查负载的惯性力,设置负载停止的阻挡装置和缓冲吸收装置,以消除活塞杆上承受的不合理的作用力。大多数场合活塞杆承受的是推力负载,必须考虑细长杆的压杆稳定性问题。气缸水平安装时,活塞杆伸出因自重而引起活塞杆头部下垂,应注意的活塞杆的弯曲强度问题。

(三)活塞的结构与尺寸

气缸活塞受气压作用产生推力并在缸筒内滑动。在高速运动场合,活塞有可能撞击缸盖。因此,要求活塞具有足够的强度和良好的滑动特性。对气缸用的活塞应充分重视其滑动性能,特别是耐磨性和不发生“咬缸”现象。随着密封技术的发展,现在活塞都制成整体型。采用铝合金或球墨铸铁材料制成整体的活塞,具有良好的滑动性和减振耐冲击性能。对于磁性开关气缸,因要在活塞上要安装磁环,所以一般制成两半。

图5.32所示为几种活塞结构示意图,图5.32a为整体结构活塞,图5.32b为在活塞的滑动面上焊接了铜合金的活塞结构,图5.32c为在活塞的剖动面上安装了用聚四氟乙烯等材料制成的导向环结构。采用图5.32b、图5.32c结构的活塞具有更加良好的滑动性能。特别是用在不供溜润滑气缸里。一般中型气缸的活塞常用铝合金材料,采用图5.32c所示结构。

活塞的宽度与采用密封圈的数量、导向环的形式等因素有关。一般活塞宽度越小,气缸的总长就越短。从使用上来讲,活塞的滑动面小容易引起早期磨损和咬缸现象。对标准气缸而言,活塞宽度需综合考虑使用条件、活塞与缸筒尺寸、活塞杆与导向套的间隙尺寸等因素。

(四)导向套

导向套的作用是作活塞杆往复运动时的导向。因此,同对活塞的要求一样,要求导向套具有良好的滑动性能,能承受由于活塞杆受重负载时引起的杆弯曲、振动及冲击。在粉尘等杂物进入活塞杆和导向套之间的间隙时,希望活塞杆表面不被划伤。实际上,要求导向套材料完全符合上述的要求是困难的。同活塞一样,导向套中可采用聚四氟乙烯和其它的合成树脂材料,也有用含油轴承材料。

导向套内径尺寸精度一般取H8,表面粗糙度及Ra0.4μm。

(五)密封

气缸常用的密封元件有0形密封圈、QY形轴用和孔用密封圈、无骨架防尘圈、ZHM形组合圈、C形孔用密封圈和CK形轴孔防尘组合圈,也有采用Yx形轴用孔用密封圈。常用的密封材料是丁腈橡胶和聚氨酯。

1.缸盖和缸筒联接的密封

一般采用O形密封圈,安装在缸盖与缸筒配合的沟槽内。构成静密封。有时也采用橡胶等平垫片安装在联结止口处,构成平面密封。

2. 活塞的密封

活塞有两处地方需密封,一处是活塞与缸筒的动密封;另一处是活塞与活塞杆联接处的静密封.一般用0形密封圈。

3.活塞杆的密封

一般在缸盖的沟槽里放置密封圈和防尘圈,保证活塞杆往复运动的密封和防尘。

五、安全規范

气缸使用应遵守有关的安全规范。气缸使用前应检查各安装连接点有无松动。操纵上应考虑安全联锁。进行顺序控制时,应检查气缸的各工作位置。当发生故障时,应有紧急停止装置。工作结束后,气缸内部压缩空气应予排放。

(一)工作环境

1.环境温度 通常规定气缸的工作温度5~60℃。气缸在5℃以下场合使用,有时会因压缩空气中所含的水分凝结给气缸动作带来不利影响。此时,要求压缩 空气的露点温度低于环境温度5℃以下;防止压缩空气中的水蒸气凝结。同时要考虑在低温下使用的密封种类和润滑油。另外,低温环境中的空气会在活塞杆上结露,为此最好采用红外加热等方法加 热,防止活塞杆上结冰。在气缸动作频度较低时,可在活塞杆上涂润滑脂,使活塞杆上不致结冰。

在高温使用时,要考虑气缸材料的耐热性,可选用耐热气缸。同时注意高温空气对换向阀的影响。

2.防尘

气缸在多尘环境中使用时,应在活塞杆上设置 防尘罩。单作用气缸的呼吸孔要安装过滤片,防止从呼吸孔吸人灰尘。

3.润滑

对需用油雾器给油润滑的气缸,选择使用的润滑油应对密封圈不产生膨胀、收缩,且与空气中的水分不产生乳化。

4.接管

气缸接入管道前,必须清除管道内的脏物,防止杂物进入气缸。

(二)操作注意事项

(1)活塞杆横向载荷

气缸活塞杆承受的是轴向力,安装时要防止气 缸工作过程中承受横向载荷,其允许承受的横向载荷仅为气缸最大推力的1/20。采用法兰式、脚座式安装时,应尽量避免安装螺栓本身直接受推力或拉力负荷;采用尾部悬挂中间摆动式安装时,活塞杆顶端的连接销位置与安装轴的位置处于同一方向;采用中间轴销摆动式安装时,除注意活塞杆顶端连接销的位置外,还应注意气缸轴线与轴托架的垂直度。同时,在不产生卡死的范围内。使摆轴架尽量接近摆轴的根部。

(2)活塞的运动速度

气缸运动速度一般为50~500mm/s。对高速运动的气缸,应选择内径大的进气管道,对于负载有变化的场合,可选用速度控制阀或气液阻尼缸,实现缓慢而平稳的速度控制。

选用速度控制阀控制气缸速度时需注意:水平安装的气缸推动负载时,推荐用排气节流调速;垂直安装的气缸举升负载时,推荐用进气节流调速;要求行程末端运动平稳避免冲击时,应选用带缓沖装置的气缸;对大惯性负载,在气缸行程末端另外安装液压缓冲器或设计减速回路。

(3)速度调整

气缸安装完毕后应空载往复运动几次,检查气缸的动作是否正常。然后连接负载,进行速度调节。首先将速度控制阀开启在中间位置,随后调节减压阀的输出压力,当气缸接近规定速度时,即可确定为调定压力。然后用速度控制阀进行微调。缓冲气缸在开始运行前:先把缓冲节流阀旋在节流量较小的位置,然后逐渐开大,直到达到满意的缓冲效果。

(4)维护保养要求

1)使用中应定期检查气缸各部位有无异常现象,各连接部位有无松动等,轴销式安装的气缸的活动部位应定期加润滑油。

2)气缸检修重新装配时,零件必须清洗干净,特别要防止密封圈被剪切、损坏,注意动密封圈的安装方向。

3) 气缸拆下长时间不使用时,所有加工表面应涂防锈油,进排气口应加防尘堵塞。

5.3摆动马达

摆动马达是一种在一定角度范围内作往复摆动的气动执行元件。它将压缩空气的压力能转换成机械能,输出转矩使机构实现往复摆动。常用摆动马达的最大摆动角度分别为90°、180°、270°三种规格。

摆动马达轴承受转矩,对冲击的耐力小,因此当受到驱动物体停止时的冲击作用时容易损坏,需采用缓冲机构或安装制动器。

摆动马达按结构特点可分为叶片式、齿轮齿条式、螺杆式和曲柄式等。除叶片式外,都带有气缸和转换为回转运动的传动机构。

一、结构

(一)叶片式摆动马达

1) 种类

叶片式摆动马达具有种类多、结构紧凑、工作效率高等特点,常用于物体的翻转、分类、夹紧等作业,也用作机械手的指腕关节部,用途十分广泛。

(1)磁性开关摆动马达 这是一种在转轴侧装有开关组件的摆动马达。开关类型有无触点型和有触点型两种。根据型号不同,开关的位置有可调型和固定型两种。此外,这种摆动马达与带磁性开关气缸一样,具有开关的响应位置差的缺点,使用时应予注意。

(2)带阀摆动马达 这是将电磁阀安装在标准摆动马达特制底座上构成的一种组合型摆动马达。其特点是省略了电磁阀和摆动马达之间的接管,从而使接管费用及材料费用减少。其缺点是电磁阀无法集中接线,必须逐台接线,给维修带来不便。

(3)转角可变型摆动马达

这种摆动马达的端部设有挡块止动组件。可通过调节挡块的位置,实现设定转角从30°至最大转动角度。使用挡块止动组件上的微调螺钉,可进行角度位置的精确调整。此外,这种摆动马达也可构成带阀摆动马达。

(4)多位摆动马达

这种摆动马达的结构与多位气缸相类似,相当于2个摆动马达套装组成,由内外摆动马达的各自转角合成总的转角,有4个停止位置。内马达的转角为30°~180°,外侧马达的转角可在30°~180°内自由设定。使用外部止动器的调节螺钉,可精密调整转角位置。这种马达采用双叶片,使转矩增大一倍。其转轴支承采用精密滚珠轴承方式,回转精度好。多位摆动马达的动作说明,如图5.33所示。

2) 结构原理

叶片式摆动马达可分为单叶片式和双叶片式两种。单叶片输出轴转角大(小于360°);双叶片输出轴转角小(小于180°)。图5.34所示为叶片式摆动马达结构与工作原理图。它是由叶片轴转子(即输出轴)、定子、缸体和前后端盖等部分组成。定子和缸体固定在一起,叶片和转子连在一起。叶片轴密封圈整体硫化在叶片轴上,止动挡块上的密封件为镶装方式,叶片滑动部分采用低阻尼的特殊唇形密封件。前后端盖装有滚动轴承。

叶片式摆动马达工作原理如图5.34c、d所示。在定子上有两条气路,单叶片左路进气时,右路排气。压缩空气推动叶片带动转子逆时针转动。反之,作顺时针转动。通过换向阀控制马达的进排气方向。

叶片式摆动马达产生的理论转矩M由下式计算:

 (N·m)

式中: D一缸体内径(m);

d一输出轴直径(m);

b一叶片输出轴长度(m);

n一叶片数;

p—工作压力(MPa)。

因密封件的滑动阻力,摆动马达实际输出转矩要比理论值小,实际输出转矩称有效转矩,其与理论转矩的比值称转矩效率η,如图5.35所示的某型号的摆动马达,一般小于80%。

3) 主要性能

1)输出转矩 表示摆动马达的输出能力。

2)摆动角 单叶片式和双叶片式的最大摆动角因结构而异。除最大摆动角外,经常使用的摆动角为90°、180°和270°。各种不同型号的摆动马达,其摆动的开始位置不同。

3)最高使用频度 是指摆动马达在无负载状态下,工作压力为0.5MPa时,每分钟可摆动的次数。该指标用于需要连续摆动的场合。

4)摆动时间 是指摆动马达动作一次所需要的时间。

5)许用径向载荷和许用轴向载荷 表示摆动马达输出轴的载荷能力参数,由轴的支承结构所决定。应当注意,当施加的载荷超过规定时,会损坏轴的支承和缸内的滑动表面。

6)许用惯量 是指输出轴所能承受的惯性能量。轴一般采用铬钼合金钢制成并经过热处理,有足够的强度。但施加了超出许用值的惯量时,也会发生断轴事故。

7)泄漏量 摆动马达的受压作用部件为长方形,密封比较困难,允许有少量泄漏。

8)耗气量 摆动马达的耗气量可用下式计算:

式中 qv一一耗气量(dm3/min)(标准状态);

V一一摆动马达容积(cm3);

N一一频度(循环次数/min);

P——-作压力(MPa)。

(二)曲柄式摆动马达

这是将活塞的直线往复运动通过曲柄转变为摆动运动的摆动马达。其结构原理如图5.36所示。

这种摆动马达结构简单可靠。由于曲柄和活塞之间运动方向有一角度,使输出转矩产生差值,因此应根据输出转矩的大小,相应改变活塞的直径。 .

(三)螺杆式摆动马达

图5.37所示为其结构原理图,将活塞杆直接加工成螺杆,活塞的往复直线运动通过螺杆转变为摆动运动。其输出轴的转矩用下式计算:

式中 M ——转矩(N.m);

 D一一缸体内径(cm);

d一一螺杆平均直径(cm);

p1一一T作压力(MPa);

P2一一活塞背压力(MPa);

l一一螺杆的导程(cm);

µ一一螺杆的摩擦系数;

η一一效率。

 螺杆式摆动马达由于螺杆的摩擦损失以及用来制止活塞反向回转的导向杆的摩擦力非常大,所以其效率不高。对于这种结构其摆动角度可大于360°

(四)齿轮齿条式摆动马达

图5.38所示为齿轮齿条式摆动马达结构原理图,其动作是把连结在活塞上的齿条的往复直线运动转变为齿轮的回转摆动。活塞仅作往复直线运动,摩擦损失小,齿轮的效率较高。若制造质量好,效率可达95%左右。这种摆动马达的回转角度不受限制,可超过360°(实际使用一般不超过360°),但不宜太大,否则齿条太长也不合适。

图5.38a是单齿条式,图5.38b是双齿条式结构。图5.38a中,当气缸右腔进气,左腔排气,活塞推动齿条向左运动,齿条推动齿轮和轴作逆时针方向旋转运动,输出转矩。反之,如左腔进气右腔排气,活塞向右运动,齿条推动齿轮作顺时针方向旋转。其回转角度θ取决于活塞的行程和齿轮的节圆直径。

二、使用注意事项

(一)载荷方式

作回转运动的物体停止时的动能对马达输出轴的冲击影响,要比作直线运动的物体对普通气缸活塞杆的影响大得多。而且摆动马达输出轴承对冲击的承受力小。摆动马达输出轴受到轴向和横向的直接载荷时,会引起工作不良,应按图5.39所示的载荷方式安装。当载荷量大、工作速度高时,还应考虑设置吸收惯性冲击的外部液压缓冲器。

(二)速度控制

摆动马达的容积较小,速度的控制比较困难。低速工作时会产生爬行现象,使回转不平稳。此时可使用气液系统进行低速控制。高速工作时,回转叶片外侧的线速度可达到700mm/s,会产生摩擦升温,使密封件发生异常磨损,应予注意。

采用气液系统控制摆动马达速度时,由于摆动马达叶片密封造成的内部泄漏,会造成气液系统供油的左右不平衡,产生往复速度不一致的现象。如出现这种现象,应使用图5.40所示的平衡阀进行调节。

5.4 气马达

气马达是将压缩空气的能量转换成连续回转运动的气动执行元件。按结构形式可分为叶片式、活塞式和齿轮式三类。

气马达和电动机相比,有如下特点:

1)工作安全,适用于恶分的工作环境,在易燃、高温、振动、潮湿及粉尘等不利条件下都能正常工作。

2)有过载保护作用,不会因过载而发生烧毁。过载时气马达只会降低速度或停车;当负载减小时即能重新正常运转。

3)能够实现正反转。气马达回转部分惯性矩小,且空气本身的惯性也小,所以能快速启动和停止。只要改变进排气方向,就能实现输出轴的正转和反转转换。

4)满载连续运转,由于压缩空气的绝热膨胀的冷却作用,能降低滑动摩擦部分的发热,因此气马达可在高温环境中使用。在长时间满载连续运转时,其温升较小。

5)功率范围及转速范围较宽,气马达功率小到几百瓦,大到几万瓦,转速可以从零到25000r/min或更高。

6)操纵方便,维修简单。

7)效率较低。

一、气马达的结构

(一)叶片式气马达

图5.41所示为叶片式气马达结构原理图。主要由定子、转子、、叶片及壳体构成。在定子上有进一排气用的配气槽孔。转子上铣有长槽。槽内装有叶片。定子两端盖有密封盖。转子与定子偏心安装。这样,沿径向滑动的叶片与壳体内腔构成气马达工作腔室。

气马达工作原理同液压马达相似。压缩空气从输人口A进入。作用在工作室两侧的叶片上。由于转子偏心安装,气压作用在两侧叶片上产生的转矩差,使转子按逆时针方向旋转。当偏心转子转动时,工作室容积发生变化,在相邻工作室的叶片上产生压力差,利用该压力差推动转子转动。作功后的气体从输出口排出。若改变压缩空气输入方向,即可改变转子的转向。

图5.41a所示叶片式气马达采用了不使压缩空气膨胀的结构形式,即非膨胀式,工作原理如上所述。图5.41b所示叶片式气马达采用了保持压缩空气膨胀行程的结构形式。当转子转到排气口C位置时,工作室内的压缩空气进行一次排气,随后其余压缩空气继续膨胀直至转子转到输出口B位置进行二次排气。气马达采用这种结构能有效地利用部分压缩空气膨胀时的能量,提高输出功率。非膨胀式气马达与膨胀式气马达相比,其耗气量大,效率低;单位容积的输出功率大,体积小,重量轻。

叶片式气马达一般在中、小容量及高速回转的范围使用,其耗气量比活塞式大,体积小,重量轻,结构简单。其输出功率为0.1—20kW,转速为500~25000r/min。另外,叶片式气马达启动及低速运转时的特性不好,在转速500r/min以下场合使用,必需要配用减速机构。叶片式气马达主要用于矿山机械和气动工具中。

(二)活塞式气马达

这是一种通过曲柄或斜盘将若干个活塞的直线运动转变为回转运动的气马达。其结构有径向活塞式和轴向活塞式两种。

图5.42a所示为最普通的径向活塞式气马达的结构原理。其工作室由活塞和缸体构成。3~6个气缸围绕曲轴呈放射状分布,每个气缸通过连杆与曲轴相连。通过压缩空气分配阀向各气缸顺序供气,压缩空气推动活塞运动,带动曲轴转动。当配气阀转到某角度时,气缸内的余气经排气口排出。改变进、排气方向,可实现气马达的正、反转换向。

图5.42b所示为轴向活塞式气马达的结构原理。在轴向均布着气缸,在输入压缩空气的作用下气缸活塞依次作往复直线运动,通过斜盘作用,把直线运动转变为输出轴的回转运动。

这种气马达适用于转速低、转矩大的场合。其耗气量不比其它气马达小,且构成零件多,价格高。其输出功率为0.2—20kW,转速为200~4500r/min。活塞式气马达主要应用于矿山机械,也用作传送带等的驱动马达。

(三)齿轮式气马达

齿轮式气马达有双齿轮式和多齿轮式,而以双齿轮式应用得最多。齿轮可采用直齿、斜齿和人字齿。图5.43为齿轮式气马达结构原理。这种气马达的工作室由一对齿轮构成,压缩空气由对称中心处输入,齿轮在压力的作用下回转。采用宜齿轮的气马达可以正反转动,采用人字齿轮或斜齿轮的气马达则不能反转。

如果采用直齿轮的气马达,则供给的压缩空气通过齿轮时不膨胀,因此效率低。当采用人字齿轮或斜齿轮时,压缩空气膨胀60%一70%,提高了效率。

齿轮式气马达与其它类型的气马达相比,具有体积小、重量轻、结构简单、对气源质量要求低、耐冲击及惯性小等优点。但转矩脉动较大,效率较低。小型气马达转速能高达10000r/min,大型的能达到1000r/min,功率可达50kW。主要应用于矿山工具。

5.5 真空元件

一、真空泵与真空发生器

在原理上,真空泵同空气压缩机几乎没有差异,区别在于连接在进口端还是出口端。真空发生是利用空气或水喷射出气流或水流的流体动能,从一个容积中(如吸盘或类似空腔)抽吸出空气,使其建立真空(负压)。

这两种真空形成方法的主要差别是:通常真空泵要连接一个气罐,使其随时都有高的抽吸流量,甚至还高于泵的工作能力。而对于真空发生器来说,不需要附带气罐。

图5.44说明了一个真空发生器的工作原理。通过喷咀形成一股空气喷射流,并吹入一个内腔截面增加一倍的管道,其称之为“扩压管”,空气喷射流的边缘与周围空气间的摩擦形成涡流,而且周围的空气将混入喷射流中使其加宽,因此空气被吸入扩压管,使其高于喷嘴端的空气消耗,在喷嘴与扩压管之间造成容积差异产生真空。出口端流量以标准容积表示。 真空发生器有时也用水来代替压缩空气抽吸空气。

在图a和b中喷咀和扩压管的直径有差异:大的喷咀和扩压管能形成高的流量,但是是有限的真空,小喷咀和扩压管产生高的真空,但是容积和流量受限制。

 同样对于真空发生器可能有两级,较小的喷咀的发生器的第一级,而第一级的扩压管对于第二级发生器的扩压管来说相当于喷咀,这种布置有两段产生真空。如图5.45所示。具有较小喷嘴的第一级能够产生高真空,相对而言有较大的扩压管的第二级能抽出更大体积的空气,就使得首先形成一个高流量并在达到一定真空后,利用控制阀转变力更高的真空度。

 真空吸盘是利用吸盘内形成的负压(真空)来吸附工件的一种气动元件,常用作机械手的抓取机构。其吸力为1—10000N,适用于抓取薄片状的工件,如塑料片、硅钢片、纸张(盒)及易碎的玻璃器皿等,要求工件表面平整光滑、无孔和无油污。

利用真空吸附工件,其最简单的方法是由真空发生器和真空吸盘构成一体的组件。典型的真空组件由真空发生器、真空吸盘、压力开关和控制阀构成。真空组件的结构、工作原理如下:

1) 真空发生器

 图4.46为其结构原理,由先收缩后扩张的喷嘴、扩散管和吸附口等组成。压缩空气从输入口供给,在喷嘴两端压差高于一定值后,喷嘴射出超声速射流或近声速射流。由于高速射流的卷吸作用,将扩散腔的空气抽走。使该腔形成真空。在吸附口接上真空吸盘,便可形成一定的吸力,吸起各种物体。

图5.47所示为真空发生器的特性曲线,图5.47a所示为几何尺寸一定的真空发生器,其最高真空度、空气消耗量和吸人流量与工作压力的关系。所谓吸人流量,是指吸附口通大气时,从吸附口吸入的流量。若吸附口完全被封闭,则吸附口内达最大真空度。图5.47b表示吸附口不完全封闭时,在一定工作压力下,吸人流量与真空度的关系。

真空发生器常设计成二级扩散管形式,如图5.45所示。采用二级式真空发生器与单级式产生的真空度是相同的,但在低真空度时吸入流量增加约一倍。这样,在保持低真空度的应用场合,吸附动作响应快。如用于吸取透气性工件时特别有效。

真空发生器的吸力可按下式计算:  式中 F一一吸力(N);

P一一真空度(MPa);A一一吸盘的有效面积(m2);n一一吸盘数量;α一一安全系数。

吸力计算时,考虑到吸附动作的响应快慢。真空度一般取最高真空度的70%一80%。安全系数与吸盘吸物的受力、状态、吸附表面粗糙度、吸附表面有无油污和吸附物的材质等有关。水平起吊时(图5.48a),标准吸盘(吸盘头部直杆连接)的安全系数α≥2;摇头式吸盘、回转式吸盘的α≥4。垂直起吊时的安全系数 (图5.48b)标准吸盘:α≥4;摇头式吸盘、回转式吸盘:α≥8。

2) 真空吸盘

吸盘常采用丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚氨酯等材料制成碗状或杯状,如图5.49所示。根据工件的形状和大小,可以在安装支架上安装单个或多个真空吸盘。

3) 真空开关

一般在真空组件里内置真空开关,其用途有:①真空系统的真空度控制,②有无工件的确认,③工件吸着确认,④工件脱离确认。

4) 控制阀

真空组件里常用两种电磁阀,真空发生用电磁阀和真空释放用电磁阀。图5.49所示为一种真空组件动作原理图。图5.49a所示为真空发生电磁阀A通电时的工作状况,此时供气通路接通,压缩空气流人真空发生器产生真空,可以用来吸附工件。图5.49b所示为真空释放电磁阀B通电时的工作状况。当被吸附的工件到位需要释放时,真空发生电磁阀A和释放电磁阀B同时动作(A断电,B通电)。此时。停止产生真空,同时压缩空气经B从吸附口流向吸盘,将工件快速释放。由此可见,真空发生用的电磁阀A的作用是接通供气,真空释放电磁阀B的作用是加快工件释放。

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