氣動(dòng)應(yīng)用技術(shù)（第三章）.ppt

1、第三章 氣動(dòng)執(zhí)行元件,第一節(jié) 氣缸,氣動(dòng)執(zhí)行元件是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的裝置。它包括氣缸和氣馬達(dá)。氣缸用于直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)（F）或擺動(dòng)，氣馬達(dá)(T)用于實(shí)現(xiàn)連續(xù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 一、氣缸的分類 1.按壓縮空氣對(duì)活塞端面作用力的方向分,單作用氣缸：僅有活塞的伸出運(yùn)動(dòng)可控(一方受到氣壓傳動(dòng)， 另一方受到復(fù)位彈簧彈力、自重或其他外力)。,第一節(jié) 氣缸,一、氣缸的分類 1.按壓縮空氣對(duì)活塞端面作用力的方向分,雙作用氣缸：活塞的伸縮都可控(活塞兩側(cè)都受到氣壓傳動(dòng))。,第一節(jié) 氣缸,一、氣缸的分類 2. 按氣缸的結(jié)構(gòu)特征分 活塞式氣缸 薄膜式氣缸 伸縮式氣缸,伸縮式氣缸,第一節(jié) 氣缸,薄膜式氣缸: 是一種

2、利用壓縮空氣通過膜片推動(dòng)活塞桿作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的氣缸。它由缸體、膜片、膜盤和活塞桿等主要零件組成。其功能類似于活塞式氣缸，它分單作用式和雙作用式兩種，如圖所示。薄膜式氣缸的膜片可以做成盤形膜片和平膜片兩種形式。膜片材料為夾織物橡膠、鋼片或磷青銅片。常用的是夾織物橡膠，橡膠的厚度為56mm，有時(shí)也可用l3mm。金屬式膜片只用于行程較小的薄膜式氣缸中。薄膜式氣缸和活塞式氣缸相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、制造容易、成本低、維修方便、壽命長、泄漏小、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但是膜片的變形量有限，故其行程短(一般不超過4050mm)，且氣缸活塞桿上的輸出力隨著行程的加大而減小。,第一節(jié) 氣缸,一、氣缸的分類 3. 按

3、氣缸的安裝形式分 固定式氣缸（汽缸體固定不動(dòng)） 軸銷式氣缸（氣缸體繞定軸旋轉(zhuǎn)） 回轉(zhuǎn)式氣缸 嵌入式氣缸（嵌入式缸體） 4. 按氣缸的功能分 普通氣缸 緩沖氣缸（主要用在印刷（張力控制）、自動(dòng)化控制、機(jī)器人等領(lǐng)域 ） 氣液阻尼缸 擺動(dòng)氣缸 沖擊氣缸 步進(jìn)氣缸,第一節(jié) 氣缸,氣液阻尼缸 普通氣缸工作時(shí)，由于氣體的壓縮性，當(dāng)外部載荷變化較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“爬行”或“自走”現(xiàn)象，使氣缸的工作不穩(wěn)定。為了使氣缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，普遍采用氣液阻尼缸。 氣液阻尼缸是由氣缸和油缸組合而成，它的工作原理見下圖。它是以壓縮空氣為能源，并利用油液的不可壓縮性和控制油液排量來獲得活塞的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)和調(diào)節(jié)活塞的運(yùn)動(dòng)速度。它將油缸和氣缸

4、串聯(lián)成一個(gè)整體，兩個(gè)活塞固定在一根活塞桿上。當(dāng)氣缸右端供氣時(shí)，氣缸克服外負(fù)載并帶動(dòng)油缸同時(shí)向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)油缸左腔排油、單向閥關(guān)閉。油液只能經(jīng)節(jié)流閥緩慢流入油缸右腔，對(duì)整個(gè)活塞的運(yùn)動(dòng)起阻尼作用。調(diào)節(jié)節(jié)流閥的閥口大小就能達(dá)到調(diào)節(jié)活塞運(yùn)動(dòng)速度的目的。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)換向閥從氣缸左腔進(jìn)入時(shí)，油缸右腔排抽，此時(shí)因單向閥開啟，活塞能快速返回原來位置。,第一節(jié) 氣缸,氣液阻尼缸 這種氣液阻尼缸的結(jié)構(gòu)一般是將雙活塞桿缸作為油缸。因?yàn)檫@樣可使油缸兩腔的排油量相等，此時(shí)油箱內(nèi)的油液只用來補(bǔ)充因油缸泄漏而減少的油量，一般用油杯就行了。,第一節(jié) 氣缸,沖擊氣缸 沖擊氣缸是一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、耗氣功率小但能產(chǎn)生

5、相當(dāng)大的沖擊力的一種特殊氣缸。與普通氣缸相比，沖擊氣缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是增加了一個(gè)具有一定容積的蓄能腔和噴嘴。它的工作原理如圖 。,第一個(gè)階段，壓縮空氣由孔A輸入沖擊缸的下腔，蓄氣缸經(jīng)孔B排氣，活塞上升并用密封墊封住噴嘴，中蓋和活塞間的環(huán)形空間經(jīng)排氣孔與大氣相通。,儲(chǔ)能腔,尾腔,頭腔,第一節(jié) 氣缸,第二階段，壓縮空氣改由孔B進(jìn)氣，輸入蓄氣缸中，沖擊缸下腔經(jīng)孔A排氣。由于活塞上端氣壓作用在面積較小的噴嘴上，而活塞下端受力面積較大，一般設(shè)計(jì)成噴嘴面積的9倍，缸下腔的壓力雖因排氣而下降，但此時(shí)活塞下端向上的作用力仍然大于活塞上端向下的作用力。,第一節(jié) 氣缸,第三階段，蓄氣缸的壓力繼續(xù)增大，沖擊缸下腔的壓力

6、繼續(xù)降低，當(dāng)蓄氣缸內(nèi)壓力高于活塞下腔壓力9倍時(shí)，活塞開始向下移動(dòng)，活塞一旦離開噴嘴，蓄氣缸內(nèi)的高壓氣體迅速充入到活塞與中間蓋間的空間，使活塞上端受力面積突然增加9倍，于是活塞將以極大的加速度向下運(yùn)動(dòng)，氣體的壓力能轉(zhuǎn)換成活塞的動(dòng)能。在沖程達(dá)到一定時(shí)，獲得最大沖擊速度和能量，利用這個(gè)能量對(duì)工件進(jìn)行沖擊做功，產(chǎn)生很大的沖擊力。,第一節(jié) 氣缸,二 、氣缸的工作特性 氣缸的工作特性是指氣缸的輸出力、氣隨內(nèi)壓力的變化以及氣缸的運(yùn)動(dòng)速度等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，由于它們的影響因素很多，有很多問題尚在研究之中，因而在此僅作一些簡單的介紹。 1. 氣缸的輸出力,單作用氣缸 A活塞的工作面積 p1活塞上的壓力； f摩擦阻

7、力 L0活塞位移L和彈簧壓縮量的總和;Ks彈簧剛度；,第一節(jié) 氣缸,二 、氣缸的工作特性 1. 氣缸的輸出力,雙作用氣缸 一般計(jì)算時(shí)，用下式求雙作用缸活塞上輸出的推力，即： 氣缸的效率一般取0.80.9.,第一節(jié) 氣缸,二 、氣缸的工作特性 2. 氣缸的壓力特性 氣缸的壓力特性是指氣缸內(nèi)壓力變化的情形。 氣缸通常被活塞分為進(jìn)氣腔和排氣腔，當(dāng)向進(jìn)氣腔輸入壓縮空氣時(shí)，排氣腔處于排氣狀態(tài)。當(dāng)兩腔的壓力差所形成的力剛好克服各種阻力負(fù)載時(shí)，活塞就開始運(yùn)動(dòng)。當(dāng)無負(fù)載時(shí)，這個(gè)開始運(yùn)動(dòng)所需要的壓力僅需0.02一0.0 5MPa。在氣缸運(yùn)動(dòng)過程中，進(jìn)氣腔壓力逐步升高至氣源壓力，排氣腔則逐漸降低壓力。進(jìn)、排氣腔中

8、的氣體壓力是隨時(shí)間變化的，其變化曲線，通常稱之為氣缸的壓力特性曲線，如下圖所示。,第一節(jié) 氣缸,2. 氣缸的壓力特性,第一節(jié) 氣缸,2. 氣缸的壓力特性 由于氣缸的壓力特性曲線變化過程比較復(fù)雜，現(xiàn)只能作定性說明。在換向閥切換以前，進(jìn)氣腔中的氣體壓力為大氣壓。當(dāng)方向閥切換后，進(jìn)氣腔與氣源接通，因進(jìn)氣腔容積小，氣體將很快充滿并升至氣源壓力。排氣腔則不同，啟動(dòng)前其腔中壓力為氣源壓力，因?yàn)榕艢馇坏娜莘e大，腔中氣體壓力的下降速度要比進(jìn)氣腔中壓力上升的速度緩慢得多。當(dāng)兩腔的壓力差超過啟動(dòng)壓差后，就開始啟動(dòng)。也就是說，從方向閥換向到氣缸啟動(dòng)，是需要一定時(shí)間的。 啟動(dòng)以后，活塞所受的摩擦阻力從靜摩擦力轉(zhuǎn)為動(dòng)摩

9、擦力而變小，使活塞加速運(yùn)動(dòng)。由于活塞的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)氣腔容積相對(duì)增大，只要補(bǔ)充氣源充分，活塞放繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。另一方面，排氣腔容積在不斷減少，而且其容積的相對(duì)減少量越來越大，因此在不斷的排氣過程中腔中壓力繼續(xù)下降，并總是小于進(jìn)氣腔壓力。活塞在兩,第一節(jié) 氣缸,2. 氣缸的壓力特性 腔壓力差作用下繼續(xù)前進(jìn)。 當(dāng)氣缸行程較長，且活塞扦上有負(fù)載時(shí)，會(huì)產(chǎn)生進(jìn)排氣速度與活塞速度相平衡的情況，這時(shí)壓力特性曲線將趨于水平，活塞在兩腔不變壓力差的推動(dòng)下勻速前進(jìn)。 當(dāng)氣缸行到末端時(shí)，排氣腔壓力急劇下降，直至大氣壓；進(jìn)氣腔壓力再次急劇上升、直至氣源壓力。這種較大的壓力差，很容易形成氣缸的沖擊。因而在氣缸的沒計(jì)中要考慮設(shè)置緩沖

10、裝置。,第一節(jié) 氣缸,二 、氣缸的工作特性 3. 氣缸的速度 由于活塞兩側(cè)壓力p1、p2的變化比較復(fù)雜，因而推動(dòng)活塞的力的變化也比較復(fù)雜，再加上氣體的可壓縮性，要使氣缸保持準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)速度是比較困難的。通常，氣缸的平均運(yùn)動(dòng)速度可按進(jìn)氣量的大小求出，即 式中 q為壓縮空氣的體積流量；A為活塞的有效面積。 氣缸在一般工作條件下，其平均速度約為0.5ms左右。,第一節(jié) 氣缸,二 、氣缸的工作特性 4. 氣缸的耗氣量 氣缸的耗氣量與氣缸的活塞宜徑D、活塞桿直徑d、活塞的行程L以及單位時(shí)間往復(fù)次數(shù)N有關(guān)。以圖121b所示的單出桿雙作用式氣缸為例，活塞桿伸出和退回行程的耗氣量分別為： 所以、活塞往復(fù)一次所耗

11、壓縮空氣量為,第一節(jié) 氣缸,4. 氣缸的耗氣量 若活塞每分鐘往返N次，則每分鐘活塞運(yùn)動(dòng)的耗氣量為 由上式計(jì)算的是理論耗氣量，實(shí)際耗氣量要比此值大，這是由于泄漏等因素造成的。因此實(shí)際耗氣量應(yīng)為 上面兩式計(jì)算是壓縮空氣的消耗量，這是選擇氣源的供氣最的重要依據(jù)。未經(jīng)壓縮的自由空氣的消耗量要比該值大些，當(dāng)實(shí)際消耗的壓縮空氣量為Vs時(shí)，其自由空氣的消耗量Vsz為 式中 p為氣體的工作壓力（MPa）。,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)氣缸時(shí)，只有保證氣缸的下述幾個(gè)主要尺寸，才能實(shí)現(xiàn)氣缸的功能。 1. 氣缸的主要尺寸設(shè)計(jì) 氣缸直徑D 氣缸的直徑也就是氣缸的內(nèi)徑，可根據(jù)外負(fù)載F的大小來確定，

12、當(dāng)氣源供氣壓力為p時(shí)，氣缸的內(nèi)徑D為： 所求得的D值，一膠要提高20再圓整到系列標(biāo)準(zhǔn)值。氣缸的內(nèi)徑系列見表：,第一節(jié) 氣缸,1. 氣缸的主要尺寸設(shè)計(jì) 活塞行程L 一般根據(jù)實(shí)際需要來確定，通常L值取(0.55)D。 氣缸進(jìn)排氣直徑d0 氣缸進(jìn)、排氣口直徑d0的大小，直接決定了氣缸進(jìn)氣速度，亦即決定了活塞的運(yùn)行速度。設(shè)計(jì)中，應(yīng)予以充分的重視，直徑d0的確定可根據(jù)空氣流經(jīng)徘氣口的速度V來計(jì)算，一般取V=10 25ms，因而d0為 式中 q為工作壓力下輸入氣缸的空氣流量。 一般情況下進(jìn)排氣口直徑d0的大小可根據(jù)氣缸內(nèi)徑D的大小來選取。見下表。,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 氣缸的

13、主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)氣缸各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，主要要確定各部分的結(jié)構(gòu)型式及主要尺寸 氣缸筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 氣缸筒的主要作用是提供壓縮空氣的儲(chǔ)存與膨脹空間及對(duì)活塞實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向，從而通過活塞將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。氣缸筒均為圓筒形狀，主要要確定的尺寸為： (1)氣缸筒直徑(即為氣缸內(nèi)徑)D 可由式(12-11)求出； (2)氣缸筒的長度l 長度l應(yīng)為活塞的行程L和活塞寬度H之和，即,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 氣缸筒的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) (3)氣缸簡的壁厚 壁厚可利用薄壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算公式來確定,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞的功用是

14、將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，因此，它要提供足夠的換能面積。由于活塞要頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，又要間隔兩腔空氣，因而就必須保證其耐磨和密封、目前多采用鑄鐵活塞及o形或Y形密封圈實(shí)現(xiàn)密封。 活塞的外徑即是氣缸的內(nèi)徑，二者的配合精度，取決于采用何種形式的密封圈，一般采用H8f9配合，活塞表面粗糙度R0.8。活塞的寬度H取決于密封圈的排數(shù)，一般采用兩排密封圈。活塞上溝槽的深度和寬度根據(jù)所選用的密封圈來確定。,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞桿及其強(qiáng)度校核 活塞桿的作用是將活塞轉(zhuǎn)換出的機(jī)械能以機(jī)械力的形式推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，對(duì)活塞桿；不僅要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（與活塞和外接負(fù)載的

15、連接方式等)，還要進(jìn)行強(qiáng)度校核。 活塞桿在工作中，既要受到軸向拉伸，也往往要受到軸向壓縮因此要作強(qiáng)度校核和穩(wěn)定性校核。 當(dāng)活塞桿的長度L10d時(shí)，要進(jìn)行強(qiáng)度校按，即活塞桿的直徑：,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 活塞桿及其強(qiáng)度校核 式中 F為活塞桿所受的外力；為活塞桿材料的許用應(yīng)力。 當(dāng)活塞桿的計(jì)算長度L10d時(shí)，要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性校核，以保證活塞桿不產(chǎn)生彎曲。 其校核方法可參閱有關(guān)手冊(cè)和資料。 經(jīng)計(jì)算出的活塞桿直徑可按表121的系列選取標(biāo)準(zhǔn)值。,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 氣缸的緩沖機(jī)構(gòu) 為防止氣缸在行程末端時(shí)

16、，活塞以很大的進(jìn)度(一般為1ms左右)撞擊端蓋，引起氣缸振動(dòng)和損傷，常采用帶有緩沖裝置的緩沖氣缸。 經(jīng)沖氣缸的緩沖裝置結(jié)構(gòu)如下圖所示，通常由緩沖柱塞1、柱塞孔2、節(jié)流閥3和單向閥4構(gòu)成。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到緩沖柱塞剛進(jìn)入緩沖柱塞孔時(shí)，主排氣道即被堵死，活塞進(jìn)入到緩沖行程，這時(shí)活塞至端蓋的距離稱為緩沖長度x。在緩沖行程中，環(huán)形空間空氣被活塞絕熱壓縮使壓力升高形成氣墊，以吸收活塞運(yùn)動(dòng)部件的能量，使活塞等運(yùn)動(dòng)部件達(dá)到減速的目的，即把運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能變成氣體的壓力能，為此，緩沖袋置的設(shè)計(jì)，就是要保證運(yùn)動(dòng)部,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 氣缸的緩沖機(jī)構(gòu) 件的動(dòng)能披緩沖腔內(nèi)

17、的壓縮空氣所吸收，所以緩沖柱塞要有足夠的行程長度X和直徑d。,第一節(jié) 氣缸,三 、氣缸的主要尺寸及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2. 氣缸的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 氣缸的緩沖機(jī)構(gòu) 活塞以及運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)能E1為 式中 m為運(yùn)動(dòng)部件的總質(zhì)量； V為活塞運(yùn)動(dòng)速度。 壓縮緩沖腔內(nèi)空氣所需要的壓縮功E與緩沖腔的容積v、壓力的變化等因素有關(guān)，而緩沖容積V為 因活塞運(yùn)動(dòng)速度很快，因而將體積v內(nèi)的空氣從壓力p1絕熱壓縮至p2，所需要的能量為,第一節(jié) 氣缸,氣缸的緩沖機(jī)構(gòu),第一節(jié) 氣缸,氣缸的其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在氣缸的設(shè)計(jì)中，除了上述幾個(gè)問題外，還有缸體與缸蓋、活塞與活塞桿之間的連接、缸蓋本身的結(jié)構(gòu)等方面的問題在設(shè)計(jì)中需充分考慮。尤其要注意氣缸

18、內(nèi)的幾處密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅要保證其密封可取，還要考慮到使用壽命及啟動(dòng)力等，下圖為一常 用普通氣缸的結(jié)構(gòu)圖。,第一節(jié) 氣缸,四、其它常用氣缸 1. 擺動(dòng)式氣缸 擺動(dòng)式氣缸是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變成氣缸輸出軸的有限回轉(zhuǎn)的機(jī)械能，多用于安裝位置受到限制，或轉(zhuǎn)動(dòng)角度小于360的回轉(zhuǎn)工作部件，例如夾具的回轉(zhuǎn)、閥門的開啟、轉(zhuǎn)塔車床轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位以及自動(dòng)線上物料的轉(zhuǎn)位等場合。 下圖為單葉片式擺動(dòng)氣缸的工作原理圖，定子3與缸體4固定在一起，葉片1和轉(zhuǎn)子2(輸出軸)聯(lián)結(jié)在一起，當(dāng)左腔進(jìn)氣時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，轉(zhuǎn)子則逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子可做成圖示的單葉片式，也可做成雙葉片式。這種氣缸的耗氣量一般都較大。這種氣缸的輸出轉(zhuǎn)矩和角速度與擺動(dòng)式液壓虹相同，故不再重復(fù)。,第一節(jié) 氣缸,四、其它常用氣缸 1. 擺動(dòng)式氣缸,第二節(jié) 氣動(dòng)馬達(dá),氣動(dòng)馬達(dá)是將壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能的裝置，在氣壓傳動(dòng)中使用最廣泛的是葉片式和活塞式氣動(dòng)馬達(dá)，本節(jié)以時(shí)片式氣動(dòng)馬達(dá)為例簡單介紹氣動(dòng)馬達(dá)的工作原理和它的主要技術(shù)性能。 下圖為雙向旋轉(zhuǎn)葉片式氣馬達(dá)的工作原理圖。當(dāng)壓縮空氣從進(jìn)氣口A進(jìn)入氣室后立即噴向葉片1，作用在葉片的外伸部分，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子2作逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出旋轉(zhuǎn)