任务1.3 认识气动执行元件

【学习目标】

1）能辨别常用气动执行元件的实物与图形符号。

2）能正确选用和合理使用气动马达与气缸。

【任务布置】

气动执行元件将压缩空气的压力能转化为机械能做功，本任务要求观察各种气动执行元件，如气缸、气动马达、气动手指等，熟悉其参数和应用。

【相关知识】

1.3.1 普通气缸

气缸和气马达是气压传动系统中的执行元件，它们将压缩空气的压力能转换为机械能。气缸用于实现直线往复运动或摆动，气马达则用于实现连续回转运动。

气缸是用于实现直线运动并做功的元件，其结构、形状有多种形式，分类方法也很多，常用的有以下几种。

1）按压缩空气作用在活塞端面上的方向，可分为单作用气缸和双作用气缸。单作用气缸只有一个方向的运动靠气压传动，活塞的复位靠弹簧力或重力；双作用气缸活塞的往返全部靠压缩空气来完成。

2）按安装方式可分为底座式气缸、法兰式气缸、耳环式气缸和轴销式气缸。

3）按结构特征可分为活塞式气缸、柱塞式气缸、薄膜式气缸和摆动式气缸等。

4）按功能可分为普通气缸和特殊气缸。普通气缸是最常用的气缸，主要有活塞式单作用气缸和双作用气缸；特殊气缸包括气液阻尼缸、薄膜式气缸、冲击式气缸、增压气缸、步进气缸、回转气缸等。

GB/T 32336—2015规定了最为常用的额定压力为1MPa、带或者不带磁性的单杆和双杆气缸，缸筒内径有十种规格：32mm、40mm、50mm、63mm、80mm、125mm、160mm、200mm、250mm、320mm，活塞行程不大于1250mm。在一定的气源压力下，缸筒内径标示气缸活塞杆的理论输出力，行程标示气缸的作用范围，它们是气缸的主要参数。

1.单作用气缸

单作用气缸只可以在活塞一侧通入压缩空气使其伸出或缩回，另一侧是通过呼吸孔开放在大气中的，其结构示意图、图形符号和实物如图1-23所示。这种气缸只能在一个方向上做功，活塞的反向动作则靠一个复位弹簧或施加外力来实现。由于压缩空气只能在一个方向上控制气缸活塞的运动，所以称为单作用气缸。单作用气缸有弹簧压入型和弹簧压出型两种。

单作用气缸的特点如下：

1）由于单边进气，因此结构简单、耗气量小。

2）缸内安装了弹簧，增加了气缸长度，缩短了气缸的有效行程，且其行程还受弹簧长度的限制。

3）借助弹簧力复位，使压缩空气的一部分能量用来克服弹簧张力，减小了活塞杆的输出力；而且输出力的大小和活塞杆的运动速度在整个行程中随弹簧的变形而变化。

因此，单作用气缸多用于行程较短以及对活塞杆输出力和运动速度要求不高的场合，如定位和夹紧装置等。

气缸工作时，活塞杆输出的推力必须克服弹簧的弹力及各种阻力，推力可用式（1-6）计算

式中，F为活塞杆上的推力；D为活塞直径；p为气缸工作压力；F_s为弹簧力；η_c为气缸的效率。

气缸工作时的总阻力包括运动部件的惯性力和各密封处的摩擦力等，它与多种因素有关，综合考虑以后，以效率η_c的形式计入计算，一般取0.7～0.8，活塞运动速度小于0.2m/s时取大值，活塞运动速度大于0.2m/s时取小值。

2.双作用气缸

单活塞杆双作用气缸是目前使用最为广泛的一种普通气缸，气缸活塞的往返运动是依靠压缩空气从缸内被活塞分隔开的两个腔室（有杆腔、无杆腔）交替进入和排出来实现的，压缩空气可以在两个方向上做功。由于气缸活塞的往返运动全部靠压缩空气来完成，所以称为双作用气缸，其结构示意图、图形符号和实物图分别如图1-24所示。

由于没有复位弹簧，双作用气缸可以获得更长的有效行程和稳定的输出力。双作用气缸是利用压缩空气交替作用于活塞上实现伸缩运动的，由于回缩时压缩空气的有效作用面积较小，因此其产生的力要小于伸出时产生的推力。

气缸工作时活塞杆上的输出力用式（1-7）和式（1-8）计算

式中，F₁为无杆腔进气时活塞杆上的输出力；F₂为有杆腔进气时活塞杆上的输出力；D为活塞直径；d为活塞杆直径；p为气缸工作压力；η_c为气缸效率，一般取0.7～0.8，活塞运动速度小于0.2m/s时取大值，活塞运动速度大于0.2m/s时取小值。

1.3.2 其他气缸

1.无杆气缸

为节省空间，有杆气缸的安装空间约为2.2L（行程），无杆气缸约为1.2L，行程与缸径之比可达50～200，定位精度高。活塞两侧的受压面积相等，具有同样的推力，有利于提高定位精度，可实现长行程制作。图1-25所示为磁性耦合式无杆气缸。这种气缸质量小、结构简单、占用空间小、无外泄漏，活塞与移动体有脱开的可能。图1-26所示为机械式无杆气缸，它有较大的承载能力和抗力矩能力，但可能存在轻微外漏。

2.气动滑动装置

气动滑动装置又称气动滑台，图1-27所示的气动滑台是由两个双活塞杆气缸并联而成的，常用于位置精度（平面度、直角度等）要求高的组装机器人和工件搬运设备上。

3.气动手指

气动手指又名气动夹爪或气动夹指，如图1-28所示，它是利用压缩空气作为动力来夹取或抓取工件的执行装置。气动手指通常可分为Y型夹指和平型夹指，缸径有16mm、20mm、25mm、32mm和40mm几种，其主要作用是替代人的抓取工作，可有效地提高生产率及工作的安全性。

1.3.3 气动马达

气动马达属于气动执行元件，它是把压缩空气的压力能转换为机械能的转换装置。与气缸不同的是，它主要输出回转运动，即输出力矩，驱动机构做回转运动。

1.气动马达的分类和工作原理

最常用的气动马达有叶片式、薄膜式、活塞式三种，其工作原理如图1-29所示。

图1-29a所示为叶片式气动马达的工作原理。压缩空气由孔A输入后分为两路：一路经定子两端密封盖上的槽进入叶片底部（图中未示出）将叶片推出，叶片依靠此气压推力和转子转动的离心力作用而紧密地贴紧在定子内壁上；另一路进入相应的密封工作空间，压缩空气作用在两个叶片上。由于两叶片伸出长度不等，就产生了转矩，从而使叶片与转子按逆时针方向旋转。做功后的气体由定子上的孔C排出，剩余残气经孔B排出。若改变压缩空气的输入方向，则可改变转子的转向，其实物图如图1-30所示。

图1-29b所示为薄膜式气动马达的工作原理。它实际上是一个薄膜式气缸，当其做往复运动时，通过推杆端部的棘爪使棘轮做间歇性转动。

图1-29c所示为径向活塞式气动马达的工作原理。压缩空气从进气口进入配气阀后再进入气缸，推动活塞及连杆组件运动，迫使曲轴旋转，同时，带动固定在曲轴上的配气阀转动，使压缩空气随着配气阀角度位置的改变而进入不同的缸内，依次推动各个活塞运动，由各活塞及连杆带动曲轴连续运转。与此同时，与处于进气状态的气缸相对的气缸则处于排气状态。

2.气动马达的特点

气动马达具有下述优点：

1）工作安全。可以在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、灰尘多等恶劣环境下工作，同时不受高温及振动的影响。

2）具有过载保护作用。可长时间满载工作而温升较小，过载时马达将降低转速或停止，当过载解除后，可立即重新正常运转。

3）可以实现无级调速。通过控制节流阀的开度来控制进入气动马达的压缩空气的流量，就能控制气动马达的转速。

4）具有较高的起动转矩，可以直接带负载起动，且起动、停止迅速。

5）功率范围及转速范围均较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从每分钟几转到上万转。

6）结构简单，操纵方便，可正、反转，维修容易，成本低。

气动马达的缺点是速度稳定性较差，输出功率小，耗气量大，效率低，噪声大。

【任务实施】

观察气动剪板机及其他气动设备的工作情况，观察其气动执行件，查看其使用参数、结构和工作情况。