气动执行元件和控制元件

第十三章气动执行元件和控制元件

气动执行元件是一种能量转换装置，它是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。气动执行元件分为气缸和气马达两大类。气缸用于提供直线往复运动或摆动，输出力和直线速度或摆动角位移。气马达用于提供连续回转运动，输出转矩和转速。

气动控制元件用来调节压缩空气的压力流量和方向等，以保证执行机构按规定的程序正常进行工作。气动控制元件按功能可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。

第一节气缸

一、气缸的工作原理、分类及安装形式

1.气缸的典型结构和工作原理

图13－1 普通双作用气缸

1、3－缓冲柱塞 2－活塞 4－缸筒 5－导向套 6－防尘圈7－前端盖 8－气口 9－

传感器 10－活塞杆 11－耐磨环 12－密封圈 13－后端盖 14－缓冲节流阀

以气动系统中最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说明，气缸典型结构如图13－1所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。

当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。

2.气缸的分类

气缸的种类很多，一般按气缸的结构特征、功能、驱动方式或安装方法等进行分类。分类的方法也不同。按结构特征，气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。

3.气缸的安装形式

气缸的安装形式可分为

1）固定式气缸气缸安装在机体上固定不动，有脚座式和法兰式。

2）轴销式气缸缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动，有U形钩式和耳轴式。

3）回转式气缸缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。

4）嵌入式气缸气缸缸筒直接制作在夹具体内。

二、常用气缸的结构原理

1.普通气缸

包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊要求的场合。

图13－2为最常用的单杆双作用普通气缸的基本结构，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。

缸筒7与前后缸盖固定连接。有活塞杆侧的缸盖5为前缸盖，缸底侧的缸盖14为后缸盖。在缸盖上开有进排气通口，有的还设有气缓冲机构。前缸盖上，设有密封圈、防尘圈3，同时还设有导向套4，以提高气缸的导向精度。活塞杆6与活塞9紧固相连。活塞上除有密封圈10，11防止活塞左右两腔相互漏气外，还有耐磨环12以提高气缸的导向性；带磁性开关的气缸，活塞上装有磁环。活塞两侧常装有橡胶垫作为缓冲垫8。如果是气缓冲，则活塞两侧沿轴线方向设有缓冲柱塞，同时缸盖上有缓冲节流阀和缓冲套，当气缸运动到端头时，

图13－2 普通双作用气缸

1，13－弹簧挡圈 2－防尘圈压板 3－防尘圈 4－导向套 5－杆侧端盖 6－活塞杆

7－缸筒8－缓冲垫9－活塞10－活塞密封圈11－密封圈12－耐磨环14－无杆

侧端盖

缓冲柱塞进入缓冲套，气缸排气需经缓冲节流阀，排气阻力增加，产生排气背压，形成缓冲气垫，起到缓冲作用。

2.特殊气缸

图13－3 薄膜气缸

1－缸体 2－膜片 3－膜盘 4－活塞杆

为了满足不同的工作需要，在普通气缸的基础上，通过改变或增加气缸的部分结构，设计开发出多种特殊气缸。

（1）薄膜式气缸图13－3为膜片气缸的工作原理图。膜片有平膜片和盘形膜片两种一般用夹织物橡胶、钢片或磷青铜片制成，厚度为 5～6mm （有用1～2mm 厚膜片的）。

图13－3所示的膜片气缸的功能类似于弹簧复位的活塞式单作用气缸，工作时，膜片在压缩空气作用下推动活塞杆运动。它的优点是：结构简单、紧凑、体积小、重量轻、密封性好、不易漏气、加工简单、成本低、无磨损件、维修方便等，适用于行程短的场合。缺点是行程短，一般不趁过50mm。平膜片的行程更短，约为其直径的1/10。

（2）磁性开关气缸磁性开关气缸是指在气缸的活塞上安装有磁环，在缸筒上直接安装磁性开关，磁性开关用来检测气缸行程的位置，控制气缸往复运动。因此，就不需要在缸筒上安装行程阀或行程开关来检测气缸活塞位置，也不需要在活塞杆上设置挡块。

其工作原理如图13－4所示。它是在气缸活塞上安装永久磁环，在缸筒外壳上装有舌簧

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。当装有永久磁铁的活塞运动到舌簧片附近，磁力线通过舌簧片使其磁化，两个簧片被吸引接触，则开关接通。当永久磁铁返回离开时，磁场减弱，两簧片弹开，则开关断开。由于开关的接通或断开，使电磁阀换向，从而实现气缸的往复运动。

图13－4磁性开关气缸

1－动作指示灯 2－保护电路 3－开关外壳4－导线5－活塞6－磁环7－缸筒8－舌簧开关气缸磁性开关与其它开关的比较见表3-1。

表3-错误！未定义书签。气缸磁性开关与其它开关的比较

（3）带阀气缸

带阀气缸是由气缸、

换向阀和速度控制阀等组成的一种组合式气动执行元件。它省去了连接管道和管接头，减少了能量损耗，具有结构紧凑，安装方便等优点。带阀气缸的阀有电控、气控、机控和手控等各种控制方式。阀的安装形式有安装在气缸尾部、上部等几种。如图13－5所示，电磁换向阀安装在气缸的上部，当有电信号时，则电磁阀被切换，输出气压可直接控制气缸动作。

图13－5 带阀组合气缸

1－管接头2－气缸3－气管4－电磁换向阀5－换向阀底板6－单向节流阀组合

件7－密封圈。

（4）带导杆气缸图13－6为带导杆气缸，在缸筒两侧配导向用的滑动轴承（轴瓦式或滚珠式），因此导向精度高，承受横向载荷能力强。

13－6典型带导杆气缸的结构 （5）无杆气缸 无杆气缸是指利用活塞直接或间接方式连接外界执行机构，并使其跟随活塞实现往复运动的气缸。这种气缸的最

大优点是节省安装空间。

1）磁性无杆气缸 活塞通过磁力带动缸体外部的移动体做同步移动，其结构如图13－7所示。它的工作原理是：在活塞上安装一组高强磁性的永久磁环，磁力线通过薄壁缸筒与套在外面的另一组磁环作用，由于两组磁环磁性相反，具有很强的吸力。当活塞在缸筒内被气压推动时，则在磁力作用下，带动缸筒外的磁环套一起移动。气缸活塞的推力必须与磁环的吸力相适应。

图13－7磁性无杆气缸

1－套筒 2－外磁环 3－外磁导板 4－内磁环 5－内磁导板 6－压盖 7－卡环8－活塞 9－活塞轴 10－缓冲柱塞 11－气缸筒 12－端盖 13－进、排气口

2）机械接触式无杆气缸 称机械接触式无杆气缸，其结构如13－8所示。在气缸缸管轴向开有一条槽，活塞与滑块在槽上部移动。

为了防止泄漏及防尘需要，在开口部采用聚氨脂密封带和防尘不锈钢带固定在两端缸盖上，活塞架穿过槽，把活塞与滑块连成一体。活塞与滑块连接在一起，带动固定在滑块上的执行机构实现往复运动。这种气缸的特点是：1) 与普通气缸相比，在同样行程下可缩小1/2安装位置；2) 不需设置防转机构；3) 适用于缸径10～80mm ，最大行程在缸径≥40mm 时可达7m ；4) 速度高，标准型可达0.1～

0.5m/s ；高速型可达到0.3～3.0m/s 。其缺点

是：1) 密封性能差，容易产生外 泄漏。在使

13－6 典型带导杆气缸的

用三位阀时必须选用中压式；2) 受负载力小，为了增加负载能力，必须增加导向机构。

图13－8 机械接触式无杆气缸

l－节流阀2－缓冲柱塞3－密封带4－防尘不锈钢带 5－活塞 6－滑块 7－活塞

架

（6）锁紧气缸带有锁紧装置的气缸称为锁紧气缸按锁紧位置分为行程末端锁紧型和任意位置锁紧型。

1）行程末端锁紧型气缸如图13－9所示，当活塞运动到行程末端，气压释放后，锁定活塞1在弹簧力的作用下插入活塞杆的卡槽中，活塞杆被锁定。供气加压时，锁定活塞1缩回退出卡槽而开锁，活塞杆便可运动。

图13－9 带端锁气缸的结构原理

a）手动解除非锁式b）手动解除锁式。

1－锁定活塞2－橡胶帽3，12－帽4－缓冲垫圈5－锁用弹簧6－密封件7－导向套8－螺钉9－旋钮10－弹簧11－限位环2）任意位置锁紧型气缸按锁紧方式可分为卡套锥面式、弹簧式和偏心式等多种形式。卡套锥面式锁紧装置由锥形制动活塞6、制动瓦1、制动臂4和制动弹簧7等构成，其结构原理如图13－10所示。作用在锥状锁紧活塞上的弹簧力由于楔的作用而被放大，再由杠杆原理得到放大。这个放大的作用力作用在制动瓦1上，把活塞杆锁紧。要释放对活塞的锁紧，向供气口A′供应压缩空气，把锁紧弹簧力撤掉。

图13－10 制动气缸制动装置工作原理

a）自由状态b）锁紧状态l－制动瓦 2－制动瓦座3－转轴 4－制动臂 5－压轮 6－锥形制动活

塞7－制动弹簧

（7）气动手爪气动手爪这种执行元件是一种变型气缸。它可以用来抓取物体，实现机械手各种动作。在自动化系统中，气动手

爪常应用在搬运、传送工件机构中抓取、拾放物体。

图13－11 平行开合手指

气动手爪有平行开合手指（如图13－11所示）、肘节摆动开合手爪、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驱动方式有直线式和旋转式。

气动手爪的开闭一般是通过由气缸活塞产生的往复直线运动带动与手爪相连的曲柄连杆、滚轮或齿轮等机构，驱动各个手爪同步做开、闭运动。

（8）气液阻尼缸气缸以可压缩空气为工作介质，动作快，但速度稳定性差，当负载变化较大时，容易产生“爬行”或“自走”现象。另外，压缩空气的压力较低，因而气缸的输出力较小。为此，经常采用气缸和油缸相结合的方式，组成各种气液组合式执行元件，以达到控制速度或增大输出力的目的。

气液阻尼缸是利用气缸驱动油缸，油缸除起阻尼作用

外，还能增加气缸的刚性（因为油是不可压缩的），发挥了

液压传动稳定、传动速度较均匀的优点。常用于机床和切削装置的进给驱动装置。

串联式气液阻尼缸的结构如图13－12所示。它采用一根活塞杆将两活塞串在一起，油缸和气缸之间用隔板隔开，防止气体串入油缸中。当气缸左端进气时，气缸将克服负载阻力，带动油缸向右运动，调节节流阀开度就能改变阻尼缸活塞的运动速度。图13－1

图13－12气液阻尼缸

图13－12气液阻尼缸 （10）摆动气缸 摆动气缸

是一种在小于360°角度范围内做往复摆动的气

缸，它是将压缩空气的压力能转换成机械能，输出

力矩使

机构实现往复摆动。摆动气缸按结构特点可分为叶片式和活塞式两种。

1）叶片式摆动气缸 单叶片式摆动气缸的结构原理如图13－13所示。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，叶片和转子联在一起。在定子上有两条气路，当左路进气时，右路排气，压缩空气推动叶片带动转子顺时针摆动。反之，作逆时针摆动。

叶片式摆动气缸体积小，重量最轻，但制造精度要求高，密封困难，泄漏是较大，而且动密封接触面积大，密封件的摩擦阻力损失较大，输出效率较低，小于80%。因此，在应用上受到限制，一般只用在安装位置受到限制的场合，如夹具的回转，阀门开闭及工作台转位等。

图13－13 单叶片式摆动气缸工作原理图

1－叶片2－转子3－定子4－缸体

2）活塞式摆动气缸 活塞式摆动气缸是将活塞的往复运动通过机构转变为输出

轴的摆动运动。按结构不同可分为齿轮齿条

式、

螺杆式和曲柄式等几种。

图13－13 单叶片式工作原理图1－叶片 2－转子 3－定

图13－14 齿轮齿条式摆动气缸结构原理

1－齿条组件2－弹簧柱销3－滑块4－端盖5－缸体6－轴承7－轴8－活塞9－

齿轮

齿轮齿条式摆动气缸是通过连接在活塞上的齿条使齿轮回转的一种摆动气缸，其结构原理如图13－14所示。活塞仅作往复直线运动，

摩擦损失少，齿轮传动的效率较高，此摆动气缸效率可达到95%左右。

三、气缸的技术参数

1）气缸的输出力 气缸理论输出力的设计计算与液压缸类似，可参见液压缸的设计计算。如双作用单活塞杆气缸推力计算如下：

理论推力（活塞杆伸出）

F t 1＝A 1p （13-1）

理论拉力（活塞杆缩回）

F t 2＝A 2p （13-2）

式中 F t 1、F t 2——气缸理论输出力（N ）；

A 1、A 2——无杆腔、有杆腔活塞面积（m 2）；

p — 气缸工作压力（Pa ）。

实际中，由于活塞等运动部件的惯性力以及密封等部分的摩擦力，活塞杆的实际输出力小于理论推力，称这个推力为气缸的实际输出力。

气缸的效率 η 是气缸的实际推力和理论推力的比值，即

t F F =η （13-3）

所以

()p A F 1η= （13-4）

气缸的效率取决于密封的种类，气缸内表面和活塞杆加工的状态及润滑状态。此外，气缸的运动速度、排气腔压力、外载荷状况及管道状态等都会对效率产生一定的影响。

2）负载率β 从对气缸运行特性的研究可知，要精确确定气缸的实际输出力是困难的。于是在研究气缸性能和确定气缸的出力时，常用到负载率的概念。气缸的负载率β定义为

%100?t F F 气缸的理论输出力气缸的实际负载＝β （l3－5）

气缸的实际负载是由实际工况所决定的，若确定了气缸负载率θ，则由定义就能确定气缸的理论输出力，从而可以计算气缸的缸径。

对于阻性负载，如气缸用作气动夹具，负载不产生惯性力，一般选取负载率β为0.8；对于惯性负载，如气缸用来推送工件，负载将产生惯性力，负载率β的取值如下 β＜0.65 当气缸低速运动，v ＜100 mm/s 时；

β＜0.5 当气缸中速运动，v ＝100～500 mm/s 时；

β＜0.35 当气缸高速运动，v ＞500 mm/s 时。

3）气缸耗气量 气缸的耗气量是活塞每分钟移动的容积，称这个容积为压缩空气耗气量，一般情况下，气缸的耗气量是指自由空气耗气量。

4）气缸的特性 气缸的特性分为静态特性和动态特性。气缸的静态特性是指与缸的输出力及耗气量密切相关的最低工作压力、最高工作压力、摩擦阻力等参数。气缸的动态特性是指在气缸运动过程中气缸两腔内空气压力，温度，活塞速度、位移等参数随时间的变化情况。它能真实地反映气缸的工作性能。

四、气缸的选型及计算

1.气缸的选型步骤

气缸的选型应根据工作要求和条件，正确选择气缸的类型。下面以单活塞杆双作用缸为例介绍气缸的选型步骤。

（1）气缸缸径。根据气缸负载力的大小来确定气缸的输出力，由此计算出气缸的缸径。

（2）气缸的行程。气缸的行程与使用的场合和机构的行程有关，但一般不选用满行程。

（3）气缸的强度和稳定性计算

（4）气缸的安装形式。气缸的安装形式根据安装位置和使用目的等因素决定。一般情况下，采用固定式气缸。在需要随工作机构连续回转时（如车床、磨床等），应选用回转气缸。在活塞杆除直线运动外，还需作圆弧摆动时，则选用轴销式气缸。有特殊要求时，应选用相应的特种气缸。

（5）气缸的缓冲装置。根据活塞的速度决定是否应采用缓冲装置。

（6）磁性开关。当气动系统采用电气控制方式时，可选用带磁性开关的气缸。

（7）其它要求。如气缸工作在有灰尘等恶劣环境下，需在活塞杆伸出端安装防尘罩。要求无污染时需选用无给油或无油润滑气缸。

2.气缸直径计算

气缸直径的设计计算需根据其负载大小、运行速度和系统工作压力来决定。首先，根据气缸安装及驱动负载的实际工况，分析计算出气缸轴向实际负载F ，再由气缸平均运行速度来选定气缸的负载率θ，初步选定气缸工作压力（一般为0.4 MPa ～0.6 MPa ），再由 F ／θ，计算出气缸理论出力F t ，最后计算出缸径及杆径，并按标准圆整得到实际所需的缸径和杆径。

例题 气缸推动工件在水平导轨上运动。已知工件等运动件质量为 m ＝250 kg ，工件与导轨间的摩擦系数μ ＝0.25，气缸行程 s 为 400 mm ，经1.5 s 时间工件运动到位，系统工作压力p = 0.4 MPa ，试选定气缸直径。

解：气缸实际轴向负载

F ＝ mg ＝0.25 ? 250 ? 9.81＝613.13 N

气缸平均速度

mm/s 2675.1400≈==t s v 选定负载率

θ ＝0.5

则气缸理论输出力

N 6.12265.013.6131===θF

F

双作用气缸理论推力 p D F ?=2141π

气缸直径

mm 48.624.014.33.122644≈??==p F D t π 按标准选定气缸缸径为63 mm 。

第十四章 气动安装调试使用维护

第十四章液压气动系统的安装、调试、使用与维护 12．1重点与难点分析 液压气动系统的安装、调试、使用和维护是液压与气动系统安全使用、正常运转的必要保证。一个设计合理的液压系统，若不能保证正确的安装调试，合理的使用维护就无法充分的发挥其设计效能，设备的故障率就会增高，预期的周期寿命就难以达到。因此，液压气动系统的安装、调试、使用和维护十分重要。 在液压气动系统的安装、调试、使用和维护中，液压管道的安装、液压设备的调试、液压装置的使用和维护是本章的重点内容。因为，对于整机或集中配置的液压系统，元件的安装与整机的调试，在出厂时已经完成；对于分散式液压系统，部件的安装调试也已经完成，用户需要完成的只是管道的安装与调试；所有液压设备与系统都存在需要合理使用正确维护的问题。 1．在管路连接件的安装中，吸油管路要管径适当、长度要短、弯曲要少、滤油器选择得当；在回油管的安装中，回油口的安装位置要合适、避免回油产生飞溅、防止油管内产生积气；在泄漏管的安装中，要控制管道的长度、防止管道压力损失过大；在压油管的安装中，要牢固的固定管路、防止油管振动。无论哪种管道，都要避免急转弯、排列整齐、固定牢固、不承受外力；软管长度留有余量、避免受热、受力、受摩擦。 2．液压系统在调试前应当根据设备使用说明书及有关技术资料，全面了解被调试设备，确定调试的内容、方法及步骤，准备好调试工具、测量仪表等，制订安全技术措施；然后检查各个液压元件的安装及其管道连接，检查油箱中的油液牌号、过滤精度、液面高度；检查系统中各液压部件、电动机的安装与状态。还要对系统进行试压过程，对于不同的系统，所取得的试压值不同，试压后要检查管接头及元件的密封情况。上述工作为试车做好准备。 3．液压系统在调试中，首先要进行空载试车，在不带负载条件下进一步检查液压系统的各液压元件的工作状态；然后进行负载试车，使液压系统按设计要求在预定的负载下工作，从而检查系统能否实现预定的工作要求，检查系统的噪音和振动、工作部件的换向和速度的平稳性、系统的功率损耗情况以及温升情况；在试车过程中对系统的压力及元件动作的顺序进行调整，使之控制在规定的量值范围之内； 4．液压系统的正确使用与及时的维护保养是保证设备正常运行的基本条件。在系统的日常维护与保养工作中，首先要做好设备的日常检查，用目视、听觉以及手触感觉等比较简单的方法检查液压泵启动前、后的状态以及停止运转前的状态；其次是正确选用并保持液压油液的清洁，防止油液中混入杂质和污物，保持油位高度，定期换油防止油液变质；还要控制系统温升，防止油温过高使系统的泄漏增加，保持系统密封，防止空气侵入等。 5．对于气动系统的安装、调试、使用、维护的工作过程与液压系统相似，所不同的是：气动系统压力较低，元件的耐压程度不高；气动系统一般是集中供气，无需专用气泵；压缩空气粘度不高，执行元件运动速度较快；压缩空气润滑性不好，启动元件寿命不高；气动控制元件体积较小，对压缩空气的洁净程度要求较高。

气动技术的应用

气动技术的应用 气动执行元件主要用于作直线往复运动。在工程实际中，这种运动形式应用最多，如许多机器或设备上的传送装置、产品加工时工件的进给、工件定位和夹紧、工件装配以及材料成形加工等都是直线运 动形式。但有些气动执行元件也可以作旋转运动，如摆动气缸（摆动角度可达3 60°）。在气动技术应用范围内，除个别情况外，对完成直线运动形式来说，无论是从技术还是从成本角度看，全机械涉笔 都无法与气动设备相比。 （从技术和成本角度看，气缸作为执行元件是完成直线运动的最佳形式，如同用电动机来完成旋转运动一样。） 在气动技术中，控制元件与执行元件之间的相互作用是建立在一些简单元件基础上的。根据任务要求，这些元件可以组合成多种系统方案。由于气动控制使机构或设备的机械化程度大大提高，并能够实 现完全自动化，因此，气动技术在“廉价”自动化方面做出了重大贡献。实际上，单个气动元件（如各种类型气缸和控制阀）都可以看成是模块式元件，这是因为气动元件必须进行组合，才能形成一个 用于完成某一特定作业的控制回路。广义上讲，气动设备可以应用于任何工程领域。气动设备常常是由少量气动元件和若干个气动基本回路组合而成的。 气动控制系统的组成具有可复制性，这为组合气动元件的产生与应用打下了基础。一般来说，组合气动元件内带有许多预定功能，如具有12步的气-机械步进开关，虽然被装配成一个控制单元，但却可用 来控制几个气动执行元件。间歇式进料器也常作为整个机器的一个部件来提供。这样就大大简化了气动系统的设计，减少了设计人员和现场安装调试人员的工作量，使气动系统成本大大降低。 采用气动技术解决工业生产中的问题时，其特征是灵活性强，既适用于解决某种问题的气动技术方案，也适用于解决其它场合的相同或相似的问题。 既然空气动力在气源与完成各种操作的工位之间不需要安装复杂的机械设备，因此，在各工位相距较远的场合应用气动技术是再合适不过了。对于需要高速驱动情况，优先选择全气动设备是合适的。气- 液进给装置作为特殊元件可以应用在机床上。在各种材料的操作过程中，很少要求各顺序动作具有较高的进给精度，且在这些操作中设计的力也较小，因此，采用气动技术不仅可以完成这些操作，而且

气动执行元件和控制元件共8页

第十三章气动执行元件和控制元件 气动执行元件是一种能量转换装置，它是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。气动执行元件分为气缸和气马达两大类。气缸用于提供直线往复运动或摆动，输出力和直线速度或摆动角位移。气马达用于提供连续回转运动，输出转矩和转速。 气动控制元件用来调节压缩空气的压力流量和方向等，以保证执行机构按规定的程序正常进行工作。气动控制元件按功能可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。 第一节气缸 一、气缸的工作原理、分类及安装形式 1.气缸的典型结构和工作原理 图13－1 普通双作用气缸 1、3－缓冲柱塞 2－活塞 4－缸筒 5－导向套 6－防尘圈7－前端盖 8－气口 9－ 传感器 10－活塞杆 11－耐磨环 12－密封圈 13－后端盖 14－缓冲节流阀 以气动系统中最常使用的单活塞杆双作用气缸为例来说明，气缸典型结构如图13－1所示。它由缸筒、活塞、活塞杆、前端盖、后端盖及密封件等组成。双作用气缸内部被活塞分成两个腔。有活塞杆腔称为有杆腔，无活塞杆腔称为无杆腔。 当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力克服阻力负载推动活塞运动，使活塞杆伸出；当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回。若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。 2.气缸的分类 气缸的种类很多，一般按气缸的结构特征、功能、驱动方式或安装方法等进行分类。分类的方法也不同。按结构特征，气缸主要分为活塞式气缸和膜片式气缸两种。按运动形式分为直线运动气缸和摆动气缸两类。 3.气缸的安装形式 气缸的安装形式可分为 1）固定式气缸气缸安装在机体上固定不动，有脚座式和法兰式。 2）轴销式气缸缸体围绕固定轴可作一定角度的摆动，有U形钩式和耳轴式。 3）回转式气缸缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作高速旋转运动。这种气缸常用于机床上气动卡盘中，以实现工件的自动装卡。 4）嵌入式气缸气缸缸筒直接制作在夹具体内。 二、常用气缸的结构原理 1.普通气缸 包括单作用式和双作用式气缸。常用于无特殊要求的场合。 图13－2为最常用的单杆双作用普通气缸的基本结构，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。 缸筒7与前后缸盖固定连接。有活塞杆侧的缸盖5为前缸盖，缸底侧的缸盖14为后缸盖。在缸盖上开有进排气通口，有的还设有气缓冲机构。前缸盖上，设有密封圈、防尘圈3，同时还设有导向套4，以提高气缸的导向精度。活塞杆6与活塞9紧固相连。活塞上除有密封圈10，11防止活塞左右两腔相互漏气外，还有耐磨环12以提高气缸的导向性；带磁性开关的气缸，活塞上装有磁环。活塞两侧常装有橡胶垫作为缓冲垫8。如果是气缓冲，则活塞两侧沿轴线方向设有缓冲柱塞，同时缸盖上有缓冲节流阀和缓冲套，当气缸运动到端头时， 图13－2 普通双作用气缸 1，13－弹簧挡圈 2－防尘圈压板 3－防尘圈 4－导向套 5－杆侧端盖 6－活塞杆 7－缸筒8－缓冲垫9－活塞10－活塞密封圈11－密封圈12－耐磨环14－无杆 侧端盖 缓冲柱塞进入缓冲套，气缸排气需经缓冲节流阀，排气阻力增加，产生排气背压，形成缓冲气垫，起到缓冲作用。 2.特殊气缸 图13－3 薄膜气缸 1－缸体 2－膜片 3－膜盘 4－活塞杆

第四篇气动控制元件

第四篇气动控制元件 一、方向控制阀的分类 改变气体的流动方向和通断的控制阀称为方向控制阀。 在易燃，易爆，粉尘大，强磁场，高温等恶劣环境下，使用气压控制要比电磁控制安全、可靠。 电磁控制阀易于实现电气联合控制及远距离操作，得到广泛应用，直动式电磁阀一般通径较小或采用间隙密封的结构形式，常用于小流量控制，通径大的电磁阀都采用先导式结构。 人力控制阀使用频率低，动作速度慢。可按人的意志随时改变控制对象状态，在手动、半自动及自动控制中得到广泛应用。

机械控制换向阀在系统中主要用作触发信号以输出控制气压信号，实现自动控制。 〈2〉按阀芯结构形式分类： ①滑柱式： 它是用一种具有台肩的圆柱体在管状阀体内轴向移动，来实现流路通断的阀。其特点是： 1〉由于滑柱式电磁阀结构的对称性，各通口气压对阀芯产生的轴向力保持平衡，易于实现记忆功能（即：当控制信号消失后阀芯仍能保持原位置不变）。 2〉换向时，因不承受象截止式阀芯上的背压阻力，故换向力小，动作灵敏。 3〉通用性强，同一基型的阀稍加改变便可变成不同的控制方式，实现不同通路的控制，如不同的接管方式可实现常通、常闭，二位五通稍加改动可作为二位三通，二位二通等。 4〉阀芯的换向行程较长，对动态性能产生不利影响，增加了阀的轴向尺寸，不易于实现大通径流通，大口径阀一般不宜采用滑柱式。5〉由于阀芯形式为柱式，密封面为圆柱面，阀芯换向时，沿密封面进行滑动，同时，密封件过孔移动，对介质中的杂质比较敏感，若压缩空气处理不当或环境恶劣，将降低阀的寿命，引起阀的动作失灵。 ②、截止式：

是指密封副的动件沿着定件的平面或锥面阀口作轴向移动来切换空气通路的阀，其特点是： 1〉、用很小的移动量就可使阀完全开启，行程小，阀全开时的行程只有通径的四分之一，故换向迅速，流阻小，流通能力强，易于设计成结构紧凑的大通径阀。 2〉、截止式一般采用软质平面密封，故泄漏量小，开闭件磨损小， 滑动密封面少，对气体过滤精度要求较其它密封结构的阀低。 3〉、阀芯关闭时，阀芯上始终存在输入压力的作用，这对阀的密封是有利的，不借助弹簧力也能将阀关闭，但由于阀芯受轴向背压力的作用，特别是流通面积大时，会形成很大的切换阻力，因此，所需换向力较滑柱式结构的阀大，且冲击和噪声大，大通径的截止阀宜采用气压控制或先导控制方式。 4〉、一般截止阀，换向时存在各通口瞬时相通的现象（称为路路通），造成系统气压波动较大。 1〉、用很小的移动量就可使阀完全开启，行程小，阀全开时的行程只有通径的四分之一，故换向迅速，流阻小，流通能力强，易于设计成 结构紧凑的大通径阀。 譬如，对右图的阀芯来说，当流通 面积πDL=πD2/4时，即为全开状 态。可见截止式阀芯的换向行程 L=D/4。故截止式阀的流通能力强。 大通径气阀通常都采用截止式阀芯

气动控制系统设计

气动控制系统设计 2007-08-23 11:43 气动控制系统设计 1、气动控制系统的组成。 在气动控制系统中，气动发生装置一般为空气压缩机，它将原动机供给的机械能转换为气体的压力能；气动执行元件则将压力能转化为机械能，完成规定动作；在这两部分之间，根据机械或设备工作循环运动的需求、按一定顺序将各种控制元件（压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀和逻辑元件）、传感元件和气动辅件连接起来。 设计程序有关事项 2.1设计程序 2.1.1调研主机工作要求，明确设计依据。 A.了解主机结构、循环动作过程、执行元件操作力、运动速度及调整范围、运动平稳性、定位精度、传感器元件安装位置、信号转换、联锁要求、紧急停车、操作距离和自动化程度等。 B.工作环境，如温度及变化范围、湿度、振动、冲击、灰尘、腐蚀、防爆要求等。 C.是否要和电气、液压系统相配合，如需要须了解相应的安装位置等。 D.其他要求，如气控装置的重量、外形尺寸、价格要求等要求。 2.1.2气动回路设计 A.由执行元件数目、工作要求和循环动作过程，拟出执行元件的工作程序图。根据工作速度要求确定每一个气缸在一分钟内的动作次数。 B.根据元件的工作程序，参考各种气动基本回路，按程序控制回路设计方法，设计气动回路。 为了得到最合理的气动回路，设计时可做几种法案比较，如气控制，气-----电控制，射流控制方案等进行选择，绘出气动回路图，使用电磁阀的场合，同时还绘出电气回路图。 2.1.3执行元件选择和计算 气动执行元件的类型一般应与主机相协调，即直线往复运动应选择气缸，回转运动应选择气动马达，往复摆动应选择摆动缸。 2.1.4控制元件选择 根据系统或执行元件的工作压力和通过阀的最大流量，选用各生产厂制造的阀和气动元件。选择各种控制阀或逻辑元件时应考虑的特性有： 1工作压力 2额定流量 3响应速度 4使用温度范围 5最低工作压力和最低控制压力 6使用寿命 7空气泄漏量 8尺寸及联接形式 9电气特性等 选择控制阀时除了根据最大流量外，还应考虑最小稳定流量，以保证气缸稳定工作。

气动控制元件

第七章气动控制元件及其基本回路 在气压传动系统中的控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量、流动方向和发送信号的重要元件利用它们可以组成各种气动控制回路，使气动执行元件按设计的程序正常地进行工作。控制元件按功能和用途可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类。此外，尚有通过改变气流方向和通断实现各种逻辑功能的气动逻辑元件等。 第一节气动控制元件 一、气动压力控制阀 气动系统不同于液压系统，一般每一个液压系统都自带液压源（液压泵）；而在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。而贮气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。因此需要用减压阀(调压阀)将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。 有些气动回路需要依靠回路中压力的变化来实现控制两个执行元件的顺序动作，所用的这种阀就是顺序阀。顺序阀与单向阀的组合称为单向顺序阀。 所有的气动回路或贮气罐为了安全起见，当压力超过允许压力值时，需要实现自动向外排气，这种压力控制阀叫安全阀(溢流阀)。 （一）减压阀(调压阀) 图41是QTY型直动式减压阀结构图。其工作原理是：当阀处于工作状态时，调节手柄 图4-1 QTY型直动式减压阀 1—调节手柄2、3—压缩弹簧4—溢流口5—膜片 6—阀杆7—阻尼管8—阀芯9—阀口10—复位弹簧11-排气孔

l、压缩弹簧2、3及膜片5，通过阀杆6使阀芯8下移，进气阀口被打开，有压气流从左 端输入，经阀口节流减压后从右端输出。输出气流的一部分由阻尼管7进入膜片气室，在膜片5的下方产生一个向上的推力，这个推力总是企图把阀口开度关小，使其输出压力下降。当作用于膜片上的推力与弹簧力相平衡后，减压阀的输出压力便保持一定。 当输入压力发生波动时，如输入压力瞬时升高，输出压力也随之升高，作用于膜片5上的气体推力也随之增大，破坏了原来的力的平衡，使膜片5向上移动，有少量气体经溢流口4、排气孔11排出。在膜片上移的同时，因复位弹簧10的作用，使输出压力下降，直到新的平衡为止。重新平衡后的输出压力又基本上恢复至原值。反之，输出压力瞬时下．降，膜片下移，进气口开度增大，节流作用减小，输出压力又基本上回升至原值。 调节手柄1使弹簧2、3恢复自由状态，输出压力降至零，阀芯8在复位弹簧10的作用下，关闭进气阀口，这样，减压阀便处于截止状态，无气流输出。 QTY型直动式减压阀的调压范围为0.05～0.63MPa。为限制气体流过减压阀所造成的压力损失，规定气体通过阀内通道的流速在15～25m／s范围内。 安装减压阀时，要按气流的方向和减压阀上所示的箭头方向，依照分水滤气器→减压阀→油雾器的安装次序进行安装。调压时应由低向高调，直至规定的调压值为止。阀不用时应把手柄放松，以免膜片经常受压变形。 （二）顺序阀 顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，如图4-2所示，它根据弹簧的预压缩量来控制其开启压力。当输入压力达到或超过开启压力时，顶开弹簧，于是户到A才有输出；反之A无输出。 图4-2 顺序阀工作原理图 (a)关闭状态(b)开启状态 顺序阀一般很少单独使用，往往与单向阀配合在一起，构成单向顺序阀。图4-3所示为单向顺序阀的工作原理图。当压缩空气由左端进入阀腔后，作用于活塞3上的气压力超过压缩弹簧3上的力时，将活塞顶起，压缩空气从p经A输出，见图4-3(a)，此时单向阀4在压差力及弹簧力的作用下处于关闭状态。反向流动时，输入侧变成排气口，输出侧压力将顶开单向阀4由O口排气，见图4-3(b) 。 调节旋钮就可改变单向顺序阀的开启压力，以便在不同的开启压力下，控制执行元件的顺序动作。 图4-3 单向顺序阀工作原理图 (a)关闭状态；(b)开启状态

第13章气动控制阀

第13章气动控制阀(Pneumatic control valves) 气动控制阀是控制、调节压缩空气的流动方向、压力和流量的气动元件，利用它们可以组成各种气动回路，使气动执行元件按设计要求正常工作。 13.1常用气动控制阀(Common pneumatic control valves) 和液压控制阀类似，常用的基本气动控制阀分为：气动方向控制阀、气动压力控制阀和气动流量控制阀。此外还有通过改变气流方向和通断以实现各种逻辑功能的气动逻辑元件。 13.1.1 气动方向控制阀(Pneumatic direction control valves) 气动方向控制阀是用来控制压缩空气的流动方向和气流通、断的气动元件。 13.1.1.1 气动方向控制阀的分类 气动方向控制阀和液压系统的方向控制阀类似，也分为单向阀和换向阀，其分类方法也基本相同。但由于气压传动具有自己独有的特点，气动方向控制阀可按阀芯结构、控制方式等进行分类。 1．截止式方向控制阀 芯的关系如图13.1 阀口开启后气流的流动方向。 点： 1） 构紧凑的大口径阀。 2 胶等）密封，当阀门关闭后始终存在背压，因此，密封性好、泄漏量小、勿须借助弹簧也能关闭。 3）因背压的存在，所以换向力较大，冲击力也较大。不适合用于高灵敏度的场合。 4）比滑柱式方向控制阀阻力损失小，抗粉尘能力强，对气体的过滤精度要求不高。 2. 滑柱式方向控制阀 滑柱式气动方向控制阀工作原理与滑阀式液压控制元件类似，这里不具体说明。 滑柱式方向控制阀的特点： 1）阀芯较截止式长，增加了阀的轴向尺寸，对动态性能有不利影响，大通径的阀一般不易采用滑柱式结构； 2）由于结构的对称性，阀芯处在静止状态时，气压对阀芯的轴向作用力保持平衡，容易设计成气动控制中比较常用的具有记忆功能的阀； 3）换向时由于不受截止式密封结构所具有的背压阻力，换向力较小；

气动部分习题答案

第十章气源装置、气动辅件及执行元件 一、填空题 1．气动系统对压缩空气的主要要求有：具有一定压力和流量，并具有一定的净化程度。 2．气源装置一般由气压发生装置、净化及贮存压缩空气的装置和设备、传输压缩空气的管道系统和气动三大件四部分组成。 3．空气压缩机简称空压机，是气源装置的核心，用以将原动机输出的机械能转化为气体的压力能空气压缩机的种类很多，但按工作原理主要可分为容积式和速度式（叶片式）两类。 4．空气过滤器、减压阀和油雾器一起称为气动三大件是多数气动设备必不可少的气源装置。大多数情况下，三大件组合使用，三大件应安装在用气设备的近处。 5．气动执行元件是将压缩空气的压力能转换为机械能的装置，包括气缸和气马达。 二、判断题 （√）1. 气源管道的管径大小是根据压缩空气的最大流量和允许的最大压力损失决定的。 （×）2. 大多数情况下，气动三大件组合使用，其安装次序依进气方向为空气过滤器、后冷却器和油雾器。 （√）3. 空气过滤器又名分水滤气器、空气滤清器，它的作用是滤除压缩空气中的水分、油滴及杂质，以达到气动系统所要求的净化程度, 它属于二次过滤器。 （√）4. 气动马达的突出特点是具有防爆、高速、输出功率大、耗气量小等优点，但也有噪声大和易产生振动等缺点。 ( ×) 5. 气动马达是将压缩空气的压力能转换成直线运动的机械能的装置。 ( ×) 6. 气压传动系统中所使用的压缩空气直接由空气压缩机供给。 三、选择题 1. 以下不是贮气罐的作用是（ C ）。 A. 减少气源输出气流脉动 B. 进一步分离压缩空气中的水分和油分 C. 冷却压缩空气 2. 利用压缩空气使膜片变形，从而推动活塞杆作直线运动的气缸是（C ）。 A. 气－液阻尼缸 B. 冲击气缸 C. 薄膜式气缸 3. 气源装置的核心元件是（ B ）。 A. 气马达 B. 空气压缩机 C. 油水分离器 4. 低压空压机的输出压力为（B ） A. 小于0.2MPa B. 0.2～1MPa C. 1～10MPa 5. 油水分离器安装在（A ）后的管道上。 A. 后冷却器 B. 干燥器 C. 贮气罐 6. 在要求双向行程时间相同的场合，应采用哪种气缸（ D ）。

5气动控制元件

第五章气动控制元件 第一节压力控制阀 一、压力控制阀分类： 根据构造的不同：直动型和先导型( 内部先导、外部先导)；膜片型和座阀型( 平衡截止阀芯) 根据机能的不同：溢流型和非溢流型；普通型和精密型 二、直动式减压阀 利用手轮直接调节调压弹簧的压缩量来改变阀的出口压力的阀，称为直动式减压阀。 1、原理图 2、剖面图 3、实物图 三、精密减压阀 与普通型减压阀的主要区别是有常泄式溢流孔。其稳压精度高，为0.001Mpa。但存在微漏，在出口压力为0.3Mpa时，泄露量为4~6L/min (ANR)。连接方式有管式和模块式。 1、剖面图 2、实物图 四、先导式减压阀 用压缩空气的作用力代替调压弹簧力以改变出口压力的阀，称为先导式减压阀。它调压时操作轻便，流量特性好，稳压精度高，压力特性也好，适用于通径较大的减压阀。 五、大流量精密减压阀 减压阀的内部受压部分通常都使用膜片式结构，故阀的开口量小，输出流量受限制。VEX1系列减压阀的受压部分使用平衡座阀式阀芯，可以得到很大的输出流量和溢流流量，故称为大流量精密减压阀。

1、工作原理 2、实物图 第二节流量控制阀 控制压缩空气流量的阀称为流量控制阀。在气动系统中，对气缸运动速度的控制、信号延时时间、油雾器的滴油量，气缓冲气缸的缓冲能力等，都是靠流量控制阀来实现的。 一、调速阀 大流量直通型速度控制阀的单向阀为一座阀式阀芯，当手轮开启圈数少时，进行小流量调节。当手轮开启圈数多时，节流阀杆将单向阀顶开至一定开度，可实现大流量调节。直通式接管方便，占用空间小。

二、单向节流阀 单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀，常用于控制气缸的运动速度，故常称为速度控制阀。单向阀的功能是靠单向型密封圈来实现的。 三、带消声器的排气节流阀 带消声器的排气节流阀通常装在换向阀的排气口上，控制排入大气的流量，以改变气缸的运动速度。排气节流阀常带有消声器，可降低排气噪声20bB以上。一般用于换向阀与气缸之间不能安装速度控制阀的场合及带阀气缸上。 1、工作原理： 2、剖面图 3、实物图

气动机构的工作原理气动自动化系统最终是用气动执行元件驱动各种

气动机构的工作原理 气动自动化系统最终是用气动执行元件驱动各种机构完成特定的动作。用气动执行元件和连杆、杠杆等常用机构结合构成的气动机构，诸如断续输送机构、多级行程机构、阻挡机构、行程扩大机构、扩力机构、绳索机构、离合器及制动器等等，例不胜举。气动机构能实现各种平面和空间的直线运动、回转运动和间歇运动。采用气动机构能使机构设计简化，结构轻巧，从最简单的气动虎钳到柔性加工线中的气动机械手，充分发挥了气动机构的特点。 一、气动扩力机构 扩力机构是一种能使较小的输入力放大而获 得较大的输出力，并按需要改变力的方向的机构。广泛应用于夹具、机械手等机械装置。 图9—1所示为气动扩力机构原理图，若不考虑机构的摩擦损失，其 扩力比iF为：

行程比iS为： 式中，F1——从动件上的压紧力（N）； F——原动力（N）； SI——从动件程（mm）； S——原动件行程（mm）。由上式可知，在任何一种扩力机构中，当其它条件一定时，如果扩力比iF增大，则行程比 iS要减小。设计时应适当选取iF、iS值。常用的气动扩力机构有杠杆扩力机构、楔式扩力机构和铰链杠杆扩力机构等。 图9－2所示为一种常用于气动机械手的抓取机构，采用了铰链杠杆 扩力机构，其夹紧力F1与气缸输出力F的关系为： 从上式可见，在气缸输出力F为定值时，增大a角可使夹紧力 F1增加，通常选择α角为30°～40°。 图9－3所示为一种采用楔式机构和杠杆机构相结合的气动夹具。由于楔式扩力机构本身结构紧凑、压紧力固定不变并且有自锁性，而被广泛应用于气动夹具中。 图9－4所示为用双连杆机构扩力的气动剪断机构，其剪断力极大。图9－5所示为用连杆机构扩力的气动飞剪装置。