SMC氣缸:FESTO氣缸，FESTO,SMC
上海乾拓有限公司銷售德國FESTO氣動元件:FESTO標準閥 festo氣缸 FESTO電驅動產品 FESTO伺服氣動驅動技術 FESTO帶直線導向的驅動器 ,*,供貨及時.：/39/29
FESTO氣缸的工作原理SMC氣缸的工作原理SMC氣缸的工作原理
氣動執行元件和控制元件氣動執行元件是種能量轉換裝置, 它是將壓縮空氣的壓力能轉化為機械能, 驅動機構 實現直線往復運動,擺動,旋轉運動或沖擊動作.氣動執行元件分為氣缸和氣馬達兩大類. 氣缸用于提供直線往復運動或擺動, 輸出力和直線速度或擺動角位移. 氣馬達用于提供連續 回轉運動,輸出轉矩和轉速. 氣動控制元件用來調節壓縮空氣的壓力流量和方向等, 以保證執行機構按規定的程序正 常進行工作.氣動控制元件按功能可分為壓力控制閥,流量控制閥和方向控制閥. *節 氣缸,氣缸的工作原理,分類及安裝形式 氣缸的工作原理, 1 2 14 3 4 5 6 13 12 11 10 9 8 7 1.氣缸的典型結構和工作原理 圖 13-1 普通雙作用氣缸 1,3-緩沖柱塞 2-活塞 4-缸筒 5-導向套 6-防塵圈 7-前端蓋 8-氣口 9- 傳感器 10-活塞桿 11-耐磨環 12-密封圈 13-后端蓋 14-緩沖節流閥 以氣動系統中zui常SMC氣缸:FESTO氣缸，FESTO,SMC使用的單活塞桿雙作用氣缸為例來說明,氣缸典型結構如圖 13-1 所示.它由缸筒,活塞,活塞桿,前端蓋,后端蓋及密封件等組成.雙作用氣缸內部被活塞 分成兩個腔.有活塞桿腔稱為有桿腔,無活塞桿腔稱為無桿腔. 當從無桿腔輸入壓縮空氣時, 有桿腔排氣, 氣缸兩腔的壓力差作用在活塞上所形成的力 克服阻力負載推動活塞運動, 使活塞桿伸出; 當有桿腔進氣, 無桿腔排氣時, 使活塞桿縮回. 若有桿腔和無桿腔交替進氣和排氣,活塞實現往復直線運動. 2.氣缸的分類 氣缸的種類很多,般按氣缸的結構特征,功能,驅動方式或安裝方法等進行分類.分 類的方法也不同.按結構特征,氣缸主要分為活塞式氣缸和膜片式氣缸兩種.按運動形式分 為直線運動氣缸和擺動氣缸兩類. 3.氣缸的安裝形式 氣缸的安裝形式可分為 1）固定式氣缸 氣缸安裝在機體上固定不動,有腳座式和法蘭式. 2）軸銷式氣缸 缸體圍繞固定軸可作定角度的擺動,有 U 形鉤式和耳軸式. 3）回轉式氣缸 缸體固定在機床主軸上,可隨機床主軸作高速旋轉運動.這種氣缸常 用于機床上氣動卡盤中,以實現工件的自動裝卡. 4）嵌入式氣缸 氣缸缸筒直接制作在夾具體內. 二,常用氣缸的結構原理 1.普通氣缸 包括單作用式和雙作用式氣缸.常用于無特殊要求的場合. 圖 13-2 為zui常用的單桿雙作用普通氣缸的基本結構,氣缸般由缸筒,前后缸蓋,活 塞,活塞桿,密封件和緊固件等零件組成. 缸筒 7 與前后缸蓋固定連接.有活塞桿側的缸蓋 5 為前缸蓋,缸底側的缸蓋 14 為后缸 蓋.在缸蓋上開有進排氣通口,有的還設有氣緩沖機構.前缸蓋上,設有密封圈,防塵圈 3, 同時還設有導向套 4,以提高氣缸的導向精度.活塞桿 6 與活塞 9 緊固相連.活塞上除有密 封圈 10,11 防止活塞左右兩腔相互漏氣外,還有耐磨環 12 以提高氣缸的導向性;帶磁性開 關的氣缸,活塞上裝有磁環.活塞兩側常裝有橡膠墊作為緩沖墊 8.如果是氣緩沖,則活塞 兩側沿軸線方向設有緩沖柱塞,同時缸蓋上有緩沖節流閥和緩沖套,當氣缸運動到端頭時, 圖SMC氣缸:FESTO氣缸，FESTO,SMC 13-2 普通雙作用氣缸 1,13-彈簧擋圈 2-防塵圈壓板 3-防塵圈 4-導向套 5-桿側端蓋 6-活塞桿 7-缸筒 8-緩沖墊 9-活塞 10-活塞密封圈 11-密封圈 12-耐磨環 14-無桿 側端蓋 緩沖柱塞進入緩沖套,氣缸排氣需經緩沖節流閥,排氣阻力增加,產生排氣背壓,形成緩沖 氣墊,起到緩沖作用. 2.特殊氣缸 圖 13-3 1-缸體 薄膜氣缸 4-活塞桿 2-膜片 3-膜盤 為了滿足不同的工作需要,在普通氣缸的基礎上,通過改變或增加氣缸的部分結構,設 計開發出多種特殊氣缸. （1） 薄膜式氣缸 圖 13-3 為膜片氣缸的工作原理圖. 膜片有平膜片和盤形膜片兩種 般用夾織物橡膠,鋼片或磷青銅片制成,厚度為 5～6mm （有用 1～2mm 厚膜片的） . 圖 13-3 所示的膜片氣缸的功能類似于彈簧復位的活塞式單作用氣缸, 工作時, 膜片在 壓縮空氣作用下推動活塞桿運動.它的優點是:結構簡單,緊湊,體積小,重量輕,密封性 好,不易漏氣,加工簡單,成本低,無磨損件,維修方便等,適用于行程短的場合.缺點是 行程短,般不趁過 50mm.平膜片的行程更短,約為其直徑的 1/10. （2） 磁性開關氣缸 磁性開關氣缸是指在氣缸的活塞上安裝有磁環, 在缸筒上直接安裝 磁性開關,磁性開關用來檢測氣缸行程的位置,控制氣缸往復運動.因此,就不需要在缸筒 上安裝行程閥或行程開關來檢測氣缸活塞位置,也不需要在活塞桿上設置擋塊. 其工作原理如圖 13-4 所示. 它是在氣缸活塞上安裝*磁環, 在缸筒外殼上裝有舌簧 開關.開關內裝有舌簧片,保護電路和動作指示燈等,均用樹脂塑封在個盒子內.當裝有 *磁鐵的活塞運動到舌簧片附近,磁力線通過舌簧片使其磁化,兩個簧片被吸引接觸,則 開關接通.當*磁鐵返回離開時,磁場減弱,兩簧片彈開,則開關斷開.由于開關的接通 或斷開,使電磁閥換向,從而實現氣缸的往復運動. 圖 13-4 磁性開關氣缸 1-動作指示燈 2-保護電路 3-開關外殼 4-導線 5-活塞 6-磁環 7-缸筒 8-舌簧開關 氣缸磁性開關與其它開關的比較見表 3-1. 表 3-錯誤!未定義書簽. 氣缸磁性開關與其它開關的比較 <![endif]> 開關形式 控制原理 成本 調整安裝復雜性 （3）帶閥氣缸 帶閥氣缸是由氣缸, 磁性開關 磁場變化 低 方便,不占位置 換向閥和速度控制 閥等組成的種組 低 麻煩,占位置 合式氣動執行元件. 行程開關 機械觸點 它省去了連接管道 接近開關 阻抗變化 高 麻煩,占位置 和管接頭, 減少了能 量損耗, 具有結構緊 湊,安裝方便等優 點. 帶閥氣缸的閥有 光電開關 光的變化 高 麻煩,占位置 電控,氣控,機控和 手控等各種控制方 式.閥的安裝形式有安裝在氣缸尾部,上部等幾種.如圖 13-5 所示,電磁換向閥安裝在氣 缸的上部,當有電信號時,則電磁閥被切換,輸出氣壓可直接控制氣缸動作. 圖 13-5 帶閥組合氣缸 1-管接頭 2-氣缸 3-氣管 4-電磁換向閥 5-換向閥底板 6-單向節流閥組合 件 7-密封圈. （4） 帶導桿氣缸 圖 13-6 為帶導桿氣缸, 在缸筒兩側配導向用的滑動軸承 （軸 瓦式或滾珠式）,因此導向精度高,承受橫向載荷能力強. <![endif]> <![endif]> <![endif]> 13-6 典型帶導桿氣缸的結構 13-6 典型帶導桿氣缸的結構 （5）無桿氣缸 無桿氣缸是指利用活塞直接或間 接方式連接外界執行機構,并使其跟隨活塞實現往復運動的氣缸.這種氣缸的zui 大優點是節省安裝空間. 1）磁性無桿氣缸 活塞通過磁力帶動缸體外部的移動體做同步移動,其結構如 圖 13-7 所示.它的工作原理是:在活塞上安裝組高強磁性的*磁環,磁力 線通過薄壁缸筒與套在外面的另組磁環作用,由于兩組磁環磁性相反,具有很 強的吸力.當活塞在缸筒內被氣壓推動時,則在磁力作用下,帶動缸筒外的磁環 套起移動.氣缸活塞的推力必須與磁環的吸力相適應. 圖 13-7 磁性無桿氣缸 1-套筒 2-外磁環 3-外磁導板 4-內磁環 5-內磁導板 6-壓蓋 7-卡環 8 -活塞 9-活塞軸 10-緩沖柱塞 11-氣缸筒 12-端蓋 13-進,排氣口 2）機械接觸式無桿氣缸 稱機械接觸式無桿氣缸,其結構如 13-8 所示.在氣 缸缸管軸向開有條槽,活塞與滑塊在槽上部移動. 為了防止泄漏及防塵需要, 在開口部采用聚氨脂密封帶和防塵不銹鋼帶固定在兩 端缸蓋上,活塞架穿過槽,把活塞與滑塊連成體.活塞與滑塊連接在起,帶 動固定在滑塊上的執行機構實現往復運動.這種氣缸的特點是:1） 與普通氣缸 相比,在同樣行程下可縮小 1/2 安裝位置;2） 不需設置防轉機構;3） 適用于缸 徑 10～80mm,zui大行程在缸徑≥40mm 時可達 7m;4） 速度高,標準型可達 0.1～ 0.5m/s;高速型可達到 0.3～3.0m/s.其缺點 圖 13-8 機械接觸式無桿氣缸 是:1） 密封差,容易產生外 泄漏.在使 l-節流閥 2-緩沖柱塞 3-密封帶 4-防塵不銹鋼帶 5-活塞 6-滑塊 7-活塞架 用三位閥時必須選用中壓式;2） 受負載力小,為了增加負載能力,必須增加導 向機構. 圖 13-8 機械接觸式無桿氣缸 l-節流閥 2-緩沖柱塞 3-密封帶 4-防塵不銹鋼帶 5-活塞 6-滑塊 7-活塞 架 （6）鎖緊氣缸 帶有鎖緊裝置的氣缸稱為鎖緊氣缸按鎖緊位置分為行程末端鎖 緊型和任意位置鎖緊型. 1）行程末端鎖緊型氣缸 如圖 13-9 所示,當活塞運動到行程末端,氣壓釋放后,鎖 定活塞 1 在彈簧力的作用下插入活塞桿的卡槽中,活塞桿被鎖定.供氣加壓時,鎖定活塞 1 縮回退出卡槽而開鎖,活塞桿便可運動. 圖 13-9 帶端鎖氣缸的結構原理 a）手動解除非鎖式 b）手動解除鎖式. 1-鎖定活塞 2-橡膠帽 3,12-帽 4-緩沖墊圈 5-鎖用彈簧 6-密封件 7-導向套 8-螺釘 9-旋鈕 10-彈簧 11-限位環 2） 任意位置鎖緊型氣缸 按鎖緊方式可分為卡套錐面式, 彈簧式和偏心式等多種形式. 卡套錐面式鎖緊裝置由錐形制動活塞 6,制動瓦 1,制動臂 4 和制動彈簧 7 等構成,其結構 原理如圖 13-10 所示.作用在錐狀鎖緊活塞上的彈簧力由于楔的作用而被放大,再由杠桿 原理得到放大. 這個放大的作用力作用在制動瓦 1 上, 把活塞桿鎖緊. 要釋放對活塞的鎖緊, 向供氣口 A′供應壓縮空氣,把鎖緊彈簧力撤掉. 圖 13-10 制動氣缸制動裝置工作原理 a）自由狀態 b）鎖緊狀態 l-制動瓦 2-制動瓦座 3-轉軸 4-制動臂 5-壓輪 6-錐形制動活 塞 7-制動彈簧 （7）氣動手爪 氣動手爪這種執行元件是種變型氣缸.它可以用來抓取物體, 實現機械手各種動作.在自動化系統中,氣動手 爪常應用在搬運,傳送工件機構中抓取,拾放物體. 圖 13-10 制動氣缸制動裝置工作原理 圖 13-11 平行開合手指 a）自由狀態 b）鎖緊狀態 l-制動瓦 2-制動瓦座 3-轉軸 4-制動臂 5-壓輪 6-錐形制動活塞 7-制動彈簧 圖 13-11 平行開合手指 氣動手爪有平行開合手指（如圖 13-11 所示）,肘節擺動開合手爪,有兩爪, 三爪和四爪等類型, 其中兩爪中有平開式和支點開閉式驅動方式有直線式和旋轉 式. 氣動手爪的開閉般是通過由氣缸活塞產生的往復直線運動帶動與手爪相連的 曲柄連桿,滾輪或齒輪等機構,驅動各個手爪同步做開,閉運動. （8）氣液阻尼缸 氣缸以可壓縮空氣為工作介質,動作快,但速度穩定性差,當負載變 化較大時,容易產生"爬行"或"自走"現象.另外,壓縮空氣的壓力較低,因而氣缸的輸 出力較小.為此,經常采用氣缸和油缸相結合的方式,組成各種氣液組合式執行元件,以達 到控制速度或增大輸出力的目的. 氣液阻尼缸是利用氣缸驅動油缸,油缸除起阻尼作用 圖 13-12 氣液阻尼缸 外,還能增加氣缸的剛性（因為油是不可壓縮的） ,發揮了 液壓傳動穩定,傳動速度較均勻的優點.常用于機床和切削 裝置的進給驅動裝置. 串聯式氣液阻尼缸的結構如圖 13-12 所示.它采用根活塞桿將兩活塞串在起,油 缸和氣缸之間用隔板隔開, 防止氣體串入油缸中. 當氣缸左端進氣時, 氣缸將克服負載阻力, 帶動油缸向右運動,調節節流閥開度就能改變阻尼缸活塞的運動速度 . 圖 13-13 單葉片式擺動氣缸 工作原理圖 1-葉片 2-轉子 3-定子 4-缸體 圖 13-12 氣液阻尼缸 （10）擺動氣缸 擺動氣缸 是種在小于 360°角度范圍內做往復擺動的氣 缸,它是將壓縮空氣的壓力能轉換成機械能,輸出 力矩使 機構實現往復擺動.擺動氣缸按結構特點可分為葉片式和活塞式兩種. 1） 葉片式擺動氣缸 單葉片式擺動氣缸的結構原理如圖 13-13 所示. 它是由葉片軸轉 子（即輸出軸） ,定子,缸體和前后端蓋等部分組成.定子和缸體固定在起,葉片和轉子 聯在起.在定子上有兩條氣路,當左路進氣時,右路排氣,壓縮空氣推動葉片帶動轉子順 時針擺動.反之,作逆時針擺動. 葉片式擺動氣缸體積小,重量zui輕,但制造精度要求高,密封困難,泄漏是較大,而且 動密封接觸面積大,密封件的摩擦阻力損失較大,輸出效率較低,小于 80%.因此,在應用 上受到限制,般只用在安裝位置受到限制的場合,如夾具的回轉,閥門開閉及工作臺轉位 等. 圖 13-13 單葉片式擺動氣缸工作原理圖 1-葉片 2-轉子 3-定子 4-缸體 2）活塞式擺動氣缸圖 13-14 活塞式擺動氣缸是將活塞的往復運動通過機構轉變為輸出 軸的擺動運動.按結構不同可分為齒輪齒條 式, 齒輪齒條式擺動氣缸結構原理 螺桿式和曲柄式等幾種. 1-齒條組件 2-彈簧柱銷 3-滑塊 4-端蓋 5-缸體 6-軸承 7-軸 8-活塞 9-齒輪 圖 13-14 齒輪齒條式擺動氣缸結構原理 1-齒條組件 2-彈簧柱銷 3-滑塊 4-端蓋 5-缸體 6-軸承 7-軸 8-活塞 9- 齒輪 齒輪齒條式擺動氣缸是通過連接在活塞上的齒條使齒輪回轉的種擺動氣缸, 其 結構原理如圖 13-14 所示.活塞僅作往復直線運動, 摩擦損失少,齒輪傳動的效率較高,此擺動氣缸效率可達到 95%左右. 三,氣缸的技術參數 1）氣缸的輸出力 氣缸理論輸出力的設計計算與液壓缸類似,可參見液壓缸的設計計 算.如雙作用單活塞桿氣缸推力計算如下: 理論推力（活塞桿伸出） Ft1=A1p （13-1） 理論拉力（活塞桿縮回） Ft2=A2p 式中 （13-2） Ft1,Ft2——氣缸理論輸出力（N） ; A1,A2——無桿腔,有桿腔活塞面積（m2） ; p — 氣缸工作壓力（Pa） . 實際中, 由于活塞等運動部件的慣性力以及密封等部分的摩擦力, 活塞桿的實際輸出力 小于理論推力,稱這個推力為氣缸的實際輸出力. 氣缸的效率 η 是氣缸的實際推力和理論推力的比值,即 F η= Ft （13-3） 所以 F = η （ A1 p ） （13-4） 氣缸的效率取決于密封的種類,氣缸內表面和活塞桿加工的狀態及潤滑狀態.此外,氣 缸的運動速度,排氣腔壓力,外載荷狀況及管道狀態等都會對效率產生定的影響. 2） 負載率β 從對氣缸運行特性的研究可知, 要確定氣缸的實際輸出力是困難的. 于是在研究氣缸和確定氣缸的出力時,常用到負載率的概念.氣缸的負載率β定義為 β= 氣缸的實際負載 F × 100 % 氣缸的理論輸出力 Ft （l3-5） 氣缸的實際負載是由實際工況所決定的,若確定了氣缸負載率 θ,則由定義就能確定氣 缸的理論輸出力,從而可以計算氣缸的缸徑. 對于阻性負載,如氣缸用作氣動夾具,負載不產生慣性力,般選取負載率β為 0.8; 對于慣性負載,如氣缸用來推送工件,負載將產生慣性力,負載率β的取值如下 β<0.65 當氣缸低速運動,v <100 mm/s 時; β<0.5 當氣缸中速運動,v=100～500 mm/s 時; β<0.35 當氣缸高速運動,v >500 mm/s 時. 3）氣缸耗氣量 氣缸的耗氣量是活塞每分鐘移動的容積,稱這個容積為壓縮空氣耗氣 量,般情況下,氣缸的耗氣量是指自由空氣耗氣量. 4）氣缸的特性 氣缸的特性分為靜態特性和動態特性.氣缸的靜態特性是指與缸的輸 出力及耗氣量密切相關的zui低工作壓力,zui高工作壓力,摩擦阻力等參數.氣缸的動態特性 是指在氣缸運動過程中氣缸兩腔內空氣壓力,溫度,活塞速度,位移等參數隨時間的變化情 況.它能真實地反映氣缸的工作. 四,氣缸的選型及計算 1.氣缸的選型步驟 氣缸的選型應根據工作要求和條件, 正確選擇氣缸的類型. 下面以單活塞桿雙作用缸為 例介紹氣缸的選型步驟. （1）氣缸缸徑.根據氣缸負載力的大小來確定氣缸的輸出力,由此計算出氣缸的缸徑. （2）氣缸的行程.氣缸的行程與使用的場合和機構的行程有關,但般不選用滿行程. （3）氣缸的強度和穩定性計算 （4）氣缸的安裝形式.氣缸的安裝形式根據安裝位置和使用目的等因素決定.般情況 下,采用固定式氣缸.在需要隨工作機構連續回轉時（如車床,磨床等） ,應選用回轉氣缸. 在活塞桿除直線運動外,還需作圓弧擺動時,則選用軸銷式氣缸.有特殊要求時,應選用相 應的特種氣缸. （5）氣缸的緩沖裝置.根據活塞的速度決定是否應采用緩沖裝置. （6）磁性開關.當氣動系統采用電氣控制方式時,可選用帶磁性開關的氣缸. （7）其它要求.如氣缸工作在有灰塵等惡劣環境下,需在活塞桿伸出端安裝防塵罩. 要求無污染時需選用無給油或無油潤滑氣缸. 2.氣缸直徑計算 氣缸直徑的設計計算需根據其負載大小,運行速度和系統工作壓力來決定.,根據 氣缸安裝及驅動負載的實際工況,分析計算出氣缸軸向實際負載 F,再由氣缸平均運行速度 來選定氣缸的負載率 θ,初步選定氣缸工作壓力（般為 0.4 MPa～0.6 MPa） ,再由 F/θ, 計算出氣缸理論出力 Ft, zui后計算出缸徑及桿徑, 并按標準圓整得到實際所需的缸徑和桿徑. 例題 氣缸推動工件在水平導軌上運動.已知工件等運動件為 m=250 kg,工件與 導軌間的摩擦系數 =0.25,氣缸行程 s 為 400 mm,經 1.5 s 時間工件運動到位,系統 工作壓力 p = 0.4 MPa,試選定氣缸直徑. 解:氣缸實際軸向負載 F = mg =0.25 × 250 × 9.81=613.13 N 氣缸平均速度 s 400 v= = ≈ 267 mm/s t 1.5 選定負載率 θ =0.5 則氣缸理論輸出力 F1 = F 雙作用氣缸理論推力 θ = 613.13 = 1226.6 N 0.5 1 F1 = πD 2 p 4 氣缸直徑 按標準選定氣缸缸徑為 63 mm. D= 4 Ft 4 ×1226.3 = ≈ 62.48 mm πp 3.14 × 0.4