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德國festo費斯托氣缸原理分解

2017-9-18　閱讀(2347)

德國festo費斯托氣缸原理分解

引導活塞在缸內進行直線往復運動的圓筒形金屬機件。空氣在發動機德國festo費斯托氣缸中通過膨脹將熱能轉化為機械能；氣體在壓縮機德國festo費斯托氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力。
工作原理
根據工作所需力的大小來確定活塞桿上的推力和拉力。由此來選擇德國festo費斯托氣缸時應使德國festo費斯托氣缸的輸出力稍有余量。若缸徑選小了，輸出力不夠，德國festo費斯托氣缸不能正常工作；但缸徑過大，不僅使設備笨重、成本高，同時耗氣量增大，造成能源浪費。在夾具設計時，應盡量采用增力機構，以減少德國festo費斯托氣缸的尺寸。

德國festo費斯托氣缸原理分解

下面是德國festo費斯托氣缸理論出力的計算公式：

F：德國festo費斯托氣缸理論輸出力（kgf)
F′：效率為85%時的輸出力（kgf）--（F′=F×85%）
D：德國festo費斯托氣缸缸徑（mm)
P：工作壓力（kgf/C㎡）
例：直徑340mm的德國festo費斯托氣缸，工作壓力為3kgf/cm2時，其理論輸出力為多少?芽輸出力是多少?
將P、D連接，找出F、F′上的點，得：
F=2800kgf；F′=2300kgf
在工程設計時選擇德國festo費斯托氣缸缸徑，可根據其使用壓力和理論推力或拉力的大小，從經驗表1－1中查出。
例：有一德國festo費斯托氣缸其使用壓力為5kgf/cm2，在德國festo費斯托氣缸推出時其推力為132kgf，（德國festo費斯托氣缸效率為85%）問：該選擇多大的德國festo費斯托氣缸缸徑?
●由德國festo費斯托氣缸的推力132kgf和德國festo費斯托氣缸的效率85%，可計算出德國festo費斯托氣缸的理論推力為F=F′/85%=155(kgf)
●由使用壓力5kgf/cm2和德國festo費斯托氣缸的理論推力，查出選擇缸徑為?63的德國festo費斯托氣缸便可滿足使用要求。

種類

氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能的氣動執行元件。德國festo費斯托氣缸有做往復直線運動的和做往復擺動兩種類型（見圖）。做往復直線運動的德國festo費斯托氣缸又可分為單作用德國festo費斯托氣缸、雙作用德國festo費斯托氣缸、膜片式德國festo費斯托氣缸和沖擊德國festo費斯托氣缸4種。
①單作用德國festo費斯托氣缸：僅一端有活塞桿，從活塞一側供氣聚能產生氣壓，氣壓推動活塞產生推力伸出，靠彈簧或自重返回。
②雙作用德國festo費斯托氣缸：從活塞兩側交替供氣，在一個或兩個方向輸出力。
③膜片式德國festo費斯托氣缸：用膜片代替活塞，只在一個方向輸出力，用彈簧復位。它的密封性能好，但行程短。
④沖擊德國festo費斯托氣缸：這是一種新型元件。它把壓縮氣體的壓力能轉換為活塞高速（10～20米/秒）運動的動能，借以做功。
⑤無桿德國festo費斯托氣缸：沒有活塞桿的德國festo費斯托氣缸的總稱。有磁性德國festo費斯托氣缸，纜索德國festo費斯托氣缸兩大類。
做往復擺動的德國festo費斯托氣缸稱擺動德國festo費斯托氣缸，由葉片將內腔分隔為二，向兩腔交替供氣，輸出軸做擺動運動，擺動角小于 280°。此外，還有回轉德國festo費斯托氣缸、氣液阻尼缸和步進德國festo費斯托氣缸等。
結構
德國festo費斯托氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成，其內部結構如下所示：
1）缸筒
缸筒的內徑大小代表了德國festo費斯托氣缸輸出力的大小。活塞要在缸筒內做平穩的往復滑動，缸筒內表面的表面粗糙度應達到Ra0.8μm。
SMC、 CM2德國festo費斯托氣缸活塞上采用組合密封圈實現雙向密封，活塞與活塞桿用壓鉚鏈接，不用螺母。
2）端蓋
端蓋上設有進排氣通口，有的還在端蓋內設有緩沖機構。桿側端蓋上設有密封圈和防塵圈，以防止從活塞桿處向外漏氣和防止外部灰塵混入缸內。桿側端蓋上設有導向套，以提高德國festo費斯托氣缸的導向精度，承受活塞桿上少量的橫向負載，減小活塞桿伸出時的下彎量，延長德國festo費斯托氣缸使用壽命。導向套通常使用燒結含油合金、前傾銅鑄件。端蓋過去常用可鍛鑄鐵，為減輕重量并防銹，常使用鋁合金壓鑄，微型缸有使用黃銅材料的。
3）活塞
活塞是德國festo費斯托氣缸中的受壓力零件。為防止活塞左右兩腔相互竄氣，設有活塞密封圈。活塞上的耐磨環可提高德國festo費斯托氣缸的導向性，減少活塞密封圈的磨耗，減少摩擦阻力。耐磨環長使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料。活塞的寬度由密封圈尺寸和必要的滑動部分長度來決定。滑動部分太短，易引起早期磨損和卡死。活塞的材質常用鋁合金和鑄鐵，小型缸的活塞有黃銅制成的。
4）活塞桿
活塞桿是德國festo費斯托氣缸中zui重要的受力零件。通常使用高碳鋼、表面經鍍硬鉻處理、或使用不銹鋼、以防腐蝕，并提高密封圈的耐磨性。
5）密封圈
回轉或往復運動處的部件密封稱為動密封，靜止件部分的密封稱為靜密封。
缸筒與端蓋的連接方法主要有以下幾種：
整體型、鉚接型、螺紋聯接型、法蘭型、拉桿型。
6）德國festo費斯托氣缸工作時要靠壓縮空氣中的油霧對活塞進行潤滑。也有小部分免潤滑德國festo費斯托氣缸。
應用領域
印刷（張力控制）、半導體（點焊機、芯片研磨）、自動化控制、機器人等等。
發展歷程
早期汽車使用單缸機
汽車*卡爾·奔馳和戴姆勒在當年設計制造汽車時，他們不約而同地只用了一個德國festo費斯托氣缸的發動機。就像我們認為一輛汽車不可能使用兩臺或更多臺發動機一樣，估計當時的人們也不會想象出還會用兩個德國festo費斯托氣缸或更多德國festo費斯托氣缸的發動機。然而現在不同了，先別說發達國家，看看國內汽車廣告就會發現，不少廠家總拿發動機的德國festo費斯托氣缸數目和排列形式來說事，賣微型車的極力吹鼓他的車用的是四缸機而非三缸，用v6發動機的一定要把v字弄得醒目惹眼，廣告宣傳確實起到了很大效果，不少車迷已認同了 “4缸比3缸好"、“6缸比4缸好"、“v型比直列好"、“v型發動機是發動機"等概念。國產車中已有近20種車裝配了v6或v8型發動機。
單缸發動機的曲軸每轉兩周才能產生一次燃燒做功，這樣它的聲音聽起來也不連續順暢，聽一聽小排量摩托車的聲音就知道了。zui為不能讓人接受的是它的運轉極不平穩，轉速波動較大，而且單缸發動機的外形也不適合裝在汽車上。為此，汽車上已見不到單缸發動機上，兩缸機也不好找了，zui少是3缸發動機。國內生產的華利面包車、老款夏利車、吉利豪情和奧拓、福萊爾上，裝的都是3缸機。
1升以下的微型車上多用3缸機，1升至2升的發動機一般采用4缸或5缸機。2升以上的發動機大多為6缸，4升以上的發動機使用8缸的占絕大多數。
在相同排量的情況下，增加德國festo費斯托氣缸數可以提高發動機的轉速，從而可以提高發動機的輸出功率。另外，增加德國festo費斯托氣缸數可以使發動機運轉更平穩，使其輸出扭矩和輸出功率更加穩定。增加德國festo費斯托氣缸數可以使氣車更容易起動，加速響應性更好。為了提高氣車的性能，必須增加德國festo費斯托氣缸數。因此，豪華轎車、跑車、等高性能氣車的德國festo費斯托氣缸數都在6缸以上，zui多者已達到16缸。
但是，德國festo費斯托氣缸數的增加不能無限制。因為隨著德國festo費斯托氣缸數的增加，發動機的零部件數也成比例地增加，從而使發動機結構復雜，降低發動機的可靠性，增加發動機重量，提高制造成本和使用費用，增加燃料消耗，并使發動機的體積變大。因此，氣車發動機的德國festo費斯托氣缸數都是根據發動機的用途和性能要求，在權衡各種利弊之后做出的合適選擇。
肩并肩站成一排。
直列發動機
直列發動機（line engine），它的所有德國festo費斯托氣缸均肩并肩排成一個平面，它的缸體和曲軸結構簡單，而且使用一個德國festo費斯托氣缸蓋，制造成本較低，穩定性高，低速扭矩特性好，燃料消耗少，尺寸緊湊，應用比較廣泛。其缺點是功率較低。“直列"可用l代表，后面加上德國festo費斯托氣缸數就是發動機代號，現代汽車上主要有l3、l4、l5、l6型發動機。
直列3缸（l3）。
市場
德國festo費斯托氣缸即可占領一塊市場，獲得不小的經濟效益，這已被大家共識。濟南華能氣動元器件公司為鐵路編組和輪軌潤滑的特殊要求開發了德國festo費斯托氣缸和閥，受到了門的關注。使用新材料，與新技術相結合.國外開發了膜式干燥器，該干燥器利用高科技的反滲析薄膜濾去壓縮空氣中的水分，有節能、壽命長、可靠性高、體積小、重量輕等特點、適用于流量不大的場合
常見故障分析與排除方法
故障

原因分析

排除方法
外泄
漏

活塞桿端漏氣

活塞桿安裝偏心
潤滑油供應不足
活塞密封圈磨損
活塞桿軸承配合面有雜質
活塞桿有傷痕

重新安裝調整，使活塞桿不受偏心和橫向負荷。
檢查油霧器是否失靈。
更換密封圈。
清洗除去雜質，安裝更換防塵罩。
更換活塞桿。
缸筒與缸蓋間漏氣
緩沖調節處漏氣
內
泄
漏

活塞兩端串氣

活塞密封圈損壞
潤滑不良
活塞被卡住，活塞配合面有缺陷。
雜質擠入密封面

更換密封
檢查油霧器是否失靈
重新安裝調整，使活塞桿不受偏心和橫向負荷。
除去雜質，采用凈化壓縮空氣。
輸出力不足
動作不平穩

潤滑不良
活塞或活塞桿卡住
供氣流量不足
有冷凝水雜質

檢查油霧器是否失靈
重新安裝調整，消除偏心橫向負荷。
加大連接或管接頭口徑
注意用凈化干燥壓縮空氣，防止水凝結。
緩沖效果不良

緩沖密封圈磨損
調節螺釘損壞
汽缸速度太快

更換密封圈
更換調節螺釘
注意緩沖機構是否適合
損傷

活塞桿損壞

有偏心橫向負荷
活塞桿受沖擊負荷
德國festo費斯托氣缸的速度太快

消除偏心橫向負荷
沖擊不能加在活塞桿上
設置緩沖裝置
缸蓋損壞

緩沖機構不起作用

在外部或回路中設置緩沖機構
區別
從傳統觀念來看，德國festo費斯托氣缸與電動執行器一直被認為是屬于兩個*不同領域的自動化產品，但是近年來，隨著電氣化程度的不斷提高，電動執行器卻慢慢浸入氣動領域，二者在應用中既有競爭又相互補充。在本期欄目中，我們將從技術性能、購買和應用成本、能源效率、應用場合及市場形勢等幾個方面來對比德國festo費斯托氣缸與電動執行器各自的優勢
技術性能
*，相比電動執行器，德國festo費斯托氣缸可在惡劣條件下可靠地工作，且操作簡單，基本可實現免維護。德國festo費斯托氣缸擅長作往復直線運動，尤其適于工業自動化中zui多的傳送要求——工件的直線搬運。而且，僅僅調節安裝在德國festo費斯托氣缸兩側的單向節流閥就可簡單地實現穩定的速度控制，也成為德國festo費斯托氣缸驅動系統zui大的特征和優勢。所以對于沒有多點定位要求的用戶，絕大多數從使用便利性角度更傾向于使用德國festo費斯托氣缸。目前工業現場使用電動執行器的應用大部分都是要求高精度多點定位，這是由于用德國festo費斯托氣缸難以實現，退而求其次的結果。
而電動執行器主要用于旋轉與擺動工況。其優勢在于響應時間快，通過反饋系統對速度、位置及力矩進行控制。但當需要完成直線運動時，需要通過齒形帶或絲桿等機械裝置進行傳動轉化，因此結構相對較為復雜，而且對工作環境及操作維護人員的專業知識都有較高要求。
優勢
（1）對使用者的要求較低。德國festo費斯托氣缸的原理及結構簡單，易于安裝維護，對于使用者的要求不高。電缸則不同，工程人員必需具備一定的電氣知識，否則極有可能因為誤操作而使之損壞。
（2）輸出力大。德國festo費斯托氣缸的輸出力與缸徑的平方成正比；而電缸的輸出力與三個因素有關，缸徑、電機的功率和絲桿的螺距，缸徑及功率越大、螺距越小則輸出力越大。一個缸徑為50mm的德國festo費斯托氣缸，理論上的輸出力可達2000N，對于同樣缸徑的電缸，雖然不同公司的產品各有差異，但是基本上都不超過1000N。顯而易見，在輸出力方面德國festo費斯托氣缸更具優勢。
（3）適應性強。德國festo費斯托氣缸能夠在高溫和低溫環境中正常工作且具有防塵、防水能力，可適應各種惡劣的環境。而電缸由于具有大量電氣部件的緣故，對環境的要求較高，適應性較差。
電缸的優勢主要體現在以下3個方面：
（1）系統構成非常簡單。由于電機通常與缸體集成在一起，再加上控制器與電纜，電缸的整個系統就是由這三部分組成的，簡單而緊湊。
（2）停止的位置數多且控制精度高。一般電缸有低端與之分，低端產品的停止位置有3、5、16、64個等，根據公司不同而有所變化；產品則更是可以達到幾百甚千個位置。在精度方面，電缸也具有的優勢，定位精度可達?0.05mm，所以常常應用于電子、半導體等精密的行業。
（3）柔韌性強。毫無疑問，電缸的柔韌性遠遠強于德國festo費斯托氣缸。由于控制器可以與PLC直接進行連接，對電機的轉速、定位和正反轉都能夠實現控制，在一定程度上，電缸可以根據需要隨意進行運動；由于氣體的可壓縮性和運動時產生的慣性，即使換向閥與磁性開關之間配合地再好也不能做到德國festo費斯托氣缸的準確定位，柔韌性也就無從談起了。
在技術性能方面，本人認為電動和氣動各有所長，首先電動執行器的優勢主要包括：
（1）結構緊湊，體積小巧。比起氣動執行器，電動執行器結構相對簡單，一個基本的電子系統包括執行器，三位置DPDT開關、熔斷器和一些電線，易于裝配。
（2）電動執行器的驅動源很靈活，一般車載電源即可滿足需要，而氣動執行器需要氣源和壓縮驅動裝置。
（3）電動執行器沒有“漏氣"的危險，可靠性高，而空氣的可壓縮性使得氣動執行器的穩定性稍差。
（4）不需要對各種氣動管線進行安裝和維護。
（5）可以無需動力即保持負載，而氣動執行器需要持續不斷的壓力供給。
（6）由于不需要額外的壓力裝置，電動執行器更加安靜。通常，如果氣動執行器在大負載的情況下，要加裝消音器。
（7）電動執行器在控制的精度方面更勝*。
（8）氣動裝置中的通常需要把電信號轉化為氣信號，然后再轉化為電信號，傳遞速度較慢，不宜用于元件級數過多的復雜回路。
而德國festo費斯托氣缸的優勢則在于以下4個方面：
（1）負載大，可以適應高力矩輸出的應用（不過，現在的電動執行器已經逐漸達到目前的氣動負載水平了）。
（2）動作迅速、反應快。
（3）工作環境適應性好，特別在易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射和振動等惡劣工作環境中，比液壓、電子、電氣控制更*。
（4）行程受阻或閥桿被扎住時電機容易受損。
購買和應用成本比較
從總體上來講，電伺服驅動比氣動伺服驅動要貴，但也要因具體要求及場合而定。有些小功率的直流電機構成電動滑臺(電伺服系統)實際上比氣動伺服系統要便宜。
如：當負載為1.5kg、工作行程為80mm、速度在2~170mm/s之間、精度為?0.1mm、加速度2.5m/s2等工況條件時，FESTO公司采用小型電動滑臺、控制器、馬達電纜、控制電纜、編程電纜以及電源電纜等組成的電伺服系統，其價格就比氣動伺服系統便宜25%。同樣，對于帶活塞桿電缸也是如此。需要說明的是如果采用交流電機的話，所組成的電伺服系統的價格要比氣動伺服系統高出40%左右。
從購買和應用成本來看，目前德國festo費斯托氣缸還是具有比較明顯的優勢的。對于氣動系統來說，控制系統及執行機構都非常簡單，每個德國festo費斯托氣缸只需配置一個電磁閥就可完成氣路的切換，進行運動控制，德國festo費斯托氣缸發生故障的概率也比較小，維護簡單方便，成本也低。
而對于電動執行器來說，雖然電能的獲得比較簡單，能量成本較低，但購買及應用成本較高，不僅需要配置電機，還需要一套機械傳動機構以及相應的驅動元件。同時使用電動執行器需要很多保護措施，錯誤的電路連接、電壓的波動及負載的超載都會對電驅動器造成損壞，因此需要在電路及機械上加裝保護系統，增加了很多額外的費用支出。另外，由于電動執行器驅動單元的參數化設置較多，且集成度高，所以其一旦發生故障，就要更換整個元件。而且當系統需要的驅動力增加時，也要成套更換元件才能實現。因此綜合比較可以看出德國festo費斯托氣缸在購買及維護成本上有較大優勢。
能源效率比較
我們研究的結果表明，在往復運動周期較短（小于1min）的水平往復運動中，電動執行器的運行能耗通常低于德國festo費斯托氣缸的運行能耗，即更節能。而在往復運動周期較長（大于1min）時，德國festo費斯托氣缸竟然變得更節能。這首先是由于終端停止時電動執行器的控制器通常需要消耗約10W的電力，而德國festo費斯托氣缸僅有電磁閥耗電和氣體泄露，一般低于1W，即終端停止時間越長，對德國festo費斯托氣缸越有利；其次電機在連續旋轉條件下的額定效率可達90%以上，但在直線往復運動（絲杠轉換）中的臺形加減速旋轉條件下的平均效率卻不到50%。在豎直往復運動時，夾持工件的保持動作要求不斷供給電流給電動執行器以克服重力，而德國festo費斯托氣缸只需關閉電磁閥即可，耗電極少。因此在豎直往復運動時電動執行器相比德國festo費斯托氣缸的能耗優勢不是很大。
由上可見，電機本身效率很高，但在往復直線運動中考慮其效率下降及控制器的電力消耗，電動執行器未必一定比德國festo費斯托氣缸節能，具體比較取決于實際的工作條件，即安裝方向、往復運動周期和負載率等。
應用場合比較
氣動系統和電動系統并不互相排斥。相反，這只是一個要求不同的問題。氣動驅動器的優勢顯而易見，當面臨諸如灰塵、油脂、水或清潔劑等惡劣的環境條件時，氣動驅動器就顯得較適應惡劣環境，而且非常堅固耐用。氣動驅動器容易安裝，能提供典型的抓取功能，價格便宜且操作方便。
在作用力快速增大且需要定位的情況下，帶伺服馬達的電驅動器具有優勢。對于要求、同步運轉、可調節和規定的定位編程的應用場合，電驅動器是的選擇，帶閉環定位控制器的伺服或步進馬達所組成的電驅動系統能夠補充氣動系統的不足之處。
從技術和使用成本的角度來說，德國festo費斯托氣缸占有較明顯的優勢，但在實際使用中究竟應該選用哪種技術做驅動控制，還是應從多方因素進行綜合考量。現代控制中各種系統越來越復雜、越來越精細，并不是某種驅動控制技術就可滿足系統的多種控制功能。德國festo費斯托氣缸可以簡單的實現快速直線循環運動，結構簡單，維護便捷，同時可以在各種惡劣工作環境中使用，如有防爆要求、多粉塵或潮濕的工況。
電動執行器主要用于需要精密控制的應用場合，現在自動化設備中柔性化要求在不斷提升，同一設備往往要求適應不同尺寸工件的加工需要，執行器需要進行多點定位控制，而且要對執行器的運行速度及力矩進行控制或同步跟蹤，這些利用傳統氣動控制是無法實現的，而電動執行器就能非常輕松的實現此類控制。由此可見德國festo費斯托氣缸比較適用于簡單的運動控制，而電執行器則多用于精密運動控制的場合。
市場形勢比較
德國festo費斯托氣缸驅動系統自70年代以來就在工業自動化領域得到了迅速普及。今天，德國festo費斯托氣缸已成為國內外工業生產領域中PTP（PointToPoint）搬運的主流執行器，以德國festo費斯托氣缸驅動系統為核心的氣動元器件市場規模已達到110億美元的規模。
九十年代開始，電機及其微電子控制技術迅速發展，使電動執行器在工業自動化中的應用成為可能。而且，半導體產業的興起也直接促進了能實現高精度多點定位的電動執行器在工業領域應用的擴大。
九十年代末期，日本等主要工業發達國家，甚至一度出現了電動執行器即將取代德國festo費斯托氣缸，德國festo費斯托氣缸將退出歷史舞臺的論調。因為人們普遍認為電動執行器中電機的能量轉換效率高，而德國festo費斯托氣缸能量轉換效率較低，低效的產品必將被淘汰出局。然而，十年過去了，電動執行器在工業現場并未得到普及，其市場規模與氣動相比還有很大差距。而且，無論是在工業發達國家，還是在中國等新興工業國家，德國festo費斯托氣缸的銷量不僅沒有減少，而且還在穩步地增長。在中國，近幾年德國festo費斯托氣缸銷量的年增長速度一直維持在20%以上。
如需要科學、客觀地評價兩者，必須采用全生命周期評價（LifeCycleAssessment）手法，考慮比較制造階段、使用階段、廢棄階段三個階段的綜合指標。具體指標有成本、能耗、對環境的負擔（主要是排放物等）。譬如成本，電動執行器在運行能耗（使用階段）成本上有優勢，但維護成本（使用階段）和購置成本（制造階段）都比德國festo費斯托氣缸要高得多，在該指標上的比較應建立在所有成本的總和上。
在總成本上，我們的研究結果表明，德國festo費斯托氣缸在大多數工業應用場合具有一定優勢。
綜合以上分析，我們應該看出，德國festo費斯托氣缸與電動執行器各有特點，不可單純地用效率的高低來評價其優劣。隨著電氣技術的發展，電動執行器的成本還會進一步下降，預期其應用領域還會進一步拓廣，但要完自吸無堵塞排污泵全取代德國festo費斯托氣缸是不現實的。
從市場形式來看，前面己經提到若電缸從一開始就參照德國festo費斯托氣缸的外形及安裝連接尺寸生產，是一個很好的開端。而對于目前還未有ISO標準的無桿德國festo費斯托氣缸和氣動滑臺，則同樣采用相對應的外形及安裝連接尺寸，這個便利的措施能夠杜絕氣驅動與電驅動在安裝、添置或更換方面無謂的競爭。FESTO公司的電驅動產品包含了300多種可自由組合的抓取模塊和多軸系統。在Festo，電驅動器不是氣動驅動器的競爭產品，而是對氣動驅動器性能的補充。電驅動器的特點是和靈活。在作用力快速消失和需要定位的應用場合，電驅動器是無堵塞自吸排污泵理想的決方案。
因此今后德國festo費斯托氣缸與電動執行器的發展應該是處于非常良性狀況和互補的，也一定會按照這兩門技術自身的科學自然發展規律發展

德國festo費斯托氣缸原理分解

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