第5章 气动执行元件
5.1 概述
在气动系统中，将压缩空气的能量转变为机械能，实现直线、转动或摆动运动的传动装置称为气动执行元件。气动执行元件有产生直线往复运动的气缸，在一定角度范围内摆动的摆动马达以及产生连续转动的气动马达三大类。气动执行元件的分类如图5.1所示。
气动执行元件特点如下：
1)与液压执行元件相比，气动执行元件的运动速度快，工作压力低，适用于低输出力的场合。能正常工作的环境温度范围宽，一般可在-35～+80℃ (有的甚至可达+200℃)的环境下正常工作。
2)相对机械传动来说，气动执行元件的结构简单，制造成本低，维修方便，便于调节其输出力和速度的大小。另外，其安装方式、运动方向和执行元件的数目，又可根据机械装置的要求由设计者自由地选择．特别是制造技术的发展，气动执行元件已向模块化、标准化发展。借助于计算机数据传输技术发展起来的气动阀岛，使气动系统的接线大大简化。这就为简化整个机械的结构设计和控制提供了有利条件。目前已有精密气动滑台、气动手指等功能部件构成的标准气动机械手产品出售。
3)由于气体的可压缩性，使气动执行元件在速度控制、抗负载影响等方面的性能劣于液压执行元件。当需要较精确地控制运动速度，减少负载变化对运动的影响时，常需要借助气动一液压联合装置等来实现。
5.2 气缸 表5.1气缸的分类
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分类依据
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类 别
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按受压运动件
按活塞杆数目
按驱动方式
按缓冲方式
按尺寸规格
按安装形式
按润滑形式
按功能
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活塞式、无活塞式
单活塞杆型、双活塞杆型
单向作用、双向作用
无缓冲型、缓冲型(单侧缓冲、双
侧缓冲)
微型、小型、中型、大型
固定式、摆动式、回转式、嵌入式
给油润滑、无给油润滑、无油润滑
普通型、特殊型
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一、气缸的分类
气缸的种类繁多，可按不同方法进行分类，详见表5.1。
活塞式气缸的内部装有带密封的活塞，而无活塞式气缸则使用膜片或膜盒等，其特点是无摩擦力，但行程较短。
单活塞杆气缸是各类气缸中应用最广的一种气缸，由于它只在活塞的一端有活塞杆，活塞两侧压缩空气作用的面积不等，因而活塞杆伸出时的推力大于退回时的拉力。双活塞杆气缸活塞两侧都有活塞杆，活塞两侧受压缩空气作用的面积相同，活塞杆伸出时的推力和退回时的拉力相等。双活塞杆气缸又可分为缸体固定式和活塞杆固定式两种。
单向作用气缸是由一侧气口供给压缩空气驱动活塞运动；依靠弹簧力、外力或自重等退回，而双向作用气缸是由两侧气口供给压缩空气使活塞作往复运动。
为防止活塞冲击缸盖，可在气缸的行程终端设置缓冲装置，这种气缸称缓冲气缸。在缸径为32mm以上的大中型气缸中，有利用空气可压缩性的可调式缓冲装置；有单侧缓冲型和双侧缓冲型。而缸径在32mm以下的小型气缸中，常使用由聚氨酯橡胶等制成的固定式弹性缓冲装置。
表5.2 气缸的分类、原理与特点
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类别
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名称
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简图
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原理和特点
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名称
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简图
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原理和特点
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单作用气缸
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柱塞式气缸
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压缩空气驱动柱塞向一个方向运动；借助外力复位；对负载的稳定性较好，输出力小，主要用于小直径气缸。
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活塞式气缸
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压缩空气驱动活塞向一个方向运动；借助外力或重力复位；较双向作用气缸耗气量小。
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薄膜式气缸
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以膜片代替活塞的气缸。单向作用，借助弹簧力复位。行程短、结构简单、密封性好，缸体不需加工。仅适用短行程。
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压缩空气驱动活塞向一个方向运动；借助弹簧力复位；结构简单耗气量小，弹簧起背压作用，输出力随行程变化而变化。适用于小行程
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双作气用缸
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普通气缸
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压缩空气驱动活塞向两个方向运动，活塞行程可根据实际需要选定。双向作用的力和速度不同。
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双杆气缸
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压缩空气驱动活塞向两个方向运动，且其速度和行程分别相等。适用于长行程。
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不可调缓冲气缸
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设有缓冲装置以使活塞临近行程终点时 减速，防止活塞撞击缸端盖，减速值不可调整。ａ为一侧缓冲；ｂ为两侧缓冲。
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可调缓冲气缸
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设有缓冲装置，使活塞接近行程终点时减速，且减速值可根据需要调整。(ａ)为一侧可调缓冲；(ｂ)为两侧可调缓冲。
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特殊气缸
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差动气缸
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气缸活塞两侧有效面积差较大，利用压力差原理使活塞往复运动，工作时活塞杆侧始终通以压缩空气，其推力和速度均较小
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双活塞气缸
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两个活塞同时向相反方向运动。
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多位气缸
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活塞沿行程长度方向可占有四个位置，当气缸的任一空腔接通气源，活塞杆就可占有四个位置中的一个
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串联气缸
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在一根活塞杆上串联多个活塞，应各活塞有效面积总和大，所以增加了输出推力。
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类别
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名称
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简图
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原理和特点
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名称
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简图
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原理和特点
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冲击式气缸
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利用突然大量供气和快速排气相结合的方法得到活塞杆的快速冲击运动，用于切断、冲孔、打入工件等。
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滚动膜片气缸
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利用了膜片式优点，克服其缺点，可获得较大行程，但膜片因受气缸和活塞之间不间断的滚压所以寿命较低。动作灵活，摩擦小。
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数字气缸
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将若干个活塞沿轴向依次装在一起，每个
活塞的行程由小到大按几何级数增加
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伺服气缸
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将输入的气压信号成比例地转换为活塞杆的机械位移。包括测量环节、比较环节、放大转换环节、执行环节及反馈环节，用于自动调节系统中。
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缸体可转缸
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进排气导管和气缸本体可相对转动。用于
机床央具和线材卷曲装置上。
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增压气缸
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活塞杆两端面积不相等，利用压力与面积乘积不变原理，可由小活塞端输出高压气体。
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气液增压缸
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根据液体是不可压缩和力的平衡原理，利用两个相连活塞面积的不等，压缩空气驱动大活塞，可由小活塞输出高压液体。
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气液阻尼缸
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利用液体不可压缩的性能及液体排最易于控制的优点，获得活塞杆的稳速运动。
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绕性气缸
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气缸为挠性管材，左端进气滚轮向滚动，可带动机构向右移动，反之向左移动，常用于门窗阀开闭。
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缸索性气缸
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活塞杆是由钢索构成，当活塞靠气压推动时，钢索跟随移动，并通过该轮牵动托盘，可带动托盘往复移动。
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伸缩气缸
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伸缩缸由套筒构成，可增大活塞行程适用做翻斗车气缸。推力和速度随行程而变化
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磁性无杆缸
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活塞内有磁性环，移动时带动气缸外有磁性的滑台运动。用于行程大、位置小及轻载时。
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气缸的安装形式可分为固定式、摆动式、回转式和嵌入式。固定式气缸采用法兰或双螺栓把气缸安装在机体上。摆动式气缸能绕一固定轴作一定角度的摆动，其结构有头部、中间及尾部轴销式。回转式气缸是一种缸体固定在机床主轴上，可随机床主轴作旋转运动的气缸。嵌人式气缸是一种缸筒直接制作在夹具内的气缸。
给油气缸工作时需提供油雾润滑，应用于给油润滑气动系统。无给油气缸已预先封入润滑脂等，工作时定期给予补充，不需要润滑装置，应用于无给油润滑气动系统。无油润滑气缸有含油润滑材料和含油密封圈等部件，不需要润滑装置或预先封人润滑脂等，应用于无油润滑气动系统。
在各类气缸中使用最多的是活塞式单活塞杆型气缸，称为普通气缸。
各类气缸的分类、原理与特点如表5.2所示。
二、普通气缸
（一）普通气缸的结构 普通气缸可分为单作用气缸和双作用气缸两种。
1．双作用气缸
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，如图5.2所示。缸筒在前后缸盖之间由4根拉杆和螺母将其紧固锁定(图中未画出)。缸内有与活塞杆相连的活塞，活塞上装有活塞密封圈。为防止漏气和外部灰尘的侵入，前缸盖装有活塞杆的密封圈和防尘圈。这种双作用气缸被活塞分成有杆腔(简称头腔或前腔)和无杆腔(简称尾腔或后腔)。
当从无杆腔端的气口输入压缩空气时，若气压作用在活塞上的力克服了运动摩擦力及负载等各种反作用力，则气压力推动活塞前进，而有杆腔内的空气经其出气口排人大气，使活塞杆伸出。同样，当有杆腔端气口输入压缩空气，其气压力克服无杆腔的反作用力及摩擦力时，则活塞杆退回至初始位置。通过无杆腔和有杆腔做交替进气和排气，活塞杆伸出和退回，气缸实现往复直线运动。
2．单作用气缸
单向作用方式常用于小型气缸，其结构如图5.3所示。在气缸的一端装有使活塞杆复位的弹簧，另一端的缸盖上开有气口。除此之外，其结构基本上与双作用气缸相同。其特点是，弹簧压缩后的长度使气缸全长增加。
(二)气缸的缓冲
气缸缸盖上未设缓冲装置的气缸称为无缓冲气缸，缸盖上设有缓冲装置的气缸称为缓冲气缸。图5.2所示为单活塞杆双作用缓冲气缸。缓冲装置由节流阀、缓冲柱塞和缓冲密封圈等组成。当气缸行程接近终端时，由于缓冲装置的作用，可以防止高速运动的活塞撞击缸盖。
常用的缓冲装置有气垫缓冲装置，橡胶缓冲垫和液压吸震器三种。
1、气垫缓冲
气缸缓冲装置的工作原理如图5.4所示。气缸的活塞上伸出一个凸台(缓冲环)。端盖上有一个Ｖ型密封圈。当活塞杆向右运动，接近终端时，杆端凸台伸进了密封圈内，使排气通道被断开。背压腔里的空气不能从排气通道内自由流出而被封死，迫使背压腔里的空气从一个可调节的节流小口排出。背压腔里的空气由于气阻很大，流道被阻，压力升高，背压腔的压力作用在活塞右端，阻止活塞继续运动，形成一个具有很大阻碍作用的气垫，吸收了活塞的动能，使活塞的惯性得到缓冲(图5.4a) 。
当重载高速运动的活塞在缓冲气垫的作用下，缓缓运动落到气缸盖以后，向相反方向运动时，其情况如图5.4b所示。当活塞向相反方向运动时，原来的排气腔成为进气腔。进气腔的高压空气将具有单向阀功能的密封圈向上吹起，打开密封气口，使空气可以自由地进入活塞右腔，从而推动活塞向左运动。当移动速度慢，拖动负载小或缸径较小的情况下，不必选用这种气垫或缓冲机构。例如气缸的直径过小，缓冲凸台的直径相对较大，在起始端，气缸回程速度会过快，产生”突跳”现像。因此不宜选用气垫或缓冲机构。是否选用这种气垫式缓冲装置，应该根据气缸移动速度的快慢，拖动负载的大小来选择。
２、橡胶垫缓冲
在没有必要采用气垫缓冲方式的情况，选择用弹性橡胶垫片作为缓冲件的气缸就完全可以满足了要求了。图5.5气缸采用了橡胶垫作为缓冲装置。零件1、2是起缓冲作用的聚氨酯橡胶垫。
３、液压吸震器缓冲
当气缸活塞运动速度比较高、拖动负载比较大的情况下，容易造成很大的撞击。这种情况下，可以在末端板上安装油压吸震器来吸收比较大的动能，起到缓冲作用。图5.6是油压吸震器的外形图。当动能传递到吸震器活塞杆头部时，吸震器在活塞底部建立起油压，如图5.7所示。这个油压的压力能通过吸震器内管内的释放小孔逐渐释放，以达到吸收动能，缓冲惯性冲击的目的。
（三）普通气缸的安装方式
气缸的安装方式，如表5.3所示。使负荷作直线运动时，使用脚架型和法兰型安装方式；作摆动运动时，使用耳环型和轴销型安装方式。
表5.3 气缸的安装方式
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类型
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安装方式
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说 明
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基本型
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不带安装附件,安装时需根据所选用的安装方式选配固定螺栓。
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脚架型
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带脚架安装附件，用于负荷作水平方向直线运动的场合。
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法兰型
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带法兰,可垂直安装。
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|
|
用于负荷作垂直方向直线运动的场合。
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耳环型
|
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带有单耳环型(Ⅱ型)或双耳环型(U型)安装附件。
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|
用于负荷作摆动运动场合。
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轴销型
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中间轴销型
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带有头部、尾部或中间轴销型安装附件，用于负荷作摆动运动场合。
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(四)气缸的规格
气缸的尺寸规格主要以气缸的缸筒内径和活塞行程分类；也有按活塞杆直径和杆端螺纹尺寸分类的方法。
气缸的缸筒内径尺寸见表5.4，摘自GB2348—80(IS03320)液压气动系统及元件一缸径及活塞杆外径系列。气缸可按缸径进行如下分类：
1) Φ2.5～Φ6mm的为微型气缸；
2) Φ8～Φ25mm的为小型气缸；
3) Φ32～Φ320mm的为中型气缸；
4) 大于Φ320mm的为大型气缸。
气缸活塞行程系列按照优先次序分成三个等级顺序选用，如表5.4所示。 国际标准IS06430、6431中推荐活塞公称行程允差见表5.5。当行程>1250mm时，其公称行程允差由供需双方确定。活塞杆外径尺寸系列如表5.6所示。气缸活塞杆常用螺纹尺寸如表5.7所示。
表5.4 气缸的缸筒内径尺寸及行程优先系列 (mm)
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缸径
|
8
|
10
|
12
|
16
|
20
|
25
|
32
|
40
|
50
|
63
|
80
|
(90)
|
100
|
|
（110)
|
125
|
(140)
|
160
|
(180)
|
200
|
(220)
|
250
|
320
|
400
|
500
|
630
|
|
|
行程
|
第一
|
25
|
50
|
80
|
120
|
125
|
160
|
200
|
250l
|
320
|
400
|
|
|
|
|
500
|
630
|
800
|
1000
|
1250
|
1600
|
2000
|
2500
|
3200
|
4000
|
|
|
|
|
第二
|
|
40
|
|
|
63
|
|
90
|
110
|
140
|
180
|
|
|
|
|
220
|
280
|
360
|
450
|
550
|
700
|
900
|
1100
|
1400
|
1800
|
|
|
|
|
2200
|
2800
|
3600
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
第三
|
240
|
260
|
300
|
340
|
380
|
420
|
480
|
530
|
600
|
650
|
|
|
|
|
750
|
850
|
950
|
1050
|
1200
|
1300
|
1500
|
1700
|
1900
|
2100
|
|
|
|
|
2400
|
2600
|
3000
|
3400
|
3800
|
|
|
|
|
|
|
|
|
注：括号内数据为非优先选项。
表5.5 活塞公称行程允差 (mm)
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缸径
|
32
|
40/50
|
63
|
缸径
|
80/100
|
125/160
|
200/250/320
|
|
行程
|
≤500
|
>500
|
≤500
|
行程
|
>500
|
≤500
|
≤1250
|
|
允差
|
+2.00
|
+3.20
|
+2.50
|
允差
|
+4.00
|
+4.00
|
+5.00
|
表5.6 活塞杆外径尺寸系列
|
4
|
5
|
6
|
8
|
10
|
12
|
14
|
16
|
18
|
20
|
22
|
25
|
|
28
|
32
|
36
|
40
|
45
|
50
|
56
|
63
|
70
|
80
|
90
|
100
|
|
110
|
125
|
140
|
160
|
180
|
200
|
220
|
250
|
280
|
320
|
360
|
400
|
表5.7 气缸活塞杆常用螺纹尺寸
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螺纹尺寸
|
螺纹长度
|
螺纹尺寸
|
螺纹长度
|
|
短型
|
长型
|
短型
|
长型
|
|
M3×0.35
M4×0.5
M4×0.7
M5×0.5
M6×0.75
M6×1
M8×1
M8×1.25
M10×1.25
M12×1.25
M14×1.5
M16×1.5
|
6
8
8
10
12
12
12
12
14
16
18
22
|
9
12
12
15
16
16
20
20
22
24
28
32
|
M18×1.5
M20×1.5
M22×1.5
M24×2
M27×2
M30×2
M33×2
M36×2
M42×2
M48×2
M56×2
M64×2
|
25
28
30
32
36
40
45
50
56
63
75
85
|
36
40
44
48
54
60
66
72
84
96
112
128
|
三、特殊气缸
（一）套筒气缸
套筒气缸又称伸缩气缸，分为单作用和双作用两种，图5.8所示为其结构原理图。其特点是行程长，径向尺寸较大，轴向尺寸小，推力和速度随工作行程的变化而变化。气缸的推力由最后一级即直径最小的一级来确定。
