引導活塞在缸內(nèi)進行直線往復運動的圓筒形金屬機件??諝庠跉飧字型ㄟ^并將之轉化為機械能;氣體在壓縮機氣缸中接受活塞壓縮而提高壓力??諌簷C、渦輪機、旋轉活塞式發(fā)動機等的殼體通常也稱“氣缸”。氣缸的應用領域: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。
氣壓傳動中將壓縮氣體的壓力能轉換為機械能的氣動執(zhí)行元件。氣缸有做往復直線運動的和做往復擺動兩種類型,做往復直線運動的氣缸又可分為單作用氣缸、雙作用氣缸、膜片式氣缸和沖擊氣缸4種。
①單作用氣缸:一端有活塞桿,從活塞一側供氣聚能產(chǎn)生氣壓,氣壓推動活塞產(chǎn)生推力伸出,靠彈簧或自重返回。
②雙作用氣缸: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無桿氣缸:沒有活塞桿的氣缸的總稱。有磁性氣缸,纜索氣缸兩大類。
做往復擺動的氣缸稱擺動氣缸,由葉片將內(nèi)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,還有回轉氣缸、氣液阻尼缸和步進氣缸等。
氣缸是由缸筒、端蓋、活塞、活塞桿和密封件等組成
1)缸筒
缸筒的內(nèi)徑大小決定了氣缸輸出力的大小。活塞要在缸筒內(nèi)做平穩(wěn)的往復滑動,缸筒內(nèi)表面的表面粗糙度應達到Ra0.8μm。SMC、 CM2氣缸活塞上采用組合密封圈實現(xiàn)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(nèi)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(nèi)。桿側端蓋上設有導向套,以提高氣缸的導向精度,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(huán)可提高氣缸的導向性,減少活塞密封圈的磨耗,減少摩擦阻力。耐磨環(huán)長使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夾布合成樹脂等材料?;钊膶挾扔擅芊馊Τ叽绾捅匾幕瑒硬糠珠L度來決定?;瑒硬糠痔?,易引起早期磨損和卡死。活塞的材質(zhì)常用鋁合金和鑄鐵,小型缸的活塞有黃銅制成的。如圖2所示
4)活塞桿
活塞桿是氣缸中很重要的受力零件。通常使用高碳鋼、表面經(jīng)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(lián)接型、法蘭型、拉桿型。
6)氣缸工作時要靠壓縮空氣中的油霧對活塞進行潤滑。也有小部分免潤滑氣缸。
從傳統(tǒng)觀念來看,氣缸與電動執(zhí)行器一直被認為是屬于兩個完全不同領域的自動化產(chǎn)品,但是近年來,隨著電氣化程度的不斷提高,電動執(zhí)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氣缸與電動執(zhí)行器各自的優(yōu)勢
技術性能
眾所周知,相比電動執(zhí)行器,氣缸可在惡劣條件下可靠地工作,且操作簡單,基本可實現(xiàn)免維護。氣缸擅長作往復直線運動,尤其適于工業(yè)自動化中較多的傳送要求——工件的直線搬運。而且,單單調(diào)節(jié)安裝在氣缸兩側的單向節(jié)流閥就可簡單地實現(xiàn)穩(wěn)定的速度控制,也成為氣缸驅(qū)動系統(tǒng)的特征和優(yōu)勢。所以對于沒有多點定位要求的用戶,絕大多數(shù)從使用便利性角度更傾向于使用氣缸。目前工業(yè)現(xiàn)場使用電動執(zhí)行器的應用大部分都是要求高精度多點定位,這是由于用氣缸難以實現(xiàn),退而求其次的結果。
而電動執(zhí)行器主要用于旋轉與擺動工況。其優(yōu)勢在于響應時間快,通過反饋系統(tǒng)對速度、位置及力矩進行精確控制。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(huán)境及操作維護人員的知識技能都有較高要求。
優(yōu)勢
(1) 對使用者的要求較低。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。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(chǎn)品各有差異,但是基本上都不超過1000N。顯而易見,在輸出力方面氣缸更具優(yōu)勢。
(3) 適應性強。氣缸能夠在高溫和低溫環(huán)境中正常工作且具有防塵、防水能力,可適應各種惡劣的環(huán)境。而電缸由于具有大量電氣部件的緣故,對環(huán)境的要求較高,適應性較差。
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(zhí)行器的運行能耗通常低于氣缸的運行能耗,即更節(jié)能。而在往復運動周期較長(大于1min)時,氣缸竟然變得更節(jié)能。這首先是由于終端停止時電動執(zhí)行器的控制器通常需要消耗約10W的電力,而氣缸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,對氣缸越有利;其次電機在連續(xù)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(zhí)行器以克服重力,而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(zhí)行器相比氣缸的能耗優(yōu)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(zhí)行器未必一定比氣缸節(jié)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
氣動系統(tǒng)和電動系統(tǒng)并不互相排斥。相反,這只是一個要求不同的問題。氣動驅(qū)動器的優(yōu)勢顯而易見,當面臨諸如灰塵、油脂、水或清潔劑等惡劣的環(huán)境條件時,氣動驅(qū)動器就顯得較適應惡劣環(huán)境,而且非常堅固耐用。氣動驅(qū)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。
在作用力迅速增大且需要精確定位的情況下,帶伺服馬達的電驅(qū)動器具有優(yōu)勢。對于要求精確、同步運轉、可調(diào)節(jié)和規(guī)定的定位編程的應用場合,電驅(qū)動器是不錯的選擇,帶閉環(huán)定位控制器的伺服或步進馬達所組成的電驅(qū)動系統(tǒng)能夠補充氣動系統(tǒng)的不足之處。
從技術和使用成本的角度來說,氣缸占有較明顯的優(yōu)勢,但在實際使用中究竟應該選用哪種技術做驅(qū)動控制,還是應從多方因素進行綜合考量?,F(xiàn)代控制中各種系統(tǒng)越來越復雜、越來越精細,并不是某種驅(qū)動控制技術就可滿足系統(tǒng)的多種控制功能。氣缸可以簡單迅速的實現(xiàn)直線循環(huán)運動,結構簡單,維護便捷,同時可以在各種惡劣工作環(huán)境中使用,如有防爆要求、多粉塵或潮濕的工況。
電動執(zhí)行器主要用于需要精密控制的應用場合,現(xiàn)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(zhí)行器需要進行多點定位控制,而且要對執(zhí)行器的運行速度及力矩進行精確控制或同步反饋,這些利用傳統(tǒng)氣動控制是無法實現(xiàn)的,而電動執(zhí)行器就能非常輕松的實現(xiàn)此類控制。由此可見氣缸比較適用于簡單的運動控制,而電執(zhí)行器則多用于精密運動控制的場合。
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