淺析工業(yè)機(jī)器人常用氣缸的組成與原理

我們首先講解下普通氣缸的基本組成和原理:

氣缸的組成 : 缸體，活塞，密封圈，磁環(huán)（有傳感器的氣缸）

原理 : 壓力空氣使活塞移動，通過改變進(jìn)氣方向，改變活塞桿的移動方向。

失效形式 : 活塞卡死，不動作；氣缸無力，密封圈磨損，漏氣。

典型氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理

以氣動系統(tǒng)中最常使用的單活塞桿雙作用氣缸為例來說明，氣缸典型結(jié)構(gòu)如下圖所示。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(nèi)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(dāng)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(fù)載推動活塞運動，使活塞桿伸出；當(dāng)有桿腔進(jìn)氣，無桿腔排氣時，使活塞桿縮回。若有桿腔和無桿腔交替進(jìn)氣和排氣，活塞實現(xiàn)往復(fù)直線運動。

普通雙作用氣缸

1、3－緩沖柱塞，2－活塞 ，4－缸筒 ，5－導(dǎo)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(huán) ，12－密封圈，13－后端蓋 ，14－緩沖節(jié)流閥

機(jī)械接觸式無桿氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理

機(jī)械接觸式無桿氣缸，其結(jié)構(gòu)如下圖3所示。在氣缸缸管軸向開有一條槽，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，把活塞與滑塊連成一體?；钊c滑塊連接在一起，帶動固定在滑塊上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)往復(fù)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(shè)置防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；3) 適用于缸徑10～80mm，最大行程在缸徑≥40mm時可達(dá)7m；4) 速度高，標(biāo)準(zhǔn)型可達(dá)0.1～0.5m/s；高速型可達(dá)到0.3～3.0m/s。其缺點是：1) 密封性能差，容易產(chǎn)生外 泄漏。在使用三位閥時必須選用中壓式；2) 受負(fù)載力小，為了增加負(fù)載能力，必須增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

機(jī)械接觸式無桿氣缸

l－節(jié)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

磁性無桿氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理

活塞通過磁力帶動缸體外部的移動體做同步移動，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。它的工作原理是：在活塞上安裝一組高強(qiáng)磁性的永久磁環(huán)，磁力線通過薄壁缸筒與套在外面的另一組磁環(huán)作用，由于兩組磁環(huán)磁性相反，具有很強(qiáng)的吸力。當(dāng)活塞在缸筒內(nèi)被氣壓推動時，則在磁力作用下，帶動缸筒外的磁環(huán)套一起移動。氣缸活塞的推力必須與磁環(huán)的吸力相適應(yīng)。

磁性無桿氣缸

1－套筒，2－外磁環(huán)，3－外磁導(dǎo)板，4－內(nèi)磁環(huán)，5－內(nèi)磁導(dǎo)板，6－壓蓋，7－卡環(huán)，8－活塞，9－活塞軸，10－緩沖柱塞，11－氣缸筒，12－端蓋，13－進(jìn)、排氣口

齒輪齒條式擺動氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理

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(zhuǎn)的一種擺動氣缸，其結(jié)構(gòu)原理如下圖5所示。活塞僅作往復(fù)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(dá)到95%左右。

齒輪齒條式擺動氣缸

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

葉片式擺動氣缸和工作原理

單葉片式擺動氣缸的結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。它是由葉片軸轉(zhuǎn)子（即輸出軸）、定子、缸體和前后端蓋等部分組成。定子和缸體固定在一起，葉片和轉(zhuǎn)子聯(lián)在一起。在定子上有兩條氣路，當(dāng)左路進(jìn)氣時，右路排氣，壓縮空氣推動葉片帶動轉(zhuǎn)子順時針擺動。反之，作逆時針擺動。

葉片式擺動氣缸體積小，重量最輕，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(yīng)用上受到限制，一般只用在安裝位置受到限制的場合，如夾具的回轉(zhuǎn)，閥門開閉及工作臺轉(zhuǎn)位等。

單葉片式擺動氣缸

1－葉片，2－轉(zhuǎn)子，3－定子，4－缸體

氣動手爪原理

氣動手爪這種執(zhí)行元件是一種變型氣缸。它可以用來抓取物體，實現(xiàn)機(jī)械手各種動作。在自動化系統(tǒng)中，氣動手爪常應(yīng)用在搬運、傳送工件機(jī)構(gòu)中抓取、拾放物體。

氣動手爪有平行開合手指（如圖所示）、肘節(jié)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(qū)動方式有直線式和旋轉(zhuǎn)式。

氣動手爪的開閉一般是通過由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線運動帶動與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒輪等機(jī)構(gòu)，驅(qū)動各個手爪同步做開、閉運動。

薄膜氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理

下圖為膜片氣缸的工作原理圖。膜片有平膜片和盤形膜片兩種 一般用夾織物橡膠、鋼片或磷青銅片制成，厚度為 5～6mm （有用 1～2mm 厚膜片的）。

下圖所示的膜片氣缸的功能類似于彈簧復(fù)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(yōu)點是：結(jié)構(gòu)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，一般不趁過50mm。平膜片的行程更短，約為其直徑的1/10。

薄膜氣缸

1－缸體，2－膜片 ，3－膜盤，4－活塞桿

帶閥組合氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理

帶閥氣缸是由氣缸、換向閥和速度控制閥等組成的一種組合式氣動執(zhí)行元件。如下圖所示,它省去了連接管道和管接頭，減少了能量損耗，具有結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便等優(yōu)點。帶閥氣缸的閥有電控、氣控、機(jī)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。如下圖所示，電磁換向閥安裝在氣缸的上部，當(dāng)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

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(jié)流閥組合件，7－密封圈。

磁性開關(guān)氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理

磁性開關(guān)氣缸是指在氣缸的活塞上安裝有磁環(huán)，在缸筒上直接安裝磁性開關(guān)，磁性開關(guān)用來檢測氣缸行程的位置，控制氣缸往復(fù)運動。因此，就不需要在缸筒上安裝行程閥或行程開關(guān)來檢測氣缸活塞位置，也不需要在活塞桿上設(shè)置擋塊。

其工作原理如下圖所示。它是在氣缸活塞上安裝永久磁環(huán)，在缸筒外殼上裝有舌簧開關(guān)。開關(guān)內(nèi)裝有舌簧片、保護(hù)電路和動作指示燈等，均用樹脂塑封在一個盒子內(nèi)。當(dāng)裝有永久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(guān)接通。當(dāng)永久磁鐵返回離開時，磁場減弱，兩簧片彈開，則開關(guān)斷開。由于開關(guān)的接通或斷開，使電磁閥換向，從而實現(xiàn)氣缸的往復(fù)運動。

磁性開關(guān)氣缸

1－動作指示燈，2－保護(hù)電路，3－開關(guān)外殼，4－導(dǎo)線，5－活塞，6－磁環(huán)，7－缸筒，8－舌簧開關(guān)