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气缸

型号:MGP
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    引导活塞在缸内进行直线往复运动的圆筒形金属机件。工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能;气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。涡轮机、旋转活塞式发动机等的壳体通常也称“气缸”。气缸的应用领域:印刷(张力控制)、半导体(点焊机、芯片研磨)、自动化控制、机器人等等。
   种类
    气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动两种类型(见图)。做往复直线运动的气缸又可分为单作用气缸、双作用气缸、膜片式气缸和冲击气缸4种。
    ①单作用气缸:仅一端有活塞杆,从活塞一侧供气聚能产生气压,气压推动活塞产生推力伸出,靠弹簧或自重返回。
    ②双作用气缸:从活塞两侧交替供气,在一个或两个方向输出力。
    ③膜片式气缸:用膜片代替活塞,只在一个方向输出力,用弹簧复位。它的密封性能好,但行程短。
    ④冲击气缸:这是一种新型元件。它把压缩气体的压力能转换为活塞高速(10~20米/秒)运动的动能,借以做功。
     ⑤无杆气缸:没有活塞杆的气缸的总称。有磁性气缸,缆索气缸两大类。
    做往复摆动的气缸称摆动气缸,由叶片将内腔分隔为二,向两腔交替供气,输出轴做摆动运动,摆动角小于 280°。此外,还有回转气缸、气液阻尼缸和步进气缸等。
   结构
    气缸是由缸筒、端盖、活塞、活塞杆和密封件等组成,其内部结构如图所示:
    1)缸筒
    缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动,缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8μm。
    SMC、 CM2气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封,活塞与活塞杆用压铆链接,不用螺母。
    2)端盖
    端盖上设有进排气通口,有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈,以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖上设有导向套,以提高气缸的导向精度,承受活塞杆上少量的横向负载,减小活塞杆伸出时的下弯量,延长气缸使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁,为减轻重量并防锈,常使用铝合金压铸,微型缸有使用黄铜材料的。
    3)活塞
    活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气,设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性,减少活塞密封圈的磨耗,减少摩擦阻力。耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。滑动部分太短,易引起早期磨损和卡死。活塞的材质常用铝合金和铸铁,小型缸的活塞有黄铜制成的。
    4)活塞杆
    活塞杆是气缸中最重要的受力零件。通常使用高碳钢、表面经镀硬铬处理、或使用不锈钢、以防腐蚀,并提高密封圈的耐磨性。
    5)密封圈
    回转或往复运动处的部件密封称为动密封,静止件部分的密封称为静密封。
    缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种:
    整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。
    6)气缸工作时要靠压缩空气中的油雾对活塞进行润滑。也有小部分免润滑气缸。
   区别
    从传统观念来看,气缸与电动执行器一直被认为是属于两个完全不同领域的自动化产品,但是近年来,随着电气化程度的不断提高,电动执行器却慢慢浸入气动领域,二者在应用中既有竞争又相互补充。在本期栏目中,我们将从技术性能、购买和应用成本、能源效率、应用场合及市场形势等几个方面来对比气缸与电动执行器各自的优势
   技术性能
    众所周知,相比电动执行器,气缸可在恶劣条件下可靠地工作,且操作简单,基本可实现免维护。气缸擅长作往复直线运动,尤其适于工业自动化中最多的传送要求——工件的直线搬运。而且,仅仅调节安装在气缸两侧的单向节流阀就可简单地实现稳定的速度控制,也成为气缸驱动系统最大的特征和优势。所以对于没有多点定位要求的用户,绝大多数从使用便利性角度更倾向于使用气缸。目前工业现场使用电动执行器的应用大部分都是要求高精度多点定位,这是由于用气缸难以实现,退而求其次的结果。
  而电动执行器主要用于旋转与摆动工况。其优势在于响应时间快,通过反馈系统对速度、位置及力矩进行精确控制。但当需要完成直线运动时,需要通过齿形带或丝杆等机械装置进行传动转化,因此结构相对较为复杂,而且对工作环境及操作维护人员的专业知识都有较高要求。
优势
    (1)对使用者的要求较低。气缸的原理及结构简单,易于安装维护,对于使用者的要求不高。电缸则不同,工程人员必需具备一定的电气知识,否则极有可能因为误操作而使之损坏。
  (2)输出力大。气缸的输出力与缸径的平方成正比;而电缸的输出力与三个因素有关,缸径、电机的功率和丝杆的螺距,缸径及功率越大、螺距越小则输出力越大。一个缸径为50mm的气缸,理论上的输出力可达2000N,对于同样缸径的电缸,虽然不同公司的产品各有差异,但是基本上都不超过1000N。显而易见,在输出力方面气缸更具优势。
  (3)适应性强。气缸能够在高温和低温环境中正常工作且具有防尘、防水能力,可适应各种恶劣的环境。而电缸由于具有大量电气部件的缘故,对环境的要求较高,适应性较差。
  电缸的优势主要体现在以下3个方面:
  (1)系统构成非常简单。由于电机通常与缸体集成在一起,再加上控制器与电缆,电缸的整个系统就是由这三部分组成的,简单而紧凑。
  (2)停止的位置数多且控制精度高。一般电缸有低端与高端之分,低端产品的停止位置有3、5、16、64个等,根据公司不同而有所变化;高端产品则更是可以达到几百甚至上千个位置。在精度方面,电缸也具有绝对的优势,定位精度可达¡0.05mm,所以常常应用于电子、半导体等精密的行业。
  (3)柔韧性强。毫无疑问,电缸的柔韧性远远强于气缸。由于控制器可以与PLC直接进行连接,对电机的转速、定位和正反转都能够实现精确控制,在一定程度上,电缸可以根据需要随意进行运动;由于气体的可压缩性和运动时产生的惯性,即使换向阀与磁性开关之间配合地再好也不能做到气缸的准确定位,柔韧性也就无从谈起了。
    在技术性能方面,本人认为电动和气动各有所长,首先电动执行器的优势主要包括:
  (1)结构紧凑,体积小巧。比起气动执行器,电动执行器结构相对简单,一个基本的电子系统包括执行器,三位置DPDT开关、熔断器和一些电线,易于装配。
  (2)电动执行器的驱动源很灵活,一般车载电源即可满足需要,而气动执行器需要气源和压缩驱动装置。
  (3)电动执行器没有“漏气”的危险,可靠性高,而空气的可压缩性使得气动执行器的稳定性稍差。
  (4)不需要对各种气动管线进行安装和维护。
  (5)可以无需动力即保持负载,而气动执行器需要持续不断的压力供给。
  (6)由于不需要额外的压力装置,电动执行器更加安静。通常,如果气动执行器在大负载的情况下,要加装消音器。
  (7)电动执行器在控制的精度方面更胜一筹。
  (8)气动装置中的通常需要把电信号转化为气信号,然后再转化为电信号,传递速度较慢,不宜用于元件级数过多的复杂回路。
    而气缸的优势则在于以下4个方面:
  (1)负载大,可以适应高力矩输出的应用(不过,现在的电动执行器已经逐渐达到目前的气动负载水平了)。
  (2)动作迅速、反应快。
  (3)工作环境适应性好,特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射和振动等恶劣工作环境中,比液压、电子、电气控制更优越。
  (4)行程受阻或阀杆被扎住时电机容易受损。
    购买和应用成本比较
  从总体上来讲,电伺服驱动比气动伺服驱动要贵,但也要因具体要求及场合而定。有些小功率的直流电机构成电动滑台(电伺服系统)实际上比气动伺服系统要便宜。
  如:当负载为1.5kg、工作行程为80mm、速度在2~170mm/s之间、精度为¡0.1mm、加速度2.5m/s2等工况条件时,FESTO公司采用小型电动滑台、控制器、马达电缆、控制电缆、编程电缆以及电源电缆等组成的电伺服系统,其价格就比气动伺服系统便宜25%。同样,对于带活塞杆电缸也是如此。需要说明的是如果采用交流电机的话,所组成的电伺服系统的价格要比气动伺服系统高出40%左右。
  从购买和应用成本来看,目前气缸还是具有比较明显的优势的。对于气动系统来说,控制系统及执行机构都非常简单,每个气缸只需配置一个电磁阀就可完成气路的切换,进行运动控制,气缸发生故障的概率也比较小,维护简单方便,成本也低。
  而对于电动执行器来说,虽然电能的获得比较简单,能量成本较低,但购买及应用成本较高,不仅需要配置电机,还需要一套机械传动机构以及相应的驱动元件。同时使用电动执行器需要很多保护措施,错误的电路连接、电压的波动及负载的超载都会对电驱动器造成损坏,因此需要在电路及机械上加装保护系统,增加了很多额外的费用支出。另外,由于电动执行器驱动单元的参数化设置较多,且集成度高,所以其一旦发生故障,就要更换整个元件。而且当系统需要的驱动力增加时,也要成套更换元件才能实现。因此综合比较可以看出气缸在购买及维护成本上有较大优势。
    能源效率比较
  我们研究的结果表明,在往复运动周期较短(小于1min)的水平往复运动中,电动执行器的运行能耗通常低于气缸的运行能耗,即更节能。而在往复运动周期较长(大于1min)时,气缸竟然变得更节能。这首先是由于终端停止时电动执行器的控制器通常需要消耗约10W的电力,而气缸仅有电磁阀耗电和气体泄露,一般低于1W,即终端停止时间越长,对气缸越有利;其次电机在连续旋转条件下的额定效率可达90%以上,但在直线往复运动(丝杠转换)中的台形加减速旋转条件下的平均效率却不到50%。在竖直往复运动时,夹持工件的保持动作要求不断供给电流给电动执行器以克服重力,而气缸只需关闭电磁阀即可,耗电极少。因此在竖直往复运动时电动执行器相比气缸的能耗优势不是很大。
  由上可见,电机本身效率很高,但在往复直线运动中考虑其效率下降及控制器的电力消耗,电动执行器未必一定比气缸节能,具体比较取决于实际的工作条件,即安装方向、往复运动周期和负载率等。
    应用场合比较
  气动系统和电动系统并不互相排斥。相反,这只是一个要求不同的问题。气动驱动器的优势显而易见,当面临诸如灰尘、油脂、水或清洁剂等恶劣的环境条件时,气动驱动器就显得较适应恶劣环境,而且非常坚固耐用。气动驱动器容易安装,能提供典型的抓取功能,价格便宜且操作方便。
  在作用力快速增大且需要精确定位的情况下,带伺服马达的电驱动器具有优势。对于要求精确、同步运转、可调节和规定的定位编程的应用场合,电驱动器是最好的选择,带闭环定位控制器的伺服或步进马达所组成的电驱动系统能够补充气动系统的不足之处。
  从技术和使用成本的角度来说,气缸占有较明显的优势,但在实际使用中究竟应该选用哪种技术做驱动控制,还是应从多方因素进行综合考量。现代控制中各种系统越来越复杂、越来越精细,并不是某种驱动控制技术就可满足系统的多种控制功能。气缸可以简单的实现快速直线循环运动,结构简单,维护便捷,同时可以在各种恶劣工作环境中使用,如有防爆要求、多粉尘或潮湿的工况。
  电动执行器主要用于需要精密控制的应用场合,现在自动化设备中柔性化要求在不断提升,同一设备往往要求适应不同尺寸工件的加工需要,执行器需要进行多点定位控制,而且要对执行器的运行速度及力矩进行精确控制或同步跟踪,这些利用传统气动控制是无法实现的,而电动执行器就能非常轻松的实现此类控制。由此可见气缸比较适用于简单的运动控制,而电执行器则多用于精密运动控制的场合。
    市场形势比较
  气缸驱动系统自70年代以来就在工业自动化领域得到了迅速普及。今天,气缸已成为国内外工业生产领域中PTP(PointToPoint)搬运的主流执行器,以气缸驱动系统为核心的气动元器件市场规模已达到110亿美元的规模。
  九十年代开始,电机及其微电子控制技术迅速发展,使电动执行器在工业自动化中的应用成为可能。而且,半导体产业的兴起也直接促进了能实现高精度多点定位的电动执行器在工业领域应用的扩大。
  九十年代末期,日本等主要工业发达国家,甚至一度出现了电动执行器即将取代气缸,气缸将退出历史舞台的论调。因为人们普遍认为电动执行器中电机的能量转换效率高,而气缸能量转换效率较低,低效的产品必将被淘汰出局。然而,十年过去了,电动执行器在工业现场并未得到普及,其市场规模与气动相比还有很大差距。而且,无论是在工业发达国家,还是在中国等新兴工业国家,气缸的销量不仅没有减少,而且还在稳步地增长。在中国,近几年气缸销量的年增长速度一直维持在20%以上。
  如需要科学、客观地评价两者,必须采用全生命周期评价(LifeCycleAssessment)手法,考虑比较制造阶段、使用阶段、废弃阶段三个阶段的综合指标。具体指标有成本、能耗、对环境的负担(主要是排放物等)。譬如成本,电动执行器在运行能耗(使用阶段)成本上有优势,但维护成本(使用阶段)和购置成本(制造阶段)都比气缸要高得多,在该指标上的比较应建立在所有成本的总和上。
    在总成本上,我们的研究结果表明,气缸在大多数工业应用场合具有一定优势。
  综合以上分析,我们应该看出,气缸与电动执行器各有特点,不可单纯地用效率的高低来评价其优劣。随着电气技术的发展,电动执行器的成本还会进一步下降,预期其应用领域还会进一步拓广,但要完自吸无堵塞排污泵全取代气缸是不现实的。
  从市场形式来看,前面己经提到若电缸从一开始就参照气缸的外形及安装连接尺寸生产,是一个很好的开端。而对于目前还未有ISO标准的无杆气缸和气动滑台,则同样采用相对应的外形及安装连接尺寸,这个便利的措施能够杜绝气驱动与电驱动在安装、添置或更换方面无谓的竞争。FESTO公司的电驱动产品包含了300多种可自由组合的抓取模块和多轴系统。在Festo,电驱动器不是气动驱动器的竞争产品,而是对气动驱动器性能的完美补充。电驱动器的特点是精确和灵活。在作用力快速消失和需要精确定位的应用场合,电驱动器是无堵塞自吸排污泵理想的决方案。
  因此今后气缸与电动执行器的发展应该是处于非常良性状况和互补的,也一定会按照这两门技术自身的科学自然发展规律发展

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