气动技术_5、气动执行元件(2)

5.3 摆动马达

    摆动马达是一种在一定角度范围内作往复摆动的气动执行元件。它将压缩空气的压力能转换成机械能，输出转矩使机构实现往复摆动。常用摆动马达的最大摆动角度分别为90°、180°、270°三种规格。

    摆动马达轴承受转矩，对冲击的耐力小，因此当受到驱动物体停止时的冲击作用时容易损坏，需采用缓冲机构或安装制动器。

摆动马达按结构特点可分为叶片式、齿轮齿条式、螺杆式和曲柄式等。除叶片式外，都带有气缸和转换为回转运动的传动机构。

一、结构

（一）叶片式摆动马达

1) 种类

    叶片式摆动马达具有种类多、结构紧凑、工作效率高等特点，常用于物体的翻转、分类、夹紧等作业，也用作机械手的指腕关节部，用途十分广泛。

(1)磁性开关摆动马达 这是一种在转轴侧装有开关组件的摆动马达。开关类型有无触点型和有触点型两种。根据型号不同，开关的位置有可调型和固定型两种。此外，这种摆动马达与带磁性开关气缸一样，具有开关的响应位置差的缺点，使用时应予注意。

(2)带阀摆动马达 这是将电磁阀安装在标准摆动马达特制底座上构成的一种组合型摆动马达。其特点是省略了电磁阀和摆动马达之间的接管，从而使接管费用及材料费用减少。其缺点是电磁阀无法集中接线，必须逐台接线，给维修带来不便。

(3)转角可变型摆动马达

    这种摆动马达的端部设有挡块止动组件。可通过调节挡块的位置，实现设定转角从30°至最大转动角度。使用挡块止动组件上的微调螺钉，可进行角度位置的精确调整。此外，这种摆动马达也可构成带阀摆动马达。

(4)多位摆动马达

    这种摆动马达的结构与多位气缸相类似，相当于2个摆动马达套装组成，由内外摆动马达的各自转角合成总的转角，有4个停止位置。内马达的转角为30°～180°，外侧马达的转角可在30°～180°内自由设定。使用外部止动器的调节螺钉，可精密调整转角位置。这种马达采用双叶片，使转矩增大一倍。其转轴支承采用精密滚珠轴承方式，回转精度好。多位摆动马达的动作说明，如图5.33所示。

2) 结构原理

    叶片式摆动马达可分为单叶片式和双叶片式两种。单叶片输出轴转角大(小于360°)；双叶片输出轴转角小(小于180°)。图5.34所示为叶片式摆动马达结构与工作原理图。它是由叶片轴转子(即输出轴)、定子、缸体和前后端盖等部分组成。定子和缸体固定在一起，叶片和转子连在一起。叶片轴密封圈整体硫化在叶片轴上，止动挡块上的密封件为镶装方式，叶片滑动部分采用低阻尼的特殊唇形密封件。前后端盖装有滚动轴承。

    叶片式摆动马达工作原理如图5.34c、d所示。在定子上有两条气路，单叶片左路进气时，右路排气。压缩空气推动叶片带动转子逆时针转动。反之,作顺时针转动。通过换向阀控制马达的进排气方向。

    叶片式摆动马达产生的理论转矩M由下式计算：

 （N·m）

式中： D一缸体内径(m)；

d一输出轴直径(m)；

b一叶片输出轴长度(m)；

n一叶片数；

p—工作压力(MPa)。

    因密封件的滑动阻力，摆动马达实际输出转矩要比理论值小，实际输出转矩称有效转矩，其与理论转矩的比值称转矩效率η，如图5.35所示的某型号的摆动马达，一般小于80%。

3) 主要性能

1)输出转矩 表示摆动马达的输出能力。

2)摆动角 单叶片式和双叶片式的最大摆动角因结构而异。除最大摆动角外，经常使用的摆动角为90°、180°和270°。各种不同型号的摆动马达，其摆动的开始位置不同。

3)最高使用频度 是指摆动马达在无负载状态下，工作压力为0.5MPa时，每分钟可摆动的次数。该指标用于需要连续摆动的场合。

4)摆动时间 是指摆动马达动作一次所需要的时间。

5)许用径向载荷和许用轴向载荷 表示摆动马达输出轴的载荷能力参数，由轴的支承结构所决定。应当注意，当施加的载荷超过规定时，会损坏轴的支承和缸内的滑动表面。

6)许用惯量 是指输出轴所能承受的惯性能量。轴一般采用铬钼合金钢制成并经过热处理，有足够的强度。但施加了超出许用值的惯量时，也会发生断轴事故。

7)泄漏量 摆动马达的受压作用部件为长方形，密封比较困难，允许有少量泄漏。

8)耗气量 摆动马达的耗气量可用下式计算：

式中 qv一一耗气量(dm3／min)(标准状态)；

V一一摆动马达容积(cm3)；

N一一频度(循环次数／min)；

P——-作压力(MPa)。

(二)曲柄式摆动马达

    这是将活塞的直线往复运动通过曲柄转变为摆动运动的摆动马达。其结构原理如图5.36所示。

这种摆动马达结构简单可靠。由于曲柄和活塞之间运动方向有一角度，使输出转矩产生差值，因此应根据输出转矩的大小，相应改变活塞的直径。 ．

（三）螺杆式摆动马达

    图5.37所示为其结构原理图，将活塞杆直接加工成螺杆，活塞的往复直线运动通过螺杆转变为摆动运动。其输出轴的转矩用下式计算：

式中 M ——转矩(N．m)；

 D一一缸体内径(cm)；

d一一螺杆平均直径(cm)；

p1一一T作压力(MPa)；

P2一一活塞背压力(MPa)；

l一一螺杆的导程(cm)；

μ一一螺杆的摩擦系数；

η一一效率。

     螺杆式摆动马达由于螺杆的摩擦损失以及用来制止活塞反向回转的导向杆的摩擦力非常大，所以其效率不高。对于这种结构其摆动角度可大于360°

（四）齿轮齿条式摆动马达

图5.38所示为齿轮齿条式摆动马达结构原理图，其动作是把连结在活塞上的齿条的往复直线运动转变为齿轮的回转摆动。活塞仅作往复直线运动，摩擦损失小，齿轮的效率较高。若制造质量好，效率可达95％左右。这种摆动马达的回转角度不受限制，可超过360°(实际使用一般不超过360°)，但不宜太大，否则齿条太长也不合适。

图5.38a是单齿条式，图5.38b是双齿条式结构。图5.38a中，当气缸右腔进气，左腔排气，活塞推动齿条向左运动，齿条推动齿轮和轴作逆时针方向旋转运动，输出转矩。反之，如左腔进气右腔排气，活塞向右运动，齿条推动齿轮作顺时针方向旋转。其回转角度θ取决于活塞的行程和齿轮的节圆直径。

二、使用注意事项

（一）载荷方式

   作回转运动的物体停止时的动能对马达输出轴的冲击影响，要比作直线运动的物体对普通气缸活塞杆的影响大得多。而且摆动马达输出轴承对冲击的承受力小。摆动马达输出轴受到轴向和横向的直接载荷时，会引起工作不良，应按图5.39所示的载荷方式安装。当载荷量大、工作速度高时，还应考虑设置吸收惯性冲击的外部液压缓冲器。

（二）速度控制

    摆动马达的容积较小，速度的控制比较困难。低速工作时会产生爬行现象，使回转不平稳。此时可使用气液系统进行低速控制。高速工作时，回转叶片外侧的线速度可达到700mm／s，会产生摩擦升温，使密封件发生异常磨损，应予注意。

   采用气液系统控制摆动马达速度时，由于摆动马达叶片密封造成的内部泄漏，会造成气液系统供油的左右不平衡，产生往复速度不一致的现象。如出现这种现象，应使用图5.40所示的平衡阀进行调节。

5.4 气马达

    气马达是将压缩空气的能量转换成连续回转运动的气动执行元件。按结构形式可分为叶片式、活塞式和齿轮式三类。

    气马达和电动机相比，有如下特点：

1)工作安全，适用于恶分的工作环境，在易燃、高温、振动、潮湿及粉尘等不利条件下都能正常工作。

2)有过载保护作用，不会因过载而发生烧毁。过载时气马达只会降低速度或停车；当负载减小时即能重新正常运转。

3)能够实现正反转。气马达回转部分惯性矩小，且空气本身的惯性也小，所以能快速启动和停止。只要改变进排气方向，就能实现输出轴的正转和反转转换。

4)满载连续运转，由于压缩空气的绝热膨胀的冷却作用，能降低滑动摩擦部分的发热，因此气马达可在高温环境中使用。在长时间满载连续运转时，其温升较小。

5)功率范围及转速范围较宽，气马达功率小到几百瓦，大到几万瓦，转速可以从零到25000r／min或更高。

6)操纵方便，维修简单。

7)效率较低。

一、气马达的结构

（一）叶片式气马达

    图5.41所示为叶片式气马达结构原理图。主要由定子、转子、、叶片及壳体构成。在定子上有进一排气用的配气槽孔。转子上铣有长槽。槽内装有叶片。定子两端盖有密封盖。转子与定子偏心安装。这样，沿径向滑动的叶片与壳体内腔构成气马达工作腔室。

    气马达工作原理同液压马达相似。压缩空气从输人口A进入。作用在工作室两侧的叶片上。由于转子偏心安装，气压作用在两侧叶片上产生的转矩差，使转子按逆时针方向旋转。当偏心转子转动时，工作室容积发生变化，在相邻工作室的叶片上产生压力差，利用该压力差推动转子转动。作功后的气体从输出口排出。若改变压缩空气输入方向，即可改变转子的转向。

    图5.41a所示叶片式气马达采用了不使压缩空气膨胀的结构形式，即非膨胀式，工作原理如上所述。图5.41b所示叶片式气马达采用了保持压缩空气膨胀行程的结构形式。当转子转到排气口C位置时，工作室内的压缩空气进行一次排气，随后其余压缩空气继续膨胀直至转子转到输出口B位置进行二次排气。气马达采用这种结构能有效地利用部分压缩空气膨胀时的能量，提高输出功率。非膨胀式气马达与膨胀式气马达相比，其耗气量大，效率低；单位容积的输出功率大，体积小，重量轻。

    叶片式气马达一般在中、小容量及高速回转的范围使用，其耗气量比活塞式大，体积小，重量轻，结构简单。其输出功率为0.1—20kW，转速为500～25000r／min。另外，叶片式气马达启动及低速运转时的特性不好，在转速500r／min以下场合使用，必需要配用减速机构。叶片式气马达主要用于矿山机械和气动工具中。

（二）活塞式气马达

    这是一种通过曲柄或斜盘将若干个活塞的直线运动转变为回转运动的气马达。其结构有径向活塞式和轴向活塞式两种。

    图5.42a所示为最普通的径向活塞式气马达的结构原理。其工作室由活塞和缸体构成。3～6个气缸围绕曲轴呈放射状分布，每个气缸通过连杆与曲轴相连。通过压缩空气分配阀向各气缸顺序供气，压缩空气推动活塞运动，带动曲轴转动。当配气阀转到某角度时，气缸内的余气经排气口排出。改变进、排气方向，可实现气马达的正、反转换向。

    图5.42b所示为轴向活塞式气马达的结构原理。在轴向均布着气缸，在输入压缩空气的作用下气缸活塞依次作往复直线运动，通过斜盘作用，把直线运动转变为输出轴的回转运动。

    这种气马达适用于转速低、转矩大的场合。其耗气量不比其它气马达小，且构成零件多，价格高。其输出功率为0.2—20kW，转速为200～4500r／min。活塞式气马达主要应用于矿山机械，也用作传送带等的驱动马达。

(三)齿轮式气马达

    齿轮式气马达有双齿轮式和多齿轮式，而以双齿轮式应用得最多。齿轮可采用直齿、斜齿和人字齿。图5.43为齿轮式气马达结构原理。这种气马达的工作室由一对齿轮构成，压缩空气由对称中心处输入，齿轮在压力的作用下回转。采用宜齿轮的气马达可以正反转动，采用人字齿轮或斜齿轮的气马达则不能反转。

    如果采用直齿轮的气马达，则供给的压缩空气通过齿轮时不膨胀，因此效率低。当采用人字齿轮或斜齿轮时，压缩空气膨胀60％一70％，提高了效率。

    齿轮式气马达与其它类型的气马达相比，具有体积小、重量轻、结构简单、对气源质量要求低、耐冲击及惯性小等优点。但转矩脉动较大，效率较低。小型气马达转速能高达10000r／min,大型的能达到1000r／min，功率可达50kW。主要应用于矿山工具。

5.5 真空元件

一、真空泵与真空发生器

    在原理上，真空泵同空气压缩机几乎没有差异，区别在于连接在进口端还是出口端。真空发生是利用空气或水喷射出气流或水流的流体动能，从一个容积中（如吸盘或类似空腔）抽吸出空气，使其建立真空(负压)。

    这两种真空形成方法的主要差别是：通常真空泵要连接一个气罐，使其随时都有高的抽吸流量，甚至还高于泵的工作能力。而对于真空发生器来说，不需要附带气罐。

    图5.44说明了一个真空发生器的工作原理。通过喷咀形成一股空气喷射流，并吹入一个内腔截面增加一倍的管道，其称之为“扩压管”，空气喷射流的边缘与周围空气间的摩擦形成涡流，而且周围的空气将混入喷射流中使其加宽，因此空气被吸入扩压管，使其高于喷嘴端的空气消耗，在喷嘴与扩压管之间造成容积差异产生真空。出口端流量以标准容积表示。 真空发生器有时也用水来代替压缩空气抽吸空气。

    在图a和b中喷咀和扩压管的直径有差异：大的喷咀和扩压管能形成高的流量，但是是有限的真空，小喷咀和扩压管产生高的真空，但是容积和流量受限制。

    同样对于真空发生器可能有两级，较小的喷咀的发生器的第一级，而第一级的扩压管对于第二级发生器的扩压管来说相当于喷咀,这种布置有两段产生真空。如图5.45所示。具有较小喷嘴的第一级能够产生高真空，相对而言有较大的扩压管的第二级能抽出更大体积的空气，就使得首先形成一个高流量并在达到一定真空后，利用控制阀转变力更高的真空度。

     真空吸盘是利用吸盘内形成的负压(真空)来吸附工件的一种气动元件，常用作机械手的抓取机构。其吸力为1—10000N，适用于抓取薄片状的工件，如塑料片、硅钢片、纸张(盒)及易碎的玻璃器皿等，要求工件表面平整光滑、无孔和无油污。

    利用真空吸附工件，其最简单的方法是由真空发生器和真空吸盘构成一体的组件。典型的真空组件由真空发生器、真空吸盘、压力开关和控制阀构成。真空组件的结构、工作原理如下：

1) 真空发生器

    图4.46为其结构原理，由先收缩后扩张的喷嘴、扩散管和吸附口等组成。压缩空气从输入口供给，在喷嘴两端压差高于一定值后，喷嘴射出超声速射流或近声速射流。由于高速射流的卷吸作用，将扩散腔的空气抽走。使该腔形成真空。在吸附口接上真空吸盘，便可形成一定的吸力，吸起各种物体。

    图5.47所示为真空发生器的特性曲线，图5.47a所示为几何尺寸一定的真空发生器，其最高真空度、空气消耗量和吸人流量与工作压力的关系。所谓吸人流量，是指吸附口通大气时，从吸附口吸入的流量。若吸附口完全被封闭，则吸附口内达最大真空度。图5.47b表示吸附口不完全封闭时，在一定工作压力下，吸人流量与真空度的关系。

真空发生器常设计成二级扩散管形式，如图5.45所示。采用二级式真空发生器与单级式产生的真空度是相同的，但在低真空度时吸入流量增加约一倍。这样，在保持低真空度的应用场合，吸附动作响应快。如用于吸取透气性工件时特别有效。

真空发生器的吸力可按下式计算：  式中 F一一吸力(N)；

P一一真空度(MPa)；A一一吸盘的有效面积(m2)；n一一吸盘数量；α一一安全系数。

吸力计算时，考虑到吸附动作的响应快慢。真空度一般取最高真空度的70％一80％。安全系数与吸盘吸物的受力、状态、吸附表面粗糙度、吸附表面有无油污和吸附物的材质等有关。水平起吊时(图5.48a)，标准吸盘(吸盘头部直杆连接)的安全系数α≥2；摇头式吸盘、回转式吸盘的α≥4。垂直起吊时的安全系数 (图5.48b)标准吸盘：α≥4；摇头式吸盘、回转式吸盘:α≥8。

2) 真空吸盘

    吸盘常采用丁腈橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚氨酯等材料制成碗状或杯状，如图5.49所示。根据工件的形状和大小，可以在安装支架上安装单个或多个真空吸盘。

3) 真空开关

    一般在真空组件里内置真空开关，其用途有：①真空系统的真空度控制,②有无工件的确认,③工件吸着确认,④工件脱离确认。

4) 控制阀

    真空组件里常用两种电磁阀，真空发生用电磁阀和真空释放用电磁阀。图5.49所示为一种真空组件动作原理图。图5.49a所示为真空发生电磁阀A通电时的工作状况，此时供气通路接通，压缩空气流人真空发生器产生真空，可以用来吸附工件。图5.49b所示为真空释放电磁阀B通电时的工作状况。当被吸附的工件到位需要释放时，真空发生电磁阀A和释放电磁阀B同时动作(A断电，B通电)。此时。停止产生真空,同时压缩空气经B从吸附口流向吸盘，将工件快速释放。由此可见，真空发生用的电磁阀A的作用是接通供气，真空释放电磁阀B的作用是加快工件释放。