氣動執行元件和控制元件 
氣動執行元件是一種能量轉換裝置，它是將壓縮空氣的壓力能轉化為機械能，驅動機構實現直線往復運動、擺動、旋轉運動或沖擊動作。氣動執行元件分為氣缸和氣馬達兩大類。氣缸用於提供直線往復運動或擺動，輸出力和直線速度或擺動角位移。氣馬達用於提供連續回轉運動，輸出轉矩和轉速。
氣動控制元件用來調節壓縮空氣的壓力流量和方向等，以保證執行機構按規定的程序正常進行工作。氣動控制元件按功能可分為壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥。
氣缸
一、氣缸的工作原理、分類及安裝形式
1.氣缸的典型結構和工作原理
圖 1 普通雙作用氣缸
1、3－緩沖柱塞 2－活塞 4－缸筒 5－導向套 6－防塵圈7－前端蓋 8－氣口 9－傳感器 10－活塞桿 11－耐磨環 12－密封圈 13－後端蓋 14－緩沖節流閥
以氣動系統中最常使用的單活塞桿雙作用氣缸為例來說明，氣缸典型結構如(圖1)所示。它由缸筒、活塞、活塞桿、前端蓋、後端蓋及密封件等組成。雙作用氣缸內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載推動活塞運動，使活塞桿伸出；當有桿腔進氣，無桿腔排氣時，使活塞桿縮回。若有桿腔和無桿腔交替進氣和排氣，活塞實現往復直線運動。
2.氣缸的分類
氣缸的種類很多，一般按氣缸的結構特征、功能、驅動方式或安裝方法等進行分類。分類的方法也不同。按結構特征，氣缸主要分為活塞式氣缸和膜片式氣缸兩種。按運動形式分為直線運動氣缸和擺動氣缸兩類。
3.氣缸的安裝形式 氣缸的安裝形式可分為
1）固定式氣缸 氣缸安裝在機體上固定不動，有腳座式和法蘭式。
2）軸銷式氣缸 缸體圍繞固定軸可作一定角度的擺動，有U形鉤式和耳軸式。
3）回轉式氣缸 缸體固定在機床主軸上，可隨機床主軸作高速旋轉運動。這種氣缸常用於機床上氣動卡盤中，以實現工件的自動裝卡。
4）嵌入式氣缸 氣缸缸筒直接制作在夾具體內。
二、常用氣缸的結構原理
1.普通氣缸
包括單作用式和雙作用式氣缸。常用於無特殊要求的場合。
圖2為最常用的單桿雙作用普通氣缸的基本結構，氣缸一般由缸筒、前後缸蓋、活塞、活塞桿、密封件和緊固件等零件組成。
缸筒7與前後缸蓋固定連接。有活塞桿側的缸蓋5為前缸蓋，缸底側的缸蓋14為後缸蓋。在缸蓋上開有進排氣通口，有的還設有氣緩沖機構。前缸蓋上，設有密封圈、防塵圈3，同時還設有導向套4，以提高氣缸的導向精度。活塞桿6與活塞9緊固相連。活塞上除有密
封圈10，11防止活塞左右兩腔相互漏氣外，還有耐磨環12以提高氣缸的導向性；帶磁性開關的氣缸，活塞上裝有磁環。活塞兩側常裝有橡膠墊作為緩沖墊8。如果是氣緩沖，則活塞
兩側沿軸線方向設有緩沖柱塞，同時缸蓋上有緩沖節流閥和緩沖套，當氣缸運動到端頭時，
圖 2 普通雙作用氣缸
1，13－彈簧擋圈 2－防塵圈壓板 3－防塵圈 4－導向套 5－桿側端蓋 6－活塞桿
7－缸筒 8－緩沖墊 9－活塞 10－活塞密封圈 11－密封圈 12－耐磨環 14－無桿側端蓋
緩沖柱塞進入緩沖套，氣缸排氣需經緩沖節流閥，排氣阻力增加，產生排氣背壓，形成緩沖氣墊，起到緩沖作用。
2.特殊氣缸
圖 3 薄膜氣缸
1－缸體 2－膜片 3－膜盤 4－活塞桿
為瞭滿足不同的工作需要，在普通氣缸的基礎上，通過改變或增加氣缸的部分結構，設計開發出多種特殊氣缸。
（1）薄膜式氣缸 圖3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）。
圖13－3所示的膜片氣缸的功能類似於彈簧復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。它的優點是：結構簡單、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，適用於行程短的場合。缺點是行程短，一般不超過50mm。平膜片的行程更短，約為其直徑的1/10。
（2）磁性開關氣缸 磁性開關氣缸是指在氣缸的活塞上安裝有磁環，在缸筒上直接安裝磁性開關，磁性開關用來檢測氣缸行程的位置，控制氣缸往復運動。因此，就不需要在缸筒上安裝行程閥或行程開關來檢測氣缸活塞位置，也不需要在活塞桿上設置擋塊。
其工作原理如圖13－4所示。它是在氣缸活塞上安裝永久磁環，在缸筒外殼上裝有舌簧開關。開關內裝有舌簧片、保護電路和動作指示燈等，均用樹脂塑封在一個盒子內。當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，則開關接通。當永久磁鐵返回離開時，磁場減弱，兩簧片彈開，則開關斷開。由於開關的接通或斷開，使電磁閥換向，從而實現氣缸的往復運動。
圖4磁性開關氣缸
1－動作指示燈 2－保護電路 3－開關外殼4－導線5－活塞6－磁環7－缸筒8－舌簧開關
氣缸磁性開關與其它開關的比較見表3-1。
表3-1 氣缸磁性開關與其它開關的比較
開關形式 | 控制原理 | 成本 | 調整安裝復雜性 |
磁性開關 | 磁場變化 | 低 | 方便，不占位置 |
行程開關 | 機械觸點 | 低 | 麻煩，占位置 |
接近開關 | 阻抗變化 | 高 | 麻煩，占位置 |
光電開關 | 光的變化 | 高 | 麻煩，占位置 |
（3）帶閥氣缸 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行元件。它省去瞭連接管道和管接頭，減少瞭能量損耗，具有結構緊湊，安裝方便等優點。帶閥氣缸的閥有電控、氣控、機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。如圖5 所示，電磁換向閥安裝在氣缸的上部，當有電信號時，則電磁閥被切換，輸出氣壓可直接控制氣缸動作。
圖 5 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－單向節流閥組合件7－密封圈。
（4）帶導桿氣缸 圖6為帶導桿氣缸，在缸筒兩側配導向用的滑動軸承（軸瓦式或滾珠式），因此導向精度高，承受橫向載荷能力強。
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圖6典型帶導桿氣缸的結構
（5）無桿氣缸 無桿氣缸是指利用活塞直接或間接方式連接外界執行機構，並使其跟隨活塞實現往復運動的氣缸。這種氣缸的最大優點是節省安裝空間。
1）磁性無桿氣缸 活塞通過磁力帶動缸體外部的移動體做同步移動，其結構如圖7所示。它的工作原理是：在活塞上安裝一組高強磁性的永久磁環，磁力線通過薄壁缸筒與套在外麵的另一組磁環作用，由於兩組磁環磁性相反，具有很強的吸力。當活塞在缸筒內被氣壓推動時，則在磁力作用下，帶動缸筒外的磁環套一起移動。氣缸活塞的推力必須與磁環的吸力相適應。
圖7 磁性無桿氣缸
1－套筒 2－外磁環 3－外磁導板 4－內磁環 5－內磁導板 6－壓蓋 7－卡環8－活塞 9－活塞軸 10－緩沖柱塞 11－氣缸筒 12－端蓋 13－進、排氣口
2）機械接觸式無桿氣缸 稱機械接觸式無桿氣缸，其結構如圖8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。
為瞭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。活塞與滑塊連接在一起，帶動固定在滑塊上的執行機構實現往復運動。
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)不需設置防轉機構；3)適用於缸徑10～80mm，最大行程在缸徑≥40mm時可達7m；4)速度高，標準型可達0.1～0.5m/s；高速型可達到0.3～3.0m/s。
其缺點是：1)密封性能差，容易產生外泄漏。在使用三位閥時必須選用中壓式；2)受負載力小，為瞭增加負載能力，必須增加導向機構。
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圖 8 機械接觸式無桿氣缸
l－節流閥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
（6）鎖緊氣缸 帶有鎖緊裝置的氣缸稱為鎖緊氣缸。按鎖緊位置分為行程末端鎖緊型和任意位置鎖緊型。
1）行程末端鎖緊型氣缸 如圖9所示，當活塞運動到行程末端，氣壓釋放後，鎖定活塞1在彈簧力的作用下插入活塞桿的卡槽中，活塞桿被鎖定。供氣加壓時，鎖定活塞1縮回退出卡槽而開鎖，活塞桿便可運動。
圖9帶端鎖氣缸的結構原理
a）手動解除非鎖式 b）手動解除鎖式。
1－鎖定活塞2－橡膠帽3，12－帽4－緩沖墊圈5－鎖用彈簧6－密封件7－導向套8－螺釘9－旋鈕10－彈簧11－限位環
2）任意位置鎖緊型氣缸 按鎖緊方式可分為卡套錐麵式、彈簧式和偏心式等多種形式。卡套錐麵式鎖緊裝置由錐形制動活塞6、制動瓦1、制動臂4和制動彈簧7等構成，其結構原理如圖10所示。作用在錐狀鎖緊活塞上的彈簧力由於楔的作用而被放大，再由杠桿原理得到放大。這個放大的作用力作用在制動瓦1上，把活塞桿鎖緊。要釋放對活塞的鎖緊，向供氣口A′供應壓縮空氣，把鎖緊彈簧力撤掉。
圖10 制動氣缸制動裝置工作原理
a）自由狀態b）鎖緊狀態l－制動瓦 2－制動瓦座3－轉軸 4－制動臂 5－壓輪 6－錐形制動活塞7－制動彈簧
（7）氣動手爪 氣動手爪這種執行元件是一種變型氣缸。它可以用來抓取物體，實現機械手各種動作。在自動化系統中，氣動手爪常應用在搬運、傳送工件機構中抓取、拾放物體。
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圖 11 平行開合手指
氣動手爪有平行開合手指（如圖11所示）、肘節擺動開合手爪、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動方式有直線式和旋轉式。
氣動手爪的開閉一般是通過由氣缸活塞產生的往復直線運動帶動與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒輪等機構，驅動各個手爪同步做開、閉運動。
（8）氣液阻尼缸 氣缸以可壓縮空氣為工作介質，動作快，但速度穩定性差，當負載變化較大時，容易產生“爬行”或“自走”現象。另外，壓縮空氣的壓力較低，因而氣缸的輸出力較小。為此，經常采用氣缸和油缸相結合的方式，組成各種氣液組合式執行元件，以達到控制速度或增大輸出力的目的。
氣液阻尼缸是利用氣缸驅動油缸，油缸除起阻尼作用外，還能增加氣缸的剛性（因為油是不可壓縮的），發揮瞭液壓傳動穩定、傳動速度較均勻的優點。常用於機床和切削裝置的進給驅動裝置。
串聯式氣液阻尼缸的結構如圖12所示。它采用一根活塞桿將兩活塞串在一起，油缸和氣缸之間用隔板隔開，防止氣體串入油缸中。當氣缸左端進氣時，氣缸將克服負載阻力，帶動油缸向右運動，調節節流閥開度就能改變阻尼缸活塞的運動速度。
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圖12氣液阻尼缸
（10）擺動氣缸 擺動氣缸是一種在小於360°角度范圍內做往復擺動的氣缸，它是將壓縮空氣的壓力能轉換成機械能，輸出力矩使機構實現往復擺動。擺動氣缸按結構特點可分為葉片式和活塞式兩種。
1）葉片式擺動氣缸 單葉片式擺動氣缸的結構原理如圖13所示。它是由葉片軸轉子（即輸出軸）、定子、缸體和前後端蓋等部分組成。定子和缸體固定在一起，葉片和轉子聯在一起。在定子上有兩條氣路，當左路進氣時，右路排氣，壓縮空氣推動葉片帶動轉子順時針擺動。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，而且動密封接觸麵積大，密封件的摩擦阻力損失較大，輸出效率較低，小於80%。因此，在應用上受到限制，一般隻用在安裝位置受到限制的場合，如夾具的回轉，閥門開閉及工作臺轉位等。
圖13 單葉片式擺動氣缸工作原理圖
1－葉片2－轉子3－定子4－缸體
2）活塞式擺動氣缸 活塞式擺動氣缸是將活塞的往復運動通過機構轉變為輸出軸的擺動運動。按結構不同可分為齒輪齒條式、螺桿式和曲柄式等幾種。
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圖14 齒輪齒條式擺動氣缸結構原理
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
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的一種擺動氣缸，其結構原理如圖14所示。活塞僅作往復直線運動，摩擦損失少，齒輪傳動的效率較高，此擺動氣缸效率可達到95%左右。
三、氣缸的技術參數
1）氣缸的輸出力 氣缸理論輸出力的設計計算與液壓缸類似，可參見液壓缸的設計計算。如雙作用單活塞桿氣缸推力計算如下：
理論推力（活塞桿伸出）
Ft1＝A1p
理論拉力（活塞桿縮回）
Ft2＝A2p
式中 Ft1、Ft2——氣缸理論輸出力（N）；
A1、A2——無桿腔、有桿腔活塞麵積（m2）；
p—氣缸工作壓力（Pa）。
實際中，由於活塞等運動部件的慣性力以及密封等部分的摩擦力，活塞桿的實際輸出力小於理論推力，稱這個推力為氣缸的實際輸出力。
氣缸的效率h是氣缸的實際推力和理論推力的比值，即
所以
氣缸的效率取決於密封的種類，氣缸內表麵和活塞桿加工的狀態及潤滑狀態。此外，氣缸的運動速度、排氣腔壓力、外載荷狀況及管道狀態等都會對效率產生一定的影響。
2）負載率β 從對氣缸運行特性的研究可知，要精確確定氣缸的實際輸出力是困難的。於是在研究氣缸性能和確定氣缸的出力時，常用到負載率的概念。氣缸的負載率β定義為
氣缸的實際負載是由實際工況所決定的，若確定瞭氣缸負載率q，則由定義就能確定氣缸的理論輸出力，從而可以計算氣缸的缸徑。
對於阻性負載，如氣缸用作氣動夾具，負載不產生慣性力，一般選取負載率β為0.8；對於慣性負載，如氣缸用來推送工件，負載將產生慣性力，負載率β的取值如下
β＜0.65 當氣缸低速運動，v＜100mm/s時；
β＜0.5 當氣缸中速運動，v＝100～500mm/s時；
β＜0.35 當氣缸高速運動，v＞500mm/s時。
3）氣缸耗氣量 氣缸的耗氣量是活塞每分鐘移動的容積，稱這個容積為壓縮空氣耗氣量，一般情況下，氣缸的耗氣量是指自由空氣耗氣量。
4）氣缸的特性 氣缸的特性分為靜態特性和動態特性。氣缸的靜態特性是指與缸的輸出力及耗氣量密切相關的最低工作壓力、最高工作壓力、摩擦阻力等參數。氣缸的動態特性是指在氣缸運動過程中氣缸兩腔內空氣壓力，溫度，活塞速度、位移等參數隨時間的變化情況。它能真實地反映氣缸的工作性能。
四、氣缸的選型及計算
1.氣缸的選型步驟
氣缸的選型應根據工作要求和條件，正確選擇氣缸的類型。下麵以單活塞桿雙作用缸為例介紹氣缸的選型步驟。
（1）氣缸缸徑。根據氣缸負載力的大小來確定氣缸的輸出力，由此計算出氣缸的缸徑。
（2）氣缸的行程。氣缸的行程與使用的場合和機構的行程有關，但一般不選用滿行程。
（3）氣缸的強度和穩定性計算
（4）氣缸的安裝形式。氣缸的安裝形式根據安裝位置和使用目的等因素決定。一般情況下，采用固定式氣缸。在需要隨工作機構連續回轉時（如車床、磨床等），應選用回轉氣缸。在活塞桿除直線運動外，還需作圓弧擺動時，則選用軸銷式氣缸。有特殊要求時，應選用相應的特種氣缸。
（5）氣缸的緩沖裝置。根據活塞的速度決定是否應采用緩沖裝置。
（6）磁性開關。當氣動系統采用電氣控制方式時，可選用帶磁性開關的氣缸。
（7）其它要求。如氣缸工作在有灰塵等惡劣環境下，需在活塞桿伸出端安裝防塵罩。要求無污染時需選用無給油或無油潤滑氣缸。
2.氣缸直徑計算
氣缸直徑的設計計算需根據其負載大小、運行速度和系統工作壓力來決定。首先，根據氣缸安裝及驅動負載的實際工況，分析計算出氣缸軸向實際負載F，再由氣缸平均運行速度來選定氣缸的負載率q，初步選定氣缸工作壓力（一般為0.4MPa～0.6MPa），再由F／q，計算出氣缸理論出力Ft，最後計算出缸徑及桿徑，並按標準圓整得到實際所需的缸徑和桿徑。
例題氣缸推動工件在水平導軌上運動。已知工件等運動件質量為m＝250kg，工件與導軌間的摩擦系數m＝0.25，氣缸行程s為400mm，經1.5s時間工件運動到位，系統工作壓力p=0.4MPa，試選定氣缸直徑。 
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