摆动气缸的选型

连载讲座摆动气缸的选型****收稿日期971027**北方工业大学,100041北京石景山区西黄村摆动气缸是利用压缩空气推动摆动轴在一定角度范围内作往复摆动,并输出力矩的气动执行器。它通常用于工件的转位、翻转、搬运、压紧、供给或停止供给、阀门的开闭、弯管作业和驱动机械手回转等。摆动气缸的选型可按下列步骤进行。1两种摆动气缸的特性比较见表1。它可作为选用摆动气缸品种的依据。表1中的比较项是在两个品种摆动气缸的名义缸径相同的条件下进行比较的。表1中所列数值取自SMC公司的产品样本。选取品种时,摆动角度的大小或摆角可调范围必须满足要求。有些场合,如机械手上使用摆动气缸时,还要求摆动气缸的体积小和重量轻。2()211按负载性质估算摆动气缸承受的力矩负载可分成静负载、阻性负载和惯性负载。静负载是指处于静止状态的负载。如摆动气缸用于压紧工件(图1),所承受的力矩M=F#l(1)式中M)))摆动气缸承受的力矩,N#mF)))负载力,Nl)))负载力的力臂,m阻性负载是指惯性力可以忽略的运动负载。如摆动气缸克服摩擦力(图2a)或重力(图2b)所承受的力矩。它仍按式(1)计算。图2a中的力臂l可近似取为摆动气缸轴与压轮轴之间的中心矩。惯性负载是指惯性力不能忽略的运动负载。如摆动气缸以一定的转速带动负载作往复摆动时的负载。其所承受的力矩M=J#A(2)式中J)))惯性负载的转动惯量,kg#m2A)))设负载作等加速摆动时的角加速度,rad/s2A=PH90t2(3)式中H)))转角,度t)))转过H角的摆动时间,s212按负载性质选取负载率摆动气缸的负载率G=MM0(4)式中M)))摆动气缸承受的力矩,N#mM0)))摆动气缸的有效输出力矩,N#m对静负载,一般选G=019;对阻性负载,G在012~015之间选取;对惯性负载,G在011~0125之间选取。G值的选取与摆动速度高低有关。摆动速度高,G应选小值。1a1弯管作业b1承受重力23213选使用压力摆动气缸的有效输出力矩M0与使用压力p成正比。产品样本上给出的M0是在某个使用压力下的值。使用压力一般可选015MPa,但不得低于最低使用压力。214预选名义缸径(或型号)估算出摆动气缸承受的力矩M和选取了负载率G后,按式(4)计算出摆动气缸的有效输出力矩M0。331998年第3期1品种特点摆度角度摆动速度调节范围(s/90b)允许吸收动能(J)有效输出力矩(N#m)最低使用压力(MPa)缓冲方式体积重量摆角可调性用于气缸中停齿轮齿条式单齿条式啮合间隙小于1b,速度调节范围宽双齿条式无啮合间隙,薄型小于190b012~50101~219119~74012~10100025~014013~513011~0115有垫缓冲或气缓冲较大较重有可调式几乎无泄漏故可用于气缸中停叶片式单叶片式小于280b双叶片式输出力矩比单叶片式大一倍小于100b缸径30mm以下:0103~013缸径50~100mm:011~10100015~0160112~3519010003~018110125~72160115~012有外部设置液压缓冲器较小较轻有可调式有微漏不宜长时间用于气缸中停由产品样本上,按M0和选取的使用压力p,便可预选摆动气缸的名义缸径(或型号)。3摆动速度是指摆过一定角度所需的时间。表1中的摆动速度调节范围是指摆过90b角所允许的摆动时间范围。摆动速度太慢,即摆过一定角度的时间过长,摆动气缸易出现爬行或摆动速度不稳定;摆动速度太快,即摆过一定角度的时间过短,则叶片式摆动气缸的叶片外缘线速度太高,或齿轮齿条式摆动气缸的直线运动速度太高,造成密封件发热厉害,出现异常磨损,从而降低摆动气缸的使用寿命。故摆动气缸的摆动速度必须限制在允许摆动速度范围内。4惯性负载一般摆至摆动气缸终端时的转动动能E最大。为防止过大的转动动能的撞击使摆动气缸受损伤,负载的转动动能应不大于摆动气缸的允许吸收功能EY。即E[EY(5)惯性负载的转动动能E可按下式估算E=12J(At)2=12PH90t2(6)为了增大摆动气缸吸收动能的能力(即缓冲能力),通常在气缸内部设置缓冲垫或气缓冲方式。但必须注意,只有摆动气缸内的活塞(或叶片)到达行程终端时,垫缓冲或气缓冲才能发挥作用。若使用摆角调节单元调节了摆动角度后,摆动气缸内的活塞(或叶片)到达不了终端时,则垫缓冲或气缓冲将失去缓冲作用。也有在摆动气缸外部设置液压缓冲器,以便吸收更大的转动动能。5摆动气缸的旋转轴上能承受的轴向静负载F1(压力)、F.1(拉力)和径向静负载F2(图4)都必须小于允许值,以避免旋转轴系受损伤。4若轴向负载或径向负载超过允许值,可采取不在轴上直接加载的方法来解决,如图5所示。a1轴向负载时b1径向负载时5例图6所示,摆动气缸4带动水平气缸1摆动,水平气缸活塞杆上装有气爪2,气爪上夹持了工件3。已知水平气缸尺寸如图7a所示,缸径为20mm,行程为100mm,质量m1=0132kg。气爪尺寸如图7b,质量m2=01121kg。工件尺寸如图7c所示,质量m3=34液压与气动0115kg。摆动气缸的摆角H=80b,一侧要求快速摆动,摆动时间t=012s。另一侧可慢速摆回,摆动时间t.=1s。试选定摆动气缸。解本摆动气缸承受的负载为惯性负载,故先计算负载的转动惯量J。转动惯量的计算公式可查有关数学(或力学)手册。为了减小惯性负载的转动惯量,在允许的条件下,水平气缸的活塞杆应处于缩回状态。在此状态下,各转动惯量计算如下。6a)b)c)D1=8mm,D2=28mml21=6713mm,l22=3714mml11=188mm,l12=28mml23=5213mmD31=40mm,D32=20mml3=20mm7、水平气缸绕摆动轴的转动惯量J1=m1D214+l21112=01320102824+01188212片=01001(kg#m2)气爪绕摆动轴的转动惯量J2=m2l221+l22212+m2l112+l12+l212012=01121@0106732+010374212+01121011882+01028+0106732间气缸于2=01003(kg#m2)工件绕摆动轴的转动惯量J3=m3l231+l2328+m3l112+l12+l23+l32则叶2=0115@01042+010228+0115@011882+01028+010523+01022惯2=0100513(kg#m2)故含工件时负载的转动惯量J=J1+J2+J3=01001+01003+0100513=0100913(kg#m2)不含工件时负载的转动惯量J.=J1+J2=01001+01003=01004(kg#m2)快速摆动时,负载的角加速度A=PH90t2=P@8090@0122=69181(rad/s2)慢速摆回时,负载的角加速度A.=PH90t.2=P@8090@12=2179(rad/s2)快速摆动时,摆动气缸承受的力矩M=JA=0100913@69181=01637(N#m)慢速摆回时,摆动负载中已无工件,故摆动气缸承受的力矩M.=J.A.=01004@2179=010112(N#m)快速摆过80b需时012s,故摆动速度为01225s/90b。慢速摆回80b需时1s,故摆回速度为11125s/90b。因快速摆动的速度很大,故选负载率G=011,则由式(4)可知摆动气缸的有效输出力矩M0=MG=01637011=6137(N#m)因摆回速度不大,可选负载率G.=0125,则摆动气缸摆回时的有效输出力矩M.0=M.G.=0101120125=010448(N#m)快速摆动时,摆动负载的转动动能E=12JPH90t‚2=12@0100913P@8090@012(l2=0189(J)慢速摆回时,摆动负载的转动动能E.=12J.PH90t.2=12@01004P@8090@1d(2=010156(J)摆动轴处的轴承承受的轴向(压)负载即为水平气缸、气爪和工件的重量,合计为F1=(m1+m2+m3)g=(0132+01121+0115)@918=518(N)摆动轴不承受径向负载。要满足上述所有性能要求,可选SMC公司型号为CRA1tU50-90C-x11的摆动气缸。其摆动速度范围351998年第3期为012~2s/90b,在015MPa下的有效输出力矩为913N#m,有气缓冲的允许吸收动能为0198J,无缓冲的允许吸收动能为0105J,允许轴向(压)负载为490N。该型号为齿轮齿条式(单齿条)摆动气缸,名义缸径为50mm,一侧角度可调(由90b调至80b),另一侧带气缓冲,以满足快速摆动的缓冲要求。若水平气缸的活塞杆处于伸出状态进行摆动,负载的转动惯量加大,应重新设计计算。若控制水平气缸及气爪动作的换向阀都安装在两者上面,在估算负载的转动惯量、转动动能以及摆动气缸承受的力矩等时,应计入各换向阀的质量、形状和尺寸带来的影响,也应重新设计计算。t36液压与气动