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来自空气的肌肉。 儿童科学实验室
稍微延伸一下，我们可以假设机器的气动驱动是最古老的驱动之一。 毕竟，风长期以来一直为人类提供船帆和磨坊叶片。 通过更严格的方法，气动执行器可能是最年轻的之一，因此非常有前途。 用于零件的强力夹紧、刀具的移动、直线和圆周的步进和间歇进给，用于切削、冲压、装配等多种工艺操作。 可以说，大约一半的工业机器人是气动驱动的。 它的基本思想非常简单。 压缩机压缩空气。 该气体“弹簧”存储储存的势能，直到空气供应到气动马达为止。 膨胀时，势能将转化为输出连杆（例如带杆的活塞）的动能，从而使机器的工作主体运动。 除了设计简单之外，气动执行器还有很多优点。 首先，工作流体总是在手边，它确实是“凭空取来的”。 另外，使用后就扔在那里，几乎没有任何环境问题。 由于空气比其他工作流体更卫生，因此气动驱动广泛应用于食品、电子、制药行业以及精密仪器仪表。 在其他条件相同的情况下，采用气动驱动的装置更便宜、更可靠、耐热和耐寒性能良好、不怕高湿度和灰尘，并保证完全的防火、电气和防爆安全。 气动执行器的使用寿命可达200005小时，工作力可达数吨，工作速度比液压执行器高XNUMX倍，并且可以通过非常简单的装置平滑地调节力和速度。 在许多情况下，气动驱动器可以直接连接到机器的工作主体，从而无需复杂的机械传动装置即可驱动机器的工作主体。 与电力驱动相比，其他重要优点是能够在负载下无限时间地制动至静止状态，并且无需过载保护装置。 因此，气动驱动有很多优点，如果没有同样多的缺点，气动驱动当然会失去竞争优势。 要摆脱它们是很困难的，因为这些缺点是优点的有机延续。 这是因为工作流体是空气，一种可压缩气体。 由于这种特性，机器的工作机构在负载波动时不可能进行平滑的运动，工具很难停在严格定义的点上，并且通过管道的气动指令只能在声速。 因此，在某些情况下，混合系统很方便：气液式（如果需要高平稳性或停止精度）和电气动式（如果需要保证速度）。 液压驱动的优点是能够使用高压工作流体（高达 500 个大气压）。 它允许您用小尺寸的气缸产生数百吨和数千吨的力量。 为什么同样的高压不用于气动驱动？ 首先，它很难在空气压缩机中制造，其次，它使用起来很危险。 当管道破裂时，压缩空气会将管道碎片像弹片一样吹散。 因此，综上所述，可以说，除了那些需要很大的努力和精确度来固定零件或工作工具的情况外，最好使用简单、便宜且可靠的气动执行器。 气动发动机使用多种机构：薄膜、活塞、叶片、涡轮......但是拥有执行机械功的发动机还不够，您还需要控制其运动，为此您需要解决三个问题主要任务：改变直线运动和旋转运动的方向，平滑地改变其速度并平滑地调节产生的工作力。 为此，已经创建了各种气动装置。
让我们更多地讨论这些机制。 最简单的气动马达是带有复位弹簧的隔膜执行器，该弹簧在向前行驶时会压缩。 其主要优点是设计简单、工作腔密封性好、只有一根指令气动管路。 主要缺点是工作行程相对较小。 膜机制在石化和天然气工业以及交通运输中得到了广泛的应用。 它打开公共汽车的车门，启动铁路车辆和卡车的制动器。 活塞气缸在机器制造商中更受欢迎。 单作用气缸与隔膜马达相似，具有相同的优点和缺点。 双作用气缸提供更大的行程，因此更常用。 直到最近，这种发动机中只有连杆作为输出连杆。 当压缩空气供应到气缸的一个腔体时，另一腔体与大气连通。 因此，在双作用气缸中，带杆的活塞只能处于两个极端稳定的位置——杆完全缩回或完全伸出。 当气缸直径有限时，采用双气缸甚至三气缸。 它由两个或三个相互串联的气缸组成，在一根公共杆上工作。 在这种情况下，作用在活塞上的力会累加。 如果气缸垂直安装，那么当压缩空气供应中断时，其阀杆可能会在重力作用下掉落。 为了防止这种现象，FESTO（奥地利）开发了一种气缸，其中杆通过特殊机构牢固地固定在其中，并在供应压缩空气时再次释放。 使用杆来传输运动有许多缺点。 首先，阀杆必须密封。 其次，当杆完全伸出时，气缸的总长度几乎加倍。 第三，行程的大小受到杆的刚度的限制——行程长时，杆将开始弯曲。 近年来，一些国外公司开发了无杆气缸，克服了这些缺点。 因此，FESTO 公司开发了一种设计，将强力永磁环内置于活塞和滑架中。 当活塞因磁力的作用而移动时，外活动滑架也沿气缸轴线移动。 机器的工作主体与其紧固在一起。 这提供了以下好处。 首先，当活塞移动时，气缸的总长度不会改变，其次，与传统气缸相比，这种气缸可以提供明显更大的冲程——长达10米或更长。 另外，活塞与气缸之间只需密封，气缸本身带有两个压缩空气入口，成为密封结构。 在ORIGA（瑞典）制造的无杆气缸中，活塞通过滑动纵向槽刚性地连接到放置在气缸外表面上的可移动托架。 该间隙借助两个柔性钢带（内部和外部）和永磁体进行密封。 活塞与滑架的刚性连接确保了所传递的工作力对压缩空气压力的依赖性，这使得该设计与之前的设计不同。 德国博世公司的气缸中，活塞两侧都有杆，但它们是柔性钢带。 这些皮带密封在气缸上，并通过两个滚轮将运动传递到外部可移动托架。 当活塞向右移动时，滑架向左移动，反之亦然。 托架配备了气动制动器，不仅可以在极限位置停止，而且可以在任何中间位置停止。 但这种定位的精度较低。 软管气动马达没有杆 - 一根空心橡胶软管，带有两个滚轮的滑架可以沿其轴线沿其外表面移动。 在高速气缸中，活塞会在冲程末端产生冲击。 为了防止这种情况发生，人们发明了具有制动功能的气缸，可以使用节流阀（可变横截面的孔）对其进行平稳调节。 旋转气缸广泛用于在螺纹切削车床上驱动卡盘、夹紧毛坯和棒材。 通过特殊的联轴器向它们供应压缩空气。 缸体可以绕纵轴旋转，而离合器保持静止。 有许多令人震惊的技术操作，例如冲压。 为此开发了冲击气缸，其中压缩空气的势能转化为冲击动能。 另一种类型的气动马达是腔室或气球。 它们用于压力机的离合器和制动器，用作汽车千斤顶，用于提升大型结构的“气动垫”，例如，在飞机制造中，在汽车底盘的空气悬架中。 该悬架允许您调整汽车的离地间隙（间隙）。 经常需要旋转机器的工作主体。 为此，使用旋转气动马达，最常见的是活塞和滑动（叶片）。 在活塞式活塞中，两个活塞通过一根公共杆连接，杆上有一个与齿轮啮合的齿条。 后者的轴是气动马达的输出连杆。 在压缩空气的作用下，活塞连杆做往复运动，转化为输出轴的旋转运动。 在叶片式气动马达中，主体被制成具有固定隔板的环的形式。 在该壳体内，在压缩空气的作用下，也与输出轴相关联的密封叶片（或闸门）可以旋转。 在气动马达中，压缩空气的势能被转换成输出轴的多圈旋转运动。 气动马达有多种类型——齿轮马达、片状马达、涡轮马达、螺杆马达。 最广泛的是叶片式和涡轮式气动马达，特别是用于驱动气动工具 - 钻孔机和磨床、螺丝刀、扳手、剪刀、锉刀等。 它们的主要优点是完全的电气和爆炸安全。 已经说过，气动驱动器与空气可压缩性相关的缺点被组合驱动器-气动液压所消除。 在这个定义中，“肺”这个词本来就不是徒劳的。 其中的能量来源是压缩空气。 该驱动器由两个气缸组成 - 气动和液压，其活塞和杆彼此牢固紧固，从而确保运动的高度平稳性。 行驶速度由安装在旁路管道上的节流阀控制。 如果用阀门关闭液压缸各腔之间的连通，由于液体的不可压缩性，就可以使活塞与杆停在任意中间位置，即进行精确定位。 这种联合驱动具有其“父母”的所有积极特性，除了一个：它不会创造大量的劳动力。 这是可以理解的。 毕竟，能量来源是低压（与液压驱动相比）的压缩空气。 大力提供气液助力。 其中，能源是压缩空气，其压力通过杆传递给油。 在液压缸中，压力比压缩空气的压力大十倍 - 这取决于活塞和杆的面积比。 气动液压助力器的使用在机床的夹紧装置中尤其方便。 其中，当移动夹爪与产品接触时，需要低压，而需要高压来保证产品的夹紧。 这种放大器还应用于各种机器的制动装置和工具的驱动中，例如钻机，它们提供增加的扭矩。 MEKMAN（瑞典）的此类放大器可提供 250 个大气压的油压，而压缩空气压力仅为 10 个大气压！ 让我们更详细地讨论气动执行器在工业机器人操纵器中的使用。 机器人技术的发展始于最简单、最轻的工业机器人的诞生，因此气动驱动器变得非常有用。 通常机械手的连杆都是刚性结构。 每个连杆都有自己的驱动力——就像人的肩膀、前臂和手有自己的肌肉一样。 连杆（或其驱动器）的数量决定了机器人的自由度数量。 对于大多数现有的机器人来说，这个数量不会超过六七个。 但移动度的多少决定了机械臂的机动性，包括绕过或绕过障碍物的能力。 人手有22度的活动度。 最近，苏联开发出了一种可变刚度的气动执行器。 这种类似于蛇的机制允许您创建具有无限个自由度的操纵器。 它是一个具有多个纵向室的空心柔性壳体。 当对所有腔室施加相同的压力时，机械手占据垂直位置，当施加不同的压力时，它向压力较低的腔室弯曲。 法国开发了一种气动机器人“Cedrom-3”，它就像蠕虫一样，通过其灵活的“身体”的连续拉伸和收缩而以蠕动方式移动。 它由三个部分组成。 它们都是类似于防毒面具软管的弹性波纹管。 这样的机器人“蠕虫”可以沿着任何通道、管道、平面、凸面或凹面、水平甚至垂直方向爬行。 它可以以高达 90° 的角度转弯，在松散的环境中移动 - 在沙子、谷物、雪、碎片中。 静止状态下，该机器人长 3 m，直径 120 mm。 其重量为10 kg，牵引力为80 kg，行驶速度大于1 m/min。 它可以“爬行”超过30 m的距离，并能承受高达80°C的温度。 在日本，使用充满压缩空气的管状弹性室来驱动机器人。 这种驱动器是一根封装在合成材料编织物中的橡胶管。 当供应压缩空气时，管子的直径开始膨胀，长度在轴向方向收缩——就像肌肉一样。 橡胶管两端都有金属底座。 为了控制机器人的各个移动程度，使用了两个这样的橡胶致动器。 每个驱动器的金属底座之一是固定的，而其他金属底座则通过滑轮上的柔性电缆互连。 该滑轮连接到机器人手臂的一个连杆上。 当其中一个执行器中的压力增加时，它会“收缩”，而当压力减少相同的量时，另一个执行器会“放松”（即伸长）。 结果，电缆移动，使滑轮和机器人的臂连杆旋转。 这种机器人由微型计算机控制。 它的重量轻且柔韧，对人类无害。 由于其简单性，该机器人可用于执行许多简单的操作，例如给零件上漆。 最重要的是，通过使用充满压缩空气的橡胶“肌肉”，机器人的质量（6公斤）和举升负载（2公斤）之间的比例达到了前所未有的3：1。 毕竟这个比例通常是10:1或者更大。 但这样的机器人距离人还很远。 回想一下，举重运动员举起的重量是自己的 2-2,5 倍。 所以机器人设计师现在冷静还为时过早！ 气动传动的发展前景如何？ 据著名公司FESTO（奥地利）统计，1986年欧洲、美国和日本气动执行器的总产量达6,5亿德国马克。 这些资金足以生产200.000万辆舒适的中级轿车！ 在发达的资本主义国家，有数十家大大小小的企业生产种类最齐全的气动驱动设备。 其中最大的公司是 FESTO、Wabco-Westinghouse（德国）、Martoier（德国）、Mekman（瑞典）。 FESTO 气动执行器元件的系列有数千个，包括直径从 6 到 320 mm、工作行程从几毫米到几米的各种类型气缸以及各种尺寸的控制设备 - 具有空气通道横截面2,5 至 20 毫米。 CMEA 国家还生产气动驱动设备 - 在白俄罗斯人民共和国、东德，尤其是在匈牙利（与 Mekman 公司联合生产） - 品种齐全、质量上乘。 我们来看看国内行业气动传动的生产和使用情况如何。 除了可悲之外，它不能被称为任何其他东西。 气动驱动设备的集中生产以及机械工程各部门的供应由机床工业部负责。 其中从事气动设备生产的企业仅有4家，全国机械工程用气缸均由奥尔忠尼启则实验气动设备厂生产。 其命名仅包含 58 个气缸型号。 少量用于工业机器人的旋转气动马达和长行程气缸由辛菲罗波尔生产协会 Pnevmatika 制造。 微型气缸和带制动的气缸不是 Minstankoprom 的任何企业生产的。 不带制动的气缸共生产150个型号，需求1000个；带制动的气缸需要1200个型号。 旋转式气动马达只有 4 种型号，但需要 24 种（所有给出的数字均根据 VNIIgidroprivod，哈尔科夫提供）。 机械工程的一些分支已经组织了自己的气动执行器生产。 因此，梅季希电动火车和地铁车辆工厂生产用于驱动这些车辆车门的气缸。 汽车工业生产用于汽车制动系统和公交车门驱动器的隔膜气动执行器。 然而，这些个别例子并不能改变整体情况。 奥尔忠尼启泽夫斯基实验厂和辛菲罗波尔生产协会“Pnevmatika”生产的气动设备的摩擦面和橡胶密封件的质量很差。 这导致可靠性低和设备寿命不足。 而 VNR 生产的气缸可提供 50 万次双冲程，这足以满足几乎任何机器的整个使用寿命！ 配电和控制设备以及压缩空气制备设备的生产情况也好不到哪里去。 其命名范围非常狭窄，质量和可靠性较低（莫斯科国家电力设备公司的设备除外）。 这一切导致气动传动在国内工程行业的使用量非常少。 微型气动驱动设备尤其缺乏。 当掌握了外国公司许可下的新机器的生产时，有必要转向国内部件，包括气动驱动部件。 同时，每次的绊脚石都是国内缺少必要的气动驱动设备，不得不花外汇到国外购买。 如果没有建立生产各类驱动器（包括气动驱动器）的现代化基地，国内机械工程的加速发展和高水平技术的创造就不可能实现。 如果不能快速、迅速地解决这一最重要的任务，我们的机械工程将无法向前发展并在世界市场上具有竞争力。 直线气动马达 双作用气缸
单作用气缸
无杆气动气缸
无杆气缸
绳索气压缸
软管气动马达
带制动的气缸
旋转气缸
冲击气缸
腔室空气马达
旋转气动马达 带齿条和小齿轮的活塞
闸门（叶片）
气动马达 齿轮
旋片
涡轮
气液驱动
气液增压器
气动发动机“蛇”
气动“肌肉”
作者：V.Levin
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