十分鐘，讓你學會《氣缸的選用》

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氣缸的選用，是氣動元件選型的重中之重。然而，普通教材包括廠商型錄的「選型方法步驟「」偏於理論化，初學者一般不太容易看懂和消化，更別說切實指導自己的設計工作。本文從實戰的角度，對學習重點作了梳理和總結（為簡化論述，以SMC品牌為準），不看後悔哈。

學無止境，天天向上

1.氣缸的型號信息和學習重點

氣缸的型號，在命名上只是一些數字和字母，但全面定義了空間布局、動力特性、控制相關、固定聯接和配件信息等相關設計要素。我們未必要去背誦型號的具體內容，但要熟悉其標示和意義，並能熟練查閱型錄獲得相關信息。（備註：由於型錄每年都更新，部分數據僅供參考，請讀者查閱最新型錄為準）。

就像人的名字，氣缸型號內涵豐富

不要忽視型號的準確表達，最終填在採購清單上的就是這些字元串，例如型號MB1L32-50跟MDB1L32-50差別很大，除了控制上的感應功能外，連外形尺寸也不一樣，如剛好是布置在局促的機構空間里，可能因為容納不下（型號搞錯的氣缸）而要修改一些工件來讓位，額外的麻煩超乎想像。

此外，標件廠商都提供3D零件庫，在調用時務必認清型號，不要隨意通過改外形尺寸來改變型號，特別容易出現錯誤，並以訛傳訛（別人調用你的圖紙可能沒發現）。

總體來說，學習上要在以下幾個地方下功夫：

①熟悉「氣缸的動力特性和空間布局」

比如對氣缸出力、速度和行程要求不高，或者無停電造成安全事故隱患的場合（定位和夾緊等），可考慮用單作用氣缸，其他的情況一般採用雙作用氣缸；要大動力可用串聯增壓氣缸，運動有精度要求可用帶導桿氣缸或滑台氣缸；同樣一個缸徑的氣缸有很多類型，各有適應面，比如空間有限可用薄型CQ2系列，幾個方向都能安裝可用自由安裝型CU系列……

②搜集或積累一些經驗數據

這有助於選型，也是標件廠商技術售後無法給你提供支持的內容。比如高清介面（HDMI）產品，壓一根端子進入到塑膠孔槽的力大概是10kgf/cm2，這個屬於各行業特定產品製程的經驗數據，供應商是不可能給你培訓的，有賴於查詢產品裝配規格、實驗室專用工具測試或資深製程人員的專業。

③基本常識的積累

類似這樣的內容：一般情況下單作用氣缸配兩位三通電磁閥，如果要用兩位五通電磁閥，則對應電磁閥只需一個出氣通口，另一個封住；雙作用氣缸配兩位五通電磁閥；相同體積下，採用單作用氣缸所獲得的行程會偏小（內部有彈簧），因此更適合小行程……

具體設計某個項目時的標準件選用過程，無非就是翻翻型錄，確定下「型號信息「，但選用是否得當，取決於平時對標準件了解和熟練程度，因此除了勤快翻查相關廠商資料，沒有什麼速成的辦法……

2.氣缸的分類

①從動作上分為單作用和雙作用，結構示意圖如圖所示，前者又分彈簧壓回和壓出兩種，一般用於行程短、對輸出力和運動速度要求不高的場合（價格低、耗能少），雙作用氣缸則更廣泛應用。（註：不要把單雙作用氣缸跟帶還是不帶磁環氣缸等同了）

普遍應用的為雙作用氣缸

②從功能上來分（比較貼合設計情況），類型較多，如標準氣缸、複合型氣缸、特殊氣缸、擺動氣缸、氣爪等，其中比較常用的為自由安裝型氣缸、薄型氣缸、筆形氣缸、雙桿氣缸、滑台氣缸、無桿氣缸、旋轉氣缸、夾爪氣缸等，如圖所示，大家只要了解各種氣缸大致特性和對應型號，要用時調（標準件圖紙）出來即可！

氣缸的大致分類

常用的氣缸類型

基於對氣缸在動力特性或空間布局方面的應用特長，我們在實際選用氣缸時，首先是確定一個合適的類別。

●節省空間

指氣缸的軸向或徑向尺寸比標準氣缸的較大或較小的氣缸，具有結構緊湊、重量輕、佔用空間小等優點，比如薄型氣缸（如CQ系列，缸徑=Φ12mm～Φ100mm，行程≤100mm）和自由安裝型氣缸（如CU系列，缸徑=Φ6mm～Φ32mm，行程≤100mm），如圖所示。

廣泛應用的氣缸

具有節省空間特長的還有無桿氣缸，形象地說，有桿氣缸的安裝空間約2.2倍行程的話，無桿氣缸可以縮減到約1.2倍行程，一般需要和導引機構配套，定位精度也比較高。無桿氣缸有磁性偶合式（CYI）和機械式接觸式（MY1）兩種。

磁偶式無桿氣缸：活塞兩側受壓面積相等,具有同樣的推力,有利於提高定位精度,適合長行程，重量輕、結構簡單、佔用空間小，如圖所示。

磁偶式無桿氣缸

機械式無桿氣缸：「有較大的承載能力和抗力矩能力，適用缸徑Φ10mm～Φ80mm，如圖所示，有MY1B（基本型），MY1M（滑動導軌型），MY1C（凸輪隨動導軌型），MY1HT（高剛度、高精度導軌雙軸），MY1H（高精度導軌型單軸）系列產品。

機械式無桿氣缸

此外，同樣希望節省空間兼顧導向精度要求時，往往會用到雙桿氣缸（相當於兩個單桿氣缸並聯成一體），如圖所示。

雙桿氣缸

●高精度要求

一般採用滑台氣缸（將滑台與氣缸緊湊組合的一體化的氣動組件），也有各種細分的類型，如圖所示。工件可安裝在滑台上，通過氣缸推動滑台運動，適用於精密組裝、定位、傳送工件等。

各類滑台氣缸

●擺動/旋轉運動

遇到需要擺動或轉動的場合，一般採用旋轉氣缸，主要有兩類。

葉片式旋轉缸：用內部止動塊或外部擋塊來改變其擺動角度。止動塊於缸體固定在一起，葉片於轉軸連在一起。氣壓作用在葉片上，帶動轉軸迴轉，並輸出力矩。葉片式擺缸由單片式和雙片式。雙片式的輸出力矩比單片式大一倍，但轉角小於180度。擺缸有CRB2、CRBU2（缸徑10~40mm），CRB1（缸徑50~100mm）、MSUB（缸大小代號1、3、7、20擺動平台型）系列可供選擇。

葉片式旋轉氣缸

齒輪式旋轉缸：氣壓力推動活塞帶動齒條作直線運動，齒條推動齒輪作迴轉運動，由齒輪軸輸出力矩並帶動外負載擺動。齒輪齒條式擺缸有CRJ、CRJU（缸大小代號0.5、1mm），CRA1（缸徑30~100mm標準型）、CRQ2（缸徑10~40mm薄型）、MSQ（缸徑10~200mm擺動平台）系列可供選擇。

齒輪式旋轉氣缸

●夾持/固定產品

一般用氣動夾爪氣缸（原理：開閉一般是通過由氣缸活塞產生的往複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。），它可以用來抓取物體，實現機械手的各種動作，常應用在搬運、傳送工件機構中抓取、拾放物體，內部結構示意圖如圖所示。

典型的氣動夾爪氣缸的內部結構

根據不同的夾持/固定場合，夾爪氣缸可以進一步細分為平行開合、肘節擺動開合手爪、兩爪、三爪和四爪等類型，應靈活選用。例如寬型MHL2系列行程長，適合夾持體積大的物體；肘節型MHT2系列，適合夾持重工件，即便突然失去壓力，也能維持狀態，內置磁環，可安裝磁性開關；緊湊型MHF2系列，和標準的MHZ2系列相比，高度縮小約1/3，而且精度提高，經常用作機器人夾爪……

適用各種場合的氣動夾爪

在機構要用到夾爪氣缸的時候，需要留意以下幾個問題：

A.氣爪是不能直接用的，需要根據產品和工藝，設計「夾爪」安裝在上面，注意互換性和可靠性以及靈活性，例如上料機構一節給大家提到的放大初始位置的做法，就屬於非標靈活設計的情形。

B.要確保氣動夾爪有足夠的加持力（可查廠商型錄，見表），以免影響夾持效果，但是反過來說，也容易夾傷產品，所以一般來說適合外觀不重要、有一定強度結構的產品，否則建議換用電動夾爪（雖然價格高昂，但夾持力可控），或者採用柔性更強的真空吸取的方式。

夾爪氣缸的夾持力

C.氣動夾爪的型號表達如圖所示，開時和閉時的行程是和缸徑一一對應的，和氣缸可能同一缸徑對應不同行程的情況有點不一樣。

夾爪氣缸的型號表達

夾爪氣缸的開閉尺寸

D.價格較高，不同品牌的銷售價格，從數十元到千餘元不等，也屬於易損件，設備使用太多的夾爪，在後續維護管理方面的費用支出較大。

●其他場合

要求氣缸到達行程終端無衝擊現象和撞擊雜訊，應選緩衝氣缸；有橫向負載，可選帶導桿氣缸；要求制動精度高，應選鎖緊氣缸；不允許活塞桿旋轉，可選具有桿不迴轉功能的氣缸；除活塞桿作直線往複運動外，還需缸體做擺動，可選耳軸式或耳環式安裝方式的氣缸等。還比如超大行程，比如較大動力，比如空間極小……又分別應該用什麼類型的氣缸？請多翻閱型錄, 認真總結，這裡從略。

要提醒的是，只有建立在對種類繁多的氣缸有類似上述這些基本認識的前提下，我們才可能對氣缸的選型做到儘可能地合理、準確，因為實際選型過程，都是先根據工況去選擇哪類氣缸（對氣缸不熟悉就很難對應得上），進而再確認該類氣缸的各種參數和匹配附件。

3.氣缸的結構（內部結構如圖所示）和動作原理

普通氣缸的組成：缸體，活塞，密封圈，磁環（有sensor的氣缸）。

原理：壓力空氣使活塞移動，通過改變進氣方向，改變活塞桿的移動方向。

失效形式：活塞卡死，不動作；氣缸無力，密封圈磨損，漏氣。

4.氣缸的選型計算

如果說前面的篇幅是為了解決氣缸選型的定性問題（也很重要），那麼接下來的內容就是為了跟大家探討下如何處理定量的問題。

我在速成寶典（實戰篇）表達過這樣一個觀點：設計也許需要計算，但計算不等於設計，尤其是氣動模式下的機構設計，很多已知條件本身就難以量化，兼之應用工況非常複雜多變，並不能指望通過幾個公式演算就得到精確無誤的設計要求或結果。計算的意義，更多體現在通過計算分析，讓我們規避失效風險，也就是說，大部分計算只需考慮「worst case」（最糟糕狀態）。舉個例子，我們估算某場合需要選用一個缸徑Φ40mm的氣缸，這就是底線，但完全沒有必要說，給個安全係數，然後選一個「精確」缸徑，實際的做法，應該是根據各種考慮，可能會選缸徑Φ50mm或者Φ63mm乃至Φ100mm，這才叫實戰設計（≠理論設計）。

不要動不動以為計算才叫設計，或者不計算就不可靠，例如參考或借鑒類似的成功案例，如果設計要求並沒有更加苛刻，可不考慮選型計算問題，直接套用，以節省設計時間。如果設計要求變得更加嚴苛，作為新人而言，就離不開簡單的校核計算。——機構設計最後可能會表現為「感覺」設計，但在入門和成長階段下苦功夫，多做一些科學計算和推導和總結，對以後「準確的感覺」形成是很有幫助的。

（當然，同樣的情況，可能資深工程師基本上不會去「計算」，倒不是說他神到哪裡去，而是因為做的機構太多了，大概什麼場合用什麼樣的氣缸，都已經「司空見慣」了。——您看看身邊那些所謂的技術牛人，在做氣動設備時，有幾個在「算「」的？但肯定在入行之初，他一定經歷同樣的迷茫。）

言歸正傳，回到氣缸選型的相關計算內容來。以單活塞桿雙作用缸為例，「選型計算流程」大致如下。

ⅰ.確定氣缸缸徑

氣缸直徑的確定，需根據負載大小、運行速度和工作壓力來決定，下述步驟（A）是最重要的。

由於這部分內容比較困擾新人，從學習的角度，以下給大家進行簡單的梳理。

●公式能做的事：告訴你理論出力和實際出力及其關係

氣缸伸出力理論值：

F= p *D2*P/4

氣缸縮回力理論值：

F=p*(D2-d2)*P/4

F-----氣缸理論輸出力（單位：N）

p-----圓周率（取3.14）

D-----氣缸缸徑(單位：mm)

d-----氣缸桿徑(單位：mm)

P-----工作壓強(單位：MPa)，根據氣源供氣條件， 應小於減壓閥進口壓強的85%。

氣缸出力示意圖

氣缸在實際的工作中﹐它的阻力主要來自於缸內密封件及導向部位的阻力F1和排氣側產生的阻力F2。F1是無論氣缸如何動作都會有，而F2與氣缸的運動速度緊密相關。如此針對氣缸出力之阻力，由氣缸尺寸、壓力、速度等條件而產生變化，因此需選擇較大之尺寸。

氣缸實際輸出力N=A*F

A為安全係數(也叫負載率)，氣缸實際負載是由工況所決定的，若確定氣缸負載率A，則由定義就能確定氣缸理論輸出力：

對於靜負載（如夾緊，低速鉚接等）， F2阻力很小，A≤0.7；

對於氣缸速度在50~500mm/s範圍內的水平或垂直動作， A≤0.5；

對於氣缸速度大於500mm/s的動作， F2影響很大， A≤0.3。

為什麼要需要考慮負載率A？這個跟我們一般選型計算的安全係數有點類似，主要有兩個原因：一方面，氣缸靠壓縮空氣推動活塞，根據「壓力=壓強X面積，而一定溫度下壓強和體積成反比」的規律，氣缸速度加快意味內腔體氣體空間急速加大（供氣緊張），所以壓強（力）會降低；另一方面，對於慣性負載（如推送工件），將產生慣性力，意味著：氣缸出力=你要的力+克服慣性負載的加速力，氣缸實際出力效果因此打了個折扣，根據速度不同有差異，到底是多少呢，難以定量，就有了負載率概念。因為氣動模式通常難以精確定量運動過程出力，因此不用理會它的科學定義，知道它是一個衡量不同工況下氣缸出力的粗略判斷，是負載力和理論出力的理論聯繫橋樑即可。

如果是雙作用氣缸，知道大概的理論出力，也可以把數據直接整理成表格，省得每次確定缸徑都去計算，見表。比如根據公式計算，缸徑Φ16mm在0.5Mpa條件下的理論出力是10.1kgf，如果氣缸工作在50~500mm/s速度範圍內呢，則為5.05kgf......這些東西可以臨場去計算也可以的，但如果平時做成表格，需要時就可以直接查詢得到，方便很多！

氣缸理論處理和某個速度下的出力（考慮負載率）

●公式不能做的事：告訴你機構或工藝到底「需要多大的動力」

整個氣缸選型最關鍵的是，我們首先要確定機構或工藝「需要多大的動力」。因為這個是機構本身的，需要分析或計算得到，初學者缺乏這方面的實戰經驗，有時並不容易確定，所以平時應該把學習重點放在工況確認和擬定已知條件上，而不是落在「用什麼公式來計算」（那部分是死的，算算公式查查表的事，誰不會呢？）。換言之，從氣缸選型的實戰意義看，如圖所示的思路，A部分才是重點和難點，也是有設計意義的部分。

氣缸的選型思路

氣缸驅動的方向，一般有水平和豎直兩種，後者在作受力分析時，不要忘記還有整組運動機構的重量（重力）。

氣缸驅動的兩種模式

我們以一個氣動插針機構案例來簡單說明下確定缸徑（以及實際需要多大動力）的思路。

如圖所示，該機構是先夾持，然後整體往上把料卷切成單片，再往前推動，到位後豎直往下方向插端子，然後張開夾持塊，再退回原位。

某個實際機構的分析過程

我們分兩種情況來說明。

情況一：已經做過類似案例（雖然跟這個不同），有一些經驗。

比如前後運動氣缸，主要受到行進阻力，這個就看機構設計了，阻力f=阻尼係數u X 模組重力G，當然，平時可以試著推推類似機構，感覺阻力有多大，滑得很順暢的模組，其實阻力很小，但加工不好導致「卡卡」的情況也有，做得多了，可以憑經驗，選個Φ20mm缸徑左右吧。（有沒問題呢？我以前做類似機構，Φ16mm也沒問題）。

比如起夾緊作用的氣缸，需要的力量也不大，但原則上寧可大點力， 比如用個Φ12mm或Φ16mm缸徑的就夠了。（有沒問題呢？我以前做類似機構，Φ6mm的夾爪都足夠了）。

對於這樣的選型過程，可能很多行業新人會覺得有「疑問」，怎麼就那麼隨便呢？其實不是的，因為做過太多類似的案例了，除非情況跳出經驗範疇了，一般沒有必要每次都重複做流水賬。

情況二：初學者經驗不足，或者希望通過前期的計算校核提升設計的「感覺」。

比如上下運動氣缸，要承擔的輸出力主要是兩部分，一個是整個移動模組的重量G，一個是裁斷端子的剪切力F，兩部分大概算一下，看看要多大的力。至於機構運動過程，還要克服的其他阻力，比如插端子工藝，由於產品產品端子與塑膠干涉力遠比裁切成片的力小，所以我們一般可以忽略；比如克服導軌的摩擦阻力也是一樣，都比較小，小到多小呢，普通的導軌摩擦係數是幾個μ，乘於正壓力（或重量），大概就能估算個粗略值......基於這樣的分析得到一個實際需要的動力，然後再按部就班去計算或查表，也就是「有理有據」的設計，做得多了，後面就可以把這些功夫「省掉」。

為什麼說確定「機構或工藝到底需要多大的動力」最關鍵的呢？因為非標工況比較龐雜，初學者往往就卡在這一步，不知道當前這個機構或工藝到底需要多大的動力，這一步沒完成，往下都白搭。

氣動設備跟液動、電動設備（馬達驅動）不一樣，很多場合是難以量化的，所以不用太糾結太依賴於計算分析，比如做個上料機構，從A點移動到B點，機構的實際運行速度，就不是靠計算能算出來的，那麼量化不了但又要求苛刻時怎麼辦，那就改用其他方式（比如電動）啊。

建議初學者到康博連接網（自動化生產技術門戶-康博連接網|自動化設備|凸輪機構|免費圖紙下載|自動機設計培訓）下一些設計案例，多看看現成案例的氣缸選型（什麼場合用了什麼氣缸，氣缸又是多大的......），慢慢地，自然就「心中有數」了。

ⅱ.氣缸行程。氣缸的行程與使用的場合和機構的行程有關，注意三個設計要點：

●一般不選滿行程，防止活塞和缸蓋相碰，如用於夾緊機構等，應按計算所需的行程增加1～2㎜的餘量，換言之，機構最好本身有限位功能。

●限位要平衡穩當，所謂平衡，就是不要讓氣缸「憋著」或「懸著」，所謂穩當，就是要足夠力量阻擋「來勢洶洶」的活動部分，並且沒有搖動、晃動或有鬆脫趨勢現象（比如氣缸運動方向垂直於固定螺絲徑向，後者就容易受循環載荷而慢慢鬆動，應該與螺絲軸向平行）

●應盡量選為標準行程，可保證供貨速度，成本降低。

氣缸行程的確定比較靈活，根據設計需要定

ⅲ.氣缸系列。如表所示，要充分理解並非常熟練查閱，比如你需要一個50缸徑氣缸，就別看什麼CM2，沒有這個規格…

每種氣缸都有缸徑和行程的範圍

ⅳ.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，採用固定式氣缸。在需要隨工作機構連續迴轉時（如車床、磨床等），應選用迴轉氣缸。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。又比如CJ2沒有單耳環型安裝方式。

氣缸的安裝方式，影響機構繪製

ⅴ.氣缸的緩衝裝置。根據活塞的速度決定是否應採用緩衝裝置。

ⅵ.磁性開關。當氣動系統採用電氣控制時，可選用帶磁性開關的氣缸。

每種氣缸都配有特定的磁性開關

ⅶ.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。再比如，氣缸桿和推動零件之間應該用接頭來聯接，不允許將氣缸桿直接固定在機構上，以避免氣缸因為偏心或憋死加劇磨損，類似馬達之聯軸器。形式多樣，可買現成的，也可自制，但注意下聯接特點，不是」剛性「或固定死。

接頭是氣缸桿和要驅動零件之間的聯接，類似聯軸器之於馬達

⑤氣缸配件的選用氣動系統選型表

如果說氣動元件有什麼傻瓜式的選型方法，那氣動系統選型表算是一個。只要把執行元件——氣缸選型的問題解決了，其他的基本上是可以按表格來配套。

當然，氣動選型中，雖然氣缸本身是重點，但是與之配套的附件選用，也不是毫不講究的內容，比如電磁閥、節流閥、接頭甚至管子，都是一些看似無關緊要但影響性能的因素。

............（待續）

備註：本文節選自待出版的《康博自動化機構設計工程師速成寶典之實戰篇》初稿，更多內容請關注這本書的出版，預計2017年年底。

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