什麼是氣動推桿及其工作原理？

氣動驅動器為現代自動化提供動力，然而許多工程師卻難以為其應用選擇正確的類型。了解致動器的基本原理，可避免昂貴的錯誤，並確保最佳的系統效能。

氣動執行器是將壓縮空氣能量轉換為機械運動的裝置，包括線性氣缸、旋轉執行器、夾爪和專用單元，可提供精確、強大且可靠的自動化解決方案。

上週，一家德國包裝公司的 Maria 打來電話，對於推桿的選擇感到困惑。她的生產線需要線性和旋轉運動，但她沒有意識到多種致動器類型可以無縫配合。

目錄

• 氣動推桿的主要類型有哪些？
• 線性氣動推桿如何工作？
• 旋轉式氣動推桿有何用途？
• 如何選擇正確的氣動推桿？

氣動推桿的主要類型有哪些？

氣動執行器有數個不同的類別，每個類別都是針對特定的運動需求和應用而設計。

四種主要的氣動執行器類型為線性氣缸（標準、無杆、迷你）、旋轉執行器（葉片、齒條-小齒輪）、夾爪（平行、角度），以及結合多種動作的滑動氣缸等特殊裝置。

線性運動執行器

線性致動器提供直線運動，是最常見的氣動致動器類型：

標準氣缸

• 單動式¹:彈簧回位，單向電源
• 雙作用:雙向電動
• 應用:基本推、拉、舉操作

無桿氣缸²

• 磁耦合:非接觸式力傳送
• 機械耦合:直接機械連接
• 應用:長行程、空間有限的裝置

迷你氣缸

• 緊湊型設計:節省空間的應用
• 高精度:精確定位要求
• 應用:電子組裝、醫療設備

迴轉運動致動器

旋轉致動器可將氣壓轉換為旋轉運動：

葉片致動器

• 單葉片：90-270° 旋轉角度
• 雙葉片:180° 最大旋轉角度
• 應用:閥門操作、零件定位

齒條和小齒輪致動器

• 精確控制:精確的角度定位
• 高扭力:重型應用
• 應用:風門控制、輸送帶分度

專用致動器

氣動夾持器

夾具提供夾持和固定功能：

夾具類型	運動模式	典型應用
平行	直接關閉	零件處理、組裝
角度	樞軸運動	焊接夾具、檢查
切換	機械優勢	重型零件、高力道

滑動圓筒

在單一裝置中結合線性與旋轉運動：

• 雙動態:順序或同步操作
• 緊湊型設計:節省空間的解決方案
• 應用:取放、分類系統

致動器選擇矩陣

運動類型	行程長度	力/扭力	速度	最佳致動器選擇
線性	短 (<6″)	低-中	高	迷你氣缸
線性	中型 (6-24″)	中-高	中型	標準氣缸
線性	長 (>24″)	中型	中型	無桿氣缸
旋轉式	<180°	高	中型	葉片致動器
旋轉式	可變	高	低	齒條-小齒輪

John 是一位來自俄亥俄州的維修工程師，起初他選擇標準氣缸用於長行程應用。在改用我們的無桿氣壓缸解決方案後，他減少了 60% 的安裝空間，同時提高了可靠性。

線性氣動推桿如何工作？

線性氣動執行器透過活塞和氣缸排列，將壓縮空氣壓力轉換為直線機械力。

線性致動器的工作原理是在活塞的一側施加壓縮空氣壓力，產生壓力差，根據 F = P × A 產生力，通過機械連桿移動負載。

基本操作原則

壓力應用

壓縮空氣透過氣動配件和電磁閥進入汽缸：

• 供應壓力:通常為 80-120 PSI 工業標準
• 壓力調節:手動閥控制操作壓力
• 流量控制:透過限流器調節速度

力量產生

基本物理原理如下 帕斯卡原理³:

• 活塞面積:直徑越大，產生的力越大
• 壓差:淨壓力產生可用的力
• 機械優勢:槓桿系統可以倍增輸出力

標準氣缸操作

延長週期

1. 供氣:壓縮空氣進入蓋端腔體
2. 壓力累積:力克服靜態摩擦力和負荷
3. 活塞運動:桿子以可控制的速度伸長
4. 排氣:桿端空氣透過閥門排出

撤回週期

1. 空氣反向:供應開關至桿端室
2. 力方向:壓力作用於減少的有效區域
3. 回程行程:活塞以較低的可用力縮回
4. 週期完成:準備進行下一個操作

雙活塞桿氣缸特性

雙連桿氣缸具有獨特的優勢：

• 同等力量:兩個方向的有效區域相同
• 平衡負載:對稱機械力
• 直通桿設計:兩端均可安裝

力計算

• 伸展力:F = P × (A_piston - A_rod)
• 縮回力:F = P × (A_piston - A_rod)
• 同等效能:雙向一致的力

無桿氣缸技術

磁耦合系統

磁性無桿式圓筒使用永久磁鐵：

• 非接觸:無透過汽缸壁的物理連接
• 密封操作:完整的環境保護
• 效率：85-95% 傳動力典型值

機械耦合系統

機械耦合裝置提供直接連接：

• 更高的效率：95-98% 力傳動
• 更高的精確度:最小的反彈和合規性
• 密封複雜性:外部密封需要維護

效能最佳化

速度控制方法

線性致動器速度控制使用多種技術：

方法	控制類型	應用	優勢
流量控制	氣動	一般用途	簡單、可靠
壓力控制	氣動	力敏銳	流暢的操作
電子	伺服閥4	高精度	可程式化

緩衝系統

衝程末端緩衝可防止撞擊損害：

• 固定緩衝:內建避震功能
• 可調式緩衝:可調式減速
• 外部緩衝:分離式避震器

Maria 的德國工廠在採用我們整合緩衝功能的速度控制型無桿氣缸系統後，包裝線效率提高了 25%。

旋轉式氣動推桿有何用途？

旋轉式氣動執行器可將壓縮空氣能量轉換為旋轉運動，適用於需要角度定位和扭力輸出的應用。

旋轉式致動器可提供 90° 至 360° 的精確角度定位，產生高扭力，適用於閥門操作、零件定位、分度工作台和自動定位系統。

葉片式旋轉推桿

單葉片設計

單葉片致動器提供最簡單的旋轉解決方案：

• 旋轉範圍: 90° 至 270° 典型值
• 扭力輸出:低速時的高扭力
• 應用:轉舌式閥門、風門控制

雙葉片配置

雙葉片裝置提供平衡的操作：

• 旋轉範圍:最大限制為 180°
• 平衡力:降低軸承負載
• 應用:蝶閥、閘門定位

齒條和小齒輪致動器

操作機制

齒條和小齒輪系統可將直線運動轉換為旋轉運動：

• 線性活塞:兩側的驅動架
• 小齒輪:將線性運動轉換為旋轉
• 齒輪比:提供多種扭力/速度優化比率

性能特性

參數	單葉片	雙葉片	齒條-小齒輪
最大旋轉	270°	180°	360°+
扭力輸出	高	中型	可變
精確度	良好	良好	極佳
速度	中型	中型	高

應用範例

閥門自動化

旋轉式致動器在閥門控制應用方面表現優異：

• 球閥：90° 四分之一迴轉操作
• 蝶閥:精確的節流控制
• 閘閥:齒輪減速的多圈能力

材料處理

旋轉運動可實現高效的材料處理：

• 索引表:精確的角度定位
• 零件方向:自動定位系統
• 輸送帶轉向器:產品路由控制

製程控制

工業製程應用受益於旋轉式致動器：

• 風門控制:HVAC 與製程空氣控制
• 混音器定位:化學與食品加工
• 太陽能追蹤:可再生能源應用

扭力計算

葉片致動器扭力

T = P × A × R × η

在哪裡？

• P = 工作壓力
• A = 有效葉片面積
• R = 有效半徑
• η = 機械效率 (通常為 85-90%)

齿条和小齿轮扭矩

T = F × R_pinion × η

在哪裡？

• F = 來自氣壓缸的線性力
• R_pinion = 小齒輪半徑
• η = 整體系統效率

控制與定位

位置反饋

精確的定位需要回饋系統：

• 電位器回饋:類比位置訊號
• 編碼器回饋:數位位置資料
• 限位開關:旅行結束確認

速度控制

旋轉執行器速度控制方法：

• 流量控制閥:簡單的氣動速度控制
• 伺服閥:精密電子控制
• 齒輪減速:機械減速與扭力倍增

John 的俄亥俄州工廠以我們的氣動旋轉式推桿取代電動馬達驅動的分度工作台，在提高定位精度的同時，減少了 40% 的能源消耗。

如何選擇正確的氣動推桿？

正確選擇致動器需要將性能要求與致動器能力相匹配，同時考慮系統限制和成本因素。

透過分析力/扭力需求、行程/轉動需求、速度規格、安裝限制及環境條件來選擇氣動執行器，使應用需求與執行器能力相匹配。

效能需求分析

力和扭矩計算

從基本的效能需求開始：

線性力需求：

• 靜態負載:重量和摩擦力
• 動態負載:加速和減速力
• 安全係數:通常為計算負荷的 1.25-2.0 倍
• 壓力可用性:系統壓力限制

旋轉扭力要求：

• 斷開扭力:初始旋轉阻力
• 運轉扭力:連續操作要求
• 慣性負載:旋轉質量的加速力矩
• 外部負載:製程力與阻力

速度與定時規格

運動需求會影響致動器的選擇：

應用類型	速度範圍	控制方法	致動器選擇
高速	>24 英寸/秒	流量控制	迷你氣缸
中速	6-24 英寸/秒	壓力控制	標準氣缸
精確度	<6 英寸/秒	伺服控制	無桿氣缸
變速	可調整	電子	伺服氣壓

環境考量

操作條件

環境因素會顯著影響致動器的選擇：

溫度影響：

• 標準範圍:典型溫度 : 32°F 至 150°F
• 高溫:需要特殊的密封件和材料
• 低溫:濕氣凝結問題

抗污染性：

• 清潔環境:足夠的標準密封
• 多塵環境:雨刷密封件和行李箱保護
• 化學品接觸:相容材料選擇

安裝與空間限制

線性致動器安裝：

• 直通杆安裝:雙活塞桿氣缸
• 緊湊型安裝:適用於長衝程的無桿氣缸
• 多個位置:用於複雜運動的滑動缸

旋轉致動器安裝：

• 直接耦合:軸上安裝應用
• 遠端安裝:皮帶或鏈條驅動系統
• 整合設計:內建安裝功能

系統整合因素

供氣需求

將執行器需求與 空氣源處理裝置⁵:

致動器類型	空氣品質等級	流量需求	壓力需求
標準氣缸	3-4 級	中型	80-100 PSI
無桿氣缸	2-3班	中-高	80-120 PSI
旋轉致動器	3-4 級	低-中	60-100 PSI
氣動夾具	2-3班	低	60-80 PSI

控制系統相容性

確保執行器與控制系統相容：

• 電磁閥要求:電壓、流量、反應時間
• 回饋系統:位置感測器、限位開關
• 手動閥門超控:緊急操作能力
• 安全系統:故障安全定位要求

成本效益分析

初始成本考慮

Bepto 與 OEM 的比較：

因子	Bepto 解決方案	OEM 解決方案
購買價格	40-60% 下部	優惠定價
交貨時間	5-10 天	4-12 週
技術支援	直接與工程師聯繫	多層支援
客製化	彈性修改	選項有限

總擁有成本

考慮初次購買以外的長期成本：

• 維護要求:更換密封件、維修間隔
• 能源消耗:操作壓力和流量要求
• 停機成本:可靠性和備件可用性
• 升級彈性:未來的修改能力

特定應用建議

高強度應用

用於最大力輸出：

• 大缸徑標準油缸:最大有效面積
• 高壓操作:100+ PSI 系統
• 堅固的結構:重型密封件和材料

精密應用

用於精確定位：

• 無桿氣缸:長行程精度
• 伺服氣壓系統:電子位置控制
• 優質空氣處理:穩定的壓力和清潔度

高速應用

用於快速循環：

• 迷你氣缸:質量低、反應快
• 高流量閥門:快速供氣與排氣
• 最佳化的氣動配件:最小壓降

Maria 的德國包裝廠在改用我們的整合式氣動執行器解決方案後，節省了 30% 的成本並提高了可靠性，該解決方案將無桿氣缸、旋轉執行器和氣動夾爪結合在一個協調的系統中。

總結

氣動執行器可將壓縮空氣轉換為精確的機械運動，根據力量、速度、環境和成本需求進行適當選擇，確保最佳的自動化效能。

有關氣動推桿的常見問題

1. 瞭解單動式與雙動式氣缸在操作上的主要差異。 ↩

2. 探索工業自動化領域中無桿氣壓缸的設計、類型和操作優勢。 ↩

3. 探索帕斯卡原理，這是流體力學的基本定律，解釋了壓力如何在密閉流體中傳遞。 ↩

4. 瞭解伺服閥，以及伺服閥如何在高效能氣動系統中提供精確的流量和壓力比例控制。 ↩

5. 瞭解氣源處理裝置 (FRL) 的功能，可過濾、調節和潤滑壓縮空氣，以獲得最佳的系統效能。 ↩