气动肌肉

原

理

结

构

图

说

明

气动肌腱是一种拉伸驱动器，它模仿自然肌腱的运动。气动肌腱由一个收缩系统和合适的连接器组成。这个收缩系统由一段被高强度纤维包裹的密封橡胶管组成。纤维形成了一个三维的菱形网状结构。当内部有压力时，管道就径向扩张，轴向方向产生收缩，因此产生了拉伸力和肌腱纵向的收缩运动。拉伸力在收缩开始时最大，并与行程成线性比例关系减小。气动肌腱的收缩最大可达25%，即它的工作行程就是气动肌腱额定长度的25%

连

接

结

构

连

接

件

示

意

图

1—N快插接头，用于连接具有标准内径的气管

2—QS快插接头，用于连接具有标准外径(符合CEOOPRPSAP标准)的气管

3—CK快拧接头，用于连接具有标准内径的气管

4—GRLA单向节流阀，用于调节速度

5—SG双耳环，允许气动肌腱在一个平面内转动安装

6—SGS关节轴承，带球面轴承

7—KSG/KSZ连接件，用于补偿径向偏差

8—MXAD-T螺纹销，用于连接驱动器附件

9—MXAD-R径向连接件，用于连接驱动器附件和径向供气口

10—SGA双耳环，带外螺纹，用于直接安装到气动肌腱上

11—MXAD-A轴向连接件，用于连接驱动器附件和轴向供气口

说

明

气动肌肉作为驱动器，与普通气缸一样，图a是其与各种连接辅件的示意图。通过径向连接件9可与螺纹销8连接，并通过螺纹销8可与双耳环5、关节轴承6、连接件7和外部运动部件形成柔性驱动结构。气动肌肉的进/排气气口，可采用快插接头1、2，或快拧接头3，或单向节流阀4与径向连接件9连接，并将压缩空气输进气动肌肉腔内。进/排气气口可采用单端进/出方式，也可采用两端进/出方式

气动肌肉的技术参数与特性

主

要

技

术

参

数

规格

10

20

40

气接口

Æ连接件MXAD-…，从1/5.6-18起

工作介质

过滤压缩空气，润滑或未润滑(其他介质根据要求而定)

结构特点

高强度纤维收缩隔膜

工作方式

单作用，拉

内径/mm

10

20

40

额定长度/mm

40~9000

60~9000

120~9000

最大附加负载，自由悬挂/kg

30

80

250

可从地面提起的最大附加负载，开始位置并未受到预拉伸/kg

68

160

570

最大许用收缩(行程)/mm

额定长度的20%

额定长度的25%

室温下的放松长度/mm

气管长度的3%

重复精度/mm

小于等于额定长度的1%

最大许用预拉伸^①/mm

额定长度的3%

最大收缩时的直径扩张量^②/mm

23

40

75

迟滞，不带/带负载

小于等于额定长度的5%/2.5%

小于等于额定长度的4%/2%

最大角度误差

±1°，两个固定接口的轴之间

最大平行度误差

两接口之间每100mm长度的误差是2mm

不带附加负载时的速度(6bar时)/m·s^-1

0.001~1.5

0.001~2

安装型式

带附件

安装位置

任意(如果出现径向力则需要外部导向装置)

工作压力/bar

0~8

0~6

环境温度/℃

5~60

耐腐蚀等级CRC^③

2

理论值/N

650

1600

5700

达到预拉伸时要求的力/N

300

800

2500

力的补偿/N

400

1200

4000

① 当附加有效的最大许用自由悬挂负载时，也相应得到了最大拉伸

② 直径上的扩张决不能用于夹紧

③ 耐腐蚀等级2，符合Festo 960070标准

元件必须具备一定的耐腐蚀能力，外部可视元件具备基本的涂层表面，直接与工业环境或与冷却液、润滑剂等介质接触

特

性

气动肌肉产生的收缩力(拉伸力)很大，是同径缸气缸的10倍，与普通气缸不同的是，气动肌肉在开始受到压缩空气作用后产生的收缩力(拉伸力)很大，收缩行程越大收缩产生的作用力越小(见图g作用力/收缩位移)，不像普通气缸产生的力与行程无关(理论上)，见图b。另外一个特性是气动肌肉产生的收缩力与供气压有关，供气压力越高收缩行程也越长，这一特性可使气动肌肉用作简单的定位用途。气动肌肉内部无机械零部件，运动平滑，无爬行、无颤抖现象，它的收缩行程改变与供气压力见图c。气动肌肉重量轻，所占空间很小，具高动态特性，频率高达100Hz。由于它无活塞杆裸露在外，可在肮脏环境下运转。它与普通类气缸相比，在低速0.001mm/s、加速度100m/s2下具有很大优势。无论在夹紧、高加速、振荡、定位、运动无爬行等应用领域越来越能发挥其优越特性。对于频率大于2Hz的气动系统，采取的措施是两端供气、一端装快排阀，如图d所示。对于频率大于10Hz的系统配置，可采用二位三通高速换向阀。二位三通高速换向阀的进气口处配置储气罐，储气罐与阀尽可能接近，阀与气动肌肉的安装也尽可能接近，接头和管路的尺寸尽可能大些。尽可能采用轴向供气的方式，如图e所示。对于需作简单定位的气动系统，可在二位三通供气处与一个气动比例阀相连，控制/调节气动比例阀压力则可获得定位位置，如图f所示

(g)作用力/收缩位移图

计算举例

例1　已知：一个气动肌肉在静止状态时拉伸力为0N，气动肌腱把一个80kg的恒定负载从支撑面提升到100mm处。工作压力为6bar

求：合适的气动肌腱的尺寸(直径和额定长度)

解：(1)确定所需肌腱的规格

根据拉力来确定合适的气动肌腱直径。如所需提起80kg的负载，即拉伸力为800N，根据图g中的拉力，就可选择MAS-20-，即为图h所示的作用力/位移表

(2)标出负载作用点1

在MAS-20-…的作用力/位移图表上标出负载作用点1，当拉伸力F＝0N时，压力p＝0bar

(3)标出负载作用点2

在作用力/位移图表上标出负载用点2，作用力F＝800N，压力p＝6bar

(4)读取长度变化

读取X轴上两负载作用点之间肌腱的长度变化(收缩量以%表示)。结果：10.7%的收缩量

(5)计算额定长度

如果行程为100mm，肌腱的额定长度就是把该行程除以上述收缩量的百分比。结果：100mm/10.7%＝935mm

(6)结论

应订购额定长度为953mm的气动肌腱。在无外力作用下，为了将80kg的负载提升到100mm，则需要气动肌腱MAS-20-N935-AA-…(N表示气动肌腱的额定长度，未包括安装所需长度，气动肌腱被剪下长度大于额定长度。AA表示标准材料为氯丁二烯)

(h)作用力/位移表

例2　已知：需气动肌肉作张力弹簧功能，当被拉伸状态时它的力为2000N，收缩状态时它的力为1000N，所需行程(弹簧长度)为50mm，气动肌肉的工作压力为2bar

求：合适的气动肌腱的尺寸(直径和额定长度)

解：(1)确定所需肌腱的规格

确定最合适的气动肌腱直径。如所需的力为2000N，根据图g中的拉力，就可选择MAS-40-，即为图i作用力/位移表

(2)标出负载作用点1

在MAS-40-…的作用力/位移图表上标出负载作用点1，作用力F＝2000N，压力p＝2bar

(3)标出负载作用点2

在作用力/位移图表上标出负载作用点2，作用力F＝1000N，压力p＝2bar

(4)读取长度变化

读取X轴上两负载作用点之间肌腱的长度变化(收缩量以%表示)。结果：7.5%的收缩量

(5)计算额定长度

如果行程为50mm，肌腱的额定长度就是把该行程除以上述收缩量的百分比。结果：50mm/7.5%＝667mm

(6)结论

应订购额定长度为667mm的气动肌腱。当把气动肌腱作为张力弹簧时，如果力的大小为2000N，弹簧的行程是50mm，那么所需的气动肌腱是MAS-40-N667-AA-…

作用力/位移表

应

用

举

例

概

述

气动肌肉的初始力与加速度大，无摩擦，运动频率高，停止柔和，可应用在钻孔、切削、压榨、冲压、印刷等行业；气动肌肉的夹紧力大，重量轻，容易调整，也可应用在大负载机械手等行业；气动肌肉的动态性能非常好，动作频率高，维护方便，还可应用在送料带、排序、振动料斗器等行业；气动肌肉的运动平滑，低速运行无爬行，可控性好，可应用在张力控制、磨、抛光、焊接、定量给料设备、传送带纠偏等行业；气动肌肉的密封结构，耐恶劣环境，无泄漏，可应用在木材加工、铸造、采矿、建筑业(混凝土)、陶瓷等行业

作

用

力

大

用于纸板箱打孔的驱动器

用于标签冲孔的驱动器

用于切割塑料型材的飞刀的驱动器

气动肌腱动态性好，加速度大，运动频率高，动力强劲，能产生很好的打孔效果。使用偏心杆可进一步增强这些特性。通过两根机械弹簧实现耐磨系统的复位

气动肌腱重量轻，且没有移动部件(如：活塞)，因此具备很高的循环速率。这种简单的结构(使用两个弹簧和一个肌腱进行预拉伸)替代了使用气缸时要用到的复杂的滚轮杠杆夹紧系统。在可能的范围内将频率从3Hz提高到5Hz。迄今为止已达到五千多万次工作循环

气动肌腱的各种性能在该应用中得到了理想的运用：行程开始时能立即迅速加速，确保有足够大的力分割塑料型材，同时柔和软停止可使飞刀平稳到达终端位置

无

爬

行

移

动

用于卷绕设备的制动驱动装置

用于自动研磨机上计量分配器的驱动器

用于卷绕过程中的走带纠偏控制

无摩擦的肌腱可使卷轴匀速和缓地制动，以确保在恒定速度下进行高精度卷带。使用比例控制阀(它的信号由力传感器调节)进行控制

由一根弹簧进行预拉伸的肌腱可无跳动且匀速地打开和关闭计量阀。这确保了研磨材料的正确计量。使用比例控制阀进行控制，它可以根据研磨机的皮带速度调节颗粒数量

目的：匀速卷起纸、金属薄片或纺织品

要求：无摩擦驱动器，具有快速响应特性

解决方法：气动肌键。传感器一检测到边缘不对齐就用2个气动肌键替代活动标架上的转轴。这意味着走带边缘是100%对齐的

简

单

的

定

位

系

统

简单的提升设备，用于处理混凝土板和车轮辕

用于自动洗衣机送料单元的驱动器

用于提升设备

只需调节压力即可实现中间位置。通过手柄式阀为气动肌腱加压或泄压，使工件按要求提升或者下降。气动肌腱长度可长达9m，适用于各种应用场合

气动肌腱可以进行旋转动作。就像人体一样，屈肌和伸肌驱动齿轮，该齿轮可以将送料单元旋转120°。通过调节压力，比例方向控制阀可实现中间位置定位

只需若干个滑轮及若干根气动肌肉便可提升重物，控制气动肌肉的供给压力便可控制提升所需高度

作

比

例

定

位

控

制

辊轴张力控制

进料闸门的控制

辊轴张力控制在纸张、薄膜、布料等行业是常见的控制方式之一，气动肌肉可根据压力变化形成位移变化，气动肌肉无爬行，动态频响高，可灵敏地反馈到辊轴间的位移

当料斗内装满原料时，料斗仓门的开启需很大的力，此时气动肌肉既要随时打开仓门，又要快速关小仓门(MPPE为Festo气动比例阀，可调节气动肌肉腔内压力，即调节料斗仓门开口度)

恶

劣

的

环

境

条

件

棘爪的驱动装置

抛光机上应用

不受污垢影响的气动肌腱因其重量轻、关闭夹头时作用力大而成为棘爪的理想驱动装置。气动肌键完全封闭的系统适用于仓库环境，甚至在恶劣的条件下使用也不会影响其寿命

不受抛光后污物影响的气动肌腱。其作用力大，且易调节抛光压力，压紧抛光时无振颤，是抛光机的理想驱动装置

动

态

特

性

用于分类/止动装置的驱动器

用于振动送料斗的驱动器

用于检测不合格产品

气动肌腱速度快，加速性能好，是传输过程中实现分类和止动功能的理想驱动器。由于响应时间短，因此环速率大幅度提高

在送料过程中，送料斗和贮存仓容易发生堵塞问题。气动肌腱可方便地在10~90Hz之间无级调节一个气动振动器，这样就确保了持续传送

当生产流水线在高速输送时，传感器上检测到不合格产品需立即被分拣出，气动肌腱速度快，加速性能好，可较好适应流水线高速输送特性

注

意

事

项

(1)如气动肌肉长时间内部充压，且位置不变，会因此变松弛，作用力会减弱。或虽内部无施压，也不能长时间承担一个静态的负载(譬如超过500h)，否则气动肌肉比原来会有明显的松弛

(2)气动肌肉最大收缩率不得超过25％，收缩率越大时，寿命越短且此时产生的拉伸力越小

(3)气动肌肉使用寿命在10~1000万次，收缩率越小寿命越长，压力越低寿命越长，负载越小寿命越长，温度在20~60℃时，寿命越长

(4)大于60℃的情况下持续使用，会使橡胶过早老化，但短时间的使用是允许的(譬如十几秒)。当温度低于5℃的情况时，气动肌肉可动态应用，由于压缩空气在气动肌肉腔内运动会产生热量，但不能期望等待此运动的热量升到20℃，如果需要在低于20℃或高于60℃范围下应用，则要对橡胶的成分进行改变，其他特性(材料的耐久性)也会有所变化

(5)影响频率的因素有：收缩行程、负载、压力、温度、阀、气源管路等。气动肌肉的最高频率可达100Hz，但收缩率在很小的情况可达10亿次。对于高频率气动肌肉通常采用高速阀，高速阀进口处装有储气筒，气动肌肉供气釆用两端轴向进/排气方式，以利于其均匀受压力及保持气流通畅、冷却

(6)气动肌肉受压径向膨胀，但不能用其径向作为夹紧使用。因为在收缩时，会与被夹物体之间产生磨损，导致气动肌肉的损坏

(7)气动肌肉沿着滑轮绕过时，会发生弯曲变形，滑轮的直径应至少是气动肌腱内径的10倍

(8)气动肌肉安装时应避免扭曲或受偏心负载，见图j