氣缸的工作原理

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Page: 1,氣缸的工作原理及應(yīng)用入門(mén)培訓(xùn) Cylinder work principle and application Induction Training,Cylinder Training Manual,Page: 2,課 程 目 標(biāo),通過(guò)學(xué)習(xí),我們將： 了解常用氣缸的基本組成部分及工作原理； 了解常見(jiàn)SMC氣缸型號(hào)的表示方法; 掌握氣缸常見(jiàn)故障的判斷及基本維修技巧; 了解氣缸的常見(jiàn)技術(shù)參數(shù)及選型要求,Page: 3,組成 : 缸體，活塞，密封圈，磁環(huán)（有sensor的氣缸）,原理 : 壓力空氣使活塞移動(dòng)，通過(guò)改變進(jìn)氣方向，改變活塞桿的移動(dòng)方向。,失效形式 : 活塞卡死，不動(dòng)作；氣缸無(wú)力，密封圈磨損，漏氣。,普通氣缸的基本組成和原理:,Page: 4,典型氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理,普通雙作用氣缸 1、3－緩沖柱塞 2－活塞 4－缸筒 5－導(dǎo)向套 6－防塵圈 7－前端蓋 8－氣口 9－傳感器 10－活塞桿 11－耐磨環(huán) 12－密封圈 13－后端蓋 14－緩沖節(jié)流閥,以氣動(dòng)系統(tǒng)中最常使用的單活塞桿雙作用氣缸為例來(lái)說(shuō)明，氣缸典型結(jié)構(gòu)如下圖1所示。它由缸筒、活塞、活塞桿、前端蓋、后端蓋及密封件等組成。雙作用氣缸內(nèi)部被活塞分成兩個(gè)腔。有活塞桿腔稱(chēng)為有桿腔，無(wú)活塞桿腔稱(chēng)為無(wú)桿腔。 當(dāng)從無(wú)桿腔輸入壓縮空氣時(shí)，有桿腔排氣，氣缸兩腔的壓力差作用在活塞上所形成的力克服阻力負(fù)載推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，使活塞桿伸出；當(dāng)有桿腔進(jìn)氣，無(wú)桿腔排氣時(shí)，使活塞桿縮回。若有桿腔和無(wú)桿腔交替進(jìn)氣和排氣，活塞實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。,圖1,氣缸的基本組成部分及工作原理,Page: 5,機(jī)械接觸式無(wú)桿氣缸 l－節(jié)流閥 2－緩沖柱塞 3－密封帶 4－防塵不銹鋼帶 5－活塞 6－滑塊 7－活塞架,機(jī)械接觸式無(wú)桿氣缸，其結(jié)構(gòu)如下圖3所示。在氣缸缸管軸向開(kāi)有一條槽，活塞與滑塊在槽上部移動(dòng)。為了防止泄漏及防塵需要，在開(kāi)口部采用聚氨脂密封帶和防塵不銹鋼帶固定在兩端缸蓋上，活塞架穿過(guò)槽，把活塞與滑塊連成一體?；钊c滑塊連接在一起，帶動(dòng)固定在滑塊上的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 這種氣缸的特點(diǎn)是：1) 與普通氣缸相比，在同樣行程下可縮小1/2安裝位置；2) 不需設(shè)置防轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；3) 適用于缸徑10～80mm，最大行程在缸徑≥40mm時(shí)可達(dá)7m；4) 速度高，標(biāo)準(zhǔn)型可達(dá)0.1～0.5m/s；高速型可達(dá)到0.3～3.0m/s。其缺點(diǎn)是：1) 密封性能差，容易產(chǎn)生外 泄漏。在使用三位閥時(shí)必須選用中壓式；2) 受負(fù)載力小，為了增加負(fù)載能力，必須增加導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。,機(jī)械接觸式無(wú)桿氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理,氣缸的基本組成部分及工作原理,圖3,Page: 6,氣缸的基本組成部分及工作原理,磁性無(wú)桿氣缸 1－套筒 2－外磁環(huán) 3－外磁導(dǎo)板 4－內(nèi)磁環(huán) 5－內(nèi)磁導(dǎo)板 6－壓蓋 7－卡環(huán) 8－活塞 9－活塞軸 10－緩沖柱塞 11－氣缸筒 12－端蓋 13－進(jìn)、排氣口,活塞通過(guò)磁力帶動(dòng)缸體外部的移動(dòng)體做同步移動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。它的工作原理是：在活塞上安裝一組高強(qiáng)磁性的永久磁環(huán)，磁力線通過(guò)薄壁缸筒與套在外面的另一組磁環(huán)作用，由于兩組磁環(huán)磁性相反，具有很強(qiáng)的吸力。當(dāng)活塞在缸筒內(nèi)被氣壓推動(dòng)時(shí)，則在磁力作用下，帶動(dòng)缸筒外的磁環(huán)套一起移動(dòng)。氣缸活塞的推力必須與磁環(huán)的吸力相適應(yīng)。,磁性無(wú)桿氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理,圖4,Page: 7,齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸 1－齒條組件 2－彈簧柱銷(xiāo) 3－滑塊 4－端蓋 5－缸體 6－軸承 7－軸 8－活塞 9－齒輪,齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸是通過(guò)連接在活塞上的齒條使齒輪回轉(zhuǎn)的一種擺動(dòng)氣缸，其結(jié)構(gòu)原理如下圖7所示?；钊麅H作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，摩擦損失少，齒輪傳動(dòng)的效率較高，此擺動(dòng)氣缸效率可達(dá)到95%左右。,齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理,氣缸的基本組成部分及工作原理,圖7,單齒條式,雙齒條式,Page: 8,單葉片式擺動(dòng)氣缸的結(jié)構(gòu)原理如圖13－13所示。它是由葉片軸轉(zhuǎn)子（即輸出軸）、定子、缸體和前后端蓋等部分組成。定子和缸體固定在一起，葉片和轉(zhuǎn)子聯(lián)在一起。在定子上有兩條氣路，當(dāng)左路進(jìn)氣時(shí)，右路排氣，壓縮空氣推動(dòng)葉片帶動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針擺動(dòng)。反之，作逆時(shí)針擺動(dòng)。 葉片式擺動(dòng)氣缸體積小，重量最輕，但制造精度要求高，密封困難，泄漏是較大，而且動(dòng)密封接觸面積大，密封件的摩擦阻力損失較大，輸出效率較低，小于80%。因此，在應(yīng)用上受到限制，一般只用在安裝位置受到限制的場(chǎng)合，如夾具的回轉(zhuǎn)，閥門(mén)開(kāi)閉及工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等。,葉片式擺動(dòng)氣缸和工作原理,單葉片式擺動(dòng)氣缸 1－葉片 2－轉(zhuǎn)子 3－定子 4－缸體,氣缸的基本組成部分及工作原理,Page: 9,氣缸的基本組成部分及工作原理,氣動(dòng)手爪 氣動(dòng)手爪這種執(zhí)行元件是一種變型氣缸。它可以用來(lái)抓取物體，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各種動(dòng)作。在自動(dòng)化系統(tǒng)中，氣動(dòng)手爪常應(yīng)用在搬運(yùn)、傳送工件機(jī)構(gòu)中抓取、拾放物體。,氣動(dòng)手爪有平行開(kāi)合手指（如圖13－11所示）、肘節(jié)擺動(dòng)開(kāi)合手爪、有兩爪、三爪和四爪等類(lèi)型，其中兩爪中有平開(kāi)式和支點(diǎn)開(kāi)閉式驅(qū)動(dòng)方式有直線式和旋轉(zhuǎn)式。 氣動(dòng)手爪的開(kāi)閉一般是通過(guò)由氣缸活塞產(chǎn)生的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒輪等機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)各個(gè)手爪同步做開(kāi)、閉運(yùn)動(dòng)。,氣動(dòng)手爪,Page: 10,薄膜氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理,薄膜氣缸 1－缸體 2－膜片 3－膜盤(pán) 4－活塞桿,下圖2為膜片氣缸的工作原理圖。膜片有平膜片和盤(pán)形膜片兩種 一般用夾織物橡膠、鋼片或磷青銅片制成，厚度為 5～6mm （有用 1～2mm 厚膜片的）。 下圖2所示的膜片氣缸的功能類(lèi)似于彈簧復(fù)位的活塞式單作用氣缸，工作時(shí)，膜片在壓縮空氣作用下推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、重量輕、密封性好、不易漏氣、加工簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)磨損件、維修方便等，適用于行程短的場(chǎng)合。缺點(diǎn)是行程短，一般不趁過(guò)50mm。平膜片的行程更短，約為其直徑的1/10。,圖2,氣缸的基本組成部分及工作原理,Page: 11,帶閥組合氣缸 1－管接頭 2－氣缸 3－氣管 4－電磁換向閥 5－換向閥底板 6－單向節(jié)流閥組合件 7－密封圈。,圖6,帶閥組合氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理,帶閥氣缸是由氣缸、換向閥和速度控制閥等組成的一種組合式氣動(dòng)執(zhí)行元件。如下圖6所示,它省去了連接管道和管接頭，減少了能量損耗，具有結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。帶閥氣缸的閥有電控、氣控、機(jī)控和手控等各種控制方式。閥的安裝形式有安裝在氣缸尾部、上部等幾種。如下圖4所示，電磁換向閥安裝在氣缸的上部，當(dāng)有電信號(hào)時(shí)，則電磁閥被切換，輸出氣壓可直接控制氣缸動(dòng)作,氣缸的基本組成部分及工作原理,Page: 12,磁性開(kāi)關(guān)氣缸 1－動(dòng)作指示燈 2－保護(hù)電路 3－開(kāi)關(guān)外殼 4－導(dǎo)線 5－活塞 6－磁環(huán) 7－缸筒 8－舌簧開(kāi)關(guān),磁性開(kāi)關(guān)氣缸的結(jié)構(gòu)和工作原理,磁性開(kāi)關(guān)氣缸是指在氣缸的活塞上安裝有磁環(huán)，在缸筒上直接安裝磁性開(kāi)關(guān)，磁性開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)氣缸行程的位置，控制氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。因此，就不需要在缸筒上安裝行程閥或行程開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)氣缸活塞位置，也不需要在活塞桿上設(shè)置擋塊。 其工作原理如下圖5所示。它是在氣缸活塞上安裝永久磁環(huán)，在缸筒外殼上裝有舌簧開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)內(nèi)裝有舌簧片、保護(hù)電路和動(dòng)作指示燈等，均用樹(shù)脂塑封在一個(gè)盒子內(nèi)。當(dāng)裝有永久磁鐵的活塞運(yùn)動(dòng)到舌簧片附近，磁力線通過(guò)舌簧片使其磁化，兩個(gè)簧片被吸引接觸，則開(kāi)關(guān)接通。當(dāng)永久磁鐵返回離開(kāi)時(shí)，磁場(chǎng)減弱，兩簧片彈開(kāi)，則開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。由于開(kāi)關(guān)的接通或斷開(kāi)，使電磁閥換向，從而實(shí)現(xiàn)氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。,圖5,氣缸的基本組成部分及工作原理,Page: 13,SMC氣缸型號(hào)表示的一般方法,,,,,,,,,,,,,SMC薄型氣缸CQ2系列(?32~ ?100),SMC常見(jiàn)氣缸型號(hào)的表示方法,Page: 14,M,20,100,Y59A,,,,SMC雙聯(lián)氣缸CXS系列(?6~ ?32),SMC常見(jiàn)氣缸型號(hào)的表示方法,CXS,,缸徑,,,,,,SMC機(jī)械接合式無(wú)桿氣缸MY1B系列(?10~ ?100),集中配管型,G,標(biāo)準(zhǔn)型,無(wú)記號(hào),,接管形式,,,,,,,,,,,,25,G,300,Z73,,,,行程,,,,,,無(wú)磁性開(kāi)關(guān),無(wú)記號(hào),磁性開(kāi)關(guān)的型號(hào),,,,,,,,,,,,2個(gè),N,1個(gè),S,2個(gè),無(wú)記號(hào),磁性開(kāi)關(guān)個(gè)數(shù),,,,,,,,,,,,,MY1 B,,缸徑,,,,L,S,,基本型,,,,行程調(diào)節(jié)方式,,,,,,單側(cè),S*,,兩側(cè),無(wú)記號(hào),行程調(diào)節(jié)裝置數(shù),,,,,,,,,,,,,,,,Page: 15,卡簧鉗,1500#砂紙,SMC氣缸潤(rùn)滑油,清潔布, 新的氣缸密封圈.,注意:因?yàn)闅飧子袑?zhuān)用的潤(rùn)滑油,用其他的潤(rùn)滑油的話, 可能會(huì)縮短密封 圈的壽命,且不能正常工作.,1500號(hào)砂紙,卡簧鉗,密封圈,SMC潤(rùn)滑油,氣缸常見(jiàn)故障的判斷及基本維修技巧,常用維修工具,Page: 16,好的氣缸: 用手緊緊堵住氣孔，然后用手拉活塞軸,拉的時(shí)候有很大的反向力，放的時(shí)候活塞會(huì)自動(dòng)彈回原位；拉出推桿再堵住氣孔，用手壓推桿時(shí)也有很大的反向力，放的時(shí)候活塞會(huì)自動(dòng)彈回原位。,壞的氣缸: 拉的時(shí)候無(wú)阻力或力很小，放的時(shí)候活塞無(wú)動(dòng)作或動(dòng)作無(wú)力緩慢,拉出的時(shí)候有反向力但連續(xù)拉的時(shí)候慢慢減??；壓的時(shí)候沒(méi)有壓力或壓力很小，有壓力但越壓力越小。,氣孔,氣缸常見(jiàn)故障的判斷及基本維修技巧,,,常見(jiàn)故障的判斷,Page: 17,1.找到與氣缸配套的密封圈,2.拆下外蓋,3.拆下卡簧,4.取出推桿,5.拆下密封圈,6.清潔所有的部件，檢查磨損程度,氣缸常見(jiàn)故障的判斷及基本維修技巧,常見(jiàn)故障維修步驟1,Page: 18,如果有起槽的部件，用砂紙磨光 滑，防止漏氣和保證不會(huì)增加密封圈的磨損。,將新的密封圈按正確的方向安裝好，并在表面涂上潤(rùn)滑油。,氣缸常見(jiàn)故障的判斷及基本維修技巧,常見(jiàn)故障維修步驟2,Page: 19,按拆的步驟反過(guò)來(lái)裝好氣缸,檢查氣缸的密封性,注意事項(xiàng): 在拆開(kāi)氣缸后，需要評(píng)估部件的維修價(jià)值： 如果推桿或缸體起槽的太深，磨損的很厲害,換了新的密封圈也用不了很長(zhǎng)的時(shí)間 推桿，缸體和密封圈座變形的,不能維修。,,氣缸常見(jiàn)故障的判斷及基本維修技巧,常見(jiàn)故障維修步驟3,Page: 20,氣缸在動(dòng)作過(guò)程中，不能將身體任何部分置于其行程范圍內(nèi)，以免受傷． 在維修設(shè)備上的氣缸時(shí)，必須先切除氣源，保證缸體內(nèi)氣體放空，直至設(shè)備處于靜止?fàn)顟B(tài)方可作業(yè)． 在維修氣缸結(jié)束后，應(yīng)先檢查身體任何部分未置于其行程范圍內(nèi)，方可接通氣源試運(yùn)行．接通氣源時(shí)，應(yīng)先緩慢沖入部分氣體，使氣缸沖氣至原始位置，再插入接頭．,氣缸常見(jiàn)故障的判斷及基本維修技巧,氣動(dòng)執(zhí)行元件維修的注意事項(xiàng),Page: 21,由于我們公司使用的氣缸種類(lèi)較多，品牌也不一樣，有些型號(hào)倉(cāng)庫(kù)沒(méi)有密封圈備件，但同品牌的有些是可以通用的，可參考以下參數(shù)：,氣缸常見(jiàn)故障的判斷及基本維修技巧,SMC密封圈的識(shí)別要領(lǐng),Page: 22,氣缸的常見(jiàn)技術(shù)參數(shù)1 1）氣缸的輸出力 氣缸理論輸出力的設(shè)計(jì)計(jì)算與液壓缸類(lèi)似，可參見(jiàn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算。如雙作用單活塞桿 氣缸推力計(jì)算如下： 理論推力（活塞桿伸出） Ft1＝A1p 理論拉力（活塞桿縮回） Ft2＝A2p 式中 Ft1、Ft2——?dú)飧桌碚撦敵隽Γ∟）； A1、A2——無(wú)桿腔、有桿腔活塞面積（m2）； p — 氣缸工作壓力（Pa）。 實(shí)際中，由于活塞等運(yùn)動(dòng)部件的慣性力以及密封等部分的摩擦力，活塞桿的實(shí)際輸出力小于理論推力，稱(chēng)這個(gè)推力為氣缸的實(shí)際輸出力。氣缸的效率 ? 是氣缸的實(shí)際推力和理論推力的比值，即 所以 氣缸的效率取決于密封的種類(lèi)，氣缸內(nèi)表面和活塞桿加工的狀態(tài)及潤(rùn)滑狀態(tài)。此外，氣缸的運(yùn)動(dòng)速度、排氣腔壓力、外載荷狀況及管道狀態(tài)等都會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生一定的影響,氣缸常見(jiàn)的技術(shù)參數(shù)及選型要求,,,,,Page: 23,氣缸常見(jiàn)的技術(shù)參數(shù)及選型要求,氣缸的常見(jiàn)技術(shù)參數(shù)2 2）負(fù)載率β 從對(duì)氣缸運(yùn)行特性的研究可知，要精確確定氣缸的實(shí)際輸出力是困難的。于是在研究氣缸性能和確定氣缸的出力時(shí)，常用到負(fù)載率的概念。氣缸的負(fù)載率β定義為,氣缸的實(shí)際負(fù)載是由實(shí)際工況所決定的，若確定了氣缸負(fù)載率?，則由定義就能確定氣缸的理論輸出力，從而可以計(jì)算氣缸的缸徑。 對(duì)于阻性負(fù)載，如氣缸用作氣動(dòng)夾具，負(fù)載不產(chǎn)生慣性力，一般選取負(fù)載率β為0.8；對(duì)于慣性負(fù)載，如氣缸用來(lái)推送工件，負(fù)載將產(chǎn)生慣性力，負(fù)載率β的取值如下 β＜0.65 當(dāng)氣缸低速運(yùn)動(dòng)，v ＜100 mm/s時(shí)； β＜0.5 當(dāng)氣缸中速運(yùn)動(dòng)，v＝100～500 mm/s時(shí)； β＜0.35 當(dāng)氣缸高速運(yùn)動(dòng)，v ＞500 mm/s時(shí)。,3）氣缸耗氣量 氣缸的耗氣量是活塞每分鐘移動(dòng)的容積，稱(chēng)這個(gè)容積為壓縮空氣耗氣量，一般情況下，氣缸的耗氣量是指自由空氣耗氣量,Page: 24,4）氣缸的特性 氣缸的特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。氣缸的靜態(tài)特性是指與缸的輸出力及耗氣量密切相關(guān)的最低工作壓力、最高工作壓力、摩擦阻力等參數(shù)。氣缸的動(dòng)態(tài)特性是指在氣缸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣缸兩腔內(nèi)空氣壓力，溫度，活塞速度、位移等參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。它能真實(shí)地反映氣缸的工作性能。,氣缸的技術(shù)參數(shù)3,1.氣缸的選型步驟 氣缸的選型應(yīng)根據(jù)工作要求和條件，正確選擇氣缸的類(lèi)型。下面以單活塞桿雙作用缸為例介紹氣缸的選型步驟。 （1）氣缸缸徑。根據(jù)氣缸負(fù)載力的大小來(lái)確定氣缸的輸出力，由此計(jì)算出氣缸的缸徑。 （2）氣缸的行程。氣缸的行程與使用的場(chǎng)合和機(jī)構(gòu)的行程有關(guān)，但一般不選用滿行程。 （3）氣缸的強(qiáng)度和穩(wěn)定性計(jì)算 （4）氣缸的安裝形式。氣缸的安裝形式根據(jù)安裝位置和使用目的等因素決定。一般情況下，采用固定式氣缸。在需要隨工作機(jī)構(gòu)連續(xù)回轉(zhuǎn)時(shí)（如車(chē)床、磨床等），應(yīng)選用回轉(zhuǎn)氣缸。在活塞桿除直線運(yùn)動(dòng)外，還需作圓弧擺動(dòng)時(shí)，則選用軸銷(xiāo)式氣缸。有特殊要求時(shí)，應(yīng)選用相應(yīng)的特種氣缸。 （5）氣缸的緩沖裝置。根據(jù)活塞的速度決定是否應(yīng)采用緩沖裝置。 （6）磁性開(kāi)關(guān)。當(dāng)氣動(dòng)系統(tǒng)采用電氣控制方式時(shí)，可選用帶磁性開(kāi)關(guān)的氣缸。 （7）其它要求。如氣缸工作在有灰塵等惡劣環(huán)境下，需在活塞桿伸出端安裝防塵罩。要求無(wú)污染時(shí)需選用無(wú)給油或無(wú)油潤(rùn)滑氣缸。,氣缸的選型及計(jì)算1,氣缸常見(jiàn)的技術(shù)參數(shù)及選型要求,Page: 25,2.氣缸直徑計(jì)算 氣缸直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算需根據(jù)其負(fù)載大小、運(yùn)行速度和系統(tǒng)工作壓力來(lái)決定。首先，根據(jù)氣缸安裝及驅(qū)動(dòng)負(fù)載的實(shí)際工況，分析計(jì)算出氣缸軸向?qū)嶋H負(fù)載F，再由氣缸平均運(yùn)行速度來(lái)選定氣缸的負(fù)載率?，初步選定氣缸工作壓力（一般為0.4 MPa～0.6 MPa），再由 F／?，計(jì)算出氣缸理論出力Ft，最后計(jì)算出缸徑及桿徑，并按標(biāo)準(zhǔn)圓整得到實(shí)際所需的缸徑和桿徑。 例題 氣缸推動(dòng)工件在水平導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。已知工件等運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量為 m＝250 kg，工件與導(dǎo)軌間的摩擦系數(shù)? ＝0.25，氣缸行程 s為 400 mm，經(jīng)1.5 s時(shí)間工件運(yùn)動(dòng)到位，系統(tǒng)工作壓力p = 0.4 MPa，試選定氣缸直徑。 解：氣缸實(shí)際軸向負(fù)載 F ＝ mg ＝0.25 ? 250 ? 9.81＝613.13 N 氣缸平均速度 選定負(fù)載率 ? ＝0.5 則氣缸理論輸出力 雙作用氣缸理論推力 氣缸直徑 按標(biāo)準(zhǔn)選定氣缸缸徑為63 mm。,氣缸的選型及計(jì)算2,氣缸常見(jiàn)的技術(shù)參數(shù)及選型要求,