第1章 气动技术概论

第1章气动技术概论1.1 气动技术的应用范围我们在日常工作和生活中经常见到各种机器，如汽车、电梯、机床等通常都是由原动机、传动装置和工作机构三部分组成。

其中传动装置最常见的类型有机械传动、电力传动和流体传动。

流体传动是以受压的流体为工作介质对能量进行转换、传递、控制和分配。

它可以分为气压传动、液压传动和液力传动。

气压传动技术简称“气动技术”，是一门涉及压缩空气流动规律的科学技术。

气动技术不仅被用来完成简单的机械动作，而且在促进自动化的发展中起着极为重要的作用。

从50年代起，气动技术不仅用于做功，而且发展到检测和数据处理。

传感器、过程控制器和执行器的发展导致了气动控制系统的产生。

近年来，随着电子技术、计算机与通信技术的发展及各种气动组件的性价比进一步提高，气动控制系统的先进性与复杂性进一步发展，在自动化控制领域起着越来越重要的作用。

气动技术可使气动执行组件依工作需要作直线运动、摆动和旋转运动。

气动系统的工作介质是压缩空气。

压缩空气的用途极其广泛,从用低压空气来测量人体眼球内部的液体压力、气动机械手焊接到气动压力机和使混凝土粉碎的气钻等,几乎遍及各个领域。

在工业中的典型应用如下：1)材料输送（夹紧、位移、定位与定向）、分类、转动、包装与计量、排列、打印与堆置；2)机械加工（钻、车削、铣、锯、成品精加工、成形加工、质量控制）3)设备的控制、驱动、进给与压力加工；4)工件的点焊、铆接、喷漆、剪切；5)气动机器人；6)牙钻。

图1.1所示的两条传送带的气动旋转分配装置，可通过气缸的伸缩使工件传输到相应的地方。

1.2 基本气动系统的组成基本的气动系统如图1.2所示，它由压缩空气的产生和输送系统及压缩空气消耗系统二个主要部分组成。

一、压缩空气产生系统各组件及其主要功能（一）压缩机：将大气压力的空气压缩并以较高的压力输给气动系统，把机械能转变为气压能。

（二）电动机：把电能转变成机械能，给压缩机提供机械动力。

（三）压力开关：将储气罐内的压力转变为电信号，用来控制电动机。

它被调节到一个最高压力，达到这个压力就使电动机停止；也被调节另一个最低压力，储气罐内压力跌到这个压力就重新激活电动机。

（四）单向阀：让压缩空气从压缩机进入气罐，当压缩机关闭时.阻止压缩空气反方向流动。

（五）储气罐：贮存压缩空气。

它的尺寸大小由压缩机的容量来决定，储气罐的容积愈大，压缩机运行时间间隔就愈长。

（六）压力表：显示储气罐内的压力。

（七）自动排水器：无需人手操作，排掉凝结在储气罐内所有的水。

（八）安全阀：当储气罐内的压力超过允许限度，可将压缩空气溢出。

（九）冷冻式空气干燥器：将压缩空气冷却到零上若干度，使大部分空气中的湿气凝结，以减少系统中的水份。

（十） 主管道过滤器：它清除主要管道内灰尘、水份和油。

主管道过滤器必须具有最小的压力降和油雾分离能力。

二、压缩空气消耗系统(一)压缩空气的分支输出管路：压缩空气要从主管道顶部输出到分支管路，以便偶尔出现的凝结水仍留在主管道里，当压缩空气达到低处时，水传到管子的下部，流入自动排水器内，将凝结水去除。

(二)自动排水器： 每一根下接管的末端都应有一个排水器，最有效的方法是用一个自动排水器，将留在管道里的水自动排掉。

(三)空气处理组件：使压缩空气保持清洁和合适压力，以及加润滑油到需要润滑的另件中以延长这些气动组件的寿命。

(四)方向控制阀：通过对气缸两个接口交替地加压和排气，来控制运动的方向。

(五)执行元件： 把压缩空气的压力能转变为机械能。

图1.2中的执行元件是一个直线气缸，它也可以是回转执行组件或气动马达等。

(六)速度控制阀： 能简便实现执行组件的无级调速。

1.3 气动系统的特点一、压缩空气的特性如下：用 量：空气到处都有，用量不受限制。

输 送：空气不论距离远近，极易由管道输送。

储 存：压缩空气可储存在贮气罐内，随时取用。

故不需压缩机的连续运转。

温 度：压缩空气不受温度波动的影响，即使在极端温度情况下亦能保证可靠地工作。

危 险 性：压缩空气没有爆炸或着火的危险，因此不需要昂贵的防爆设施。

清 洁：未经润滑排出的压缩空气是清洁的。

自漏气管道或气压组件逸出的空气不会污染物体。

这一点对食品、木材和纺织工业是极为重要的。

构 造：各种工作部件结构简单，所以价格便宜。

速 度: 压缩空气为快速流动的工作介质，故可获得很高的工作速度。

可调节性：使用各种气动元部件，其速度及出力大小可无限变化。

过 载: 气动机构与工作部件，可以超载而停止不动，因此无过载的危险。

处理：设备所使用的压缩空气不得含有灰尘和水分，因此必须进行除水与除尘①压缩机 ②电动机 ③压力开关 ④单向阀 ⑤储气罐 ⑥压力表 ⑦自动排水器 ⑧安全阀 ⑨冷冻式空气干燥器 ⑩主管道过滤器1.压缩空气的分支输出管路2.自动排水器3.空气处理组件4.方向控制阀 5.执行元件 6.速度控制阀的处理。

可压缩性：压缩空气的可伸缩性使活塞的速度不可能总是均匀恒定的。

出力条件：压缩空气仅在一定的出力条件下使用才经济。

在常规工作气压为6—7bar (600～700kPa)，因行程和速度的不同，出力限制在20000到30000N 之间。

排气噪声：排放空气的声音很大。

现在这个问题已因吸音材料和消音器发展大部分获得解决。

成 本：压缩空气是一种比较昂贵的能量传递方法。

但可通过高性价比的气动组件得到部分补偿。

二、执行机构的特点气动执行组件包括气缸、摆缸与气马达。

气动执行组件有下列特点：1) 基本运动 (直线、摆动与转动)易于实现。

2) 多种运动便于组合。

3) 运动参数（力、速度、方向）易于控制。

4) 品种多、尺寸范围广，易于设计与选择。

5) 使用寿命长，安全可靠、灵敏。

6) 操作和安装简便，调试要求较高。

气缸是气动系统中最主要的执行组件，由于气缸价格低，便于安装，结构简单、可靠，并有各种尺寸和有效行程的组件可供使用，它已经成为一种重要的线性驱动组件。

气缸一般有下列特点：· 直径范围： 6—320 mm· 有效行程： 1—2000 mm· 活塞杆输出力：2—50000 N· 活塞速度： 0.02—1 m/s三．气动控制系统特点 气动控制系统通常采用下列方法对气动设备进行控制：1) 采用纯气动控制方式： 这种方式适用于那些不能采用电气控制的场合。

例如磁头加工设备、无静电设备等，其控制系统完全由气动逻辑阀、气动方向阀、手动控制阀组成。

这种纯气动控制系统，气路复杂，维修困难，在可以用电控的场合，一般不采用这种方法。

2) 电－气动控制系统： 这种方式适用于那些简单的气动系统控制。

如设备的气动系统只由3～4个气缸组成，相互动作之间的逻辑关系简单，可采用这种控制方式。

由于控制系统采用的是常规的继电－接触控制系统，因此，适用于控制系统复杂程度不高的场合。

3) PLC 控制系统：这是目前气动设备最常见的一种控制方式。

由于PLC 能处理相当复杂的逻辑关系，因此，可对各种类型、各种复杂程度的气动系统进行控制。

又由于控制系统采用采用软件编程方法实现控制逻辑，因此，通过改变软件就可改变气系统的逻辑功能，从而使系统的柔性增加、可靠性增加。

4) 网络控制系统：当系统复杂程度不断增加，各台设备之间需相互通信来协调动作时，需要采用网络控制系统。

5)综合控制系统: 当设备的控制系统复杂，参数选择性较多，需随时了解工况时，可采用PLC ＋人机界面＋现场网络总线的综合控制方式，使控制系统更灵活，控制能力更强，以满足设备的控制需求。

1.4 气动系统的基本构成1) 采用纯气动控制方式：纯气动系统的信号流图如图1.4所示。

其水平箭头代表主气源的流动方向。

主气源通过末级控制组件驱动输出执行机构。

垂直箭头代表的控制信号的流动方向，逐级构成一条总控制路径。

其信号流向是从信号(输入)端到末级控制(输出)端。

可以用各种符号来表征系统中的各个组件及其功能。

采用图1.5所示的回路图将这些符号组合起来可以构成对一个实际控制问题的解决方案。

回路图的画法形式同上述信号流图。

不过，在执行机构部分中应加入必要的控制组件。

这些控制组件接受处理器发出的信号并控制执行机构的动作。

直接控制阀(DCV)具有检测、信号处理及实行控制的功能。

如果直接控制阀(DCV)被用来控制气缸运动，那么，它是一个执行机构的控制组件。

如果利用其处理信号的功能，它就被定义为信号处理组件。

如果用它来检测运动，则称其为传感器。

这三种角色的显著特征通常取决于阀门的控制方式及其在回路图中的位置。

2）采用电－气动控制方式：图1.5 回路图及气动组件1.2、1.4─输入组件 1.3─传感器 1.6─处理器 1.1─控制组件 1.0执行元件图1.4 纯气动系统的结构及其信号流图电气动系统的信号流图如图1.6所示。

其水平箭头代表主气源的流动方向。

主气源通过末级控制组件驱动输出执行机构。

垂直箭头代表了电源的流动方向及控制信号的流动方向，输入组件通常包括电气按钮、各种传感器。

处理组件可以是继电－接触控制电路，或者是可编程序控制器（PLC ）、工控计算机等。

末级控制元件主要是各种电控方向控制阀、电控压力及流量控制阀。

输出执行机构的状态通常通过电信号反馈到输入组件。

图 1.7a)为某推料机构的工作原理示意图。

对于一个电－气动控制系统，应画出气动回路图(图1.7b))及电控回路图(图1.7c 或 图1.7d)。

图1.7 某推料机构的电、气动系统设计。