氣動(dòng)技術(shù)概述

PAGE氣動(dòng)技術(shù)概論1.1氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用范圍我們?cè)谌粘９ぷ骱蜕钪薪?jīng)常見(jiàn)到各種機(jī)器，如汽車(chē)、電梯、機(jī)床等通常都是由原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)構(gòu)三部分組成。其中傳動(dòng)裝置最常見(jiàn)的類(lèi)型有機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和流體傳動(dòng)。流體傳動(dòng)是以受壓的流體為工作介質(zhì)對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換、傳遞、控制和分配。它可以分為氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)和液力傳動(dòng)。氣壓傳動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)稱(chēng)“氣動(dòng)技術(shù)”，是一門(mén)涉及壓縮空氣流動(dòng)規(guī)律的科學(xué)技術(shù)。氣動(dòng)技術(shù)不僅被用來(lái)完成簡(jiǎn)單的機(jī)械動(dòng)作，而且在促進(jìn)自動(dòng)化的發(fā)展中起著極為重要的作用。從50年代起，氣動(dòng)技術(shù)不僅用于做功，而且發(fā)展到檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。傳感器、過(guò)程控制器和執(zhí)行器的發(fā)展導(dǎo)致了氣動(dòng)控制系統(tǒng)的產(chǎn)生。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的發(fā)展及各種氣動(dòng)組件的性?xún)r(jià)比進(jìn)一步提高，氣動(dòng)控制系統(tǒng)的先進(jìn)性與復(fù)雜性進(jìn)一步發(fā)展，在自動(dòng)化控制領(lǐng)域起著越來(lái)越重要的作用。氣動(dòng)技術(shù)可使氣動(dòng)執(zhí)行組件依工作需要作直線運(yùn)動(dòng)、擺動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)系統(tǒng)的工作介質(zhì)是壓縮空氣。壓縮空氣的用途極其廣泛,從用低壓空氣來(lái)測(cè)量人體眼球內(nèi)部的液體壓力、氣動(dòng)機(jī)械手焊接到氣動(dòng)壓力機(jī)和使混凝土粉碎的氣鉆等,幾乎遍及各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)中的典型應(yīng)用如下：材料輸送（夾緊、位移、定位與定向）、分類(lèi)、轉(zhuǎn)動(dòng)、包裝與計(jì)量、排列、打印與堆置；機(jī)械加工（鉆、車(chē)削、銑、鋸、成品精加工、成形加工、質(zhì)量控制）設(shè)備的控制、驅(qū)動(dòng)、進(jìn)給與壓力加工；工件的點(diǎn)焊、鉚接、噴漆、剪切；氣動(dòng)機(jī)器人；牙鉆。圖1.1所示的兩條傳送帶的氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)分配裝置，可通過(guò)氣缸的伸縮使工件傳輸?shù)较鄳?yīng)的地方。1.2基本氣動(dòng)系統(tǒng)的組成基本的氣動(dòng)系統(tǒng)如圖1.2所示，它由壓縮空氣的產(chǎn)生和輸送系統(tǒng)及壓縮空氣消耗系統(tǒng)二個(gè)主要部分組成。一、壓縮空氣產(chǎn)生系統(tǒng)各組件及其主要功能壓縮機(jī)：將大氣壓力的空氣壓縮并以較高的壓力輸給氣動(dòng)系統(tǒng)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈮耗?。電?dòng)機(jī)：把電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，給壓縮機(jī)提供機(jī)械動(dòng)力。壓力開(kāi)關(guān)：將儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)。它被調(diào)節(jié)到一個(gè)最高壓力，達(dá)到這個(gè)壓力就使電動(dòng)機(jī)停止；也被調(diào)節(jié)另一個(gè)最低壓力，儲(chǔ)氣罐內(nèi)壓力跌到這個(gè)壓力就重新激活電動(dòng)機(jī)。單向閥：讓壓縮空氣從壓縮機(jī)進(jìn)入氣罐，當(dāng)壓縮機(jī)關(guān)閉時(shí).阻止壓縮空氣反方向流動(dòng)。儲(chǔ)氣罐：貯存壓縮空氣。它的尺寸大小由壓縮機(jī)的容量來(lái)決定，儲(chǔ)氣罐的容積愈大，壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)間間隔就愈長(zhǎng)。壓力表：顯示儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力。自動(dòng)排水器：無(wú)需人手操作，排掉凝結(jié)在儲(chǔ)氣罐內(nèi)所有的水。安全閥：當(dāng)儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力超過(guò)允許限度，可將壓縮空氣溢出。冷凍式空氣干燥器：將壓縮空氣冷卻到零上若干度，使大部分空氣中的濕氣凝結(jié)，以減少系統(tǒng)中的水份。①壓縮機(jī)①壓縮機(jī)②電動(dòng)機(jī)③壓力開(kāi)關(guān)④單向閥⑤儲(chǔ)氣罐⑥壓力表⑦自動(dòng)排水器⑧安全閥⑨冷凍式空氣干燥器⑩主管道過(guò)濾器1.壓縮空氣的分支輸出管路2.自動(dòng)排水器3.空氣處理組件4.方向控制閥5.執(zhí)行元件6.速度控制閥二、壓縮空氣消耗系統(tǒng)(一)壓縮空氣的分支輸出管路：壓縮空氣要從主管道頂部輸出到分支管路，以便偶爾出現(xiàn)的凝結(jié)水仍留在主管道里，當(dāng)壓縮空氣達(dá)到低處時(shí)，水傳到管子的下部，流入自動(dòng)排水器內(nèi)，將凝結(jié)水去除。(二)自動(dòng)排水器：每一根下接管的末端都應(yīng)有一個(gè)排水器，最有效的方法是用一個(gè)自動(dòng)排水器，將留在管道里的水自動(dòng)排掉。(三)空氣處理組件：使壓縮空氣保持清潔和合適壓力，以及加潤(rùn)滑油到需要潤(rùn)滑的另件中以延長(zhǎng)這些氣動(dòng)組件的壽命。(四)方向控制閥：通過(guò)對(duì)氣缸兩個(gè)接口交替地加壓和排氣，來(lái)控制運(yùn)動(dòng)的方向。(五)執(zhí)行元件：把壓縮空氣的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。圖1.2中的執(zhí)行元件是一個(gè)直線氣缸，它也可以是回轉(zhuǎn)執(zhí)行組件或氣動(dòng)馬達(dá)等。(六)速度控制閥：能簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)執(zhí)行組件的無(wú)級(jí)調(diào)速。1.3氣動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)一、壓縮空氣的特性如下：用量：空氣到處都有，用量不受限制。輸送：空氣不論距離遠(yuǎn)近，極易由管道輸送。儲(chǔ)存：壓縮空氣可儲(chǔ)存在貯氣罐內(nèi)，隨時(shí)取用。故不需壓縮機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。溫度：壓縮空氣不受溫度波動(dòng)的影響，即使在極端溫度情況下亦能保證可靠地工作。危險(xiǎn)性：壓縮空氣沒(méi)有爆炸或著火的危險(xiǎn)，因此不需要昂貴的防爆設(shè)施。清潔：未經(jīng)潤(rùn)滑排出的壓縮空氣是清潔的。自漏氣管道或氣壓組件逸出的空氣不會(huì)污染物體。這一點(diǎn)對(duì)食品、木材和紡織工業(yè)是極為重要的。構(gòu)造：各種工作部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以?xún)r(jià)格便宜。速度:壓縮空氣為快速流動(dòng)的工作介質(zhì)，故可獲得很高的工作速度?？烧{(diào)節(jié)性：使用各種氣動(dòng)元部件，其速度及出力大小可無(wú)限變化。過(guò)載:氣動(dòng)機(jī)構(gòu)與工作部件，可以超載而停止不動(dòng)，因此無(wú)過(guò)載的危險(xiǎn)。處理：設(shè)備所使用的壓縮空氣不得含有灰塵和水分，因此必須進(jìn)行除水與除塵的處理?？蓧嚎s性：壓縮空氣的可伸縮性使活塞的速度不可能總是均勻恒定的。出力條件：壓縮空氣僅在一定的出力條件下使用才經(jīng)濟(jì)。在常規(guī)工作氣壓為6—7bar(600～700kPa)，因行程和速度的不同，出力限制在20000到30000N之間。排氣噪聲：排放空氣的聲音很大。現(xiàn)在這個(gè)問(wèn)題已因吸音材料和消音器發(fā)展大部分獲得解決。成本：壓縮空氣是一種比較昂貴的能量傳遞方法。但可通過(guò)高性?xún)r(jià)比的氣動(dòng)組件得到部分補(bǔ)償。圖1.3氣缸的外形及結(jié)構(gòu)圖形符號(hào)圖1.3氣缸的外形及結(jié)構(gòu)圖形符號(hào)氣動(dòng)執(zhí)行組件包括氣缸、擺缸與氣馬達(dá)。氣動(dòng)執(zhí)行組件有下列特點(diǎn)：基本運(yùn)動(dòng)(直線、擺動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng))易于實(shí)現(xiàn)。多種運(yùn)動(dòng)便于組合。運(yùn)動(dòng)參數(shù)（力、速度、方向）易于控制。品種多、尺寸范圍廣，易于設(shè)計(jì)與選擇。使用壽命長(zhǎng)，安全可靠、靈敏。操作和安裝簡(jiǎn)便，調(diào)試要求較高。氣缸是氣動(dòng)系統(tǒng)中最主要的執(zhí)行組件，由于氣缸價(jià)格低，便于安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，并有各種尺寸和有效行程的組件可供使用，它已經(jīng)成為一種重要的線性驅(qū)動(dòng)組件。氣缸一般有下列特點(diǎn)：·直徑范圍：6—320mm·有效行程：1—2000mm·活塞桿輸出力：2—50000N·活塞速度：0.02—1m/s三．氣動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)氣動(dòng)控制系統(tǒng)通常采用下列方法對(duì)氣動(dòng)設(shè)備進(jìn)行控制：采用純氣動(dòng)控制方式：這種方式適用于那些不能采用電氣控制的場(chǎng)合。例如磁頭加工設(shè)備、無(wú)靜電設(shè)備等，其控制系統(tǒng)完全由氣動(dòng)邏輯閥、氣動(dòng)方向閥、手動(dòng)控制閥組成。這種純氣動(dòng)控制系統(tǒng)，氣路復(fù)雜，維修困難，在可以用電控的場(chǎng)合，一般不采用這種方法。電－氣動(dòng)控制系統(tǒng)：這種方式適用于那些簡(jiǎn)單的氣動(dòng)系統(tǒng)控制。如設(shè)備的氣動(dòng)系統(tǒng)只由3～4個(gè)氣缸組成，相互動(dòng)作之間的邏輯關(guān)系簡(jiǎn)單，可采用這種控制方式。由于控制系統(tǒng)采用的是常規(guī)的繼電－接觸控制系統(tǒng)，因此，適用于控制系統(tǒng)復(fù)雜程度不高的場(chǎng)合。PLC控制系統(tǒng)：這是目前氣動(dòng)設(shè)備最常見(jiàn)的一種控制方式。由于PLC能處理相當(dāng)復(fù)雜的邏輯關(guān)系，因此，可對(duì)各種類(lèi)型、各種復(fù)雜程度的氣動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。又由于控制系統(tǒng)采用采用軟件編程方法實(shí)現(xiàn)控制邏輯，因此，通過(guò)改變軟件就可改變氣系統(tǒng)的邏輯功能，從而使系統(tǒng)的柔性增加、可靠性增加。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)：當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜程度不斷增加，各臺(tái)設(shè)備之間需相互通信來(lái)協(xié)調(diào)動(dòng)作時(shí)，需要采用網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。綜合控制系統(tǒng):當(dāng)設(shè)備的控制系統(tǒng)復(fù)雜，參數(shù)選擇性較多，需隨時(shí)了解工況時(shí)，可采用PLC＋人機(jī)界面＋現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)總線的綜合控制方式，使控制系統(tǒng)更靈活，控制能力更強(qiáng)，以滿足設(shè)備的控制需求。1.4氣動(dòng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成采用純氣動(dòng)控制方式：純氣動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)流圖如圖1.4所示。其水平箭頭代表主氣源的流動(dòng)方向。主氣源通過(guò)末級(jí)控制組件驅(qū)動(dòng)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)。垂直箭頭代表的控制信號(hào)的流動(dòng)方向，逐級(jí)構(gòu)成一條總控制路徑。其信號(hào)流向是從信號(hào)(輸入)端到末級(jí)控制(輸出)端。圖1.4純氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其信號(hào)流圖圖1.4純氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其信號(hào)流圖直接控制閥(DCV)具有檢測(cè)、信號(hào)處理及實(shí)行控制的功能。如果直接控制閥(DCV)被用來(lái)控制氣缸運(yùn)動(dòng)，那么，它是一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制組件。如果利用其處理信號(hào)的功能，它就被定義為信號(hào)處理組件。如果用它來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，則稱(chēng)其為傳感器。這三種角色的顯著特征通常取決于閥門(mén)的控制方式及其在回路圖中的位置。圖圖1.5回路圖及氣動(dòng)組件1.2、1.4─輸入組件1.3─傳感器1.6─處理器1.1─控制組件1.0執(zhí)行元件2）采用電－氣動(dòng)控制方式：圖1.6電氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其信號(hào)流圖電氣動(dòng)系統(tǒng)的信號(hào)流圖如圖1.6所示。其水平箭頭代表主氣源的流動(dòng)方向。主氣源通過(guò)末級(jí)控制組件驅(qū)動(dòng)輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)。垂直箭頭代表了電源的流動(dòng)方向及控制信號(hào)的流動(dòng)方向，輸入組件通常包括電氣按鈕、各種傳感器。處理組件可以是繼電－接觸控