氣動系統(tǒng)基本元件

在現(xiàn)代工業(yè)自動化設(shè)備中，氣動元器件得到了廣泛的運(yùn)用。需要聲明的是：本文內(nèi)容著重介紹普通的氣動回路和氣動系統(tǒng)元器件的基本知識和選型應(yīng)用方法，突出的是“常用”二字，關(guān)于特殊的氣動系統(tǒng)應(yīng)用請參考專門的資料或者咨詢氣動產(chǎn)品供應(yīng)商。

首先，我們來了解一下氣動驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成部件。

氣源：

氣動系統(tǒng)的氣源為純凈的壓縮空氣。所以，我們常用的氣源部件主要包括：空氣壓縮機(jī)、過濾器、減壓閥、壓力表、油霧器等器件?？諝鈮嚎s機(jī)主要是產(chǎn)生壓縮空氣（工作介質(zhì)）；過濾器主要是過濾壓縮空氣中的雜質(zhì)，主要是水，所以過濾器一般有手動排水和自動排水兩種；減壓閥主要是為了調(diào)節(jié)氣動回路的壓力，是壓力恒定，維持氣動系統(tǒng)的穩(wěn)定性；壓力表是氣壓的指示儀器，它的單位通常有兩種：帕斯卡（Pa）、100 kpa（Bar），面向歐美的壓力表也會有磅/平方英寸（Psi）；油霧器的主要作用是霧化氣動元器件的潤滑油。

氣缸：

氣缸是主要的氣動驅(qū)動元件之一，它有多種類型。根據(jù)作用方式可分為：單作用氣缸和雙作用氣缸。單作用氣缸是指氣缸的活塞桿的某一個方向的運(yùn)動由壓縮空氣驅(qū)動，而另一個相反方向的運(yùn)動由彈簧驅(qū)動復(fù)位。雙作用氣缸是指氣缸活塞桿的兩個方向的運(yùn)動都由壓縮空氣驅(qū)動。氣缸根據(jù)其運(yùn)動方式可以分為三類：直線運(yùn)動氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣爪。直線運(yùn)動氣缸驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)做直線往復(fù)運(yùn)動；旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動；氣爪驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)做開合運(yùn)動，主要用于工件或者產(chǎn)品的抓取、夾持等方面。根據(jù)氣缸的使用工況環(huán)境區(qū)分，可分為：普通氣缸、防水氣缸、潔凈氣缸。普通氣缸適用于一般的工作環(huán)境；防水氣缸適用于具有一定程度的水霧和濕度環(huán)境下；潔凈氣缸主要應(yīng)用于潔凈室內(nèi)（Clean Room）的工作環(huán)境中。

節(jié)流閥：

節(jié)流閥主要功能是調(diào)節(jié)氣流大小，控制氣動驅(qū)動元件的速度。通常分為：進(jìn)氣節(jié)流閥和出氣節(jié)流閥兩種。進(jìn)氣節(jié)流閥直接調(diào)節(jié)供氣管的氣流大小，出氣節(jié)流閥通過調(diào)節(jié)排氣管的氣流大小達(dá)到控制氣動驅(qū)動元件的速度，因而具有比進(jìn)氣節(jié)流控制更穩(wěn)定的特點。

電磁換向閥：

氣缸的往復(fù)運(yùn)動、真空吸盤的吸取和放置動作都由電磁換向閥來控制。電磁換向閥的動作由控制系統(tǒng)直接輸出電信號進(jìn)行驅(qū)動，所以，電磁換向閥實際上屬于氣動系統(tǒng)的控制元件。我們常用的電磁換向閥通常有：兩位四通電磁閥、三位四通電磁閥、兩位五通電磁閥、三位五通電磁閥。在這里，請諸位區(qū)分開“位”和“通”這兩個概念：位，是指閥芯的工作位置，兩位即兩個工作位置；通，是指閥體內(nèi)部通過閥芯的運(yùn)動而形成的氣流通路。

磁性開關(guān)：

磁性開關(guān)是一種檢測氣缸活塞位置的傳感器。氣缸活塞位置如果通過磁性開關(guān)檢測，則要求選用帶磁性的氣缸活塞，否則無效。

真空吸盤：

真空吸盤是一種應(yīng)用真空原理抓取產(chǎn)品的塑料元件。

真空發(fā)生器：

真空發(fā)生器的主要功能是產(chǎn)生一定程度的真空。

負(fù)壓表：

負(fù)壓表是檢測氣路真空程度的儀表，它通常作為一種傳感器使用。

快換接頭：直接插拔式的氣管接頭。

氣管：

通常，氣管規(guī)格都是以氣管外徑來區(qū)分的。我們常用的氣管規(guī)格有：Φ4，Φ6，Φ8，Φ10，Φ12。附：氣動系統(tǒng)中常用單位的換算 1 psi = 6.895 Kpa = 0.06895 bar = 0.0703 atm（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓） 在一般工程應(yīng)用中可以將千克力/平方厘米和bar等值對待。

氣動元器件選型及應(yīng)用

聲明：本文內(nèi)容所有的計算過程中氣動回路的壓力供應(yīng)按照6bar進(jìn)行。本節(jié)內(nèi)容中所采用的氣動元件樣本為FESTO氣動產(chǎn)品。

一、 空氣壓縮機(jī)通常是由工廠配備，所以，這里不介紹其選型計算。

二 、空氣過濾組合件的選型及計算方法

空氣過濾組合件常用的主要包含以下四種種元件：空氣過濾器、減壓閥、油霧器、壓力表。通常，供應(yīng)商會根據(jù)其產(chǎn)品使用狀況將這四種元件集成配置成一個組件以方便客戶選擇使用。所以，在選擇此組合件的時候，我們只需要關(guān)注兩個問題即可：本組件的流量和過濾器的排水方式。在工程實踐中，空氣流量的計算單位為：升/分鐘（L/min）。所以，我們只要保證此組件供氣的所有回路中最大耗氣時刻的氣體流量小于本組件的額定供氣流量，并根據(jù)工廠實際使用需要選擇適當(dāng)?shù)呐潘绞剑ㄊ謩优潘蜃詣优潘┘纯?。最大耗氣時刻氣體消耗量即在耗氣量最大的時候所有氣動元件工作的耗氣量。

氣體流量計算公式：Q = A X V/1000 Q：氣體流量，單位：L/min A：缸體截面積，單位：cm2 V： 活塞運(yùn)動速度，cm/min

三、氣缸的選型及計算方法

氣缸的選型主要有三個參數(shù)需要關(guān)注，其中一個結(jié)構(gòu)參數(shù)：即選用什么型式的氣缸的問題；另外兩個數(shù)據(jù)參數(shù)：即缸徑和行程。

經(jīng)過前面的了解我們知道氣缸的作用方式有兩種：一種是單作用氣缸，一種是雙作用氣缸。所以，根據(jù)實際使用狀況選擇：如果回程復(fù)位沒有負(fù)載，則可以選擇單作用氣缸；否則，選擇雙作用氣缸。因為任何氣缸供應(yīng)商提供的氣缸產(chǎn)品都有多種外形結(jié)構(gòu)，它們對應(yīng)了不同的制造工藝和成本，所以，應(yīng)根據(jù)實際機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計使用的需要選擇不同型式的氣缸。

氣缸缸徑：指氣缸缸體的內(nèi)徑。氣缸行程：指氣缸活塞移動的最大距離。

請看下面的示例：

圖2.1-1中顯示的負(fù)載是40kg，設(shè)定提升行程是90mm。所以，根據(jù)圖中的氣缸安裝方式其回程推力應(yīng)大于40kgf。而在實際工程應(yīng)用中，氣缸的效率大約是85%，所以，而我們再乘以一個安全系數(shù)Sp，則實際要求的推力為：F = （Fl XSp） / 0.85 Fl： 負(fù)載； Sp： 氣動產(chǎn)品安全系數(shù)1.25，此參數(shù)是一個工程經(jīng)驗值，根據(jù)各種應(yīng)用場 合不同可以適當(dāng)做一些調(diào)整，無量綱常量；

氣缸作用力的計算公式：F = A X PA： 壓縮空氣作用于活塞的運(yùn)動方向的面積，單位：cm2；P： 氣路供氣壓強(qiáng)，單位：kgf/cm2；F： 氣缸作用力，單位：kgf；根據(jù)以上公式，可以得到：A = F / P

A = 58.8 / 6 = 9.8 cm2

根據(jù)圖示的安裝方式，可以知道，氣缸的回程方向為負(fù)載提升方向，所以，其氣體作用于活塞的面積為：A = 3.14 X （D/2）2 - 3.14 X （d/2）2 D： 氣缸缸徑，單位：cm； d： 氣缸活塞桿直徑，單位：cm；

所以我們假設(shè)選擇標(biāo)準(zhǔn)氣缸DNC系列，則根據(jù)FESTO的樣本可以選擇氣缸缸徑為：40mm。

校驗氣缸：

由FESTO樣本知道，DNC系列氣缸中40mm缸徑的活塞桿直徑為Φ16，所以，實際回程時氣體作用面積為：A = 3.14 X （D/2）2 - 3.14 X （d/2）2

A = 10.56 cm2 9.8 cm2

所以，缸徑選擇合適。

根據(jù)要求，提升行程90mm則選取氣缸標(biāo)準(zhǔn)行程為100mm。氣缸兩端或者單端加限位調(diào)整裝置，調(diào)整到需要行程即可。注意：通常普通氣缸的行程都會有+/-1mm的誤差，所以在需要精確定位的時候，需要選擇氣缸行程大于需要行程而在定位處加設(shè)限位裝置。

那么，現(xiàn)在氣缸的主要參數(shù)確定完畢。接下來看看氣缸的輔助參數(shù)。

如果，需要選擇直接檢測氣缸活塞的位置，則需要選擇帶磁性的活塞。如果，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時允許外設(shè)緩沖裝置則可以選擇不帶氣動緩沖的氣缸，否則選擇帶有氣動緩沖的氣缸。以使氣缸平穩(wěn)停下。至于外設(shè)緩沖器的選擇計算，機(jī)械設(shè)計聯(lián)盟將在后期的模塊設(shè)計中給諸位介紹。

剩下最后一個參數(shù)確定，即氣管規(guī)格。40mm缸徑氣缸我們通常配管規(guī)格選擇6mm氣管。

至此，氣缸選擇完畢：DNC-40-100-P-A。

四 、節(jié)流閥選擇

為了氣缸運(yùn)行更趨于平穩(wěn)狀態(tài)，我們選擇排氣節(jié)流型節(jié)流閥。根據(jù)氣缸氣接口螺紋（G1/4）和選定的氣缸規(guī)格選擇節(jié)流閥型號即可。

五、 電磁換向閥選擇

電磁換向閥的選擇是很多初級工程師迷惑不解的問題。以下我們介紹五種工業(yè)自動化設(shè)備中使用最為廣泛的電磁換向閥動作過程及相應(yīng)過程中電磁閥的輸出對于氣缸動作的影響。請諸位認(rèn)真閱讀并結(jié)合工作實踐仔細(xì)思考何種工作條件該選擇何種電磁換向閥。

兩位閥：

單線圈兩位五通電磁換向閥：即電磁換向閥閥芯只有兩個工作位置，換向閥的一端有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動作。此線圈得電動作，失電復(fù)位。即閥芯在線圈通電時移向靠近線圈的位置，線圈斷電時移向遠(yuǎn)離線圈的位置。即線圈斷電后閥芯復(fù)位，氣缸也復(fù)位。

雙線圈兩位五通電磁換向閥：即電磁換向閥閥芯只有兩個工作位置，換向閥兩端都有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動作。A線圈通電且B線圈斷電，閥芯移向靠近A線圈位置；B線圈通電且A線圈斷電，閥芯移向靠近B線圈位置。此款雙線圈電磁閥的特點即意味著當(dāng)設(shè)備異常斷電時，氣缸不會動作。

三位閥：

三位五通中封式電磁換向閥：即電磁換向閥閥芯有三個工作位置，換向閥兩端都有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動作。A線圈通電且B線圈斷電，閥芯移向靠近A線圈位置；B線圈通電且A線圈斷電，閥芯移向靠近B線圈位置。兩端同時斷電，則電磁閥閥芯回到中間位置，兩個氣管都不形成回路，即氣缸兩個腔體完全封閉，不供氣，不排氣，氣缸活塞保持位置不動。

三位五通中壓式電磁換向閥：即電磁換向閥閥芯有三個工作位置，換向閥兩端都有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動作。A線圈通電且B線圈斷電，閥芯移向靠近A線圈位置；B線圈通電且A線圈斷電，閥芯移向靠近B線圈位置。兩端同時斷電，則電磁閥閥芯回到中間位置，兩個氣管同時供氣，即氣缸兩個腔體同時供氣，氣缸活塞向有活塞桿一端緩慢移動。

三位五通中泄式電磁換向閥：即電磁換向閥閥芯有三個工作位置，換向閥兩端都有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動作。A線圈通電且B線圈斷電，閥芯移向靠近A線圈位置；B線圈通電且A線圈斷電，閥芯移向靠近B線圈位置。兩端同時斷電，則電磁閥閥芯回到中間位置，兩個氣管同時排氣，即氣缸兩個腔體同時排氣，氣缸活塞可通過任何外力隨意移動，氣缸為不受控狀態(tài)。

以上五種電磁換向閥的不同特點決定了我們的不同選擇。所以，在圖2.1-1中，出于安全考慮，我們?yōu)榱朔乐关?fù)載提升至上面工位時異常斷電導(dǎo)致的負(fù)載突然下落，應(yīng)該選擇雙線圈兩位五通電磁閥。

磁性開關(guān)：

磁性開關(guān)的選擇比較簡單，任何氣動產(chǎn)品供應(yīng)商都會在氣缸的頁面明確告訴使用者什么氣缸適合哪些類型的磁性開關(guān)。用戶只需根據(jù)自己的使用情況和控制系統(tǒng)狀態(tài)選擇不同輸出電壓、輸出制式以及磁性開關(guān)信號線引出方式選擇一款即可。

真空吸盤、真空發(fā)生器、負(fù)壓表：

這套元器件實現(xiàn)的功能主要是真空吸取產(chǎn)品，而選型規(guī)則十分簡單：只要選擇的真空吸盤產(chǎn)生的吸力大于負(fù)載X安全系數(shù)，另外選擇配套流量的真空發(fā)生器和負(fù)壓表即可。