氣動(dòng)系統(tǒng)基本元件

在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，氣動(dòng)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(dòng)回路和氣動(dòng)系統(tǒng)元器件的基本知識(shí)和選型應(yīng)用方法，突出的是“常用”二字，關(guān)于特殊的氣動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用請(qǐng)參考專門的資料或者咨詢氣動(dòng)產(chǎn)品供應(yīng)商。

首先，我們來了解一下氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成部件。

氣源：

氣動(dòng)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。空氣壓縮機(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(dòng)排水和自動(dòng)排水兩種；減壓閥主要是為了調(diào)節(jié)氣動(dòng)回路的壓力，是壓力恒定，維持氣動(dòng)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(huì)有磅/平方英寸（Psi）；油霧器的主要作用是霧化氣動(dòng)元器件的潤滑油。

氣缸：

氣缸是主要的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(gè)方向的運(yùn)動(dòng)由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，而另一個(gè)相反方向的運(yùn)動(dòng)由彈簧驅(qū)動(dòng)復(fù)位。雙作用氣缸是指氣缸活塞桿的兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)都由壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。氣缸根據(jù)其運(yùn)動(dòng)方式可以分為三類：直線運(yùn)動(dòng)氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸和氣爪。直線運(yùn)動(dòng)氣缸驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)；氣爪驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做開合運(yùn)動(dòng)，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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。

電磁換向閥：

氣缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、真空吸盤的吸取和放置動(dòng)作都由電磁換向閥來控制。電磁換向閥的動(dòng)作由控制系統(tǒng)直接輸出電信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，所以，電磁換向閥實(shí)際上屬于氣動(dòng)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(qǐng)諸位區(qū)分開“位”和“通”這兩個(gè)概念：位，是指閥芯的工作位置，兩位即兩個(gè)工作位置；通，是指閥體內(nèi)部通過閥芯的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)待。

氣動(dòng)元器件選型及應(yīng)用

聲明：本文內(nèi)容所有的計(jì)算過程中氣動(dòng)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(dòng)元件樣本為FESTO氣動(dòng)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(jì)算。

二 、空氣過濾組合件的選型及計(jì)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(huì)根據(jù)其產(chǎn)品使用狀況將這四種元件集成配置成一個(gè)組件以方便客戶選擇使用。所以，在選擇此組合件的時(shí)候，我們只需要關(guān)注兩個(gè)問題即可：本組件的流量和過濾器的排水方式。在工程實(shí)踐中，空氣流量的計(jì)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(shí)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(shí)際使用需要選擇適當(dāng)?shù)呐潘绞剑ㄊ謩?dòng)排水或自動(dòng)排水）即可。最大耗氣時(shí)刻氣體消耗量即在耗氣量最大的時(shí)候所有氣動(dòng)元件工作的耗氣量。

氣體流量計(jì)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(dòng)速度，cm/min

三、氣缸的選型及計(jì)算方法

氣缸的選型主要有三個(gè)參數(shù)需要關(guān)注，其中一個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)：即選用什么型式的氣缸的問題；另外兩個(gè)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(shí)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?yàn)槿魏螝飧坠?yīng)商提供的氣缸產(chǎn)品都有多種外形結(jié)構(gòu)，它們對(duì)應(yīng)了不同的制造工藝和成本，所以，應(yīng)根據(jù)實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)的最大距離。

請(qǐng)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(shí)際工程應(yīng)用中，氣缸的效率大約是85%，所以，而我們?cè)俪艘砸粋€(gè)安全系數(shù)Sp，則實(shí)際要求的推力為：F = （Fl XSp） / 0.85 Fl： 負(fù)載； Sp： 氣動(dòng)產(chǎn)品安全系數(shù)1.25，此參數(shù)是一個(gè)工程經(jīng)驗(yàn)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(jì)算公式：F = A X PA： 壓縮空氣作用于活塞的運(yùn)動(dòng)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?yàn)樨?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(yàn)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(shí)際回程時(shí)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(huì)有+/-1mm的誤差，所以在需要精確定位的時(shí)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(jì)時(shí)允許外設(shè)緩沖裝置則可以選擇不帶氣動(dòng)緩沖的氣缸，否則選擇帶有氣動(dòng)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(jì)算，機(jī)械設(shè)計(jì)聯(lián)盟將在后期的模塊設(shè)計(jì)中給諸位介紹。

剩下最后一個(gè)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(hào)即可。

五、 電磁換向閥選擇

電磁換向閥的選擇是很多初級(jí)工程師迷惑不解的問題。以下我們介紹五種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中使用最為廣泛的電磁換向閥動(dòng)作過程及相應(yīng)過程中電磁閥的輸出對(duì)于氣缸動(dòng)作的影響。請(qǐng)諸位認(rèn)真閱讀并結(jié)合工作實(shí)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(gè)工作位置，換向閥的一端有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動(dòng)作。此線圈得電動(dòng)作，失電復(fù)位。即閥芯在線圈通電時(shí)移向靠近線圈的位置，線圈斷電時(shí)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(gè)工作位置，換向閥兩端都有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動(dòng)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(diǎn)即意味著當(dāng)設(shè)備異常斷電時(shí)，氣缸不會(huì)動(dòng)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(gè)工作位置，換向閥兩端都有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動(dòng)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(shí)斷電，則電磁閥閥芯回到中間位置，兩個(gè)氣管都不形成回路，即氣缸兩個(gè)腔體完全封閉，不供氣，不排氣，氣缸活塞保持位置不動(dòng)。

三位五通中壓式電磁換向閥：即電磁換向閥閥芯有三個(gè)工作位置，換向閥兩端都有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動(dòng)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(shí)斷電，則電磁閥閥芯回到中間位置，兩個(gè)氣管同時(shí)供氣，即氣缸兩個(gè)腔體同時(shí)供氣，氣缸活塞向有活塞桿一端緩慢移動(dòng)。

三位五通中泄式電磁換向閥：即電磁換向閥閥芯有三個(gè)工作位置，換向閥兩端都有電磁線圈進(jìn)行控制電磁閥動(dòng)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(shí)斷電，則電磁閥閥芯回到中間位置，兩個(gè)氣管同時(shí)排氣，即氣缸兩個(gè)腔體同時(shí)排氣，氣缸活塞可通過任何外力隨意移動(dòng)，氣缸為不受控狀態(tài)。

以上五種電磁換向閥的不同特點(diǎn)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(shí)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(dòng)產(chǎn)品供應(yīng)商都會(huì)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(hào)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(shí)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。