气动基础知识 EEA-RD5 杨磊 2013.03.21 课程大纲/课时分配 1、气动技术简介 2、气源系统 3、空气处理元件 4、执行元件 5、气动控制元件 6、真空系统 气动技术概况 1、气动技术概况 气动技术概况 1.1、气动技术 以空气压缩机为动力源,以压缩空气为工作介质,进行能 量传递或信号传递的工程技术,是实现各种生产控制、自动控 制的重要手段。 特点: 高质量 电磁阀的寿命可达1亿次,气缸的寿命可达5000-8000Km 高精度 定位精度可达0.5~0.1mm 高速度 小型电磁阀的换向频率可达数十赫兹,气缸的最大速度可达3m/s 低功耗 电磁阀的功率可降至0.1W。 轻量化 无油化 集成化 机电一体化 气动技术概况 1.2、知名厂商 FESTO SMC CKD TPC 气动技术概况 1.3、气动系统组成 气源系统 2、气源系统 气源系统 气源系统 2.1 空气压缩机 2.2 后冷却器 2.3 储气罐 气源系统 ? 2.1 空气压缩机 ? 产生、处理和贮存压缩空气的设备称为气源设备。由气源设备组成的系 统称为气源系统。典型的气源系统如图所示: ? 空压机按压力高低可分为低压型(0.2~1.0Mpa)、中压型(1.0~10Mpa) 和高压型(>10Mpa); ? 按工作原理可分成: 容积型:通过缩小气体体积来提高气体的压力的方法称为容积型。 速度型:提高气体的速度、让动能转化为压力能,来提高气体压力的方法 称为速度型,也叫透平型或涡轮型。 气源系统 ? 2.2 后冷却器 ? 空压机输出的压缩空气温度可达180℃,在此温度下空气中的水分完全呈气 态。后冷却器的作用就是将空压机出口的高温空气冷却至40℃以下,将大 量水蒸气和变质油雾冷凝成液态水滴和油滴,以便将它们清除掉。 ? 风冷式是靠风扇产生的冷空气吹向带散热片的热气管道来降低压缩空气 的温度的。 ? 水冷式把冷却水与热空气隔开,强迫冷却水沿热空气的反方向流动,以降低 压缩空气的温度。水冷式后冷却器出口空气温度约比冷却水的温度高10℃。 ? 后冷却器最低处应设置自动或手动排水器,以排除冷凝水。适用于进口空气 温度低于200℃,且处理空气量较大、湿度大、粉尘多的场 气源系统 ? ? ? ? ? ? 2.3 储气罐 作用: 消除压力脉动。 依靠绝热膨胀及自然冷却降温,进一步分离掉压缩空气中的水分和油份。 贮存一定量压缩空气。可解决短时间内用气量大于空压机输出量的矛盾。 在空压机出现故障或停电时,维持短时间的供气,以便采取措施保证气动设 备的安全。 空气处理单元 3、空气处理单元 空气处理单元 ? 3.1 气源处理必要性 ? 从空压机输出的压缩空气,含有大量的水分、油和粉尘等污染物 ? 变质油分形成焦油状物质,导致橡胶及塑料材质变质和老化 ? 水分对气动元件影响较大:管道金属生锈,水结成冰,使润滑油变质及冲洗 掉润滑脂。 ? 锈屑及粉尘会使相对运动件磨损,加速密封件损伤,导致漏气 ? 液态油水及粉尘从排气口排出,会污染环境、影响产品质量 空气处理单元 ? 3.2 自动排水器 ? 自动排水器用于自动排除管道低处、油水分离器、气罐及各种过滤器底部 等处的冷凝水。可安装于不便进行人工排污水的地方,如高处、低处、狭窄 处。并可防止人工排水被遗忘而造成压缩空气被冷凝水重新污染。 ? 自动排水器有气动式和电动式两大类。 ? 气动自动排水器:使用最多的是浮子式,也有弹簧式和差压式。浮子式 又可分为带手动操作排水型和不带手动操作排水型;常开型和常闭型。无气 压时,排水口处于开启状态为常开型;排水口处于关闭状态为常闭型。 空气处理单元 ? 3.3 空气过滤器 ? 除去压缩空气中的固态杂质、水滴和污油滴等,不能除去气态油、水。按 过滤器的排水方式,有手动排水型和自动排水型。自动排水型按无气压时的 排水状态,有常开型和常闭型。 ? 从进口流入的压缩空气,经导流片的切线方向的缺口强烈旋转,液态油 水及固态污染物受离心作用,被甩到水杯内壁上,再流至底部。除去了液态 油水及杂质的压缩空气,通过滤芯进一步清除微小固态颗粒,然后从出口流 出。 空气处理单元 3.4 空气组合单元 为得到多种功能,将空气过滤器、减压阀和油雾器等元件进行不同的组合, 就构成了空气组合元件。各元件之间采用模块式组合的方式连接。 空气处理单元 3.4 空气组合单元 三联件模块连接图 执行元件 4、执行元件 执行元件 4.1 标准气缸 将压缩空气的压力能转换为机械能,驱动机构作直线往复运动、摆动和旋转 运动的元件,称为气动执行元件。 标准气缸是指气缸的功能和规格是普遍使用的、结构容易制造的、制造厂通 常作为通用产品供应市场的气缸。 执行元件 4.1 标准气缸 ① 单作用气缸 单作用气缸结构简单,耗气 量少。缸体内安装了弹簧, 缩短了气缸的有效行程。弹 簧的反作用力随压缩行程的 增大而增大,故活塞杆的输 出力随运动行程的增大而减 小。弹簧具有吸收动能的能 力,可减小行程终端的撞击 作用。 一般用于行程短,对输出力 和运动速度要求不高的场合。 执行元件 4.1 标准气缸 ② 双作用气缸( 无弹簧) 双作用气缸的活塞前进或后退都能输出力(推力或拉力)。 执行元件 4.1 标准气缸 ③ 气缸的缓冲 活塞运动到行程终端的速度较大,为防止活塞撞击端盖造成气缸损伤和降低 撞击噪声,在气缸的行程终端一般都设有缓冲器。 缓冲可分为单侧(杆侧或无杆侧)缓冲和双侧缓冲,固定缓冲(如垫缓 冲、固定节流孔)和可调缓冲(如缓冲节流阀)。 气缓冲气缸是用设置在气缸内的气缓冲装置来实现缓冲的。气缓冲装置 是由缓冲套、缓冲密封圈和缓冲阀等组成的。 对于小缸径长行程气缸,没有缓冲阀,在端盖上开有很小的恒节流孔, 当活塞运动到行程末端,由于排气不畅而形成较大的背压,起到缓冲的 作用,这种缓冲方式为不可调气缓冲气缸。加大恒节流孔,可使气缸的 运动速度增大。 执行元件 4.2 摆动气缸 摆动气缸是利用压缩空气驱动输出轴在一定角度范围内作往复回转运动的 气动执行元件。用于物体的转位、翻转、分类、夹紧、阀门的开闭以及 机器人的手臂动作等。 分类 齿轮齿条式 叶片式 执行元件 4.2 摆动气缸 执行元件 4.2 摆动气缸 齿轮齿条式摆动气缸是气压力推动活塞带动齿条作直线运动,齿条推动 齿轮作回转运动,由齿轮轴输出力矩并带动外负载摆动。 摆动平台是在 转轴上安装了一个平台,平台可在一定角度范围内摆动。 执行元件 4.2 摆动气缸 叶片式摆缸是用内部止动块 或外部挡块来改变其摆动 角度。止动块与缸体固定 在一起,叶片与转轴连在 一起。气压作用在叶片上, 带动转轴回转,并输出力 矩。叶片式摆动气缸有单 叶片式和双叶片式。双叶 片式的输出力矩比单叶片 式大一倍,但转角小于 180度。 执行元件 ? ? ? ? ? ? 4.3 其他类型气缸 4.3.1省空间气缸 4.3.2无杆气缸 4.3.3滑动装置气缸 4.3.4锁紧气缸 4.3.5气动滑台 4.3.6气动手指 执行元件 ? 4.3.1省空间气缸 省空间气缸是指气缸的轴 向或径向尺寸比标准气缸有较 大减小的气缸。具有结构紧凑、 重量轻、占用空间小等优点。 薄型气缸 常用于固定夹具和搬运中固定工件等。 执行元件 ? 4.3.2无杆气缸 节省空间,有杆气缸的安装空间约 2.2L(行程),无杆气缸约1.2L, 行程缸径比可达50至200,定位 精度高 活塞两侧受压面积相等,具有同样的 推力,有利于提高定位精度,长行 程制作可能。 磁性耦合式无杆气缸 重量轻、结构简单、占用空间小、无外泄漏, 但限位器使负载停止时,活塞与移动体有脱开的 可能。 执行元件 ? 4.3.3滑动装置气缸 滑动装置气缸是由两个双 活塞杆气缸并联而成,用于位 置精度(平面度、直角度等) 要求高的组装机器人和工件搬 送设备上。 双联气缸是将两个单杆气缸并 联成一体,用于要求高精度导 向的场合。 执行元件 ? 4.3.4锁紧气缸 用三位置电磁阀控制标准 气缸的中途停止,其停止精度 差。锁紧气缸用于高精度的中 途停止、异常事故的紧急停止 和防止下落,以确保安全。在 气缸内气压释放完之前,将气 缸锁定在行程的末端,防止负 载拖动气缸出现事故,以确保 安全的气缸称为端锁气缸。 执行元件 ? 4.3.5气动滑台 气动滑台是将滑台通过各种与气缸 紧凑的一体化的气动元件。工 件可安装在滑台上,通过气缸 推动滑台运动。适用于精密组 装、定位、传送工件等。 执行元件 ? 4.3.6气动手指 用于抓起工件 气动控制元件 5、气动控制元件 气动控制元件 5、气动控制元件 5.1 压力控制阀 5.2 流量控制阀 5.3 方向控制阀 5.4 电气比例阀 5.5 阀的选择 气动控制元件 5.1 压力控制阀 根据构造的不同 直动型 和 先导型 ( 内部先导、外部先导 ) 膜片型 和 座阀型 ( 平衡截止阀芯 ) 根据机能的不同 溢流型 和 非溢流型 普通型 和 精密型 气动控制元件 直动型 利用手轮直接调节调压弹 簧的压缩量来改变阀的出 口压力的阀,称为直动式 减压阀。 气动控制元件 先导型 用压缩空气的作用力代替 调压弹簧力以改变出口压 力的阀,称为先导式减压 阀。它调压时操作轻便, 流量特性好,稳压精度高, 压力特性也好,适用于通 径较大的减压阀。 气动控制元件 5.2流量控制阀 控制压缩空气流量的阀称为流量控制阀。在气动系统中,对气缸运动 速度的控制、信号延时时间、油雾器的滴油量,气缓冲气缸的缓冲能 力等,都是靠流量控制阀来实现的。 分为调速阀、单向节流阀等 气动控制元件 调速阀 大流量直通型速度控制阀的单向 阀为一座阀式阀芯,当手轮开启圈 数少时,进行小流量调节。当手轮 开启圈数多时,节流阀杆将单向阀 顶开至一定开度,可实现大流量调 节。直通式接管方便,占用空间小。 气动控制元件 单向节流阀 单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的流量控制阀,常用于控制气缸的 运动速度,故常称为速度控制阀。单向阀的功能是靠单向型密封圈来实现的。 气动控制元件 5.3方向控制阀 分类: 按动作方式分: 直动式:直接依靠电磁力、气压力、人力或机械力使阀芯换向的阀 先导式:有内部先导和外部先导两种,外部先导可在低压或真空压力下工作 按切换通口数和阀芯的工作位置数: 有两位两通、两位三通、两位四通、两位五通、三位三通、三位四通、三位五 通 按控制数分类 有单控式和双控式 气动控制元件 5.3方向控制阀 分类: 按动作方式分: 直动式:直接依靠电磁力、气压力、人力或机械力使阀芯换向的阀 先导式:有内部先导和外部先导两种,外部先导可在低压或真空压力下工作 按切换通口数和阀芯的工作位置数: 有两位两通、两位三通、两位四通、两位五通、三位三通、三位四通、三位五 通 按控制数分类 有单控式和双控式 阀的切换通口包括供气口、输出口和排气口。 阀芯有几个工作位置的阀就是几位阀。 气动控制元件 电磁换向阀 电磁线圈通电时,静铁芯对动铁芯产生电磁吸力,利用电磁力使阀芯切换,以 改变气流方向的阀 单电控电磁阀 电磁线圈通电时,静铁芯对动铁芯产生电磁吸力,利用电磁力使阀芯切换,以 改变气流方向的阀,靠其他力来获得复位 气动控制元件 单电控电磁阀 气动控制元件 双电控电磁阀 电磁线圈通电时,静铁芯对 动铁芯产生电磁吸力,利用 电磁力使阀芯切换,以改变 气流方向,当一个控制信号 消失,另一个控制信号未加 入时,能保持原有阀位置不 变,称为具有记忆功能的阀 气动控制元件 单向阀 有两个通口,气流只能向一 个方向流动而不能反方向流 动的阀称为单向阀。 作用:逆流防止;保持夹紧 力;防止压力突然上升。 气动控制元件 步骤一:根据使用目的和使用条件,选择结构形式。 阀芯的结构形式:座阀式;滑注式;滑板式;动作方式 直动式:通径小,换向频度高。 先导式:通径大,换向频度低。有内部(使用压力在0.1MPa以上)和外部 先导(可用于真空)两种。 密封形式 弹性密封:换向力较大,密封性好,对空气质量比间隙密封低。 间隙密封:换向力较小,有微漏,对空气质量要求高。 直流DC:110、100、48、12、6、5、3(V) 气动控制元件 步骤二:选择控制方式。 电磁控制:适合电、气联合控制和远距离控制以及复杂系统的控制。 气压控制:适合易燃、易爆、粉尘多和潮湿等恶劣环境下,也适合流体流量 和压力的放大。 机械控制:主要用作行程信号阀,可选用不同的操作机构。 人力控制:可按人的意志改变控制对象状态。 气动控制元件 步骤三:选择阀的机能。 阀芯位置数:二位单控;二位双控;三位中封式;三位中泄式;三位中压 式;阀的通口数;二位两通;两位三通;多位多通;阀的零位状态 常断式:无控制信号时,出口无输出。 常通式:无控制信号时,出口有输出。 通断式:流动方向无限制。 步骤四:选择阀的有效截面积大小。 根据气缸选择对应阀的流量大小。 气动控制元件 步骤五:阀的连接方式选择。 管式;版式;集装式 步骤六:电气规格的选择。 电源种类: 交流AC:行程大时吸力较大,动铁芯不能吸合时,易烧毁线圈,易发生蜂 鸣声; 直流DC:行程大时吸力较小,行程小吸力大,动铁芯不能吸合时,不会烧 毁线圈,无蜂鸣声; 电压大小: 交流AC:220、110、240、200、100、48、24、12(V) 真空系统 6、真空系统 真空系统 6、真空系统 6.1真空产生设备 6.2真空用气阀 6.3真空压力开关 6.4真空过滤器 真空系统 6.1真空产生设备 1、真空吸盘 吸盘是直接吸吊物体的元件,通 常是由橡胶材料与金属骨架制 成的。 真空系统 6.1真空产生设备 2、真空发生器 它是由先收缩后扩张的拉瓦尔 喷管、负压腔和接收管等组成。 有供气口、排气口和真空口。 当供气口的供气压力高于一定 值后,喷管射出超声速射流。 由于气体的粘性,高速射流卷 吸走负压腔内的气体,使该腔 形成很低的真空度。在真空口 处接上真空吸盘,靠真空压力 便可吸起吸吊物。 真空系统 6.2真空用气阀 1、真空减压阀 真空减压阀可调节设定侧的真 空压力并保持其稳定的阀。用 在真空泵系统中。真空口接真 空泵,设定口接负载用的真空 罐。 真空系统 2、换向阀 供给阀:供给真空发生器压缩空气的阀。 破坏阀:破坏吸盘内的真空状态,使工件脱离吸盘。一般使用二位二通 阀 真空系统 6.3 真空压力开关 用于检测真空压力的开关,保证真空 系统安全可靠的工作。一般响应频率 较高。 按功能分:通用型和小孔口吸着 确认型(利用气桥原理,压力传感器 检测压差) 按电触点分:无触点式(电子 式),有触点式(磁性舌簧开关式等) 真空系统 6.4真空过滤器 真空过滤器是将从大气吸入的污染物 (主要是尘埃)收集起来,防止系统 污染,用在吸盘和真空发生器(或真 空阀)之间。在真空发生器的排气口、 真空阀的吸气口(或排气口)和真空 泵的排气口应安装消声器。 真空系统 应用领域: 如真空包装机械中,包装纸的吸 附、送标、贴标、包装袋的开启; 电视机的显像管、电子枪的加工、 运输、装配及电视机的组装; 印刷机械中的双张、折面的检测、 印刷纸张的运输; 玻璃的搬运和装箱; 机械人抓起重物, 搬运和装配; 真空成型、真空卡盘等。