1.1　氣動元件及其應用

氣動系統(tǒng)的功能通過壓縮空氣的產生、傳輸和消耗實現(xiàn)，它包含以下四部分：氣源裝置、控制元件、輔助元件及執(zhí)行元件。

① 氣源裝置：用于將原動機輸出的機械能轉變?yōu)榭諝獾膲毫δ堋?/p>

② 控制元件：用于控制壓縮空氣的壓力、流量和流動方向，以保證執(zhí)行元件具有一定的輸出力和速度，并按設定的程序正常工作。

③ 輔助元件：用于保證空氣系統(tǒng)正常工作所需的其余所有元件。

④ 執(zhí)行元件：用于將空氣的壓力能轉變成機械能的能量轉換裝置。

1.1.1　氣源裝置和氣動輔助元件的認知

氣源裝置為氣動系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的清潔、干燥的壓縮空氣。根據(jù)對氣源的要求和空氣的特點，氣源裝置通常包括空氣壓縮機、儲存裝置、冷卻裝置、凈化裝置等，如圖1-1所示。

氣動輔助元件是元件連接和提高系統(tǒng)可靠性、使用壽命及改善工作環(huán)境等所必需的。輔助元件包括過濾器、油霧器、消聲器、管道及管路附件等。過濾器用于濾除壓縮空氣中的水分、油污和灰塵等雜質。油霧器是一種特殊的注油裝置，可使?jié)櫥挽F化，經(jīng)壓縮空氣攜帶進入系統(tǒng)中各潤滑部位，滿足氣動元件內部潤滑的需要。氣動系統(tǒng)中空氣過濾器、減壓閥和油霧器常組合在一起構成氣動三聯(lián)件。有些品牌的電磁閥和氣缸能夠實現(xiàn)無油潤滑（靠潤滑脂實現(xiàn)潤滑功能），便不需要使用油霧器，這樣，僅有空氣過濾器和減壓閥組合在一起，稱為氣動二聯(lián)件或過濾減壓閥，如圖1-2所示。在使用時，應注意經(jīng)常檢查過濾器中凝結水的水位，在超過最高標線以前，必須排放，以免被重新吸入。

YL-335B自動生產線中氣源處理組件的氣路入口處安裝一個快速氣路開關，當把氣路開關向左拔出時，氣路接通氣源，反之把氣路開關向右推入時氣路關閉。

氣源處理組件輸入氣源來自空氣壓縮機，所提供的壓力為0.6～1MPa，輸出壓力為0～0.8MPa，輸出的壓縮空氣通過快速三通接頭和氣管輸送到各個工作單元。

消聲器是通過阻尼或增加排氣面積來降低排氣的速度和功率，達到降低噪聲的目的。常用的消聲器有吸收型、膨脹干涉型和膨脹干涉吸收型三種。

1.1.2　氣動執(zhí)行元件的認知

氣動系統(tǒng)常用的執(zhí)行元件為氣缸和氣馬達。氣缸用于實現(xiàn)直線往復運動或擺動，氣馬達用于實現(xiàn)連續(xù)回轉運動。在YL-335B自動生產線中只用到了氣缸，包括薄型氣缸、雙桿氣缸、手指氣缸、筆型氣缸和回轉氣缸5種類型，如圖1-3所示。

1.氣缸的分類

按不同的標準，氣缸有如下幾種分類。

① 按壓縮空氣作用在活塞端面上的方向，可分為單作用氣缸和雙作用氣缸。單作用氣缸只有一個方向的運動靠氣壓驅動，另一個方向靠彈簧力或自重和其他外力。這種氣缸的特點是結構簡單、耗氣量小、工作行程較短，在夾緊裝置中應用較多。雙作用氣缸往返運動全靠壓縮空氣完成。單桿雙作用氣缸是使用最廣泛的一種普通氣缸。

② 按結構特點可分為活塞式氣缸、葉片式氣缸、薄膜式氣缸、氣液阻尼缸。

③ 按氣缸功能可分為普通氣缸和特殊氣缸。普通氣缸主要指活塞式單作用氣缸和雙作用氣缸。特殊氣缸包括緩沖氣缸、薄膜式氣缸、沖擊式氣缸、增壓氣缸、回轉氣缸等。

2.活塞式單桿雙作用氣缸

雙作用氣缸如圖1-4所示。它具有結構簡單、輸出力穩(wěn)定、行程可根據(jù)需要選擇的優(yōu)點，但由于是利用壓縮空氣交替作用在活塞上實現(xiàn)伸縮運動的，回縮時壓縮空氣的有效作用面積較小，所以產生的力較小，一般用于包裝機械、食品機械、加工機械等設備上。

3.薄型氣缸

薄型氣缸的軸向或徑向尺寸比標準氣缸小，如圖1-3（a）所示。它依靠膜片在壓縮空氣作用下的變形來使活塞桿產生運動，具有結構緊湊、重量輕、成本低、維修方便、壽命長、密封性好、效率高等優(yōu)點，適用于氣動夾具、自動調節(jié)閥及短行程場合。

在YL-335B自動生產線的加工單元中，薄型氣缸用于沖壓，這主要是考慮該氣缸具有行程較短的特點。

4.手指氣缸

手指氣缸（氣爪）也稱氣爪，能實現(xiàn)各種抓取功能，是現(xiàn)代機械手的關鍵部件。氣動手爪的開閉一般是通過汽缸活塞產生的往復直線運動帶動與手爪相連的曲柄連桿、滾輪或齒輪等機構，驅動各個手爪同步做開、閉運動。氣爪一般有如下特點。

① 所有的結構都是雙作用的，能實現(xiàn)雙向抓取，可自由對中，重復精度高。

② 抓取力矩恒定，有多種安裝和連接方式。

③ 在汽缸兩側可安裝非接觸式檢測開關。如圖1-5（a）所示為平行開合氣爪，兩個氣爪對心移動，輸出較大的抓取力，既可用于內抓取，也可用于外抓取。生產線系統(tǒng)中操作手單元抓取工件采用的就是平行開合氣爪。YL-335B中輸送單元、加工單元和裝配單元中都使用了平行開合氣爪。三點氣爪的三個氣爪同時開閉，適合夾持圓柱體工件，見圖1-5（b）。擺動氣爪具有40°擺角，旋轉氣爪開度180°，抓取力大，如圖1-5（c）和圖1-5（d）所示。

5.回轉氣缸

YL-335B中回轉物料臺的主要器件是回轉氣缸，它由直線氣缸驅動齒輪齒條實現(xiàn)回轉運動，回轉角度能在0°～180°之間，而且可以安裝磁性開關，檢測旋轉到位信號，多用于方向和位置需要變換的機構，如圖1-6所示。

當需要調節(jié)回轉角度或調整擺動位置精度時，應首先松開調節(jié)螺桿上的反扣螺母，通過旋入和旋出調節(jié)螺桿改變回轉凸臺的回轉角度，調節(jié)螺桿1和調節(jié)螺桿2分別用于左旋和右旋角度的調整。當調整好擺動角度后，應將反扣螺母與基體反扣鎖緊，防止調節(jié)螺桿松動，造成回轉精度降低。

6.導向氣缸

導向氣缸是指具有導向功能的氣缸。一般為標準氣缸和導向裝置的集合體。導向氣缸具有導向精度高，抗扭轉力矩、承載能力強、工作平穩(wěn)等特點。

YL-335B中驅動裝配機械手水平方向移動的導向氣缸外形如圖1-7所示。

安裝支架用于導桿導向件的安裝和導向氣缸整體的固定，連接件安裝板用于固定其他需要連接到該導向氣缸上的物件，并將兩導桿和直線氣缸活塞桿的相對位置固定，當直線氣缸的一端接通壓縮空氣后，活塞被驅動作直線運動，活塞桿也一起移動，被連接件安裝板固定到一起的兩導桿也隨活塞桿伸出或縮回，從而實現(xiàn)導向氣缸的整體功能。安裝在導桿末端的行程調整板用于調整該導桿氣缸的伸出行程。具體調整方法是先松開行程調整板上的緊固螺釘，讓行程調整板在導桿上移動，當達到理想的伸出距離后，再完全鎖緊緊固螺釘，完成行程的調節(jié)。

1.1.3　氣動控制元件的認知

在YL-335B中使用的氣動控制元件，按其作用和功能分，有壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥。

1.壓力控制閥

壓力控制閥主要用來控制系統(tǒng)中氣體的壓力，滿足各種壓力要求。氣動系統(tǒng)中壓力控制閥可分為三類：一是起降壓、穩(wěn)壓作用的減壓閥；二是起限壓、安全保護作用的安全閥，即溢流閥；三是根據(jù)氣路壓力不同進行某種控制的順序閥。在YL-335B自動生產線中使用到的壓力控制閥主要有減壓閥和安全閥。

（1）減壓閥

作用是將供氣氣源壓力減到裝置所需要的壓力，并保證減壓后壓力值穩(wěn)定。減壓閥的結構和實物如圖1-8所示，減壓閥一般安裝在空氣過濾器之后，油霧器之前，并注意不要將其進、出口接反；閥不用時應把旋鈕放松，以免膜片經(jīng)常受壓變形而影響其性能。

（2）安全閥

安全閥的作用是當系統(tǒng)壓力超過調定值時，便自動排氣，使系統(tǒng)的壓力下降，以保證系統(tǒng)安全。圖1-9為安全閥的工作原理及圖形符號。

2.流量控制閥

流量控制閥通過控制氣體流量來控制氣動執(zhí)行元件的運動速度的，常用的流量控制閥有節(jié)流閥、單向節(jié)流閥、排氣節(jié)流閥等。在YL-335B自動生產線中使用到的流量控制閥主要為單向節(jié)流閥。

節(jié)流閥通過將空氣的流通面積縮小以增加氣體的流通阻力，而降低氣體的壓力和流量。如圖1-10（a）所示，閥體上有一個調整螺釘，可以調節(jié)節(jié)流閥的開口度（無級調節(jié)），并可保持其開口度不變。它常用于調節(jié)氣缸活塞運動速度，可直接安裝在氣缸上。這種節(jié)流閥有雙向節(jié)流作用。使用節(jié)流閥時，節(jié)流面積不宜太小，因空氣中的冷凝水、灰塵等容易堵塞閥口，引起節(jié)流量的變化。

為了使氣缸的動作平穩(wěn)可靠，氣缸的作用氣口都安裝了可調單向節(jié)流閥。可調單向節(jié)流閥由節(jié)流閥和單向閥并聯(lián)而成，如圖1-10（b）所示。可調單向節(jié)流閥上帶有氣管快速接頭，只要將外徑合適的氣管往快速接頭上一插就可以將管連接好，使用時十分方便。圖1-11為安裝了帶快速接頭的可調單向節(jié)流閥的氣缸。

為了使氣缸運行平穩(wěn)，減少氣缸的“爬行”現(xiàn)象，雙作用氣缸應采用排氣節(jié)流的方式。因此安裝可調單向節(jié)流閥時應注意方向。圖1-12（a）是一個雙作用氣缸雙向調速原理示意圖，當調節(jié)節(jié)流閥A時，是調整氣缸的縮回速度；而當調節(jié)節(jié)流閥B時，是調整氣缸的伸出速度。

3.方向控制閥

方向控制閥是氣動系統(tǒng)中通過改變壓縮空氣的流動方向和氣流的通斷來控制執(zhí)行元件啟動、停止及運動方向的氣動元件。

（1）分類

根據(jù)方向控制閥的功能、控制方式、結構方式、閥內氣流的方向及密封形式等，可將方向控制閥分為以下幾類。

① 按閥內氣流的流通方向分類。按氣流在閥內的流通方向分為單向型控制閥和雙向型控制閥。單向型控制閥只允許氣流沿一個方向流動，如單向閥、梭閥、雙壓閥和快速排氣閥等。雙向型控制閥可以改變氣流流通的方向，如電磁換向閥和氣控換向閥。

② 按閥的控制方式分類。按控制方式的控制閥分類及符號如表1-1所示。人力控制換向閥是依靠人為操作使閥切換，簡稱為人控閥。人控閥主要分為手動閥和腳踏閥兩大類。

機械控制換向閥是利用凸輪、撞塊或其他機械外力操作閥桿使閥換向的，簡稱為機控閥。這種閥常用作信號閥。

氣壓控制換向閥是利用氣體壓力操縱閥桿使閥換向，簡稱為氣控閥。氣控閥按照控制方式可分為加壓控制、卸壓控制和延時控制等。這種閥在易燃、易爆、潮濕、粉塵大的工作環(huán)境中安全可靠。

電磁控制換向閥是利用線圈通電產生電磁吸力使閥切換，以改變氣流方向的閥，簡稱為電磁閥。電磁閥易于實現(xiàn)電、氣聯(lián)合控制，能實現(xiàn)遠距離操作，應用廣泛。自動生產線設備中主要使用的是電磁控制換向閥。

③ 按照閥的氣路端口數(shù)量分類。控制閥的氣路端口分為輸入口（P）、輸出口（A或B）和排氣口（R或S）。按切換氣路端口的數(shù)目分為二通閥、三通閥、四通閥和五通閥等。表1-2為換向閥的氣路端口數(shù)和符號。

二通閥有2個口，即1個輸入口（P），1個輸出口（A）。三通閥有3個口，除P、A口外，增加了1個排氣口（用字母R表示）；三通閥既可以是2個輸入口和1個輸出口，也可以是1個輸入口和2個排氣口。四通閥有4個口，除P、A、R口外，還有1個輸出口（用B表示），通路為P→A、B→R或P→B、A→R。五通閥有5個口，除P、A、B外，還有2個排氣口（用R、S或O1、O2表示），通路為P→A、B→S或P→B、A→R。

二通閥和三通閥有常通型和常斷型之分。常通型指閥的控制口未加控制信號（常態(tài)位）時，P口和A口相通。常斷型在常態(tài)位時P口和A口相斷。

控制閥的氣路端口還可以用數(shù)字表示，表1-3是數(shù)字和字母兩種表示方法的比較。圖1-13所示是氣路端口數(shù)字標識。

④ 按閥芯的工作位置數(shù)分類。閥芯的切換工作位置簡稱為“位”，閥芯有幾個工作位置就稱為幾位閥。根據(jù)閥芯在不同的工作位置，實現(xiàn)氣路的通或斷。閥芯可切換的位置數(shù)量分為二位閥和三位閥。

有2個通口的二位閥稱為二位二通閥，通常表示為2/2閥，前者表示通口數(shù)，后者表示工作位置。有3個通口的二位閥稱為二位三通閥，表示為3/2閥。常用的還有二位五通閥，表示為5/2閥，它可用于推動雙作用汽缸的回路中。

當三位閥閥芯處于中間位置時，若各通口呈關斷狀態(tài)，則稱為中位封閉式；如出氣口全部與排氣口相通，則稱為中位卸壓式；如輸出口都與輸入口相通，則稱為中位加壓式。

常見換向閥的符號見表1-4，一個方塊代表一個動作位置，方塊內的箭頭表示氣流的方向（┬代表不通的口），各動作位置中進氣口與出氣口的總和為口數(shù)。

⑤ 按閥芯結構分類　按閥芯的結構分為截止式、滑柱式和同軸截止式。

⑥ 按閥的連接方式分類　按閥的連接方式分為管式連接、板式連接、集成式連接和法蘭式連接。

（2）電磁閥

電磁閥是氣動控制元件中最主要的元件，其品種繁多，按操作方式分為直動式和先導式兩類。

直動式電磁閥利用電磁力直接驅動閥芯換向，圖1-14所示為直動式單電控電磁換向閥。當電磁線圈得電，單電控二位三通閥的P口與A口接通；當電磁線圈失電時，電磁閥在彈簧作用下復位，P口關閉。

圖1-15為雙電控電磁換向閥，當左電磁線圈得電，雙電控二位五通閥的P口與A口接通，且具有記憶功能，只有當右電磁線圈得電，雙電控二位五通閥才復位，即P口與B口接通。

直動式電磁鐵只適用于小型閥，如果控制大流量空氣，則閥的體積和電磁鐵都必須加大，這勢必帶來不經(jīng)濟的問題，可采用先導式結構克服這些缺點。先導式電磁閥是由小型直動式電磁閥和大型氣控換向閥組合而成，它利用直動式電磁閥輸出先導氣壓，此先導氣壓使主閥芯換向，該閥的電控部分又稱為電磁先導閥。

YL-335B自動生產線中所有工作單元的執(zhí)行氣缸都是雙作用氣缸，因此控制它們的電磁閥需要有兩個工作口和兩個排氣口以及一個供氣口，故使用的電磁閥均為二位五通電磁閥。

以供料站為例，供料站使用了兩個二位五通的單電控電磁閥。這兩個電磁閥帶有手動換向和加鎖鈕，有鎖定（LOCK）和開啟（PUSH）2個位置。用小螺絲刀把加鎖鈕旋到LOCK位置時，手控開關向下凹進去，不能進行手控操作。只有在PUSH位置，才可用工具向下按，此時信號為“1”，等同于該側的電磁信號為“1”；常態(tài)時，手控開關的信號為“0”。在進行設備調試時，可以使用手控開關對電磁閥進行控制，從而實現(xiàn)對相應氣路的控制，以改變推料缸等執(zhí)行機構的運動，達到調試的目的。

在YL-335B自動生產線中采用電磁閥組連接形式，就是將多個閥與消聲器、匯流板等集中在一起構成一組控制閥，每個閥的功能是彼此獨立的。在供料站中，兩個電磁閥是集中安裝在匯流板上的。匯流板中兩個排氣口末端均連接了消聲器，消聲器的作用是減少壓縮空氣在向大氣排放時的噪聲。閥組的結構如圖1-16所示。

在輸送站中氣動手指的雙作用氣缸由一個二位五通雙電控電磁換向閥控制，帶狀態(tài)保持功能，用于各個工作站抓物搬運。雙電控電磁閥外形如圖1-17所示。

雙電控電磁閥與單電控電磁閥的區(qū)別在于：對于單電控電磁閥，在無電控信號時，閥芯在彈簧力的作用下會被復位；而對于雙電控電磁閥，在兩端都無電控信號時，閥芯的位置取決于前一個電控信號。

特別需要注意的是，雙電控電磁閥的兩個電控信號不能同時為“1”，即在控制過程中不允許兩個線圈同時得電，否則可能會造成電磁線圈燒毀。