第10章 气压传动与气动元件
气压传动是以压缩气体作为工作介质进行能量传递和信号传递的一门技术。 与液压传动系统类似，气压传动系统也是由气源装置、执行元件、控制元件和辅助元件组成。本章主要介绍气压传动系统的工作原理和组成、气压传动的优缺点和应用、常用的气压元件的结构和工作原理及气压传动的基本回路等内容。
10.1 气压传动概述
10.1.1 气压传动的工作原理及组成
气压传动是利用压缩气体的压力能实现能量传递的一种传动方式，其工作介质主要是空气，也包括燃气和蒸汽。气压传动的工作原理是利用气体压缩机把电动机或其他原动机输出的机械能转换成为气体的压力能，然后在控制元件的作用下，通过执行元件把压力能转换为直线运动或回转运动形式的机械能，并对外做功。
典型的气压传动系统（图10-1）与液压传动系统类似，主要由以下四部分组成：
图10-1 气压传动系统的组成示意图
1—电动机；2—空气压缩机；3—贮气罐；4—压力控制阀；5—逻辑元件；6—方向控制阀 7—流量控制阀；8—行程阀；9—气缸；10—消声器；11—油雾器；12—分水滤气器
（一）气源装置
气源装置的主体是空气压缩机，有的还配有贮气罐、气源净化处理装置等附属设备。空气压缩机将原动机提供的机械能转换为气体的压力能。气动设备较多时，常将气源装置集中
一处组成气压站，由气压站向各用气点分送压缩空气。近年来，也有将小型低噪空气压缩机或增压泵设置在控制、执行元件的近旁，实行单机和单泵供气或局部加压。
（二）执行元件
执行元件是以压缩空气为工作介质产生机械运动，并将气体的压力能转换为机械能的一种能量转换装置，包括实现直线往复运动的气缸、实现连续回转运动或往复摆动的气马达和摆动马达。
（三）控制元件
控制元件用来控制和调节压缩空气的压力、流量和流动方向，使执行元件能够按要求完成预定的工作循环。控制元件种类繁多，除了基本的压力、流量和方向三大类控制阀外，还包括逻辑元件、射流元件等。
（四）辅助元件
辅助元件是净化压缩空气、润滑、消声以及用于元件间连接等所需要的一些装置，如分水滤气器、油雾器、消声器及管件等。
10.1.2 气压传动的优缺点
气压传动广泛地应用于机械、电子、轻工、纺织、食品、医药、包装、冶金、石化、航空、交通运输等各个工业部门，在提高生产效率、自动化程度、产品质量、工作可靠性和实现特殊工艺等方面显示出极大的优越性。这主要是因为气压传动与机械、电气和液压传动相比具有以下优点：
1）以空气作为工作介质，取之不尽，用之不竭，处理方便，用过以后可以直接排入大气，不会污染环境，且可少设置或不必设置回气管道；
2）空气的粘度很小，只有液压油的万分之一，在管道中流动的压力损失小，便于集中供气和远距离输送；
3）空气的特性受温度影响小，温度发生变化时，不会影响传动性能，在高温下也能够可靠地工作，不会发生燃烧和爆炸；
4）气动控制动作迅速，反应快，维护简单，工作介质清洁，不存在介质变质和更换等问题；
5）工作环境适应性好，在易燃、易爆、多尘埃、辐射、强磁、振动、冲击等恶劣的环境中，气压传动系统都能可靠工作。对于要求高净化、无污染的场合，如食品加工、印刷、精密检测等，气压传动系统更具有独特的适应能力；
6）气动元件结构简单，成本低，维护方便，过载时能自动保护，便于加工制造，使用寿命长，可靠性高，适于标准化、系列化和通用化；
气压传动也存在如下缺点：
1）由于空气压缩性、膨胀性大，外负载变化时，对工作速度的影响较大，气动执行机构工作速度稳定性差，对位置控制和速度控制精度影响较大；
2）气压传动系统的工作压力不高（一般小于0.8MPa），总的输出力不太大（小于40kN）； 3）空气本身没有润滑性，系统中一般需要采取措施进行给油润滑；
4）气动装置中的信号传动速度比光、电控制方式的速度慢，不宜用于信号传递速度要求十分高的复杂线路中；
5）噪声较大，尤其在超声速排气时，需要加装消声器。
10.1.3 气压传动技术的应用
人们利用空气的能量完成各种工作的历史可以追溯到远古，但作为气动技术应用的雏形大约开始于1776年John Wilkinson发明的能产生一个大气压左右压力的空气压缩机。1880年，人们第一次利用气缸做成气动刹车装置，并将它成功地应用到火车的制动上。进入20世纪60年代，气动技术主要用于比较繁重的作业领域作为辅助传动。20世纪70年代后期，气动技术开始用于自动装配、包装、检测等轻巧的作业领域，以减轻繁重的体力劳动。20世纪80年代以来，随着与电子技术的紧密结合，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在多种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术（PLC）与气动技术结合，使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加稳定可靠。气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展，对气动技术提出了更多、更高的要求。微电子技术的引入，促进了电-气比例伺服技术的发展，使气动技术从简单开关控制升级为闭环比例伺服控制，控制精度不断提高，已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。
（一）汽车制造业
现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，几乎无一例外地采用了气动技术。如车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位，点焊机焊头的快速拉近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了多种特殊功能的气缸及相应的气动控制系统。
（二）半导体电子及家电业
在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上和半导体芯片、印刷电路等多种电子产品的装配线上，不仅可以看到多种大小不一、形状不同的气爪、气缸，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定位置上。
（三）生产自动化的实现
在工业生产的多个领域，为了保证产品的均一性，减轻体力劳动，提高生产效率，降低成本，都广泛地使用了气动技术。例如，在机床、自行车、手表、洗衣机等行业的零件加工和组装线，元件的搬运、转位、定位、夹紧、装卸、装配等许多工序都使用气动技术。
（四）包装自动化的实现
气动技术还广泛地应用于化肥、化工、粮食、药品等行业，实现粉状、粒状、块状物的自动计量包装。烟草工业的自动卷烟和自动包装以及对液体（如油漆、油墨、化妆品、牙膏、饮料等）和气体（如煤气）的自动计量灌装等均采用了气动技术。
（五）机器人技术
机器人是现代高科技发展的结晶，装配机器人、喷漆机器人、搬运机器人以及爬墙、焊接机器人等都采用了气动技术。
（六）其他领域
气动技术在车辆刹车装置、车门开闭装置、鱼雷和导弹的自动控制装置，以及多种气动工具等方面都有重要的应用。
10.1.4 气压传动技术的发展趋势
从各国的行业统计资料来看，工业技术发达的欧美、日本等国家，液压与气动元件的产值比已达6∶4，有的甚至接近5∶5。由于气动元件的单价比液压元件便宜，在相同产值的情况下，气动元件的使用量及应用范围已远远超过了液压元件。我国的气动行业起步较晚，但自改革开放以来，气动行业的发展速度非常快，特别是一些气动元件的新产品陆续开发研制出来，如冷冻式干燥器、精密过滤器、不供油润滑气缸和气阀、小型气缸、低功率电磁阀、伺服气阀、滑片式气泵等，产品的质量和可靠性也不断提高。
纵观世界气动行业的发展趋势，气动技术的发展动向可归纳为： （一）机电气一体化
一方面，微电子技术与气动元件相结合，组成了PC机-接口-小型阀-气缸的电气一体化的气动系统。另一方面，与电子技术相结合的自适应控制气动元件已经问世，如压力比例阀、流量比例阀、数字控制气缸，使气动技术从以往的开关控制进入到高精度的反馈控制，使定位精度提高到±0.01～0.1mm。机电气一体化已不只用于机械手和机器人这样一些典型产品上，而且渗透到工厂本身的加工、装配、检测这些生产领域。
（二）小型、轻量和低功率元件的超薄、小型化
为了让气动元件与电子元件一起安装在印刷线路板上，构成各种功能的控制回路组件，气动元件必须小型化和轻量化。气动技术应用于半导体工业、工业机械手和机器人等方面，要求气动元件实现超轻、超薄、超小。如缸径2.5mm的单作用气缸、缸径4mm的双作用气缸、4g重的低功率电磁阀、M3的管接头和内径2mm的连接管，材料采用了铝合金和塑料等，零件进行了等强度设计，使重量大为减轻。电磁阀由直动型向先导型变换，除了降低功耗外，也实现了小型化和轻量化。
（三）高质量、高精度、高速度
由于新材料及材料处理技术的发展，加工工艺水平的提高，电磁阀的寿命均在3000万次以上（个别小型阀的寿命有达1亿次的），气缸行程的耐久性已达2000~6000km。位置控制精度已由过去的mm级提高到现在的1/10mm级。为了提高气动系统的可靠性，对压缩空气的质量提出了更高的要求。过滤器的标准过滤精度从过去的70μm提高到5μm，并有0.01μm的精密滤芯，除尘率可达99.9%~99.9999%，除油率可达0.1ppm。提高电磁阀的工作频率和气缸的速度，对气动装置生产效率的提高有着重要意义。电磁阀工作频率可达25Hz，气缸速度从1m/s提高到3m/s，冲击气缸可达11m/s。
