气动设计PPT课件

液压与气动技术 主讲教师 黄志昌 为电工技师班的学员提供优秀的教学资源 为电工技师班的学员提供优秀的教学资源 气动系统由气源 气路 控制元件 执行元件和辅助元件等组成 并完成规定的动作 任何复杂的气路系统 都是由一些具有特定功能的气动基本回路 功能回路和应用回路组成 本章将介绍这些回路及回路的设计方法 基本回路是指对压缩空气的压力 流量 方向等进行控制的回路 基本回路包括供给回路 排出回路 单作用气缸回路 双作用气缸回路等 9 1基本回路 9 1 1单作用气缸回路 作业1 请画出3 2单电控阀控制单作用气缸 作业2 请画出2个2 2单电控阀控制一个单作用气缸 9 1基本回路 9 1 2双作用气缸回路 如气缸用于夹紧机构 考虑到失电保护控制 则选用双电控阀为好 单电控换向阀在失电时 立即复位 气缸自动缩回 作业3 请设计用一个用5 2单电控先导型方向控制阀控制一个双作用气缸 作业4 请设计用一个用5 2双电控先导型方向控制阀控制一个双作用气缸 双电控二位换向阀具有记忆功能 如果在气缸伸出的途中突然失电 气缸仍将保持原来的位置状态 9 1基本回路 9 1 3差动回路 作业5 请设计一个差压回路 用一个用5 2单电控先导型方向控制阀及单向阀 减压阀控制一个双作用气缸 差动回路是指气缸的两个运动方向采用不同压力供气 从而利用差压进行工作的回路 当双作用缸仅在活塞的一个移动方向上有负载时 采用该回路可减少空气的消耗量 但是在气缸速度比较低的时候 容易产生爬行现象 减压阀带单向阀的差动回路 电磁阀断电后 气缸以较低供气压力缩回 9 1基本回路 9 1 4气马达回路 作业6 请设计3个马达控制回路 用一个用2 2单电控阀控制单向气马达 有调速环节 用二个用3 2单电控阀控制双向气马达 用一个用5 3双电控先导型方向控制阀控制双向气马达 9 2功能回路 功能回路是控制执行机构的输出力 速度 加速度 运动方向和位置的回路 包括速度控制回路 力控制回路 转矩控制回路和位置控制回路等 9 2 1速度控制回路 1 进气节流 排气节流回路 在气缸的进气侧进行流量控制时称为进气节流 在排气侧进行流量控制时称为排气节流 一般来说 进气节流多用于垂直安装的气缸支撑腔的供气回路 9 2功能回路 9 2 1速度控制回路 一般来说 进气节流多用于垂直安装的气缸支撑腔的供气回路 单作用气缸和气马达等 根据使用目的和条件 也采用进气节流控制 进气节流限制了供气速度 使得进气腔压力降低 从而容易造成气缸的 爬行 现象 作业6 请设计一个进气节流调速回路 控制一个双作用气缸 1 进气节流 排气节流回路 9 2功能回路 9 2 1速度控制回路 作业6 请设计一个进气节流调速回路 控制一个双作用气缸 在进气节流时 气缸排气腔压力很快降至大气压 而进气腔压力的升高比排气腔压力的降低缓慢 当进气腔压力产生的合力大于活塞静摩擦力时 活塞开始运动 由于动摩擦力小于静摩擦力 所以活塞运动速度较快 由此进气腔急剧增大 而由于进气节流限制了供气速度 使得进气腔压力降低 从而容易造成气缸的 爬行 现象 爬行原因分析 1 进气节流 排气节流回路 排气节流1 作业6 请设计一个排气节流调速回路 控制一个双作用气缸 9 2功能回路 9 2 1速度控制回路 排气节流2 1 进气节流 排气节流回路 作业7 请设计一个排气节流 快速缩回调速回路 控制一个双作用气缸 9 2功能回路 9 2 1速度控制回路 在排气节流时 排气腔内可以建立与负载相适应的背压 在负载保持不变或微小变动的条件下 运动比较平稳 调节节流阀的开度即可调节气缸往复运动速度 从节流阀的开度和速度的比例性 初始加速度 缓冲能力等特性来看 双作用气缸一般采用排气节流控制 1 进气节流 排气节流回路 2 气液转换回路 由于空气的可压缩性 在低速及传动负载变化大的场合可采用气液转换回路 这种控制方式不需要液压动力即可实现传动平稳 定位精度高 速度控制容易等目的 从而克服了气动难以实现低速控制的缺点 作业8 请设计一个排气节流 气液转换回路 控制一个双作用气缸 解决稳速的问题 9 2功能回路 9 2 1速度控制回路 2 气液转换回路 作业9 请设计一个排气节流 气液阻尼缸稳速回路 控制一个双作用气缸 解决稳速的问题 9 2功能回路 9 2 1速度控制回路 比串联形式结构紧凑 气 液不易相混 不足之处是 如果安装时两缸轴线不平行 会由于机械摩擦导致运动速度不平稳 气压传动多数用气缸作执行元件 把气压能转换成机械能 气缸输出力是由供排气压力和活塞面积来决定的 因此可以通过改变压力和受压面积来控制气缸力 一般情况下 对于已选定的气缸 可通过改变进气腔的压力来实现气缸出力控制 高低压力转换回路 9 2功能回路 9 2 2压力控制回路 作业10 请设计一个能选择两种不同压力的控制回路 控制一个双作用气缸 解决适合不同的负载的问题 9 2功能回路 9 2 2压力控制回路 作业11 请设计一个能单方向 伸出时 连续控制压力的回路 控制一个双作用气缸 按一定的压力曲线向负载施加压力 连续压力控制回路 9 2功能回路 9 2 3转矩控制回路 作业12 请设计一个能控制双向气马达的方向 压力流量的控制回路 建议用5 3阀 气马达是产生转矩的气动执行元件 一般情况下 对于已选定的气马达 其转矩是由进排气压差决定的 1 气马达转矩控制回路 活塞式气马达转矩控制回路 通过改变减压阀的设定压力 即可改变气马达的输出转矩 9 2功能回路 9 2 3转矩控制回路 作业13 请设计一个能控制摆缸的方向 压力 流量的控制回路 建议用5 2阀 2 摆动马达转矩控制回路 在转矩控制回路中 通过调节供气压力来改变输出转矩 控制气马达或摆动马达的速度 9 2功能回路 9 2 4位置控制回路 9 2功能回路 9 2 4位置控制回路 1 采用三位阀的回路 由于气缸活塞两端作用面积不同 阀处于中位后活塞仍将移动一段距离 调节调压阀的压力 使作用在活塞上的合力为零 中位加压式 也可使用中位封闭式 由于空气的可压缩性 采用纯气动控制方式难以得到较高的控制精度 9 2功能回路 9 2 4位置控制回路 2 采用机械挡块辅助定位的回路 采用机械挡块辅助定位回路简单可靠 在定位状态下驱动气缸始终压紧挡块 不产生间隙 可以完全停止在确定位置上 其定位精度取决于挡块的机械精度 使用挡块定位机构必须注意的问题是 为防止系统压力过高 应设置安全阀以及为保证精度应考虑冲击的吸收及挡块的刚性 图9 13采用挡块的位置控制回路 9 2功能回路 9 2 5比例阀 伺服阀控制回路 比例阀和伺服阀可连续控制压力或流量的变化 不采用机械式辅助定位也可达到较高精度的位置控制 图9 16采用流量伺服阀的连续位置控制回路 采用流量伺服阀的位置控制回路 该回路由气缸 流量伺服阀 位移传感器及计算机控制系统组成 活塞位移由位移传感器获得并送入计算机 计算机按一定算法求得伺服阀的控制信号的大小 从而控制活塞停留在期望的位置上 应用回路是指在生产实践中经常用到的回路 它一般由基本回路和功能回路组合或变形而成 如增压回路 同步回路 缓冲回路 平衡回路和安全回路等 9 3应用回路 9 3 1增压回路 当压缩空气的压力较低 或气缸设置在狭窄的空间里 不能使用较大面积的气缸 而又要求很大的输出力时 可采用增压回路 增压一般使用增压器 增压器可分为气体增压器和气液增压器 气液增压器高压侧用液压油 以实现从低压空气到高压油的转换 1 增压器增压回路 应用回路是指在生产实践中经常用到的回路 它一般由基本回路和功能回路组合或变形而成 如增压回路 同步回路 缓冲回路 平衡回路和安全回路等 9 3应用回路 9 3 1增压回路 五通电磁阀通电 气控信号使三通阀换向 经增压器增压后的压缩空气进入气缸无杠腔 五通电磁阀断电 气缸在较低的供气压力作用下缩回 可以达到节能的目的 9 3应用回路 9 3 1增压回路 电磁阀左侧通电 对增压器低压侧施加压力 增压器动作 其高压侧产生高压油并供应给工作缸 推动工作缸活塞动作并夹紧工件 电磁阀右侧通电可实现缸及增压器回程 使用该增压回路时 必须把工作缸所需容积限制在增压器容量以内 并留有足够裕量 油 气关联部密封要好 油路中不得混入空气 冲压回路 主要用于薄板冲床 压配压力机等 由于在实际冲压过程中 往往仅在最后很小一段行程里作功 其它行程不作功 常采用低压 高压二级回路 无负载时低压 作功时高压 9 3应用回路 9 3 2冲压回路 1 冲压回路 9 3应用回路 9 3 2冲压回路 1 冲压回路 电磁换向阀通电后 压缩空气进入气液转换器 使工作缸动作 当活塞前进到某一位置 触动三通高低压转换阀时 该阀动作 压缩空气供入增压器 使增压器动作 由于增压器活塞动作 气液转换器到增压器的低压液压回路被切断 内部结构实现 高压油作用于工作缸进行冲压作功 当电磁阀复位时 气压进入增压器活塞及工作缸的回程侧 使之分别回程 9 3应用回路 9 3 3同步控制回路 1 气动与机械机构并用方法 采用同轴齿轮连接两活塞杆上齿条而达到气缸同步位移的机构 虽然存在一定的机械误差 但能可靠地实现同步控制 图9 22使用刚性连接的同步控制回路 9 3应用回路 9 3 3同步控制回路 2 气液转换方法 9 3应用回路 9 3 3同步控制回路 2 气液转换方法 当三位五通电磁阀A端电磁铁通电后 压缩空气通过管路自下而上作用在两个气液缸的气缸活塞的无杆腔 使之克服各自的负载向上运动 此时 来自梭阀9的控制气压使常开式二通阀3和4关闭 所以气液缸7和8的液压缸部分的上侧液压油分别被压送到7和8的液压缸部分的下侧 可以保证缸7和8向上同步移动 同理电磁阀的B端电磁铁通电时 可以保证缸向下同步移动 这种上下运动中由于泄漏而造成的液压油不足可在电磁阀不通电的图示状态下从油箱2自动补充 为了排出液压缸中的空气 需设置放气塞5和6 9 3应用回路 9 3 4张力控制回路 气缸的输出力精度取决于缸的动摩擦力及减压阀精度 为保证控制精度 应选择摩擦力小的气缸及精密减压阀 装置启动时 为了给带材一个初始张力 采用中位加压的电磁阀 当装置进入正常运转时 根据控制要求 使电磁铁A或B通电 便能进行张力控制 9 3应用回路 9 3 5平衡回路 平衡回路是指保持外负载与气缸压力所产生的力相平衡 控制气缸速度或位置的回路 气动平衡回路不同于液压回路 由于空气的压缩性 在负载移动剧烈的装置中 有时也采用气液转换回路或气液阻尼缸 1 平衡基本回路 如果气缸承受的负载与减压阀设定压力所产生的推力相平衡 负载可以停止在任意位置上 从理论上说 只要气缸内压与负载稍有不同 就会发生移动 但实际上因活塞的摩擦阻力 气缸可以在平衡点附近一个小的范围内仍然保持停止状态 2 应用回路 9 3应用回路 9 3 5平衡回路 任意位置停止的起重机上的回路 2 应用回路 9 3应用回路 9 3 5平衡回路 任意位置停止的起重机上的回路 调节减压阀的压力使之与负载平衡 物体的提升和下降由3 2手动换向阀实现 溢流阀是为使气缸出力与机构总重量平衡而设置的 2 应用回路 9 3应用回路 9 3 5平衡回路 1 任意位置停止的起重机上的回路 先导气控三位四通阀用于在气缸空气泄漏和活塞移动时供气和排气 节流阀是在无负载时为了保证三位四通阀处于中位状态而向三位四通阀右端提供一定的压缩空气 防止因空气泄漏而引起的控制压力降低 负载的重量全部由活塞下腔的气体压力进行平衡 大容量溢流型电 气比例压力阀控制活塞下腔的压力 以维持平衡压力不变 并随时根据负载变动而设定不同的压力 9 3 5平衡回路 9 3应用回路 2 应用回路 2 气压自动平衡回路 9 3 6缓冲回路 9 3应用回路 1 缓冲基本回路 气缸驱动较大负载高速移动时 会产生很大的动能 将此动能从某一位置开始逐渐减少 最终使负载在指定位置平稳停止的回路称为缓冲回路 缓冲的方法大多是利用空气的可压缩性 在气缸内设置气压缓冲装置 此外还有在外部设置吸振气缸的方法 但对于行程短 速度高的情况 气缸内设气压缓冲吸收动能比较困难 一般采用液压吸振器 9 3 6缓冲回路 9 3应用回路 1 缓冲基本回路 驱动负载的气缸运动时具有很大的动能 到达停止前的某个位置时 触动吸振缸的活塞杆 使吸振缸的压力上升 缸内空气经节流阀和换向阀排出 当主动缸返回时 吸振缸也同时被供气 活塞杆伸出 由于空气有压缩性 使用这种回路时 节流阀开度必须调节适当 否则会产生能量吸收不足 发生撞击或能量吸收过大发生反弹现象 2 使用安全阀的回路 采用这种方式时 由于限制了缸内压力 会使气缸的缓冲行程拉长 避免缸内压力过高 无溢流阀时 节流将会产生很大的压力 吸振缸回程时 压缩空气经单向阀供入 使活塞返回原位 9 3 6缓冲回路 9 3应用回路 两个排气节流阀分别调定为不同的节流开度 调节背压的大小 以控制气缸的高速运动或低速缓冲 通电时 气缸高速运动 当气缸接近行程终点时 行程开关发出的电信号使三通电磁阁断电 气缸由高速运动状态转变为低速缓冲状态 3 采用并联节流阀的缓冲回路 9 3 6缓冲回路 9 3应用回路 高低压力转换回路 1 气缸的两个运动方向采用不同压力供气回路 降低空气的消耗量 9 3应用回路 9 3 7节能回路 2 根据各个气缸具体的负载 采用不同的供气压力 此时对于低压供气的回路也就节省了空气消耗量 高低压力转换回路 3 气动控制信号和气缸的供气采用不同的工作压力 降低空气的消耗量 9 3应用回路 9 3 7节能回路 4 气缸在往复运动中进行排气时 将排气部分地回收 也能减少压缩空气消耗量 9 3应用回路 9 3 7节能回路 气缸上升时 电磁阀得电 气缸在减压阀1所设定的压力下伸出 气缸有杆腔的低压 由减压阀2决定 压缩空气排到大气中 减压阀2被调定为较低的压力 在气缸伸出时 减压阀2实际是关闭的 减压阀2被调定为较低的压力 在气缸伸出时 减压阀2实际是关闭的 降低空气的消耗量 9 3应用回路 9 3 7节能回路 减压阀被调定为较低的压力 气缸无杆腔不排放压缩空气 由气罐引出的气体 经减压阀减压引入气缸有杆腔 电磁阀断电 气缸在负载重力的作用下缩回 气缸无杆腔的压缩空气被压回气罐 由此将回路耗气量减至最小 利用负载的重力 降低空气的消耗量 双手同时按下手动阀时 才能切换主阀 气缸活塞才能下落 锻 冲工件 实际上给主阀的控制信号是1 2相 与 的信号 1 双手操作安全回路 9 3应用回路 9 3 8安全回路 2 过载保护回路 9 3应用回路 9 3 8安全回路 图9 33过载保护回路1 手动换向阀2 主控阀3 顺序阀4 梭阀5 手动换向阀 初始状态 2 过载保护回路 9 3应用回路 9 3 8安全回路 图9 33过载保护回路1 手动换向阀2 主控阀3 顺序阀4 梭阀5 手动换向阀 不过载 到位 按下 右路接通 伸出 压下滚轮 2 过载保护回路 9 3应用回路 9 3 8安全回路 图9 33过载保护回路1 手动换向阀2 主控阀3 顺序阀4 梭阀5 手动换向阀 过载 按下 顺序阀接通 伸出 右路接通 气缸用于起吊重物时 如果突然停电或停气 气缸将在负载重力的作用下伸出 因此需采取安全措施防止气缸下落 使气缸能够保持在原位置 防止气缸下落可以在回路设计时采用二位二通阀或气控单向阀封闭气缸两腔的压缩空气 或者采用内部带有锁定机构的气缸 3 防止下落回路 9 3应用回路 9 3 8安全回路 3 防止下落回路 9 3应用回路 9 3 8安全回路 3 防止下落回路 9 3应用回路 9 3 8安全回路 3 防止下落回路 9 3应用回路 9 3 8安全回路 直觉法 即所谓经验法或传统法 这种方法主要依靠设计者的经验与能力去完成回路设计 对于较简单的气动回路 采用这种方法方便实用 但对于复杂的气动系统 这种方法不容易考虑周全 使系统容易漏掉 遗忘某些功能甚至出错 另一方面 采用这种设计的复杂回路 难于诊断与维修 9 4 1气动回路设计方法 1 直觉法 9 4纯气动系统设计 9 4 1气动回路设计方法 2 串级法 9 4纯气动系统设计 串级法 Cascademethod 是一种控制管路的选择法 如图9 35所示 串级法通常利用4 2或5 2双气控阀 有记忆功能 来选择压力管道 选中的管道处于供气状态 其它管道则处于排气状态 与大气相接 顺序选择若干管道 可保证在任一时间内 只有与供气管到相接的方向控制阀 才可能实现转接 输出一组信号 9 4 1气动回路设计方法 2 串级法 9 4纯气动系统设计 图9 35各级串级转换气路 初始X1为有效状态 9 4 1气动回路设计方法 2 串级法 9 4纯气动系统设计 两级 两阀 三管 步 9 4 1气动回路设计方法2 串级法 9 4纯气动系统设计 3级 3阀 4管 步 X1有效 阀C右位 X2有效 阀C保持右位 9 4 1气动回路设计方法2 串级法 9 4纯气动系统设计 3级 3阀 4管 步 X3有效 阀A保持右位 X4有效 阀B保持右位 9 4 1气动回路设计方法2 串级法 9 4纯气动系统设计 在复杂的纯气动系统设计中 广泛应用 在控制操作开始前 压缩空气源将通过串级中的所有管道选择阀 因此 只要有一个阀动作不良 就会出现不良开关转换作用 在设计回路中 需要多少输出管路和管道选择阀 要按动作顺序的分组 级 而定 如动作顺序分为四组则要输出四条管路 管道选择阀的数量则为管道数减一 例题1 在一个4 2阀的阀体成品上需要冲印P A B及O等字母标志 将阀放置在一夹持器内 气缸1 0冲印阀体上的字母 气缸2 0 B 推送阀体 使其从夹持器落入一筐篮内 试设计一纯气动回路 满足冲压工作需求 图9 37冲压印字机示意图 步骤1 依据题意 绘出冲压印字机示意图 9 4纯气动系统设计 9 4 2冲压印字机设计 步骤2 设计冲压印字机位移 步骤图 图9 38冲压印字机位移 步骤图 图9 37冲压印字机示意图 9 4纯气动系统设计 9 4 2冲压印字机设计 1 采用直觉法进行设计 2 加工工艺进行分析 应考虑对工件有无进行判别的 在本例中 为简化系统 省掉了此项功能 两气缸的动作顺序由滚轮直动阀2 2 2 3 2 4保证 启动初始条件由阀1 6确定 阀1 6被压下 系统才可启动 由于是冲压设备 为安全起见 双手必须按按钮 方可开始冲压 因此系统中使用了一个与阀 步骤3 设计冲压印字机的纯气动回路图 9 4纯气动系统设计 9 4 2冲压印字机设计 步骤3 设计冲压印字机的纯气动回路图 采用直觉法进行设计 例题2 某盘形工件在一清洗池内清洗 一气缸推动盛满盘形工件的筐篮在清洗池内升降上下 要求可采用二种方法完成清洗 第一种 操作者用手动完成容器的上 下运动 第二种 操作者手动产生起动信号 经过一预先设定的时间后自行切断清洗操作 试设计一纯气动回路 满足工件清洗需求 1 绘出清洗工件的示意图 9 4纯气动系统设计 9 4 3工件清洗机设计 2 设计工件清洗机的位移 步骤图 9 4纯气动系统设计 9 4 3工件清洗机设计 1 两种清洗方法每次只能选择一种 因此两种方法的选择应是 或 的关系 2 设备启动的条件是气缸处于缩回状态 阀1 6被压下 3 手动状态时 由操作人员按阀1 2 1 3 使气缸伸出和缩回 4 自动状态时 一定要有定时阀来控制自动运行的时间 自动循环由阀1 6 1 7控制实现在阀1 8切断前容器不停地上下运动 5 要有阀控制自动与手动间的切换 3 理清设计思路 9 4纯气动系统设计 9 4 3工件清洗机设计 4 设计工件清洗机的气动回路图 9 4纯气动系统设计 9 4 3工件清洗机设计 9 4纯气动系统设计 9 4 4喷巧克力机 9 4纯气动系统设计 9 4 4喷巧克力机 1 据题意 绘出清洗工件的示意图 9 4纯气动系统设计 9 4 4喷巧克力机 2 设计工件清洗机的位移 步骤图 9 4纯气动系统设计 9 4 4喷巧克力机 3 运动关系分析 1 缸1 0缩回为系统的启动条件 初始状态 2 按下启动阀1 2 阀0 1在Y 右 转接 处于右位 使压缩空气进入管路S1 进而使4 2双气控方向控制阀1 1 2 1及3 1在Z 左 接转 处于左位 3 气缸l 0 A 开启喷枪 气缸2 0 B 推动冰淇淋缓缓向前以及气缸3 0 C 前后摆动喷枪 9 4纯气动系统设计 9 4 4喷巧克力机 3 运动关系分析 4 当气缸2 0 B 到达前端点位置时 碰到滚轮直动式换向阀1 3 2 3 使管路选择阀0 1在Z 左 接转 使压缩空气进入管路S2 同时使管路S1排放 所有三个气缸皆回行到它们的端点位置 5 为了使系统具有自动及手动操作功能 可以通过阀1 4从手动 MAN 接转至自动 AUT 6 应使用一个气动记数器记录已经喷涂巧格力的冰淇淋块 9 4纯气动系统设计 9 4 4喷巧克力机 4 在原设计工件清洗机的位移 步骤图基础上 绘出全功能图 5 采用了串级法设计此回路图 start 例题4 紫铜管需要二次扩孔 为了达到扩孔的要求 首先将紫铜管放入紫铜管定位块中 当启动信号产生时 气缸l 0 A 夹紧紫铜管 气缸2 0 B 在第一站完成粗扩孔 在第一卷边站粗扩孔操作完成后 气缸2 0 B 缩回 气缸3 0 C 推动气缸2 0 B 使其进入第二扩孔站至定位 气缸2 0 B 再度外伸并在紫铜管上完成最后的扩孔操作 然后气缸2 0 B 回行至起始位置 气缸1 0 A 松开紫铜管 同时气缸3 0 C 使气缸2 0 B 回复到第一扩孔站 为再次扩孔做好准备 试设计一纯气动回路 满足扩孔机的加工需求 9 4纯气动系统设计 9 4 5扩孔机设计 1 绘出扩孔机的示意图 9 4纯气动系统设计 9 4 5扩孔机设计 9 4纯气动系统设计 9 4 5扩孔机设计 3 气缸运动逻辑关系分析 2 阀1 6缩回为系统的启动条件 初始状态 用一个管道同时控制一个气缸的伸出与缩回 本身就是矛盾的 依据扩孔机的位移 步骤图 设计其管道分组共四组 A B IB C IB IB C A 同一执行元件B不能分配在同一组 分组分隔符号 9 4纯气动系统设计 9 4 5扩孔机设计 4 采用串级