第13章-气动控制元件和真空元件..ppt

第13章气动控制元件和真空元件13.1气动控制元件在气压传动系统中，气动控制元件是用来控制压缩空气的流动方向、压力高低和流量大小的各种控制阀。和液压传动系统一样，气动控制阀主要也是由方向控制阀、流量控制阀和压力控制阀三大类组成的。,13.1.1方向控制阀气动方向控制阀与液压方向控制阀有很多相似之处，有了液压方向控制阀的基础知识，气动方向控制阀基本上可以无师自通。（1）气动方向控制阀与液压方向控制阀的异同点气动与液压方向控制阀的相似之处主要表现在以下几点。气动与液压方向控制阀的阀口通断和阀口切换都是利用阀芯换位完成的，特别是单向阀，其动作原理和职能符号几乎完全一样。气动与液压换向阀都是按阀芯的切换位置数（几“位”）和接口数（几“通”）来进行分类，其职能符号也基本上大同小异。图13-1为几种常见的气动换向阀“位”和“通”的职能符号。,图13-1几种常见的气动换向阀“位”和“通”的职能符号,气动与液压换向阀的控制方式(或操作方式)基本相同，其职能符号也基本上大同小异。图13-2即为气动控制阀常用的几种控制方式及职能符号。,图13-2气动控制阀常用的几种控制方式及职能符号,气动与液压方向控制阀的不同之处主要表现在。液压换向阀有回油口R或T，气动换向阀没有回气口，只有排气口R和S。液压换向阀的接口都用字母表示，而气动换向阀除了用字母表示外，通常习惯于用数字表示。表13-1为气动换向阀用数字和字母表示接口的方法比较。表13-1气动换向阀用数字和字母表示接口的方法比较,液压方向控制阀基本上都是钢铁件，可承受高压，非常笨重；气动方向控制阀基本上都是合金铝制成的，轻而小巧。液压换向阀的阀芯一般都是滑柱式。而气动换向阀广因泛用于自动控制系统，需要具有快捷、灵敏的可控状态，所以阀芯除滑柱式外，还广泛采用了球座、盘座、圆盘、滑板等多种形式。因气压传动的工作压力很小，所以气动二位双电控（或双气控）换向阀在没有设置定位器的情况下，当控制信号失去之后，阀芯仍能保持在原位不动，即具有记忆功能，通常把这种二位且二位都具有的记忆功能的气动换向阀称为“双稳”元件。气压传动中的这些“双稳”元件只需一个脉冲信号即可实现换向，并能自动保持，所以为各种逻辑控制和程序控制带来了极大的方便。液压系统的工作压力很高，如果换向阀没有定位器，失去控制后，阀芯很难维持在某一确定位置。,液压传动中的“电液换向阀”与气压传动中的“先导式电磁换向阀”虽然在控制形式上有些相似（都是先导控制），但因二者之间的工作压力差异很大，所以具体的控制方法完全不同。液压传动中的“电液换向阀是利用先导电磁换向阀引导有压液体，去驱动液动换向阀；而气压传动中的“先导式电磁换向阀”是靠电磁阀芯直接开启和关断控制气路，非常简单方便，而且稳定可靠。气压传动中除“双稳”元件外，还有很多轻巧易控的其它逻辑控制元件，用于逻辑控制，这在液压传动中是很难实现的。,（2）气动换向阀1）机械控制换向阀图13-3为机械动作3/2常闭型球座阀，图13-4为机械动作3/2常开型盘座阀。,图13-3机械动作3/2常闭式球座阀正常位置结构；(b)动作位置结构；(c)职能符号,图13-4机械动作3/2常开式盘座阀(a)正常位置结构；(b)动作位置结构；(c)职能符号,球座阀是指换向阀的阀芯是球形，盘座阀是指换向阀的阀芯是盘形。在图13-3中，球形阀芯下有一弹力较大的弹簧推动阀芯向上，在球形阀芯上还有一弹力较小的弹簧推动推杆向上。在正常状态下输入口1被关闭，输出口2经排气口3排气，如图13-3（a）所示。如果推杆受外力压下，则排气口3被关断，输入口1与输出口2被接通，如图13-3（b）所示。在图13-4中，盘状阀芯与一空心圆柱连在一起，在空心圆柱外有一弹簧推动阀芯向上，在空心圆柱内又有一弹簧推动推杆向上。在正常状态下输入口1与输出口2接通，排气口3被关断，如图13-4（a）所示。如果推杆受外力压下，则输入口1被关闭，输出口2经排气口3排气，如图13-4（b）所示。,2）气压控制换向阀图13-5为双气控5/2滑柱式换向阀，图13-6为双气控4/2纵向滑板阀。,图13-5双气控5/2滑柱式换向阀(a)控制口12有信号时；(b)控制口14有信号时；(c)职能符号,在图13-5中，当控制口12有控制气压时，滑柱右移，输入口1与输出口2相通，输出口4与排气口5相通，排气口3被关断，如图13-5（a）所示。当控制口14有控制气压时，滑柱左移，输入口1与输出口4相通，输出口2与排气口3相通，排气口5被关断，如图13-3（b）所示。,图13-6双气控4/2纵向滑板阀(a)控制口12有信号时；(b)控制口14有信号时；(c)职能符号,在图13-6中，当控制口12有控制气压时，滑板阀芯左移，输入口1与输出口2相通，输出口4与排气口3相通，如图13-6（a）所示。当控制口14有控制气压时，滑板阀芯右移，输入口1与输出口4相通，输出口2与排气口3相通，如图13-6（b）所示。,这两种气压控制换向阀都有两个很重要的特点。一是，都没有复位弹簧，只需在控制口12或14引入一个较低的控制气压，即可使阀芯快速移动到位，动作非常灵敏。二是，都是“双稳”元件。当阀芯移动到位后，即使控制压力消失，阀芯仍可保留在原位，如果引入一反向控制压力，则阀芯可迅速换位且自动停留在另一位置。,图13-7是气压控制换向阀和机械控制换向阀的应用实例。,13-7气控换向阀和机控换向阀的应用实例,在图13-7中，a0和a1是两个3/2常闭型行程阀，处在气缸活塞杆触头缩回原位和伸出到尽头时的所在位置。初始状态时，手动换向阀1S1处右位，控制气路被关断；气缸活塞停在缩回原位的位置不动，行程阀a0被活塞杆头压住，处上位。当手动换向阀1S1切换到左位时，压缩空气可经手动换向阀1S1左位、行程阀a0的上位，进入气控换向阀1V0左边的A+控制口，使气控换向阀1V0切换到左位。于是压缩空气可经气控换向阀1V0左位，进入气缸左腔，推动活塞前进。活塞前进时，活塞杆触头松开行程阀a0，行程阀a0回下位，进入气控换向阀1V0左边A+控制口的控制气压被关断。但是，由于气控换向阀1V0是具有记忆功能的“双稳”阀，即使控制压力消失，阀芯仍能保持在原位不动，压缩空气照样能通过气控换向阀1V0的左位，推动活塞前进。当活塞杆触头到达最远端，压住了行程阀a1后，行程阀a1处上位，压缩空气可直接经行程阀a1上位，进入气控换向阀1V0的右边的A-控制口，使气控换向阀1V0切换到右位。于是压缩空气可经气控换向阀1V0右位，进入气缸右腔，推动活塞后退。活塞后退时，活塞杆触头松开行程阀a1，行程阀a1回下位，进入气控换向阀1V0右控制口的控制气压被关断。同样，由于气控换向阀1V0是具有记忆功能的“双稳”阀，所以，压缩空气照样可通过气控换向阀1V0的右位，推动活塞后退。如果手动换向阀1S1一直处右位，气缸则会不停地执行前进和后退的动作循环。当手动换向阀1S1中途关断，气缸活塞将会把一个循环动作全部作完，最后停在缩回原位时的初始状态。,3）先导式电磁控制换向阀图13-8所示为单电控先导式3/2电磁换向阀(带手动复位)，图13-9所示为双电控先导式5/2电磁换向阀(带手动复位)。,图13-8单电控先导式3/2电磁阀(a)正常位置结构；(b)工作位置结构；(c)职能符号,图13-9双电控先导式5/2换向阀(a)外观；(b)正常位置结构；(c)动作位置结构；(d)职能符号,在图13-8中，换向阀的输入口1有一小控制气路由图中右边，绕过排气口3向上直达先导阀座。在正常状态下，通向先导阀座的控制气路被电磁阀芯关断，盘状活塞被弹簧1推到最上位，输入口1关闭，输出口2可经排气口3排气，如图13-8（a）所示。当电磁线圈得电，电磁阀芯上移，被电磁阀芯关断的控制气路被打开，控制气流（即先导气流）随之通过处开启状态的手动复位按钮，进入盘状活塞上腔，推动盘状活塞下移。于是，排气口3被关断，输入口1与输出口2被接通，如图13-8（b）所示。在图13-9中，双电控先导式5/2电磁换向阀有两个电磁线圈，各控制一端的控制气路，其控制原理与先导式3/2电磁换向阀完全一样。图13-9的二位五通电磁换向阀也是具有记忆功能的“双稳”元件，在气动电气自动控制系统中应用非常广泛。,（3）延时阀延时阀是气动系统中一种非常特殊的气控换向阀，当气压信号出现后，换向阀并不急于动作，必须等到调定的延时时间到，才会执行换向动作。延时阀通常由单气控二位三通换向阀、单向可调节流阀和延时气室三部分组成。图13-10所示为一常闭式延时阀的工作原理图。,图13-10常闭式延时阀（a）控制口12无气结构；(b)控制口12有气结构；(c)职能符号；(d)时序图,在图13-10中，当控制口12没有气压信号时，输入口1被关断，输出口2与排气口3相通。如图13-10（a）所示。当控制口12上有气压信号输入时，气流可经节流阀注入延时气室。因气室有一定容积，在短时间内无足够压力推动换向阀阀芯，必须经过一段时间（t）后，气室中的气体才能逐渐上升到一定的压力，打开二位三通气控换向阀，将输入口1与输出口2接通，排气口3被关闭，如图13-10（b）所示。常闭式延时阀的职能符号和工作时序图如图13-8（c）、（d）所示。如果压缩空气压力稳定，延时阀通常可获得较为精确的延时时间。延时阀中的调节螺栓，可调节节流阀中的流量大小，从而可用来调节延时阀的延时时间。延时阀的延时调节范围一般为030s。,图13-11是一个常闭式延时阀的应用实例。,图13-11带行程检测的延时控制回路,在图13-11中，触动一次手动换向阀1S1，压缩空气则可经手动换向阀1S1左位，进入气控换向阀1V0左边的A+控制口，使换向阀1V0处于左位。于是，压缩空气可通过气控换向阀1V0左位推动气缸前进。当气缸活塞杆触头到达最远端，压住了行程阀a1后，行程阀a1处上位，压缩空气可经行程阀a1上位，进入到延时阀的控制口12，延时阀开始延时，气缸活塞则停在最远端等待。当延时阀的延时时间过到后，延时阀被打开，压缩空气则可经延时阀进入气控换向阀1V0右边的A-控制口，使气控换向阀1V0处右位，压缩空气则可经气控换向阀1V0右位推动活塞后退，完成一次往复循环过程。,（4）单向型方向阀单向型方向阀是指气流只能向一个方向流动的方向控制阀，在气压传动中，它包括单向阀、梭阀、双压阀和排气阀等。1）单向阀气动单向阀与液压单向阀的工作原理完全一样，都是用来控制气流只能向一个方向流动，而不能反方向流动的方向控制阀。如图13-12所示。,图13-12单向阀(a)外观；(b)正向流通结构；(c)反向截止结构；(d)职能符号,2）梭阀图13-13所示为梭阀的工作原理图,图13-13梭阀(a)结构；(b)职能符号,梭阀有两个信号输入口1和一个信号输出口2。若在一个输入口上有气压信号输入，则另一输入口就会被气压关闭，同时在输出口2上有气压信号输出；若在两个输入口上都有气压信号输入，在输出口2上仍有气压信号输出。这就是说，梭阀上只要任一输入口1有气压信号输入，输出口2就会有气压信号输出，即梭阀具有“或”逻辑功能，所以梭阀又称为“或”门型梭阀。,1,1,2,图13-14所示为一梭阀的应用实例。,图13-14梭阀应用实例,在图13-14中有三个手动按钮1S1、1S2和1S3，可在三个不同的地方控制气缸动作。当三个手动按钮中的任何一个动作时，压缩空气都可以送到主控阀1V0的控制口，使主控阀1V0处于左位，压缩空气则可通过主控阀1V0左位推动气缸活塞前进。当三个手动按钮全部松开后，主控阀1V0在复位弹簧的作用下回复到右位，压缩空气则可通过主控阀1V0右位推动气缸活塞退回原位。,3）双压阀图13-15所示为双压阀的工作原理图。,图13-15双压阀(a)外观；(b)结构；(c)职能符号,双压阀同梭阀一样，也是有两个信号输入口1和一个信号输出口2。但是，双压阀若在一个输入口有气压信号输入，则会推动阀芯把该输入口堵死，输出口2无输出，如图13-15（b）所示。只有在两个输入口1同时都有气压信号输入，且压力相等时，阀芯才会处在一平衡位置，使两个输入口1都与输出口2相通，双压阀才会被打开，输出口2才会有输出。双压阀具有“与”逻辑功能，所以双压阀又称为“与”门型梭阀。,图13-16所示为双压阀的应用实例。,图13-16双压阀的应用实例,在图13-16中，有三个手动按钮1S1、1S2和1S3，只有三个手动按钮阀同时动作时，主控阀1V0才能处左位，压缩空气才可经主控阀1V0左位送到气缸左腔，推动气缸活塞前进。若三个手动按钮中有一个不动作，气缸活塞杆将回停在原位不动。双压阀可为系统提供互锁和安全保护作用。,4）快速排气阀图13-17所示为快速排气阀结构原理。在图13-17中，当1口有压力空气进入时，盘式阀芯被推上，排气口3关闭，压缩空气可从2口进入气缸。若气缸需要从2口排气，则气压可推动圆盘式阀芯下移，把1口关闭，从排气口3快速排出。,图13-17快速排气阀(a)外观；(b)结构；(c)职能符号,筷速排气阀主要用于气动执行元件或其它用气装置需要快速排气的场合。例如，在单作用气缸的入气口安装快速排气阀即可加快气缸的排气时间，提高工作效率。为了减小排气阻力，快速排气阀的安装位置应尽量贴近需要快速排气的用气装置。为了降低排气噪声，快速排气阀一般都带有消声器，消声器的工作原理和职能符号如图13-18所示。,（a）（b）图13-18消声器（a）原理图（b）职能符号,在图13-18中，消声罩为多孔吸声材料，一般用聚苯乙烯颗粒或铜珠烧结而成。消声器不仅用于快速排气阀，而且广泛用于换向阀排气口，除了可排除噪声外，还可防止杂物进入换向阀的阀体。,13.1.2流量控制阀在气动系统中，用来调节气体流量的控制阀，都称为流量控制阀。流量控制阀包括节流阀、单向节流阀和排气节流阀等,（1）节流阀节流阀如图13-19所示。气动节流阀和液压节流阀的工作原理基本一样，都是通过改变阀的流通截面来调节阀的流量。由于空气有压缩性，为了提高节流阀的调节效果，节流阀应尽量靠近执行元件。另外，因为空气中的冷凝水和尘埃等杂物容易阻塞节流口，引起节流量的变化，所以节流面积不宜太小。,图13-19可调节流阀(a)结构；(b)职能符号,（2）单向节流阀和液压单向节流阀一样，气动单向节流阀也是由单向阀和节流阀组合而成的，主要用于单方向控制气缸的运动速度。其原理图如图13-18所示。,图13-20单向节流阀(a)外观；(b)结构；(c)职能符号,在图13-20中，压缩弹簧3的刚度很小，所以，当2口有压缩空气流入时，可轻松地推开单向阀阀芯，畅通无阻地流向1口。当1口有压缩空气流入时，由于压缩空气对单向阀阀芯的上推力与压缩弹簧3的上推力方向一致，所以单向阀阀芯处关闭状态，压缩空气只能通过节流口4流向1口。,（3）排气节流阀排气节流阀的节流原理和节流阀一样，也是靠调节流通截面来调节阀的流量。它们的区别主要是：节流阀通常是安装在回路中，而排气节流阀通常直接安装在排气口，通过调节排入大气的流量，来调节执行机构的运动速度。图13-21所示为排气节流阀的基本结构和职能符号。在图13-21中，气流从A口进入阀内，经节流口节流调速后再经消声套排入大气。排气节流阀实际上是节流阀的一种特殊形式，不仅结构简单，安装方便，还能同时消除排气噪声，可简化回路，所以应用也较广泛。,（a）(b)图13-21排气节流阀(a)结构；(b)职能符号,13.1.3压力控制阀在气压传动系统中，压力控制阀主要有减压阀、安全阀和顺序阀。（1）减压阀减压阀是气压传动系统中唯一一种可用于调节系统或某一回路压力的压力控制阀，它主要用于气动三连件，为整个气动系统提供安全和稳定的工作压力，如果系统中有某些执行元件需要更低的调定压力，可在这些执行元件的工作回路中继续串接减压阀。工作回路中串接的减压阀和气动三连件中的减压阀结构完全一样，只不过是拆下来的单件而已。（2）安全阀在整个气动系统中，只有储气罐上安有一个安全阀，其它位置都不使用安全阀。安全阀主要起安全报警作用和短时安全保护作用。,（3）顺序阀顺序阀是通过回路中的压力变化来控制执行元件执行顺序动作的一种压力控制阀，其工作原理如图13-22所示。,图13-22顺序阀(a)未驱动时结构；(b)已驱动结构；(c)职能符号,在图13-22中，当控制口12的气压控制信号小于阀的弹簧调定压力时，从1口进入的压缩空气被阀芯堵塞，1口被关断，2口的气流可经3口排出。如图13-22（a）所示。当控制口12中控制信号的压力超过了弹簧的调定值时，压缩空气可将下腔中的膜片和柱塞顶起，1口中的有压气体才能通过被柱塞打开的管道进入到阀芯的右腔，推动阀芯左移，把顺序阀打开：3口被关断，压缩空气可从1口流向2口，如图13-22（b）所示。,图13-23是一个常闭式顺序阀的应用实例,图13-23利用顺序阀和限位开关组成的往复控制回路,在图13-23中，触动一次手动换向阀1S1，压缩空气则可经手动换向阀1S1左位，进入气控换向阀1V0左边的控制口A+，使换向阀1V0处左位。于是，压缩空气可通过气控换向阀1V0左位推动气缸前进。当活塞杆运动到尽头后，一方面因活塞杆压住了行程阀a1，行程阀a1处于上位。压缩空气可以通过行程阀a1上位，进入到顺序阀1V1的进气口1。同时，因活塞杆运动到尽头，无缸腔内的压力快速上升，当压力上升到顺序阀1V1的调定压力时，通过顺序阀1V1的控制口12把顺序阀1V1打开，于是，进气口1的有压气体可通过顺序阀1V1进入到气控换向阀1V0右边的控制口A-，使气控换向阀1V0切换到右位，压缩空气则可经气控换向阀1V0右位，推动活塞后退。图13-23中，顺序阀需要满足两个条件才能对外输出压力控制信号：一是，一定要活塞杆运动到尽头，触发a1，以此认定活塞杆已运动到位。二是，无杆腔的气压一定要达到顺序阀的调定压力，以此认定活塞在工作时，已达到了要求的工作压力。通过这样的组合方式，可使系统的动作过程更加稳定可靠。,13.1.4气动控制元件的选用选用气动控制元件主要是选取气动控制元件的公称通径，选取的方法有两种：（1）利用执行元件的最大工作流量选公称通径执行元件的最大工作流量可参照第12章式（12-2）进行计算，如果多个执行元件同时工作，最大工作流量应是多个执行元件的流量之和。计算出最大工作流量后，则可在机械设计手册（或产品说明书）中查阅“标准控制阀各通径对应的额定流量”表选取气动控制元件的通径。（2）参照执行元件的进、出口通径选用气动控制元件的通径，这是一种简单快捷的方法，也很实用。,13.2真空元件气压传动系统中，在低于大气压力下工作的元件称位真空元件，由真空元件组成的气压传动系统称为真空系统。真空系统作为实现自动化的一种手段，在电子元件组装、汽车组装、自动搬运机械、食品机械、印刷机械、机器人等许多方面被广泛应用。真空系统主要由真空发生装置、真空控制阀和真空执行元件（真空吸盘）等部件组成。,13.2.1真空发生装置真空发生装置主要有真空泵和真空发生器。1真空泵真空泵的工作原理如图13-24所示。,图13-24真空泵的工作原理,真空泵主要由转子、定子、叶片和端盖组成；转子和定子之间有一定的偏心距，叶片插在转子的滑槽内可自由滑动；在泵的入口和出口各有一小的气室，用管接头与外部器件相联。转子转动时，叶片可以在离心力的作用下，被甩出滑槽并紧贴定子内壁，随着转子一起转动，在泵的入口会产生一定的吸力（通常真空度可达0.040.05MPa以上）。真空泵的叶片通常都是石墨材料，有自润滑能力，所以无需加油。,（2）真空发生器真空发生器的工作原理图如图13-25所示。真空发生器主要由先收缩后扩张的拉瓦尔喷管1、负压腔2、接收管3和消声器4组成。图中，当供气压力高于一定值时，气流通过拉瓦尔喷管1后，会形成速度极高的超音速射流，所以，负压腔2会产生真空度较高的负压。吸盘通过气管与真空口U连接，靠负压吸起物体。,图13-25带消声器的真空发生器(a)外观；(b)结构；(c)职能符号,13.2.2真空吸盘真空吸盘是用来直接吸起物体的元件，它主要是由金属骨架和橡胶吸盘两部分压制而成。金属骨架中间是空心管，外围螺纹可与吸气管相连。真空吸盘主要靠橡胶吸盘吸起物体，橡胶吸盘的材料通常有丁晴橡胶、聚氨脂橡胶和硅橡胶等。真空吸盘如图13-26所示。,图13-26真空吸盘(a)圆形平吸盘外观；(b)波纹吸盘外观；(c)职能符号,13.2.3真空顺序阀空顺序阀