气动系统元器件选型及应用

气动系统基本元件

在现代工业自动化设备中，气动元器件得到了广泛的运用。需要声明的是：本文内容着重介绍普通的气动回路和气动系统元器件的基本知识和选型应用方法，突出的是“常用”二字，关于特殊的气动系统应用请参考专门的资料或者咨询气动产品供应商。

首先，我们来了解一下气动驱动系统的基本组成部件。

气源：

气动系统的气源为纯净的压缩空气。所以，我们常用的气源部件主要包括：空气压缩机、过滤器、减压阀、压力表、油雾器等器件。空气压缩机主要是产生压缩空气（工作介质）；过滤器主要是过滤压缩空气中的杂质，主要是水，所以过滤器一般有手动排水和自动排水两种；减压阀主要是为了调节气动回路的压力，是压力恒定，维持气动系统的稳定性；压力表是气压的指示仪器，它的单位通常有两种：帕斯卡（Pa）、100 kpa（Bar），面向欧美的压力表也会有磅/平方英寸（Psi）；油雾器的主要作用是雾化气动元器件的润滑油。

气缸：

气缸是主要的气动驱动元件之一，它有多种类型。根据作用方式可分为：单作用气缸和双作用气缸。单作用气缸是指气缸的活塞杆的某一个方向的运动由压缩空气驱动，而另一个相反方向的运动由弹簧驱动复位。双作用气缸是指气缸活塞杆的两个方向的运动都由压缩空气驱动。气缸根据其运动方式可以分为三类：直线运动气缸、旋转气缸和气爪。直线运动气缸驱动执行机构做直线往复运动；旋转气缸驱动执行机构做旋转往复运动；气爪驱动执行机构做开合运动，主要用于工件或者产品的抓取、夹持等方面。根据气缸的使用工况环境区分，可分为：普通气缸、防水气缸、洁净气缸。普通气缸适用于一般的工作环境；防水气缸适用于具有一定程度的水雾和湿度环境下；洁净气缸主要应用于洁净室内（Clean Room）的工作环境中。

节流阀：

节流阀主要功能是调节气流大小，控制气动驱动元件的速度。通常分为：进气节流阀和出气节流阀两种。进气节流阀直接调节供气管的气流大小，出气节流阀通过调节排气管的气流大小达到控制气动驱动元件的速度，因而具有比进气节流控制更稳定的特点。

电磁换向阀：

气缸的往复运动、真空吸盘的吸取和放置动作都由电磁换向阀来控制。电磁换向阀的动作由控制系统直接输出电信号进行驱动，所以，电磁换向阀实际上属于气动系统的控制元件。我们常用的电磁换向阀通常有：两位四通电磁阀、三位四通电磁阀、两位五通电磁阀、三位五通电磁阀。在这里，请诸位区分开“位”和“通”这两个概念：位，是指阀芯的工作位置，两位即两个工作位置；通，是指阀体内部通过阀芯的运动而形成的气流通路。

磁性开关：

磁性开关是一种检测气缸活塞位置的传感器。气缸活塞位置如果通过磁性开关检测，则要求选用带磁性的气缸活塞，否则无效。

真空吸盘：

真空吸盘是一种应用真空原理抓取产品的塑料元件。

真空发生器：

真空发生器的主要功能是产生一定程度的真空。

负压表：

负压表是检测气路真空程度的仪表，它通常作为一种传感器使用。

快换接头：

直接插拔式的气管接头。

气管：

通常，气管规格都是以气管外径来区分的。我们常用的气管规格有：Φ4，Φ6，Φ8，Φ10，Φ12。

附：气动系统中常用单位的换算

1 psi = 6.895 Kpa = 0.06895 bar = 0.0703 atm(标准大气压)

在一般工程应用中可以将千克力/平方厘米和bar等值对待。

气动元器件选型及应用

声明：本文内容所有的计算过程中气动回路的压力供应按照6bar进行。本节内容中所采用的气动元件样本为FESTO气动产品。

一、 空气压缩机通常是由工厂配备，所以，这里不介绍其选型计算。

二 、空气过滤组合件的选型及计算方法

空气过滤组合件常用的主要包含以下四种种元件：空气过滤器、减压阀、油雾器、压力表。通常，供应商会根据其产品使用状况将这四种元件集成配置成一个组件以方便客户选择使用。所以，在选择此组合件的时候，我们只需要关注两个问题即可：本组件的流量和过滤器的排水方式。在工程实践中，空气流量的计算单位为：升/分钟（L/min）。所以，我们只要保证此组件供气的所有回路中最大耗气时刻的气体流量小于本组件的额定供气流量，并根据工厂实际使用需要选择适当的排水方式（手动排水或自动排水）即可。最大耗气时刻气体消耗量即在耗气量最大的时候所有气动元件工作的耗气量。

气体流量计算公式：Q = A X V/1000

Q：气体流量，单位：L/min

A：缸体截面积，单位：cm2

V: 活塞运动速度，cm/min

三、气缸的选型及计算方法

气缸的选型主要有三个参数需要关注，其中一个结构参数：即选用什么型式的气缸的问题；另外两个数据参数：即缸径和行程。

经过前面的了解我们知道气缸的作用方式有两种：一种是单作用气缸，一种是双作用气缸。所以，根据实际使用状况选择：如果回程复位没有负载，则可以选择单作用气缸；否则，选择双作用气缸。因为任何气缸供应商提供的气缸产品都有多种外形结构，它们对应了不同的制造工艺和成本，所以，应根据实际机械结构设计使用的需要选择不同型式的气缸。

气缸缸径：指气缸缸体的内径。

气缸行程：指气缸活塞移动的最大距离。

请看下面的示例：

图2.1-1中显示的负载是40kg，设定提升行程是90mm。所以，根据图中的气缸安装方式其回程推力应大于40kgf。而在实际工程应用中，气缸的效率大约是85%，所以，而我们再乘以一个安全系数Sp，则实际要求的推力为：F = (Fl XSp) / 0.85

Fl: 负载；

Sp: 气动产品安全系数1.25，此参数是一个工程经验值，根据各种应用场 合不同可以适当做一些调整，无量纲常量；

气缸作用力的计算公式：F = A X P

A: 压缩空气作用于活塞的运动方向的面积，单位：cm2；

P: 气路供气压强，单位：kgf/cm2；

F: 气缸作用力，单位：kgf；

根据以上公式，可以得到：A = F / P

A = 58.8 / 6 = 9.8 cm2

根据图示的安装方式，可以知道，气缸的回程方向为负载提升方向，所以，其气体作用于活塞的面积为：A = 3.14 X (D/2)2 - 3.14 X (d/2)2

D: 气缸缸径，单位：cm；

d: 气缸活塞杆直径，单位：cm；

所以我们假设选择标准气缸DNC系列，则根据FESTO的样本可以选择气缸缸径为：40mm。

校验气缸：

由FESTO样本知道，DNC系列气缸中40mm缸径的活塞杆直径为Φ16，所以，实际回程时气体作用面积为：A = 3.14 X (D/2)2 - 3.14 X (d/2)2

A = 10.56 cm2  9.8 cm2

所以，缸径选择合适。

根据要求，提升行程90mm则选取气缸标准行程为100mm。气缸两端或者单端加限位调整装置，调整到需要行程即可。

注意：通常普通气缸的行程都会有+/-1mm的误差，所以在需要精确定位的时候，需要选择气缸行程大于需要行程而在定位处加设限位装置。

那么，现在气缸的主要参数确定完毕。接下来看看气缸的辅助参数。

如果，需要选择直接检测气缸活塞的位置，则需要选择带磁性的活塞。

如果，在结构设计时允许外设缓冲装置则可以选择不带气动缓冲的气缸，否则选择带有气动缓冲的气缸。以使气缸平稳停下。至于外设缓冲器的选择计算，机械设计联盟将在后期的模块设计中给诸位介绍。

剩下最后一个参数确定，即气管规格。40mm缸径气缸我们通常配管规格选择6mm气管。

至此，气缸选择完毕：DNC-40-100-P-A。

四 、节流阀选择

为了气缸运行更趋于平稳状态，我们选择排气节流型节流阀。根据气缸气接口螺纹（G1/4）和选定的气缸规格选择节流阀型号即可。

五、 电磁换向阀选择

电磁换向阀的选择是很多初级工程师迷惑不解的问题。以下我们介绍五种工业自动化设备中使用最为广泛的电磁换向阀动作过程及相应过程中电磁阀的输出对于气缸动作的影响。请诸位认真阅读并结合工作实践仔细思考何种工作条件该选择何种电磁换向阀。

两位阀：

单线圈两位五通电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯只有两个工作位置，换向阀的一端有电磁线圈进行控制电磁阀动作。此线圈得电动作，失电复位。即阀芯在线圈通电时移向靠近线圈的位置，线圈断电时移向远离线圈的位置。即线圈断电后阀芯复位，气缸也复位。

双线圈两位五通电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯只有两个工作位置，换向阀两端都有电磁线圈进行控制电磁阀动作。A线圈通电且B线圈断电，阀芯移向靠近A线圈位置；B线圈通电且A线圈断电，阀芯移向靠近B线圈位置。此款双线圈电磁阀的特点即意味着当设备异常断电时，气缸不会动作。

三位阀：

三位五通中封式电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯有三个工作位置，换向阀两端都有电磁线圈进行控制电磁阀动作。A线圈通电且B线圈断电，阀芯移向靠近A线圈位置；B线圈通电且A线圈断电，阀芯移向靠近B线圈位置。两端同时断电，则电磁阀阀芯回到中间位置，两个气管都不形成回路，即气缸两个腔体完全封闭，不供气，不排气，气缸活塞保持位置不动。

三位五通中压式电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯有三个工作位置，换向阀两端都有电磁线圈进行控制电磁阀动作。A线圈通电且B线圈断电，阀芯移向靠近A线圈位置；B线圈通电且A线圈断电，阀芯移向靠近B线圈位置。两端同时断电，则电磁阀阀芯回到中间位置，两个气管同时供气，即气缸两个腔体同时供气，气缸活塞向有活塞杆一端缓慢移动。

三位五通中泄式电磁换向阀：即电磁换向阀阀芯有三个工作位置，换向阀两端都有电磁线圈进行控制电磁阀动作。A线圈通电且B线圈断电，阀芯移向靠近A线圈位置；B线圈通电且A线圈断电，阀芯移向靠近B线圈位置。两端同时断电，则电磁阀阀芯回到中间位置，两个气管同时排气，即气缸两个腔体同时排气，气缸活塞可通过任何外力随意移动，气缸为不受控状态。

以上五种电磁换向阀的不同特点决定了我们的不同选择。所以，在图2.1-1中，出于安全考虑，我们为了防止负载提升至上面工位时异常断电导致的负载突然下落，应该选择双线圈两位五通电磁阀。

磁性开关：

磁性开关的选择比较简单，任何气动产品供应商都会在气缸的页面明确告诉使用者什么气缸适合哪些类型的磁性开关。用户只需根据自己的使用情况和控制系统状态选择不同输出电压、输出制式以及磁性开关信号线引出方式选择一款即可。

真空吸盘、真空发生器、负压表：

这套元器件实现的功能主要是真空吸取产品，而选型规则十分简单：只要选择的真空吸盘产生的吸力大于负载X安全系数，另外选择配套流量的真空发生器和负压表即可。