21.1 气动原理概述与回路构成

气动原理与应用

  流体传动的原理非常简单，即所谓的帕斯卡原理：加在密闭液体上的压强，能够大小不变地由液体向各个方向传递。

帕斯卡原理与流体传动

  气动和液压都属于流体传动，但是区别也很明显，液压传动的液压油几乎是不可压缩的介质，相比之下空气具有很强的可压缩性，所以输出元件——气缸的动作速度易受负载的变化而变化。另外相比液压传动，气动在低速稳定性和输出力大小方面也略逊一筹。但是气动的优点也非常明显，即无需油箱进行回油操作，气动的介质来源于空气，最后也可以直接排放到空气当中，简单环保。

各种驱动方式优劣

  与电机驱动相比，气动的前期成本和维护成本较低，且安装简单方便，工作可靠、寿命较长（电器元件的有效动作次数约为百万次，而质量较高的电磁阀的寿命大于几千万次），所以在工业自动化领域应用非常广泛。另外，电机通常是旋转运动，而气缸本身就可以执行直线运动，考虑到传动转化以及直线电机的高成本，在某些场合比电机更方便廉价。

图片来源与推荐阅读： Pneumatic practical guide.pdf

气动回路

  在前面的内容中阐述过，气缸和电机同属机械系统当中的动力元件。但是当我们深入研究气动系统内部工作时，气缸又成为了执行元件，气缸自己的动力源来源于压缩空气（就好像电机本身的动力源来自于电磁场）。一个完整的气动系统包括空气压缩部分、空气质量管控部分、气体控制部分以及执行部分（通常为直线或旋转气缸）。

一个完整的气动回路

图片来源与推荐视频：

Youtube: Basic Pneumatic System Training系列

  学过电路的同学或许能够产生某些联想。从某种程度上来看，气动回路与电路也有相似部分，空气压缩像电流产生的部分（电源），气动管路像电线，空气质量管控、去除杂质可以看做滤波处理，而气体本身的压力、流速、方向调节又和电路中的电阻、开关管比较类似。道理有些相通，但实际上区别也非常显著。通过联想和对比，也许能够加深我们的理解。

气动回路示例

空气压缩

  气体驱动的介质是压缩空气，这一步是通过空压机实现的。空压机有很多种，比如活塞式、螺杆式、离心压缩机以及滑片压缩机。空气压缩机将一个大气压压缩至工作压力并储存在气罐当中，作为气源。

活塞式和螺杆式空气压缩机

空气质量管控

  最典型的是气动三联件，也就是空气过滤器（Filter）、减压阀（Regulator）和油雾器（Lubricator）三种气源处理元件的组合。空气过滤器可以过滤压缩空气中的水分，避免水分随气体进入装置；减压阀对气源进行稳压，使气源处于恒定状态，可减小因气源气压突变时对阀门或执行器等硬件的损伤；油雾器对机体运动部件进行润滑，可以对不方便加润滑油的部件进行润滑，大大延长机体的使用寿命。

气动三联件（FRL）

气体控制

  气动回路为了驱动各种机械装置，最重要的三个控制内容是：力的大小、力的方向和运动速度。与生产装置相连接的各种类型的气缸，靠压力控制阀、方向控制阀和流量控制阀分别实现对三个内容的控制，即：

• 压力控制阀——控制气动输出力的大小

• 方向控制阀——控制气缸的运动方向

• 速度控制阀——控制气缸的运动速度

  阀门既可以是手动的，也可以是气动先导的，最常见便于控制的是电磁阀。关于电磁阀的原理，将在后面小节中详细论述。

气动三联件、电磁阀和气缸

执行部分

  通常执行部分是气缸(直线气缸居多)，也有气动夹爪等。气缸用于小行程直线推动的场景非常常见下面便是一个物流分拣线上的例子。通过前置传感器判断物体种类，之后气缸将其从主线路上推向分类传送带。详细介绍请见后面小节。

气缸执行

附表：气动元器件类型与功能

气压回路构成要素	主要功能	主要部件名
a）气动驱动器	自动设备、装置的驱动用部件	气缸、摆动气缸、气爪、真空吸盘
b）流量控制设备	驱动器的速度控制	调速阀、节流阀
c）方向控制设备	驱动器的驱动方向控制	电磁阀、单向阀、换向阀
d）压力控制设备	驱动器的驱动力控制	减压阀、溢流阀、安全阀、真空发生器
e）清洁设备	压缩空气的净化	气源处理器
f）气压源	压缩空气的供给	空压机、气罐
g）管线类	由管线进行压缩空气的分配	管材、软管、管线接头
h）气压回路的辅助设备： 1）润滑油供给设备 2）压力开关 3）消音设备	1）喷雾状油雾供给 2）安全对策 3）排气声音的消除	1）油雾器 2）压力开关 3）消音器

参考来源：

SMC气动服务网-气动技术

Misumi技术之窗专栏文章