氣動自動控制

(1)功能不斷增強，體積不斷縮小

小型化氣動部件如氣缸、閥和模塊正應(yīng)用于許多工業(yè)領(lǐng)域。微型氣動不僅用于精密機械加工(如鐘表制造業(yè))、電子工業(yè)(如印刷電路板的生產(chǎn))和模塊裝配等場合，而且用于制藥工業(yè)和醫(yī)療技術(shù).食品加工和包裝技術(shù)等方面。在這些領(lǐng)域中，活塞直徑小到2.5mm(或?qū)挾葹?.6mm矩形活塞)的氣缸、寬度為10mm的氣閥(即將推出寬度為5rnn〕的閥)以及相關(guān)的輔助元件，諸如氣路板、氣路分配器、M3螺紋微型元件和許多其它微型氣動元件已成為系列化產(chǎn)品。由于這些小型和微型元件能在0.2~0.7MPa的壓力下使用，所以它們能集成到已有的標(biāo)準(zhǔn)氣動系統(tǒng)中。如果說小型氣缸由于活塞面積小，相應(yīng)的功率較小，而小型閥就大相庭徑。在流量相同的情況下，新的小型閥結(jié)構(gòu)更緊湊、接口尺寸更小。例如，相同流量的換向控制悶，現(xiàn)在的體積僅為過去的7% (1997年與1961年比)。尺寸不斷小型化和功能不斷強化是氣動元件發(fā)展的必然趨勢。盡管存在尺寸上的限制，氣動元件的設(shè)計仍有進一步的改進。

(2)模塊化和集成化

模塊化與集成化是兩個不同的概念，然而兩者之間又密切相關(guān)。毫無疑問，氣動的最大優(yōu)點之一是單獨元件的組合能力，無論是各種不同大小的控制器，或是不同功率的控制元件，在一定應(yīng)用條件下，都具隨意組合性?，F(xiàn)在的模塊化設(shè)計己遠遠超出早期的模塊化設(shè)計。從單功能元件到多功能系統(tǒng)，通用的模塊化應(yīng)具有向上或向下的兼容性。即使任務(wù)變了，模塊化設(shè)計也必須能對系統(tǒng)進行順序轉(zhuǎn)換、重組、刪減或擴充。集成化應(yīng)充分兼顧模塊化，即在設(shè)計時必須考慮集成模塊或單元的兼容性。

(3)智能氣動

智能氣動是指具有集成微處理器，并具有處理指令和程序控制功能的元件或單元。最典型的智能氣動是內(nèi)置可編程控制器( LC)的閥島。閥島可用常規(guī)的電子方式或總線方式控制?？偩€技術(shù)已經(jīng)引起氣動技術(shù)的巨大革新，這方面的發(fā)展僅僅剛開始。如果微處理器成功地集成于單個元件，例如氣缸(驅(qū)動)、或閥(控制)，那么氣動的小型化、模塊化、集成化和智能化就能得到相應(yīng)改進?，F(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)把裝有特殊軟件的高性能微處理器集成到控制閥的電磁頭中，并與執(zhí)行機構(gòu)的氣動控制組合起來。下一步應(yīng)不僅把閥而且把總線控制部分集成于執(zhí)行元件之中〔帶閥的氣缸早已存在)。

(4)整套供應(yīng)

完整的模塊及獨立的功能單元使人們只需進行簡單的組裝即可投人使用，因此整套供應(yīng)將對未來的工程產(chǎn)生深遠影響。一方面可以大大節(jié)省現(xiàn)場裝配、調(diào)整時間，另一方面，現(xiàn)場操作無需配套各種經(jīng)過專門培訓(xùn)的技術(shù)人員。

空氣壓縮站(簡稱空壓站)是氣動自動化控制系統(tǒng)的重要組成部 分，為氣動設(shè)備提供滿足要求的壓縮空氣動力源?？諌赫镜闹饕M成裝置有氣壓發(fā)生裝置(空氣壓縮機，簡稱空壓機)、貯氣罐和后冷卻器。典型的空壓站組成見圖2。

空壓機是氣壓發(fā)生裝置是將機械能轉(zhuǎn)換為氣體壓力能的轉(zhuǎn)換裝置。常見的空壓機有活塞式空壓機、葉片式空壓機和螺桿式空壓機氣種。

(1)活塞式空壓機

活塞式空壓機的工作原理見圖3。在氣缸 內(nèi)作往復(fù)運動的活塞向右移動時，氣缸內(nèi)活塞左腔的壓力低于大氣壓力Pa，吸氣閥開啟，外界空氣吸入缸內(nèi)，這個過程稱為壓縮過程當(dāng)缸內(nèi)壓力高于輸出空氣管道內(nèi)壓力P后，排氣閥打開。壓縮空氣送至輸氣管內(nèi)，這個過程稱為排氣過程。活塞的往復(fù)運動是由電動機帶動的曲柄滑塊機構(gòu)形成的。曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑動--活塞的往復(fù)運動。這種結(jié)構(gòu)的壓縮機在排氣過程結(jié)束時總有剩余容積存在。在下一次吸氣時，剩余容積內(nèi)的壓縮空氣會膨脹，從而減少了吸人的空氣量，降低了效率，增加了壓縮功。且由于剩余容積的存在，當(dāng)壓.縮比增大時，溫度急劇升高:故當(dāng)輸出壓力較高時，應(yīng)采取分級壓縮。分級壓縮可降低排氣溫度，節(jié)省壓縮功，提高容積效率，增加壓縮氣體排氣量。

(2)葉片式空壓機

葉片式空壓機的工作原理如圖4所示，把轉(zhuǎn)子偏心安裝在定 子(機體)內(nèi)，葉片插在轉(zhuǎn)子的放射狀槽內(nèi)，葉片能在槽內(nèi)滑動二葉片、轉(zhuǎn)子和機體內(nèi)壁溝成的容積空問在轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)過程中逐漸變小，由此從進氣口吸入的空氣就逐漸被壓縮排出。這樣，在回轉(zhuǎn)過程中不需要活塞式空壓機中具有的吸氣閥和排氣閥:在轉(zhuǎn)子的每一次回轉(zhuǎn)中，將根據(jù)葉片的數(shù)目多次進行吸氣、壓縮和排氣，所以輸出壓力的脈動小。通常情況下，葉片式空壓機需采用潤滑油對葉片、轉(zhuǎn)子和機體內(nèi)部進行潤滑、冷卻和密封，所以排出的壓縮空氣中含有大量的油份。因此在排氣口需要安裝油分離器和冷卻器，以便把油份從壓縮空氣中分離出來進行冷卻并循環(huán)使用。通常所說的無油空壓機，是采用石墨或有機合成材料等自潤滑材料作為葉片材料。運轉(zhuǎn)時無需添加任何潤滑油，壓縮空氣不被污染，滿足了無油化的要求。此外，在進氣口設(shè)置空氣流量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)排出氣體壓力的變化自動調(diào)節(jié)流量，使輸出壓力保持恒定。

葉片式空壓機的優(yōu)點是能連續(xù)排出脈動小的額定壓力的版縮空氣，所以一般無需設(shè)置貯氣罐，并且結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，操作維修方便，運轉(zhuǎn)噪聲小。缺點是葉片、轉(zhuǎn)子和機體之間機械摩擦較大。產(chǎn)生較高的能量損失，因而效率也較低。

(3)螺桿式空氣壓縮機

螺桿式空壓機的工作原理如圖5所示。在殼體中裝有一 對互相嚙合的螺旋轉(zhuǎn)子，其中一根轉(zhuǎn)子具有凸面齒形，另一根轉(zhuǎn)子具有凹面齒形，兩根轉(zhuǎn)子之間及殼體王者圍成的空間，在轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)過程中沿軸向移動，其容積逐漸減小。這樣，從進口吸人的空氣逐漸被壓縮，并從出口排出。螺桿式空壓機與葉片式空壓機一樣，也需要加油進行冷卻，潤滑及密封，所以在出口處也要設(shè)置油分離器。螺桿式空壓機的優(yōu)點是排氣壓力脈動小，輸出流量大，無需設(shè)置貯氣罐，結(jié)構(gòu)中無易損件，壽命長，效率高。缺點是制造精度要求高，運轉(zhuǎn)噪聲大。且由于結(jié)構(gòu)剛度的限制，只適用于中低壓范圍使用。

貯氣罐的作用是:

(1)用來貯存一定量的壓縮空氣，調(diào)節(jié)空壓機輸出氣量與用戶耗氣量之間的不平衡狀況，保證連續(xù)、穩(wěn)定的氣流輸出。

(2)當(dāng)出現(xiàn)空壓機停機、突然停電等意外事故時，可用貯氣罐中貯存的壓縮空氣實施緊急處理保證安全。

(3)減小空壓機輸出氣流脈動，穩(wěn)定空壓站管道中的壓力此外，還能降低壓縮空氣溫度，分離壓縮空氣中的部分水份和油份。

后冷卻器的作用是使溫度高達120~180℃的空壓機排出氣體冷卻到40~50℃，并使其中的水蒸氣和油霧冷凝成水滴和油滴，以便對壓縮空氣實施進一步凈化處理。

后冷卻器有風(fēng)冷式和水冷式兩大類。風(fēng)冷式是靠風(fēng)扇產(chǎn)生的冷空氣吹向帶散熱片的熱空氣管道，經(jīng)風(fēng)冷后的壓縮空氣的出口溫度大約比環(huán)境溫度高15℃左右。水冷式是通過強迫冷卻水洽壓縮空氣流動方向的反方向流動來進行冷卻，壓縮空氣出日溫度大約比環(huán)境溫度高10℃左右 。

所謂低成本自動化技術(shù)是指將人工操作改為自動化操作后，對于單位產(chǎn)品的投資較低，即降低了生產(chǎn)成本。一種情況是，在已有的人工操作基礎(chǔ)上，投人少量資金，用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的氣動元件或裝置，將其改裝成自動或半自動機械。另種情況是，采用各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的氣動元件或裝置構(gòu)成自動化系統(tǒng)后，雖然前期的設(shè)備投資較大，但因生產(chǎn)效率提高，產(chǎn)量增加，因而每個產(chǎn)品的成本亦大為降低。無淪何種情況，氣動自動化的決速、安全、可靠、低成本等特點已為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)所認識，并被廣泛應(yīng)用。因此，采用氣動自動化可以獲得如下的經(jīng)濟效果:

(1)提高生產(chǎn)速度，增加產(chǎn)量，提高產(chǎn)品附加值。

(2)減少產(chǎn)品的廢品率，降低產(chǎn)品成本，改進產(chǎn)品品質(zhì)。

(3)提高管理的正確性。

(4)提高生產(chǎn)設(shè)備的利用率，提高材料的使用率，減少損耗。

(5)減輕對熟練技工的需求，減少員工的培訓(xùn)時間廠錢省費用。

(6)增加殘疾人員的就業(yè)率，提高社會保障。

氣動自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由氣源、氣源處理 元件、控制元件和執(zhí)行元件組成。

由產(chǎn)生、處理和貯存壓縮空氣的設(shè)備組成的系統(tǒng)稱為氣源系統(tǒng)。氣源系統(tǒng)包括有空氣壓縮機、貯氣罐、空氣凈化設(shè)備和輸氣管道等。它為氣動設(shè)備提 清潔、干燥、恒壓和足夠流量的壓縮空氣，是氣動系統(tǒng)的能源裝置。氣源的核心是空氣壓縮機，它將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能。執(zhí)行元件主要有氣缸、擺動馬達和氣馬達?？刂圃话銥殚y門，包括壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥等。

自動控制技術(shù)的研究有利于將人類從復(fù)雜、危險、繁瑣的勞動環(huán)境中解放出來并大大提高控制效率。自動控制是工程科學(xué)的一個分支。它涉及利用反饋原理的對動態(tài)系統(tǒng)的自動影響，以使得輸出值接近我們想要的值。從方法的角度看，它以數(shù)學(xué)的系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)。我們今天稱作自動控制的是二十世紀中葉產(chǎn)生的控制論的一個分支 ?；A(chǔ)的結(jié)論是由諾伯特·維納，魯?shù)婪颉た柭岢龅摹?/p>

《自動控制原理》胡壽松 科技出版社 2001(第四版)

《自動控制發(fā)展的歷程》王廣雄 百家講壇