氣動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氣動(dòng)自動(dòng)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(jī)、貯氣罐、空氣凈化設(shè)備和輸氣管道等。它為氣動(dòng)設(shè)備提 清潔、干燥、恒壓和足夠流量的壓縮空氣，是氣動(dòng)系統(tǒng)的能源裝置。氣源的核心是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的壓力能。執(zhí)行元件主要有氣缸、擺動(dòng)馬達(dá)和氣馬達(dá)。控制元件一般為閥門，包括壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥等。

(1)功能不斷增強(qiáng)，體積不斷縮小

小型化氣動(dòng)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(dòng)不僅用于精密機(jī)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(dòng)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(dòng)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(qiáng)化是氣動(dòng)元件發(fā)展的必然趨勢。盡管存在尺寸上的限制，氣動(dòng)元件的設(shè)計(jì)仍有進(jìn)一步的改進(jìn)。

(2)模塊化和集成化

模塊化與集成化是兩個(gè)不同的概念，然而兩者之間又密切相關(guān)。毫無疑問，氣動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)之一是單獨(dú)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(jì)己遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出早期的模塊化設(shè)計(jì)。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(jì)也必須能對系統(tǒng)進(jìn)行順序轉(zhuǎn)換、重組、刪減或擴(kuò)充。集成化應(yīng)充分兼顧模塊化，即在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮集成模塊或單元的兼容性。

(3)智能氣動(dòng)

智能氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)元件，例如氣缸(驅(qū)動(dòng))、或閥(控制)，那么氣動(dòng)的小型化、模塊化、集成化和智能化就能得到相應(yīng)改進(jìn)。現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)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(jī)構(gòu)的氣動(dòng)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(dú)立的功能單元使人們只需進(jìn)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(yuǎn)影響。一方面可以大大節(jié)省現(xiàn)場裝配、調(diào)整時(shí)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。

所謂低成本自動(dòng)化技術(shù)是指將人工操作改為自動(dòng)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(dòng)元件或裝置，將其改裝成自動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)械。另種情況是，采用各種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的氣動(dòng)元件或裝置構(gòu)成自動(dòng)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(gè)產(chǎn)品的成本亦大為降低。無淪何種情況，氣動(dòng)自動(dòng)化的決速、安全、可靠、低成本等特點(diǎn)已為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)所認(rèn)識(shí)，并被廣泛應(yīng)用。因此，采用氣動(dòng)自動(dòng)化可以獲得如下的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(shí)間廠錢省費(fèi)用。

(6)增加殘疾人員的就業(yè)率，提高社會(huì)保障。

空氣壓縮站(簡稱空壓站)是氣動(dòng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部 分，為氣動(dòng)設(shè)備提供滿足要求的壓縮空氣動(dòng)力源。空壓站的主要組成裝置有氣壓發(fā)生裝置(空氣壓縮機(jī)，簡稱空壓機(jī))、貯氣罐和后冷卻器。典型的空壓站組成見圖2。

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

(1)活塞式空壓機(jī)

活塞式空壓機(jī)的工作原理見圖3。在氣缸 內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞向右移動(dòng)時(shí)，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(gè)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(gè)過程稱為排氣過程?；钊耐鶑?fù)運(yùn)動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)形成的。曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑動(dòng)--活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的壓縮機(jī)在排氣過程結(jié)束時(shí)總有剩余容積存在。在下一次吸氣時(shí)，剩余容積內(nèi)的壓縮空氣會(huì)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(shí)，溫度急劇升高:故當(dāng)輸出壓力較高時(shí)，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(jī)

葉片式空壓機(jī)的工作原理如圖4所示，把轉(zhuǎn)子偏心安裝在定 子(機(jī)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(dòng)二葉片、轉(zhuǎn)子和機(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)行吸氣、壓縮和排氣，所以輸出壓力的脈動(dòng)小。通常情況下，葉片式空壓機(jī)需采用潤滑油對葉片、轉(zhuǎn)子和機(jī)體內(nèi)部進(jìn)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(jìn)行冷卻并循環(huán)使用。通常所說的無油空壓機(jī)，是采用石墨或有機(jī)合成材料等自潤滑材料作為葉片材料。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(jìn)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(dòng)調(diào)節(jié)流量，使輸出壓力保持恒定。

葉片式空壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能連續(xù)排出脈動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)噪聲小。缺點(diǎn)是葉片、轉(zhuǎn)子和機(jī)體之間機(jī)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(jī)

螺桿式空壓機(jī)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(dòng)，其容積逐漸減小。這樣，從進(jìn)口吸人的空氣逐漸被壓縮，并從出口排出。螺桿式空壓機(jī)與葉片式空壓機(jī)一樣，也需要加油進(jìn)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(jī)的優(yōu)點(diǎn)是排氣壓力脈動(dòng)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(diǎn)是制造精度要求高，運(yùn)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(jī)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(jī)停機(jī)、突然停電等意外事故時(shí)，可用貯氣罐中貯存的壓縮空氣實(shí)施緊急處理保證安全。

(3)減小空壓機(jī)輸出氣流脈動(dòng)，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(dá)120~180℃的空壓機(jī)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(shí)施進(jìn)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(qiáng)迫冷卻水洽壓縮空氣流動(dòng)方向的反方向流動(dòng)來進(jìn)行冷卻，壓縮空氣出日溫度大約比環(huán)境溫度高10℃左右 。

自動(dòng)控制技術(shù)的研究有利于將人類從復(fù)雜、危險(xiǎn)、繁瑣的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來并大大提高控制效率。自動(dòng)控制是工程科學(xué)的一個(gè)分支。它涉及利用反饋原理的對動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的自動(dòng)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(dòng)控制的是二十世紀(jì)中葉產(chǎn)生的控制論的一個(gè)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(dòng)控制原理》胡壽松 科技出版社 2001(第四版)

《自動(dòng)控制發(fā)展的歷程》王廣雄 百家講壇