1.1　气动元件及其应用

气动系统的功能通过压缩空气的产生、传输和消耗实现，它包含以下四部分：气源装置、控制元件、辅助元件及执行元件。

① 气源装置：用于将原动机输出的机械能转变为空气的压力能。

② 控制元件：用于控制压缩空气的压力、流量和流动方向，以保证执行元件具有一定的输出力和速度，并按设定的程序正常工作。

③ 辅助元件：用于保证空气系统正常工作所需的其余所有元件。

④ 执行元件：用于将空气的压力能转变成机械能的能量转换装置。

1.1.1　气源装置和气动辅助元件的认知

气源装置为气动系统提供具有一定压力和流量的清洁、干燥的压缩空气。根据对气源的要求和空气的特点，气源装置通常包括空气压缩机、储存装置、冷却装置、净化装置等，如图1-1所示。

气动辅助元件是元件连接和提高系统可靠性、使用寿命及改善工作环境等所必需的。辅助元件包括过滤器、油雾器、消声器、管道及管路附件等。过滤器用于滤除压缩空气中的水分、油污和灰尘等杂质。油雾器是一种特殊的注油装置，可使润滑油雾化，经压缩空气携带进入系统中各润滑部位，满足气动元件内部润滑的需要。气动系统中空气过滤器、减压阀和油雾器常组合在一起构成气动三联件。有些品牌的电磁阀和气缸能够实现无油润滑（靠润滑脂实现润滑功能），便不需要使用油雾器，这样，仅有空气过滤器和减压阀组合在一起，称为气动二联件或过滤减压阀，如图1-2所示。在使用时，应注意经常检查过滤器中凝结水的水位，在超过最高标线以前，必须排放，以免被重新吸入。

YL-335B自动生产线中气源处理组件的气路入口处安装一个快速气路开关，当把气路开关向左拔出时，气路接通气源，反之把气路开关向右推入时气路关闭。

气源处理组件输入气源来自空气压缩机，所提供的压力为0.6～1MPa，输出压力为0～0.8MPa，输出的压缩空气通过快速三通接头和气管输送到各个工作单元。

消声器是通过阻尼或增加排气面积来降低排气的速度和功率，达到降低噪声的目的。常用的消声器有吸收型、膨胀干涉型和膨胀干涉吸收型三种。

1.1.2　气动执行元件的认知

气动系统常用的执行元件为气缸和气马达。气缸用于实现直线往复运动或摆动，气马达用于实现连续回转运动。在YL-335B自动生产线中只用到了气缸，包括薄型气缸、双杆气缸、手指气缸、笔型气缸和回转气缸5种类型，如图1-3所示。

1.气缸的分类

按不同的标准，气缸有如下几种分类。

① 按压缩空气作用在活塞端面上的方向，可分为单作用气缸和双作用气缸。单作用气缸只有一个方向的运动靠气压驱动，另一个方向靠弹簧力或自重和其他外力。这种气缸的特点是结构简单、耗气量小、工作行程较短，在夹紧装置中应用较多。双作用气缸往返运动全靠压缩空气完成。单杆双作用气缸是使用最广泛的一种普通气缸。

② 按结构特点可分为活塞式气缸、叶片式气缸、薄膜式气缸、气液阻尼缸。

③ 按气缸功能可分为普通气缸和特殊气缸。普通气缸主要指活塞式单作用气缸和双作用气缸。特殊气缸包括缓冲气缸、薄膜式气缸、冲击式气缸、增压气缸、回转气缸等。

2.活塞式单杆双作用气缸

双作用气缸如图1-4所示。它具有结构简单、输出力稳定、行程可根据需要选择的优点，但由于是利用压缩空气交替作用在活塞上实现伸缩运动的，回缩时压缩空气的有效作用面积较小，所以产生的力较小，一般用于包装机械、食品机械、加工机械等设备上。

3.薄型气缸

薄型气缸的轴向或径向尺寸比标准气缸小，如图1-3（a）所示。它依靠膜片在压缩空气作用下的变形来使活塞杆产生运动，具有结构紧凑、重量轻、成本低、维修方便、寿命长、密封性好、效率高等优点，适用于气动夹具、自动调节阀及短行程场合。

在YL-335B自动生产线的加工单元中，薄型气缸用于冲压，这主要是考虑该气缸具有行程较短的特点。

4.手指气缸

手指气缸（气爪）也称气爪，能实现各种抓取功能，是现代机械手的关键部件。气动手爪的开闭一般是通过汽缸活塞产生的往复直线运动带动与手爪相连的曲柄连杆、滚轮或齿轮等机构，驱动各个手爪同步做开、闭运动。气爪一般有如下特点。

① 所有的结构都是双作用的，能实现双向抓取，可自由对中，重复精度高。

② 抓取力矩恒定，有多种安装和连接方式。

③ 在汽缸两侧可安装非接触式检测开关。如图1-5（a）所示为平行开合气爪，两个气爪对心移动，输出较大的抓取力，既可用于内抓取，也可用于外抓取。生产线系统中操作手单元抓取工件采用的就是平行开合气爪。YL-335B中输送单元、加工单元和装配单元中都使用了平行开合气爪。三点气爪的三个气爪同时开闭，适合夹持圆柱体工件，见图1-5（b）。摆动气爪具有40°摆角，旋转气爪开度180°，抓取力大，如图1-5（c）和图1-5（d）所示。

5.回转气缸

YL-335B中回转物料台的主要器件是回转气缸，它由直线气缸驱动齿轮齿条实现回转运动，回转角度能在0°～180°之间，而且可以安装磁性开关，检测旋转到位信号，多用于方向和位置需要变换的机构，如图1-6所示。

当需要调节回转角度或调整摆动位置精度时，应首先松开调节螺杆上的反扣螺母，通过旋入和旋出调节螺杆改变回转凸台的回转角度，调节螺杆1和调节螺杆2分别用于左旋和右旋角度的调整。当调整好摆动角度后，应将反扣螺母与基体反扣锁紧，防止调节螺杆松动，造成回转精度降低。

6.导向气缸

导向气缸是指具有导向功能的气缸。一般为标准气缸和导向装置的集合体。导向气缸具有导向精度高，抗扭转力矩、承载能力强、工作平稳等特点。

YL-335B中驱动装配机械手水平方向移动的导向气缸外形如图1-7所示。

安装支架用于导杆导向件的安装和导向气缸整体的固定，连接件安装板用于固定其他需要连接到该导向气缸上的物件，并将两导杆和直线气缸活塞杆的相对位置固定，当直线气缸的一端接通压缩空气后，活塞被驱动作直线运动，活塞杆也一起移动，被连接件安装板固定到一起的两导杆也随活塞杆伸出或缩回，从而实现导向气缸的整体功能。安装在导杆末端的行程调整板用于调整该导杆气缸的伸出行程。具体调整方法是先松开行程调整板上的紧固螺钉，让行程调整板在导杆上移动，当达到理想的伸出距离后，再完全锁紧紧固螺钉，完成行程的调节。

1.1.3　气动控制元件的认知

在YL-335B中使用的气动控制元件，按其作用和功能分，有压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀。

1.压力控制阀

压力控制阀主要用来控制系统中气体的压力，满足各种压力要求。气动系统中压力控制阀可分为三类：一是起降压、稳压作用的减压阀；二是起限压、安全保护作用的安全阀，即溢流阀；三是根据气路压力不同进行某种控制的顺序阀。在YL-335B自动生产线中使用到的压力控制阀主要有减压阀和安全阀。

（1）减压阀

作用是将供气气源压力减到装置所需要的压力，并保证减压后压力值稳定。减压阀的结构和实物如图1-8所示，减压阀一般安装在空气过滤器之后，油雾器之前，并注意不要将其进、出口接反；阀不用时应把旋钮放松，以免膜片经常受压变形而影响其性能。

（2）安全阀

安全阀的作用是当系统压力超过调定值时，便自动排气，使系统的压力下降，以保证系统安全。图1-9为安全阀的工作原理及图形符号。

2.流量控制阀

流量控制阀通过控制气体流量来控制气动执行元件的运动速度的，常用的流量控制阀有节流阀、单向节流阀、排气节流阀等。在YL-335B自动生产线中使用到的流量控制阀主要为单向节流阀。

节流阀通过将空气的流通面积缩小以增加气体的流通阻力，而降低气体的压力和流量。如图1-10（a）所示，阀体上有一个调整螺钉，可以调节节流阀的开口度（无级调节），并可保持其开口度不变。它常用于调节气缸活塞运动速度，可直接安装在气缸上。这种节流阀有双向节流作用。使用节流阀时，节流面积不宜太小，因空气中的冷凝水、灰尘等容易堵塞阀口，引起节流量的变化。

为了使气缸的动作平稳可靠，气缸的作用气口都安装了可调单向节流阀。可调单向节流阀由节流阀和单向阀并联而成，如图1-10（b）所示。可调单向节流阀上带有气管快速接头，只要将外径合适的气管往快速接头上一插就可以将管连接好，使用时十分方便。图1-11为安装了带快速接头的可调单向节流阀的气缸。

为了使气缸运行平稳，减少气缸的“爬行”现象，双作用气缸应采用排气节流的方式。因此安装可调单向节流阀时应注意方向。图1-12（a）是一个双作用气缸双向调速原理示意图，当调节节流阀A时，是调整气缸的缩回速度；而当调节节流阀B时，是调整气缸的伸出速度。

3.方向控制阀

方向控制阀是气动系统中通过改变压缩空气的流动方向和气流的通断来控制执行元件启动、停止及运动方向的气动元件。

（1）分类

根据方向控制阀的功能、控制方式、结构方式、阀内气流的方向及密封形式等，可将方向控制阀分为以下几类。

① 按阀内气流的流通方向分类。按气流在阀内的流通方向分为单向型控制阀和双向型控制阀。单向型控制阀只允许气流沿一个方向流动，如单向阀、梭阀、双压阀和快速排气阀等。双向型控制阀可以改变气流流通的方向，如电磁换向阀和气控换向阀。

② 按阀的控制方式分类。按控制方式的控制阀分类及符号如表1-1所示。人力控制换向阀是依靠人为操作使阀切换，简称为人控阀。人控阀主要分为手动阀和脚踏阀两大类。

机械控制换向阀是利用凸轮、撞块或其他机械外力操作阀杆使阀换向的，简称为机控阀。这种阀常用作信号阀。

气压控制换向阀是利用气体压力操纵阀杆使阀换向，简称为气控阀。气控阀按照控制方式可分为加压控制、卸压控制和延时控制等。这种阀在易燃、易爆、潮湿、粉尘大的工作环境中安全可靠。

电磁控制换向阀是利用线圈通电产生电磁吸力使阀切换，以改变气流方向的阀，简称为电磁阀。电磁阀易于实现电、气联合控制，能实现远距离操作，应用广泛。自动生产线设备中主要使用的是电磁控制换向阀。

③ 按照阀的气路端口数量分类。控制阀的气路端口分为输入口（P）、输出口（A或B）和排气口（R或S）。按切换气路端口的数目分为二通阀、三通阀、四通阀和五通阀等。表1-2为换向阀的气路端口数和符号。

二通阀有2个口，即1个输入口（P），1个输出口（A）。三通阀有3个口，除P、A口外，增加了1个排气口（用字母R表示）；三通阀既可以是2个输入口和1个输出口，也可以是1个输入口和2个排气口。四通阀有4个口，除P、A、R口外，还有1个输出口（用B表示），通路为P→A、B→R或P→B、A→R。五通阀有5个口，除P、A、B外，还有2个排气口（用R、S或O1、O2表示），通路为P→A、B→S或P→B、A→R。

二通阀和三通阀有常通型和常断型之分。常通型指阀的控制口未加控制信号（常态位）时，P口和A口相通。常断型在常态位时P口和A口相断。

控制阀的气路端口还可以用数字表示，表1-3是数字和字母两种表示方法的比较。图1-13所示是气路端口数字标识。

④ 按阀芯的工作位置数分类。阀芯的切换工作位置简称为“位”，阀芯有几个工作位置就称为几位阀。根据阀芯在不同的工作位置，实现气路的通或断。阀芯可切换的位置数量分为二位阀和三位阀。

有2个通口的二位阀称为二位二通阀，通常表示为2/2阀，前者表示通口数，后者表示工作位置。有3个通口的二位阀称为二位三通阀，表示为3/2阀。常用的还有二位五通阀，表示为5/2阀，它可用于推动双作用汽缸的回路中。

当三位阀阀芯处于中间位置时，若各通口呈关断状态，则称为中位封闭式；如出气口全部与排气口相通，则称为中位卸压式；如输出口都与输入口相通，则称为中位加压式。

常见换向阀的符号见表1-4，一个方块代表一个动作位置，方块内的箭头表示气流的方向（┬代表不通的口），各动作位置中进气口与出气口的总和为口数。

⑤ 按阀芯结构分类　按阀芯的结构分为截止式、滑柱式和同轴截止式。

⑥ 按阀的连接方式分类　按阀的连接方式分为管式连接、板式连接、集成式连接和法兰式连接。

（2）电磁阀

电磁阀是气动控制元件中最主要的元件，其品种繁多，按操作方式分为直动式和先导式两类。

直动式电磁阀利用电磁力直接驱动阀芯换向，图1-14所示为直动式单电控电磁换向阀。当电磁线圈得电，单电控二位三通阀的P口与A口接通；当电磁线圈失电时，电磁阀在弹簧作用下复位，P口关闭。

图1-15为双电控电磁换向阀，当左电磁线圈得电，双电控二位五通阀的P口与A口接通，且具有记忆功能，只有当右电磁线圈得电，双电控二位五通阀才复位，即P口与B口接通。

直动式电磁铁只适用于小型阀，如果控制大流量空气，则阀的体积和电磁铁都必须加大，这势必带来不经济的问题，可采用先导式结构克服这些缺点。先导式电磁阀是由小型直动式电磁阀和大型气控换向阀组合而成，它利用直动式电磁阀输出先导气压，此先导气压使主阀芯换向，该阀的电控部分又称为电磁先导阀。

YL-335B自动生产线中所有工作单元的执行气缸都是双作用气缸，因此控制它们的电磁阀需要有两个工作口和两个排气口以及一个供气口，故使用的电磁阀均为二位五通电磁阀。

以供料站为例，供料站使用了两个二位五通的单电控电磁阀。这两个电磁阀带有手动换向和加锁钮，有锁定（LOCK）和开启（PUSH）2个位置。用小螺丝刀把加锁钮旋到LOCK位置时，手控开关向下凹进去，不能进行手控操作。只有在PUSH位置，才可用工具向下按，此时信号为“1”，等同于该侧的电磁信号为“1”；常态时，手控开关的信号为“0”。在进行设备调试时，可以使用手控开关对电磁阀进行控制，从而实现对相应气路的控制，以改变推料缸等执行机构的运动，达到调试的目的。

在YL-335B自动生产线中采用电磁阀组连接形式，就是将多个阀与消声器、汇流板等集中在一起构成一组控制阀，每个阀的功能是彼此独立的。在供料站中，两个电磁阀是集中安装在汇流板上的。汇流板中两个排气口末端均连接了消声器，消声器的作用是减少压缩空气在向大气排放时的噪声。阀组的结构如图1-16所示。

在输送站中气动手指的双作用气缸由一个二位五通双电控电磁换向阀控制，带状态保持功能，用于各个工作站抓物搬运。双电控电磁阀外形如图1-17所示。

双电控电磁阀与单电控电磁阀的区别在于：对于单电控电磁阀，在无电控信号时，阀芯在弹簧力的作用下会被复位；而对于双电控电磁阀，在两端都无电控信号时，阀芯的位置取决于前一个电控信号。

特别需要注意的是，双电控电磁阀的两个电控信号不能同时为“1”，即在控制过程中不允许两个线圈同时得电，否则可能会造成电磁线圈烧毁。