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气动系统技术发展和应用

 发布: kuking系统管理员  出自: 上海KUKING 发布时间: 2014-3-25  


气动系统 - 简介

气动系统
气动系统
 气压传动和控制是生产过程自动化和机械化最有效手段之一,但其工作介质(压缩空气) 制造成本高,能量利用率又相当低。气动执行元件主要用于作直线往复运动。 工程实际中,这种运动形式应用最多,如许多机器或设备上 传送装置、产品加工时工件 进给、工件定位和夹紧、工件装配以及材料成形加工等都是直线运动形式。但有些气动执行元件也可以作旋转运动,如摆动气缸(摆动角度可达360°)。 气动技术应用范围内,除个别情况外,对完成直线运动形式来说, 是从技术从成本角度看,全机械涉笔都无法与气动设备相比。(从技术和成本角度看,气缸作为执行元件是完成直线运动 最佳形式,如同用电动机来完成旋转运动一样。)气动技术中,控制元件与执行元件之间 相互作用是建立 一些简单元件基础上 。 任务要求,这些元件可以组合成多种系统方案。 气动控制使机构或设备 机械化程度大大提高,并能够实现完全自动化,气动技术 “廉价”自动化方面做出了重大贡献。实际上,单个气动元件(如各种类型气缸和控制阀)都可以看成是模块式元件,这是气动元件必须进行组合,才能形成一个用于完成某一特定作业 控制回路。广义上讲,气动设备可以应用于任何工程领域。气动设备常常是由少量气动元件和若干个气动基本回路组合而成 。气动控制系统 组成具有可复制性,这为组合气动元件 产生与应用打下了基础。一般来说,组合气动元件内带有许多预定功能,如具有12步 气-机械步进开关, 被装配成一个控制单元,但却可用来控制几个气动执行元件。间歇式进料器也常作为整个机器 一个部件来提供。这样就大大简化了气动系统 设计,减少了设计人员和现场安装调试人员 工作量,使气动系统成本大大降低。



气动系统 - 优点

气动技术与其他的传动和控制方式(如机械方式、电气方式、电子方式、液压方式)相比,优点如下:
1、气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用安全。
2、工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。排气处理简单,不污染环境,成本低。
3、输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般为50~500mm/s,比液压和电气方式的动作速度快。
4、可靠性高,使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为百万次,而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次,小型阀超过2亿次。
5、利用空气的压缩性,可贮存能量,实现集中供气。可短时间释放能量,以获得间歇运动中的高速响应。可实现缓冲。对冲击负载和过负载有较强的适应能力。在一定条件下,可使气动装置有自保持能力。
6、全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比,气动方式可在高温场合使用。
7、由于空气流动损失小,压缩空气可集中供应,远距离输送。



气动系统 - 关键技术


气动系统
气动系统

 提高气动系统使用 经济性,已成为当前应该重视 问题。对气动系统来说,减少耗气量就是节能。气动系统节能可以从几个方面着手:
(1) 完善气源系统 要解决气动系统节能问题,应从完善气源系统入手,即从压缩空气 生产、处理、输送、分配 整个气源系统全盘考虑,采取综合措施。
 结构型式不同 空气压缩机生产同样多 压缩空气, 其效率不一,消耗 能量就有差异。速度型 透平式空压机 效率低,如把10m3自由空气压缩成0.6MPa 压缩空气,由排量为1000 m3/h 透平式空压机生产,耗能1.77kW•h。而生产同样数量和压力 压缩空气,如用同样排量 活塞式空压机生产,仅耗能0.83kW•h。 从节能角度出发,空压机 节能与空压机 结构型式有关。
选择空压机时,采用具有完善级间冷却 多极压缩机可节省能量、提高效率。例如二级压缩比单级压缩节能15%以上,三级压缩比二级压缩又节能5%~10%。
改变传统 设计观念,将全厂集中 由大型空压机供气 空压站,转变为由 气动系统附近 分布 厂区内 多台较小型空压机供气更为经济。例如,由一个空压站集中供气,压缩空气输送管道长,沿程压力损失大,为保证用气设备有足够 工作压力,空压机出口压力较高。而用多台空压机 供气系统,空压机 耗气车间附近安装,沿程损失小,可以降低出口压力。试验证明仅此一项可节能20%。
空压机吸入空气 温度每增加3℃,就要增加压缩功约1%。因空压机房室内温度均高于室外温度, ,空压机进气管道应接到室外温度较低,环境干净,干燥  方。 冬季室外比室内温度低15℃,可节能约5.1%。
使空压机 生产压缩空气时,气体流 滤设备 压力损失小,是气源系统减少损失 又一个节能因素。 过滤设备必须保持良好 工作状态。消除气动系统 泄漏,是气动系统节能 另一个重要措施。泄漏使压缩空气 能量白白消耗掉,而使生产成本上升。
(2) 采用气—电或气—液复合传动控制系统,实现节能  微电子技术 飞速发展,计算机 应用也进入了气动控制技术 领域。用于控制气动执行元件 ,由普通气动元件组成 ,复杂 气动逻辑控制回路,现 已可由微型计算机或可编程序控制器代替。 编制不同 程序便能实现气动装置生产自动化 不同过程。目前,气动电磁阀 电磁铁消耗功率大多 1.8W以下,小型阀也有功率仅为0.45W ,直动型阀 功率一般也都小于4W。电磁铁低功耗 意义 仅 节约电能,提高电磁铁 可靠性,另 也为气动技术与微电子技术相结合,创造了必要条件。低功耗 气动元件,作为可编程序控制器直接驱动 元件,实现复杂 大规模程序控制,可获 很好 节能效果。
(3) 开发节能气动元件 开发气动节能元件,可从以下几方面进行:
 减少漏气,降低能源消耗。开发防泄漏、耐磨性能好 、无给油 材料制成软密封件。
 开发低功耗气动元件,降低能量消耗。
采用无给油润滑,使润滑油消耗减少,改善环境污染。无给油润滑气动系统是由过滤器、减压阀何不供油润滑 阀类、气缸组成 系统。无给油润滑气动系统所用 工作介质——空气中不含油雾,排出 废气中 含油雾。无给油润滑气动元件是一种 元件中预先注入润滑脂,可长时间工作而不需补充润滑脂 气动元件。无给油润滑气动系统中可不设油雾器。无给油润滑气动系统简单、成本低、维修方便,国外设备普遍采用这种系统。这种系统 工作过程中润滑条件基本不变, 受外界条件变化 干扰, 性能稳定,寿命长。
无润滑气动系统中 无润滑气缸是一种构造特殊,并选用有自润滑性材料制造 元件, 材料和制造困难,目前也有应用。
(4) 合理设计气动系统、择优选取和合理使用气动元件,减少耗气量 把气动流体力学、气动系统动力学 理论与实验相结合,运用计算机仿真技术,可对气动系统进行优化设计,择优选取最佳参数。例如气缸 公称直径是按公比1.25 等比级数分档 ,如把气缸直径随意 扩大一个档次,则耗气量要增大56%。若行程再增加,耗气量还将增加。 参数 择优选取对节能是十分重要 。合理使用元件也是节能 措施,例如对短行程 气缸,使用单作用弹簧复位 气缸,显然较双作用气缸节省压缩空气,减少了耗气量。
(5)  气动系统中使用不同 工作压力 气动系统重要 节能途径之一是对系统 不同部分 不同情况使用不同 工作压力。例如,对气压传动系统供给高压气源,对气动控制系统供给低压气源; 气缸克服外负载 工作行程供给高压气源,无外负载 行程供给低压气源,可获 可观 节能效益。有关资料介绍使正行程用高压气源,回程用低压气源(0.1~0.2MPa表压),可节能25%~35%。
(6) 重复利用无杆腔中 有压空气使活塞返回,变双程耗气为单程耗气。
生产实践中广泛使用 气缸,许多是正行程有外加负载,回程只需克服自身 摩擦力。对这种系统把活塞杆伸出后无杆腔中 有压气体用于活塞 退回,使原双程耗气改为单程耗气,可达到节能近50% 效果。


气动系统 - 应用

气动系统
气动系统
 采用气动技术解决工业生产中 问题时,其特征是灵活性强,既适用于解决某种问题 气动技术方案,也适用于解决其它场合 相同或相似 问题。
 既然空气动力 气源与完成各种操作 工位之间不需要安装复杂 机械设备, , 各工位相距较远 场合应用气动技术是再合适 了。 需要高速驱动情况,优先选择全气动设备是合适 。气-液进给装置作为特殊元件可以应用 机床上。 各种材料 操作过程中,很少要求各顺序动作具有较高 进给精度,且 这些操作中设计 力也较小, ,采用气动技术 可以完成这些操作, 进给精度不会超越其技术允许范围,当然个别情况应除外。
为完成生产加工中 多种作业,  标准设备上应用外,气动技术还应用于一些辅助设备和专用机床上。 工程实际中往往有许多基本设备,这些设备 直接用于生产, 作为一种必不可少 辅助设备。从技术和经济角度来看,实现这些设备机械化需要一些简捷 元件,而气动技术恰好能够满足这个要求。
机械化来达到降低成本、提高生产率 目 外, 实际工程中,决定采用气动技术主  其具有结构简单、事故少、可用于易燃易爆和有辐射危险场合等特点。纵观整个生产加工过程,有许多要掌握 技术问题,但这些技术问题 不同工程领域中是相似或相同 。同样,对相同或相似 技术问题,若采用气动技术作为其解决方案,也存 着不同领域技术上 重复问题。 ,若给出各种合理应用准则,那么, 工业部门 许多领域中,就可以广泛应用气动技术,以提供功能强大、成本低、效率高 控制和驱动。
应用气动技术时,首先应考虑从信号输入到最后动力输出 整个系统,尽管其中某个环节采用某项技术更合适,但最终决定选择哪项技术完全是基于所有相关因素 总体考虑。例如, 产生压缩空气 成本较高,但 最后分析论证技术方案时,其并 主要 决定因素。  要完成 任务来说,力和速度 无级控制才是更重要 因素。另外,系统掌握容易、结构简单或操作方便以及综合考虑整个系统 可靠性和安全性 是更重要 决定因素。除此之外,系统维护保养也是 可忽视 决定因素。



气动系统 - 发展趋势


随着生产自动化程度的不断提高,气动技术应用面迅速扩大、气动产品品种规格持续增多,性能、质量不断提高,市场销售产值稳步增长。气动产品的发展趋势主要在下述方面:
 1、小型化、集成化
有限的空间要求气动元件的外形尺寸尽量小,小型化是主要发展趋势。现在最小气缸内径仅为f2.5,并配制开关;电磁阀宽度仅10mm,有效截面积达5mm2;接口f4的减压阀也已开发。据调查,小型化元件的需求量,大约每5年增加一倍。
气阀的集成化不仅仅将几只阀合装,还包含了传感器、可编程序控制器等功能。集成化的目的不单是节省空间,还有利于安装、维修和工作的可靠性。
2、组合化、智能化
最简单的元件组合是带阀、带开关气缸。在物料搬运中,已使用了气缸、摆动气缸、气动夹头和真空吸盘的组合体;还有一种移动小件物品的组合体,是将带导向器的两只气缸分别按X和Y轴组合而成,还配有电磁阀、程控器,结构紧凑,占用空间小,行程可调。
 日本精器(株)开发的智能阀带有传感器和逻辑回路,是气动和光电技术的结合。不需外部执行器,可直接读取传感器的信号,并由逻辑回路判断以决定智能阀和后续执行元件的工作。开发功能模块已有十多年历史,现在正在不断地完善。这些通用化的模块可以进行多种方案的组合,以实现不同的机械功能,经济、实用、方便。
3、精密化
为了使气缸的定位更精确,使用了传感器、比例阀等实现反馈控制,定位精度达0.01mm。 在气缸精密方面还开发了0.3mm/s低速气缸和0.01N微小载荷气缸。在气源处理中,过滤精度0.01mm,过滤效率为99.9999%的过滤器和灵敏度0.001MPa的减压阀已开发出来.
4、高速化
为了提高生产率,自动化的节拍正在加快,高速化是必然趋势。
目前气缸的活塞速度范围为50-750mm/s。要求气缸的活塞速度提高到5m/s,最高达10m/s。据调查,五年后,速度2-5m/s,的气缸需求量将增加2.5倍,5m/s以上的气缸需求量将增加3倍。与此相应,阀的响应速度将加快,要求由现在的1/100秒级提高到1/1000秒级。
5、无油、无味、无菌化
人类对环境的要求越来越高, 因此无油润滑的气动元件将普及化。还有些特殊行业,如食品、饮料、制药、电子等,对空气的要求更为严格,除无油外,还要求无味、无菌等,这类特殊要求的过滤器将被不断开发。
6、高寿命、高可靠性和自诊断功能
5000万次寿命的气阀和3000km的气缸已商品化,但在纺织机械上有一种高频阀寿命要求1亿次以上,最好达2亿次。这个要求,现有的弹性密封阀很难达到,这使间隙密封元件重新获得重视。美国纽曼帝克(Numatics)公司有一种气阀,采用间隙密封,通气后阀芯在阀体内呈悬浮状态,形成无摩擦运动,还有自防尘功能,阀的寿命可超过2亿次,这虽然是个老产品,还是值得借鉴。
气动元件大多用于自动生产线上,元件的故障往往会影响全线的运行,生产线的突然停止,造成的损失严重,为此,对气动元件的工作可靠性提出了高要求。江苏某化纤公司要求供应的气动元件在设定寿命内绝对可靠,到期不管能否继续使用,全部更换。这里又提出了各类元件寿命的平衡问题,即所谓等寿命设计。有时为了保证工作可靠,不得不牺牲寿命指标,因此,气动系统的自诊断功能提到了议事日程上,附加预测寿命等自诊断功能的元件和系统正在开发之中。
随着机械装置的多功能化,接线数量越来越多,不仅增加了安装、维修的工作量,也容易出现故障,影响工作可靠性,因此配线系统的改进也为气动元件和系统设计人员所重视。
7、节能、低功耗
节能是企业永久的课题,并将规定在建立ISO14000环保体系标准中。气动元件的低功耗不仅仅为了节能,更主要的是能与微电子技术相结合。功耗0.5W的电磁阀早已商品化,0.4W、0.3W的气阀也已开发,可由PC直接控制。
8、机电一体化
为了精确达到预先设定的控制目标(如开关、速度、输出力、位置等),应采用闭路反馈控制方式。 气-电信号之间转换,成了实现闭路控制的关键,比例控制阀可成为这种转换的接口。在今后相当长的时期内开发各种形式的比例控制阀和电-气比例/伺服系统,并且使其性能好、工作可靠、价格便宜是气动技术发展的一个重大课题。
现在比例/伺服系统的应用例子已不少,如气缸的精确定位;用于车辆的悬挂系统以实现良好的减振性能;缆车转弯时自动倾斜装置;服侍病人的机器人等。如何将以上实例更实用、更经济还有待进一步完善。
9、满足某些行业的特殊要求
在激烈的市场竞争中,为某些行业的特定要求开发专用的气动元件是开拓市场的一个重要方面,各厂都十分关注。国内气动行业近期开发的如铝业专用气缸(耐高温、自锁),铁路专用气缸(抗震、高可靠性),铁轨润滑专用气阀(抗低温、自过滤能力),环保型汽车燃气系统(多介质、性能优良)等。
10、应用新技术、新工艺、新材料
型材挤压、铸件浸渗和模块拼装等技术十多年前在国内已广泛应用;压铸新技术(液压抽芯、真空压铸等)、去毛刺新工艺(爆炸法、电解法等)已在国内逐步推广;压电技术、总线技术,新型软磁材料、透析滤膜等正在被应用;超精加工、纳米技术也将被移植。
 气动行业的科技人员特别关注密封件发展的新动向,一旦新结构和新材料的密封件出现,就会被采用。
11、标准化
贯彻标准,尤其是ISO国际标准是企业必须遵守的原则。它有两个方面工作要做:第一是气动产品应贯彻与气动有关的现行标准,如术语、技术参数、试验方法、安装尺寸和安全指标等。第二是企业要建立标准规定的保证体系,现有3个:质量(ISO9000)、环保(ISO14000)和安全(ISO18000)。标准在不断增添和修订,企业及其产品也将随之持续发展和更新,只有这样才能推动气动技术稳步发展。
12、安全性
从近期颁布的有关气动的ISO国际标准可知,对气动元件和系统的安全性要求甚严。   ISO4414气动通则中将危险要素分成14类,主要有机械强度、电器、噪声、控制失灵等。ISO国际组织又颁布了ISO18000标准,要求企业建立安全保证体系,将安全问题放在特别重要的议程上。为此,产品开发和系统设计切实考虑安全指标也是气动技术发展的总趋势。对国内企业而言,由于过去的行业标准忽视了安全问题,有必要对已投入市场的产品重新考核和修正。
在2001年PTC展览会上,日本SMC公司在显著位置展示了直线电机,作为一个有国际影响的气动跨国公司,开发直线电机有其特定的意义,即告诫参观者:直线电机有替代气动元件的趋势。有人因此将气动工业视为"夕阳工业",笔者对此不能赞同,有以下几个理由:
1、由于气体的可压缩性,气动产品可实现软接触,动作柔和。气动技术的这个特性,是其他机电产品望尘莫及的。
气动弹簧和日本福冈球场可移动屋顶的气压密封是一小一大两个典型例子。现有的例子还甚多:自动挤牛奶机器人,仿真推拿按摩,抬移病人的机器人,中医搭脉模拟示教装置,飞机驾驶训练用的模拟加速度座椅等等。以上这些事例,一旦成为气动产品,不可能被其他产品所代替。 
2、有些特定的环境,如防火、防爆、高温、高湿等场合,气动元件有其独有的适应性,若用其他机电产品替代,会使费用增加很多,用户不会接受。
3、气动系统可以在间隙工作状态下输出较大能量,抗过载能力强,这正是电机的薄弱环节,难于替代。
4、真空、射流技术已与传统的气动技术融为一体,它们的产品已成为气动产品的一部分,结合这两种技术的应用实例,也是其他机电装置不能替代的。例如粉尘物的管道输送,超小、轻薄物品的搬运,悬浮式的滑移,机械加工中薄板型工件的定位和气流纺纱等。
除此之外,肯定还有许多实例能说明气动技术有其独特的优势,决不是"夕阳工业",将与其他机电工业共同、持续地发展气压传动和控制是生产过程自动化和机械化最有效手段之一,但其工作介质(压缩空气)制造成本高,能量利用率又相当低。提高气动系统使用经济性,已成为当前应该重视问题。

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