《液压传动与气动技术》模块十.docx
《《液压传动与气动技术》模块十.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《液压传动与气动技术》模块十.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
《液压传动与气动技术》模块十
模块十单缸控制回路
课题一送料装置的控制系统设计
一、任务引入
如图10-1送料装置工作示意图所示，工作要求为：
当工件加工完成后，按下按钮，送料气缸伸出，把未加工的工件送入加工位置，松开按扭气缸收回，以待把下一个未加工工件送到加工位置，试根据所述要求，设计送料装置的控制系统回路。
图10-1送料装置工作示意图
二、任务分析
从送料装置上述的工作要求可以看出，要完成所述要求，气动控制回路比较简单，它主要是应用方向控制阀对气缸实行简单的方向控制。
因而要完成送料装置的系统回路设计必须对方向控制阀的控制方法、职能符号等有一个全面了解。
三、相关知识
（一）方向控制阀
方向控制阀用以控制压缩空气所流过的路径，控制气流的通、断或流动方向，它是气动系统中应用最多的一种控制元件。
1.方向控制阀的职能符号的表示方法
（1）基本符号的含义
有气动技术和液压技术中所采用的元件符号是相同的，只是在控制介质上有所不同，各自有自己的特征。
如表10－1所示方向控制阀基本符号的含义。
在方块外所绘的短线表示阀口的接口，绘的接口的方块代表阀芯的初始位置，也就是阀芯的常态位置或系统中阀的最初工作位置。
（2）方向控制阀的职能符号
图10-2方向阀的表示方法
方向控制阀可以用其控制的接口数目来表示，每一个位置对应一个单独的方块。
如图10-2方向阀的表示方法所示，根据表10－1所示含义图10-2a所示的阀有两个位置，也就是二位阀，在一个位置上有两上接口数目，称之为二通，这样该方向阀就称之为二位二通阀。
也可写作2/2阀，其中分母表示阀芯位置数，分子表示每个位置上接口数，读作二位二通阀。
方块外面的短线表示阀芯的初始位置，在初始位置上压缩空气气流路径是切断的，不能流通，象这样在初始位置流通路径被断开的也称之为常断型，反之向图10-2b所示在初始位置流通路径接通的称之为常通型二位二通方向控制阀。
同理图10-2c称之为常断型二位三通方向控制阀，图10-2d称之为常通型二位三通方向控制阀。
2.阀门的控制方式
当使用方向控制阀时，用什么方式对阀进行控制，如何复位，这也是选择阀的一个重要依据。
这两种不同的控制方式一般在阀符号的两侧，有的阀还可能有附加操作方式，具体如下表10－2阀门的控制方式所示。
3.方向控制阀的表示方法
为说明在实际系统中的阀门的位置及保证线路的连接的正确性，明确控制回路和所用元件的关系，所以规定阀的的接口及控制接口加以一定的表示。
现在常用的表示方法有数字符号和字母符号两种表示方法，表法的方法如表10－3所示。
表10－3方向控制阀的表示方法
接口
字母表示方法
数字表示方法
压缩空气输入口
P
1
排气口
R、S
3、5
压缩空气输出口
A、B
2、4
使1-2、1-4导通的控制接口
Z、Y
12、14
使阀门关闭的接口
Z、Y
10
辅助控制管路
Pz
81、91
如图10-3所示方向控制阀的表示具体实例。
在用字母符号表示时，一般把Z表法左边控
图10-3方向控制阀表示方法
制口，而Y表示右边控制口，在现在的实际应用中一般都是以数字符号的居多。
有了这些符号，在分析、连接系统回路时就较方便，不易出差错。
四、任务实施
为更好地掌握上述所学内容，再根据任务要求，设计出系统回路图，并在操作实验台上完成回路的连接，以检验设计的正确性。
1.气缸的直接控制
如图10-4所示，是根据送料装置的工作要求设计出的系统控制回路图。
那么这种控制方法是否正确，能否满足送料装置的工作要求，因而就要对回路图进行分析，判断该设计是否能满足送料装置的工作要求。
图10-4送料装置直接控制回路图
如图10-4a所示，在初位置时，在弹簧力的作用下，5/2阀的右位接入系统，压缩空气经阀的进气口1到达4出口，进入气缸的右腔，活塞收回；当按下按钮，如图10-4b）所示，5/2阀左位接入系统，压缩空气从阀的进气口1到达2出口，压缩空气进入气缸的左腔，使得活塞杆伸出；当释放按钮，在弹簧力的作用下，5/2阀右位接入系统，使活塞杆收缩回到初始位置。
通过分析可以看出，如图10-4所示的控制方法可以满足送料装置的工作要求，象这样的控制方法称之为直接控制法，一般用于驱动气缸所需的气流较小，控制阀的尺寸及所需操作力也较小的场合。
2.气缸的间接控制
如图10-5所示的控制回路，它也能满足送料装置的工作要求。
在初始位置，5/2阀右位接入系统，压缩空气经阀的进气口1到达4出口，进入气的右腔，活塞收回；当按下按钮，如图10-5b所示，压缩空气经3/2的左位作用在5/2阀上，使得5/2阀左接入系统，压缩空气进入气缸的左腔，使得活塞杆伸出；当释放扭钮，在弹簧力的作用下，5/2阀的右位接入系统，使活塞杆回到初始位置。
图10-5送料装置间接控制回路图
如图10-5所示的控制方法，称之为间接控制法，一般用于高速或大口径的控制气缸，这时用一个较小的控制元件（3/2阀），作为操作控制元件，而利用压缩空气来克服口径大，流量大的主控元件（5/2）的开启阻力，这种控制方法可以用一个较小的操作力可以得到较大的开启力，也容易实现远程控制。
注意：
在气动控制技术中，一般要求一个执行元件对应一个方向控制阀来控制其的运动方向，这个方向控制阀称为主控阀或未级控制元件。
【操作实习】
1.根据10-4、10-5所示的回路图，找出所需的元件。
2.在操作实验台上合理布局，连接出正确的控制系统。
3.检验气缸的动作是合符号送料装置的动要求。
4.试分析，如将按钮按下一个极短暂的时间，然后立即释放，气缸为发生什么情况。
5.评分标准
送料装置操作评分标准
学号：
姓名：
总得分：
序号
评分标准
配分
得分
备注
1
元器件的选择正解、合理。
15
2
系统布局合理。
15
3
管子连接正确、可靠。
40
4
安全、文明操作
30
【知识链接】
一、方向控制阀的分类
方向控制阀的品种规格较多，了解其分类就比较容易掌握它们的特征，以便于选用。
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几类。
见表10－4。
表10－4方向控制阀的分类
分类方式
形式
按阀内气体的流动方向
单向阀、换向阀
按阀芯的结构形式
截止阀、滑阀
按阀的密封形式
硬质密封、软质密封
按阀的工作位数及通路数
二位三通、二位五通、三位五通等
按阀的控制操纵方式
气压控制、电磁控制、机械控制、手动控制等
二、方向控制阀的工作原理
（一）气压控制阀工作原理
气压控制换向阀是以压缩空气为动力切换气阀，使气路换向或通断的阀类，如图10-6所示以3/2单气控阀为例，介绍它的工作原理。
如图10-6所示为单气控3/2阀的工作原理。
当在常态时，即气控信号12没有压缩空气进入时，此时，阀芯在弹簧的作用下处于上端位置，如图10-6a所示。
使阀口2与3相通，阀口3排气。
当气控信号口12有压缩空气进入时，如图10-6b所示，在压缩空气的作用下，，阀芯克服弹簧力下移，使阀口2与3断开，使进气口1与工作口2接通，阀口2有压缩气体输出。
气压控制换向阀结构简单、紧凑、密封可靠，多用于组成全气阀控制的气压传动系统或易燃、易爆以及高净化等场合。
图10-6二位三通单气控阀工作原理
（二）电磁换向阀的工作原理
电磁换向阀是气动控制元件中最主要的元件，品种繁多，结构各异，但原理无多大区别，按动方式有直动式和先导式两种。
1.直动式电磁制换向阀
由电磁铁的动铁心，直接推动阀芯换向的气阀，称为直动式电磁换向阀。
图10-7直动式5/2电磁换向阀工作原理
如图10-7所示是双电控直动式5/2电磁换向阀的工作原理。
当电磁铁YA1通电YA2断电时，如图10-7a所示，阀芯被推到右边，即左位接通，压缩空气从阀口1进入，阀口2有压缩空气输出；当电磁铁通电YA1时，如图10-7b所法，阀芯被推到左边，即右位接通，压缩空气从阀口1进入，阀口2有压缩空气输出。
若这时电磁铁YA2也断电，阀芯不动作，压缩空气的通路保持原位不变。
注意：
电磁铁线圈的符号标记用YA或Y加下标表示。
双电控电磁换向阀两边线圈绝不能同时得电。
2.先导式电磁阀换向阀工作原理
先导式电磁阀是由电磁铁首先控制气路，产生先导压力，再由先导压力推动主阀阀芯，使其换向。
图10-8先导式3/2电磁换向阀
图10-8是单电控先导式电磁阀的动作原理。
当电磁先导阀YA断电时，如图10-8a所示，先导阀处于排气的状态，主控阀在弹簧力的作用下，阀口2和阀口3接通，阀口1断开；当先导阀的线圈YA得电，如图10-8b所示，在电磁力的作用下，先导阀处于进气状态，压缩空气经先导阀的进气口，作用于主控阀的阀芯左端，使得阀芯左移，阀口1和阀口2相通，阀口2有压缩空气输出。
图10-8c是单电控先导式3/2电磁阀换向阀的详细图形符号，图10-8d是其简化图形符号。
课题二折弯机气动系统的设计
一、任务引入
如图10-9所示为折弯机的工作原理图，其工作要求为：
当工件到达规定位置时，如按下启动按钮，气缸伸出将工件按设计要求折弯，然后快速退回，完成一个工作循环；如果工件未到达指定位置时，即使按下按钮气缸也不作动作。
另外为了适应加工不同材料或直径的工件，系统工作压力也应可以随之可调与之相适应。
试根据以上的工作要求，设计出该系统控制回路。
图10-9折弯机工作原理图
二、任务分析
分析折弯机的工作要求，要完成对折弯机系统回路的设计，须主要解决好以下三点：
系统压力的调节与控制问题、气缸快速退回的问题、工件及活塞杆伸出位置的控制，以及与按钮协调的问题。
在气动控制中一般用减压阀完成系统压力的调整与控制；可用快速排气阀来控制气缸的快速退回；用双压阀来协调控制启动按钮与工件位置的控制方法。
因而必须较好地掌握压力控制阀、排速排气阀等的结构原理及使用方法。
在实际系统设计中为了分析执行元件随着控制步骤或控制时间的变化规律，常作出系统的功能图来加以分析，以更清楚、直观的了解执行元件、控制元件之间的关系，以便于系统控制的设计。
三、相关知识
（一）功能图
功能图是指系统运动—步骤图、运动—时间图或运动—步骤—时间图等形式，在具体采用那一种形式的功能图一般由控制系统本身所决定。
如图10-9所示的折弯机的执行元件采用运动—步骤图即可。
图10-10折弯机运动—步骤图
如图10-10折弯机运动—步骤图所示，执行元件一栏中，“—”表示气缸的收回，“+”表示气缸伸出；信号一栏中a1、SB、a2表示行程控制阀和启动按钮。
这样从这张图中很容易就可以看出折弯机执行元件的运动状态，在阀SB和a2同时有信号输出，活塞杆伸出，当活塞杆运行到步骤1时，阀a1发出信号，活塞杆收回。
（二）调压阀
在折弯机系统中为了适应不同的工件，需要对系统压力进行调整，那么利用调压阀就可对实现。
调压阀也称之为减压阀，在气动系统中，一般来说由空气压缩机先将空气压缩，储存在贮气罐内，然后经管路输送给各个气动装置使用。
而贮气罐的空气压力往往比各台设备实际所需要的压力高些，同时其压力波动值也较大。
因此需要用减压阀（调压阀）将其压力减到每台装置所需的压力，并使减压后的压力稳定在所需压力值上。
调压阀是调节的出口压力，且低于进口压力，并能保持出口压力的稳定。
如图10-11a所示调压阀的工作原理，压缩空气经左端输入，经阀口节流减压后从右端输出。
输出的输出气流的一部分由阻尼孔进入膜片气室，在膜片的下方产生一个向上的推力，这个推力总是企图把阀口开度关小，使其输出压力下降。
当作用于膜片上的推力与弹簧力相平衡后，减压阀的输出压力便保持一定。
图10-11直动式调压阀的工作原理
当输入压力发生波动时，如输入压力瞬时升高，输出压力也随之升高，作用于膜片上的气体推力也随之增大，破坏了原来的力的平衡，使膜片向上移动，有少量气体经溢流口排出。
在膜片上移的同时，因复位弹簧的作用，使节流口减小，输出压力下降，直到新的平衡为止。
重新平衡后的输出压力又基本上恢复至原值。
反之，输出压力瞬时下降，膜片下移，进气节流口开度增大，节流作用减小，输出压力又基本上回升至原值。
总能使输出的压力保持一个基本稳定值,图10-11b是减压阀的职能符号。
注意：
在气动系统中，二联件或者三联件中就有调压阀，因而调压阀很少单独使用，系统的压力由二联件或三联件调节控制。
（三）快速排气阀
快速排气阀是为了使气缸快速排气，加快气缸的运动速度而设置的。
它也称为快排阀，
一般按装在换向阀和气缸之间，它属于方向控制阀中的派生阀。
如图10-12a所示为快速排气阀的工作原理，当进气口1进入压缩空气，使得密封活塞上移，封住排气口3，而使得工作口2有压缩空气输出；当工作口有气体排出时，密封活塞下移，封住进气口1，而使得工作口2与排气口3相连，气体快速排出。
图10-12b为快速排气阀的职能符号。
在折弯机控制系统中要求，工件到达预定位置后，按下按钮气缸才能动作。
象这种控制
具有一定的逻辑含义，在实际应用中经常用双压阀来控制这种动作要求。
图10-12快速排气阀的工作原理
（四）双压阀
图10-13双压阀的工作原理
双压阀是单向阀的派生阀，具有一定的逻辑特性，也被称为“或”阀，它的逻辑功能在
以后的逻辑回路中讲解。
它的工作原理如图10-13所示，双压阀在两个进气口1，一个工作口2，当仅有一个进气口进气如图11-13a、b所示，压缩空气推动阀芯，封住压缩空气的通道，使得工作口2没有压缩空气输出。
如两个进气口1同时有压缩空气输入，若气压相同，阀芯封住一个通道而总有另一个进气口与工作口相通，使得工作口2有压缩空气输出国，如图10-13c所示；若两个进气口输入的压缩空气的压力不同，那么其中压力高者那一端推动阀芯移动，使得压力低的一端进气口与工作口相连，工作口输出低压力的压缩空气。
图10-13c所示为双压阀的职能符号。
注意：
双压阀的控制功能也可以用两个换向阀窜联来实现。
四、任务实施
根据任务要求，利用上述内容设计出如图10-10所示功能图，再根据功能图设计出折弯机控制系统回路图。
1.系统回路图
图10-14折弯机系统控制回路图
如图10-13所示，是根据折弯机的工作要求，设计完成的系统回路图。
为了检查系统回路的下确性，必须对回路加以一定的分析、验证，但从回路中看出整个系统回路没有一定的
序号，而相同的阀没办法表达清楚。
因而为了清楚的表达各个元器件，须对回路中的各个无器件按一定的规律加以编号。
2.元器件的编号方法
现在在气动传动技术中对元器件编号的方式有多种，没有一定统一的标准，如表10－5系统回路中元器件编号规定所示的编号方法，不但能清楚地表示各个元器件，而且能表示出各个元器件在系统中的作用及对应的关系。
表10－5系统回路中元器件编号规定
数字符号
表示含义及规定
1.0、2.0、3.0……
表示各个执行元件。
1.1、2.1、3.1……
表示各个执行元件的未级控制元件（主控阀）。
1.2、1.4、1.6……
2.2、2.4、2.6……
3.2、3.4、3.6……
……
表示控制各个执行元件前冲的控制元件。
1.3、1.3、1.3……
2.3、2.3、2.3……
3.3、3.3、3.3……
……
表示控制各个执行元件回缩的控制元件。
1.02、1.04、1.06……
2.02、2.04、2.06……
1.02、1.04、1.06……
……
表示各个主控阀与执行元件之间的控制执行元件前冲的控制元件。
1.01、1.03、1.05……
2.01、2.03、2.05……
3.01、3.03、3.05……
……
表示各主控阀与执行元件之间的控制执行元件回缩的控制元件。
0.1、0.2、0.3……
表示气源系统的各个元件
根据表10－5的规定，对折弯机控制系统回路图的编号如图10-15所示。
其中图中1.3、
1.4分别表示a1和a2两个行程阀，其中在执行元件边上的短坚线及1.3表示下面行程阀1.3的工作位置。
图10-15折弯系统控制回路图及编号的方法
3.折弯机系统回路的检验
系统控制回路图设计出来后，必须对回路图进行分析，检验回路图是否能够达到所规定的工作要求。
如图10-15所示，在初始位置，压缩空气经主控阀1.1的右位进入气缸1.0的右腔，使得气缸的活塞收回。
由于双压阀的特性，只有在工件到达预设位置，即行程阀1.4被压下左位接通后，同时按下按钮1.2，双压阀1.6才有压缩空气输出，使得主控阀1.1左位接通，经阀1.03进入气缸1.0的左腔，使得气缸伸出。
同时阀1.4在弹簧力的作用下复位，双压阀没有压缩空气输出。
当活塞杆运行到1.3的位置，使得行程阀1.3左位接通，压缩空气使得主控阀1.1右位接通，压缩空气进入气缸1.0的右腔，左腔的空气从快速排气阀排出，使得活塞杆快速收回。
同时阀1.3在弹簧力的作用下复位。
通过分析可以看出，如图10-15所示的折弯系统控制回路图能够满足折弯机的工作要求。
【操作实习】
1.根据图10-15折弯系统控制回路图，找出正确的元器件，并完成表10－6的添写。
表10－6元器件列表
序号
编号
名称
型号
件数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2.合理布局，在操作实验台上完成折弯机控制回路的连接。
3.检验所连接回路是否与分析的动作一致。
4.试着用两个3/2换向阀代替双压阀，检验功能是否一致，并比较两种方法的优缺点。
5.作出图10-4、10-5所示回路的位移—步骤及对回路的元器件时行编号。
6.评分标准
折弯机系统实习操作评分标准
学号：
姓名：
总得分：
序号
评分标准
配分
得分
备注
1
元器件的选择正确。
5
2
表格10－6添写正确
20
3
系统布局合理
5
4
管子连接正确、可靠。
15
5
根据不同要求能调节气压
5
6
双压阀特性代替合理、正确
10
7
10-4、10-5回路图编号正确
10
8
10-4、10-5系统回路的位移—步骤图。
15
8
安全、文明操作
15
【知识链接】
一、压力控制阀的种类及工作原理
在气动控制系统中，控制压缩空气的压力以控制执行元件的输出力或控制执行元件实现顺序动作的阀统称为压力控制阀，它包括调压阀、安全阀、顺序阀及多功能组合阀等。
（一）安全阀
安全阀相当于液压系统中的溢流阀，它在气压系统中限制回路中的最高压力，以防止管路等破裂及损坏，起着过载保护作用。
图10-16安全阀的工作原理
如图10-16所示为安全阀的工作原理。
当系统中气体压力在调定范围内时，作用在阀芯上的压力小于弹簧的力，活塞处于关闭状态，如图11-16a所示。
当系统压力升高，作用在阀芯上的压力大于弹簧的压力时，阀芯向上移动，阀门开启进气与排气口相通，如图11-16c所示。
直到系统压力降到调定范围以下，活塞又重新关闭。
11-16c所示为安全阀的职能符号。
（二）顺序阀
顺序阀是依靠气路中压力的作用而控制执行元件按顺序动作的压力控制阀，如图10-17所示，它根据弹簧的预压缩量来控制其开启压力。
当输出压力小于弹簧设定压力时，工作口没有输出，如图10-17a所示，当输入压力达到或超过开启压力时，顶开弹簧，于是工作口才输出，如图10-17b所示。
图10-17c所示为顺序阀的职能符号。
在实际应用中，顺序阀会很少单独使用，一般与3/2换向阀构成压力顺序阀或与单向阀构成单向顺序阀，这两种阀都是组合阀。
图10-17顺序阀的工作原理
如图10-18a所示为可调压力顺序阀，当控制口12的压力能克服弹簧压力，使得3/2阀换向，输出口2有压缩空气输出，弹簧的设定压力通过手柄可以调节。
这种压力顺序阀动作可靠，而且工作口输出的压缩空气没有压力损失。
图10-18常用顺序阀
如图10-18b所示为单向顺序阀，它由顺序阀和单向阀并联而成，当压缩空气由1口输入时就相当于顺序阀的功能；当压缩空气反向流动时，输入口1侧变成排气口，压缩空气由2口进入，（3）口排出。
二、双气控阀的记忆特性
双气控阀具有“记忆”特性，如图10-19a所示，当控制口12有压缩空气输入，1口与2口相连，使得2口有压缩空气输出，当此后控制口12压缩空气断开后，如图11-19b所示，它仍保持2口有压缩空气输出，也就是当前的位置被“记忆”了下来，直到控制口14有压缩空气输入，如图11-19c所示，位置才发生变化。
在折弯机动作过程中，当双压阀没有压缩空气输出时，主控阀也是由于它的记忆特性，保持左位接通，使得气缸断续伸出。
图10-19双气控阀的记忆特性
课题三压装装置的系统设计
一、任务引入
图10-20压装装置的工作示意图
如图10-20所示为全自动包装机中压装装置的工作示意图，它的工作要求为：
当按下启动按钮后，气缸对物品进行压装，当压实后，停留一段时间后再收回，进行第二次压装，一直如此循环，直到按下停止按钮，气缸才停止动作。
另外在工作位置上没有物品时，压装到a1位置后，气缸也要收回及气缸下压的速度可以调节控制。
试根据上述工作要求完成对压装装置控制回路的设计。
二、任务分析
从压装装置的工作要求中可以看出，要完成此装置的回路设计，须解决好时间控制、速度控制、压力和位置控制的关系以及按下启动按钮后气缸连续控制的方法，而这些控制方法可以借助延时阀、节流阀、梭阀等元器件而达到控制要求，因而须对这些阀的工作原理、特点、职能符号等有较全面的掌握。
三、相关知识
（一）单向节流阀
图10-21单向节流阀工作原理
在压装装置的执行元件压装速度可以用单向节流阀来加以控制，如图10-21所示为单向节流阀的工作原理。
单向节流阀是由单向阀和节流阀并联而成的组合式流量控制阀，它一般安
装在主控阀和执行元件之间进行速度控制。
如图10-21a所示，当压缩空气从接口1流向接口2时，单向阀关闭，压缩空气经节流阀节流通过，节流口的开口大小可以通进调节手柄进行调节；当压缩空气反向流通时，如图10-21b所示，单向阀打开，不经节流快速从接口1排出。
图10-21c为单向节流阀的职能符号。
（二）延时阀
不同控制类型的元件可以组合成一个整体的具有多重特性、多重结构的组合式阀门，称之为组合阀。
延时阀是由3/2阀、单向节流阀和贮气室组合而成，如图10-22a所示，为延时阀的工作原理。
当控制口12有压缩空气进入，经节流阀进入贮气室，单位时间内流入贮气室空气流量的大小有节流阀调节，当贮气室充满压缩空气，建立起能克服弹簧的压力时，3/2阀的阀芯移动，使得工作口2有压缩空气输出。
图10-22b为延时阀的职能符号。
有的延时阀不设有贮气室，那延时时间较短，一般只有0～30秒，有了贮气室延时时间较长。
在时间控制上，若空气洁净，而且压力相对稳定，可以保证准确的切换时间。
图10-22延时阀的工作原理
（三）梭阀
图10-23梭阀的工作原理
梭阀相当于两个单向阀组合的阀，有两个输入口，一个输出口。
如图10-23a所示为梭阀的工作原理。
不管压缩空气从那一个进气口进入时，阀芯将另一面
升级会员 