气动技术的发展现状及其应用前景.pdf

总第 1 3 9期 d o i 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 52 7 9 8 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 1 6 气 动 技 术- 的发 展 现 状 及 其 应 用 前 景 杨 天 兴 兰州城市学院 ， 甘肃 兰州 7 3 0 0 7 0 摘要 气动技术与其它传动技术相比具有安全、 高效、 节能、 寿命长、 成本低和无污染等优点 ， 文章对气动 技术的发展现状和应用前景作 了简要介绍 。 关键词 气动技术； 发展现状； 发展趋势 中图分类号 T H1 3 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 5 2 7 9 8 2 0 1 1 0 4 0 0 3 9 0 3 气动是“ 气动技术” 或“ 气 压传动与控制 ” 的简 称 。气动技术是以空气压缩机 为动力源 ， 以压缩空 气为工作介质 ， 进行能量传递或信号传递 的工程技 术 ， 是实现各种生产控制 、 自动控制的重要手段。在 人类追求与 自然界和平共处 的今天 ， 研究并大力发 展气压传动 ， 对于全球环境与资源保护有着相 当特 殊的意义 。随着工业机械化和 自动化的发展 ， 气动 技术越来越广泛地应用于各个领域里。特别是成本 低廉 、 结构简单的气动 自动装置 已得到 了广泛的普 及与应用 ， 在工业企业 自动化 中具有非常重要 的地 位 。 1 气动技术 的发展历史 气压传动的应用历史非常悠久。早在公元前 ， 埃及人就开始利用风箱产生压缩空气用于助燃 。后 来， 人们懂得用空气作为工作介质传递动力做功， 如 古代利用 自然风力推动风车、 带动水车提水灌溉 、 利 用风能航海。从 1 8世纪的产业革命开始， 气压传动 逐渐被应用于各类行业中， 如矿山用的风钻 、 火车的 刹车装置 、 汽车的 自动开关门等。而气压传动应用 于一般工业中的 自动化 、 省力化则是近些年的事情 。 目前世界各国都把气压传动作为一种低成本的工业 自动化手段应用于工业领域。国内外 自2 0世纪 6 O 年代 以来 ， 随着工业机械化和 自动化 的发展 ， 气动技 术越来越广泛地应用于各个领域里 。目前气压传动 元件的发展速度已超过了液压元件 ， 气压传动已成 为一个独立的专 门技术领域。 2 气动技术的发展现状 2 ． 1 气压传动的优缺点 气压传动与 电气传 动 、 机械传 动 、 液压传 动相 比， 具有如下优缺点。 ‘ 。 1 以空气 为工作介质 ， 容 易取得 ； 用后的空 气排到大气中， 处理方便 ， 与液压传动相比不必设置 回油装置。 2 因空气的粘度很小 ， 流动过程中能量损失 也很小 ， 节能 、 高效 ， 适用于集中供应和远距离输送。 3 与液压 传动 相 比， 气动动作反应快 ， 维护 简单 ， 工作介质清洁 ， 不存在介质变质及补充 等问 题 。 4 工作环境适应性好 ， 特别 适合在易燃 ， 易 爆 ， 多尘埃 ， 强磁 ， 强辐射 ， 振动等恶劣条件下工作 ， 外泄露不污染环境 ， 在食品 、 轻工 、 纺织 、 印刷、 精密 检测等环境 中采用最为适宜 。 5 成本低 ， 过载能 自动保护。 6 由于空气具有可压缩性 ， 因此工作速度稳 定性较差。 7 因工作压力低 一般 0 ． 3～l MP a ， 结构尺 寸不宜过大 ， 总输出力不宜大于 l 0～ 4 0 k N。 8 噪声较大 ， 在高速排气时要加消声器。 9 气动装 置中的气动信号传递速度 比电子 及光速慢， 因此 ， 气动信号传递不适用高速复杂的回 路 。 1 0 因空气 本身无 润滑性能 ， 故在气路 中应 设置给油润滑装置。 2 ． 2气压传动的应用现状 气压传动技术 目前的应用范围相 当广泛 ， 许多 机器设备中装有气压传动系统 ， 在工业各领域 ， 如机 械 、 电子 、 钢铁 、 运输车辆及制造 、 橡胶 、 纺织 、 化工 、 食品、 包装 、 印刷和烟草领域等 ， 气压传动技术已成 为基本组成部分 。在尖端技术领域如核工业和宇航 中， 气压传动技术也占据着重要的地位。 1 机械制造业 。其 中包 括机械加工生产线 上零件的加工和组装 ， 如工件的搬运 、 转位 、 定位、 夹 收稿 臼期 2 0 1 0 ． 1 2 ． 1 3 作者简介 杨天兴 1 9 7 4一 ， 男 ， 甘肃景泰人 ， 硕 士， 副教授 ， 从事液压与气动技术 的教学与研究工作 。 3 9 2 0 1 1 耳4月 杨天兴 气动技术的发展现状及其应用前景 第2 0卷第4期 紧、 进给 、 装卸 、 装配、 清洗 、 检测等工序； 冷却 、 润滑 液的控制等； 铸造生产线上的造型、 捣固、 合箱等。 2 汽车制造业 。其中包括焊装生产线 、 车体 部件 自动搬运与固定 、 自动焊接、 夹具 、 输送设备 、 组 装线、 涂装线 、 发动机 、 轮胎生产装备等方面。 3 电子 I c及电器行业。如用于硅片的搬运 ， 元器件的插装与锡焊， 彩电、 冰箱的装配生产线等 。 I c芯片的制造工艺条件 、 制造 环境 的要求非常苛 刻 ， 在 I C芯片的制造 中采用 了大量高真空 “ 无尘” 超洁净的气动元件 。 4 石油 、 化工业 、 介质管道运输送业。用管 道输送介质的 自动化流程绝大多数采用气动控制 ， 如石油提炼加工、 气体加工 、 化肥生产等。 5 轻工食品包装业。其 中包括各种半 自动 或全自动包装生产线 ， 例如 酒类、 油类 、 煤气罐装 ， 聚乙烯、 化肥和各种食品的包装等。 6 机器人 。例 如装 配机器人 ， 喷漆机器人 ， 搬运机器人以及爬墙 、 焊接机器人等。 7 其它。如 车辆刹车装置 ， 车 门启闭装置 ， 颗粒物质筛选， 鱼雷导弹 自动控制装置等。 目前各种 动工具的广泛使用 ， 也是气动技术 应用的一个组成部分。气动技术还应用在 自动喷气 织布机、 自动清洗机 、 冶金机械 、 印刷机械 、 建筑机 械 、 农业机械 、 制鞋机械 、 塑料制品生产线 、 人造革生 产线 、 玻璃制品加工线等许多场合。 3 气动技术的发展趋势 1 小型化、 节能化 。气动元件的有些使用场 合主要是满足在有限的空间要求气动元件外形尺寸 尽量小的要求 。小型化是主要发展趋势 。微型气动 元件不但用于机械加工及电子制造业 ， 而且用于制 药业 、 医疗技术、 包装技术等。在这些领域 中， 已经 出现活塞直径小于 2 ． 5 m m 的气缸 、 宽度为 1 0 m m 的气阀及相关的辅助元件 ， 并正在向微型化及系列 化方向发展。如可以用于小型和微型机械设备场合 的 C J P针笔型气缸缸径小至2 ． 5～1 5 mm ； 薄型气 缸 C U系列、 C Q 2系列、 MU系列气缸属节省安装空 间型气缸。气动元件 的低功耗能够节约能源 ， 并能 更好地与微电子技术相结合。功耗≤0 ． 5 w 的电磁 阀已开发和商品化 ， 可由计算机直接控制。S MC生 产的数十种系列低功耗与微 电子化 电磁 阀中， 电磁 铁的消耗功率大都在 1 ． 8 w 以下 ， 小型阀有的功率 仅为 0 ． 4 5 W， 盲 动 型 阀 的 功 率 一 般 也 都 小 于 4 W 。节能气枪 V MG系列就是通过气枪 内部流 路和喷嘴的优化设计 ， 使压缩空 气的消耗量 降低 5 0 ％ 一 7 5 ％ 。在美国， 压缩空气系统 的总功率 已 4 0 超过 1 2 ． 71 0 k W。在压缩空气系统的寿命周期 费用中， 动力费用是唯一最大的费用 ， 一般超过寿命 周期总费用的 3 0 ％， 差的情况下可达 4 0 ％ ～5 0 ％， 良好情况 下可 能只 占 1 0 ％ ～ 2 0 ％ L s J 。 2 组合 化、 集成化。最常见 的组合是带阀、 带开关气缸。在物料搬运 中， 还使用了气缸、 摆动气 缸 、 气动夹头和真空吸盘 的组合体， 同时配有电磁 阀、 程控器 ， 结构紧凑， 占用空间小 ， 行程可调。这些 具有组合功能的气缸 ， 大大方便 了用户的选择与使 用。可以说 ， 市场的需求 ， 技术的竞争把气缸的发展 带入到一个多样化 的新时代。气动元件过滤器 、 减 压阀和油雾分离器集成 的气动三大件 F 、 R、 L 用于 空气调质 ， 根据用户的不 同要求 ， 可以考虑有不同的 组合 。 3 精密化。目前开发 了非圆活塞气缸、 带导 杆气缸等可减小普通气缸活塞杆工作时的摆转； 为 了使气缸精确定位开发了制动气缸等。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 ． 0 1 m m。在精密气缸方面已开发 了0 ． 3 m m ／ s 低速气缸和承载力为 0 ． 0 1 N的微小气 缸。在气源处理 中， 过滤精度 0 ． 0 1 m i l l ， 过滤效率为 9 9 ． 9 9 9 9 ％的过滤器和灵敏度 0 ． 0 0 1 MP a的减压阀 业 已开发 出来 。 4 高速化 。目前气缸的活塞速度范围为 5 0 ～ 7 5 0 m m ／ s 。为了提高生产率 ， 自动化 的节拍正在 加快。今 后 要 求 气 缸 的 活 塞 速 度 提 高 到 5 1 0 m ／ s 。与此相应 ， 阀的响应速度也将加快， 要求由 现在的1 ／ 1 0 0 秒级提高到 1 ／ 1 0 0 0秒级。气缸的高 速化发展对提高装置 的生产效率有着重要意义 ， 近 年来 S M C、 C K D、 T A I Y O、 O R I G A、 N O R G R E N、 ME C ME N等公司研制的无活塞杆气缸的速度都 已达到 2 m ／ s 以上 ， 其 它类 型 的高速 气缸甚至达 到了 3 4 m ／ s 的速度 。 5 无油、 无味 、 无 菌化。 由于人类对环境 的 要求越来越高， 不希望气动元件排放 的废气带油雾 污染环境 ， 因此无油润滑的气动元件将会普及。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出来 。前田商用 服务 株 公司研制出了水滴为零 、 油雾 9 9 ． 9 9 ％、 过 滤精度为 0 ． 1 m的抗菌 、 除菌空气过滤器， 广泛用 于食 品工厂 。 6 高寿命、 高可靠性。气动元件大多用于 自 动化生产中， 元件的故障往往会影响设备的运行 ， 使 生产线停止工作， 造成严重的经济损失 ， 因此， 对气 动元件的工程可靠性提 出了更高的要求。以第二汽 杨天兴 气动技术的发展现状及其应用前景 第加 冬苇4 期 车制造厂 8 O年代的生产水平为例 ， 如果空气压缩机 发生 故 障 ， 影 响装 车 l 天 ， 会 造 成 8 0 0万 元 的损 失 。 7 智能化。智能气动是指具 有集成微处理 器 ， 并具有处理指令和程序控制功能的元件或单元。 最典型的智能气动是内置可编程控制器 的阀岛 ， 以 阀岛和现场总线技术的结合实现的气电一体化是 目 前气动技术 的一个发展方 向⋯J 。气动机器人和机 械手在技术上已经获得 了很大的发展并迈人 了一个 新阶段 ， 在工业 自动化 系统 中得 到 了广泛 的应用 。 2 0世纪 9 0年代初 ， Y ． B a n d o教授采用 了世界上著 名的德国 F E S T O公司生产的气动元件 、 可编程控制 器和传感器等 ， 创造 了一个“ 阿基里斯” 六脚勘探员 气动机器人。 。 。它能在人 不易进入的危险区域 、 污 染或放射性的环境中进行地形侦察。 8 机 电一体化。为 了精确 达到预定 的控制 目标 ， 应采用闭路反馈控制方式。为 了实现这种控 制方式要解决计算机的数字信号 ， 传感器反馈模拟 信号和气动控制气压或气流量三者之间的相互转换 问题。 目前市场上， 先进 的厂家提供 的气一 电一体 化气控单元 ， 如 F E S T O公司的阀岛， 已包含传感器 、 总线接 口、 可编程控制等各种功能 ； 而在气缸上 ， 除 常见的机械功能 以外 ， 多维动作的组合或兼有伺服 调节作 用 的位 移 传 感 功 能 等 ， 也 已 不 再 成 为 难 题 。气动技术与电子技术 的结合则为现代气动 技术提供了更广阔的发展空间； 阀岛技术 ， 气动伺服 定位系统 ， 气动比例控制元件作为三种最为成功的 电一气一体化产品， 给现代气动技术 的发展注入了 极大活力 ， 气动伺服 系统更是 被誉 为“ 气动技术 今 后高科技发展的火车头” l l 。 9 真空技术 。真空技 术是气动技术领域 中的一个重要分支 ， 在工业生产 中， 作为吸盘机械手 得以广泛的应用 ， 因此很多气动企业都非常重视真 空元器件的开发研制工作。 1 0 应用新技术 、 新工艺 、 新材料 。在气动元 件制造中， 型材挤压 、 铸件浸渗和模块拼装等技术 已 在国内广泛应用 ； 压铸新技术 液压抽芯、 真空压铸 等 目前 已在国内逐步推广 ； 压 电技术 、 总线技 术 ， 新型软磁材料 、 透析滤膜等正在被逐步应用 。 4 结语 气动技术是一 门多学科性技术 ， 既涉及到传动 技术， 又涉及到控制技术。气动技术未来几年的主 要发展方向， 主要还是在器件的高精度、 小型化、 复 合化 、 智能化、 集成化和节能化等方面。为了适应工 业 自动化领域的需求 ， 经过研究者多年来不断努力 ， 推 出了许多新元件 ， 在很 多场合替代 了过去的机械 控制、 液压控制及电器控制形式} 尤其是在智能化和 网络化方面 ， 对中央控制或集散控制 的方式选择上 产 生很 大 的影 响 。可 以预料 ， 气 动技 术 将得 到 更 大 的发展并在工业 自动化系统中得到更广泛的应用。 参考文献 [ 1 ] 张宏友． 液压与气动技术[ M] ． 大连 大连理工大学出 版社 ， 2 0 o 8 ． [ 2 ] 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学 出版社 ， 1 9 9 8 ． [ 3 ] 左健民． 液压与气压传动 [ M] ．第 2版． 北京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 4 ] 董宗彬． 气动人工肌肉伺服系统的位置控制研究[ D] ． 兰州 兰州理工大学 ， 2 0 0 7 ． [ 5 ] 李培珍 ， 尹玉亮， 顾总磊． 气动技术的应用及其元件发 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