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【摘 要】在现代制造技术中，气动技术发挥着越来越重要的作用，不管是哪个制造行业，现代气动技术已占据着不可忽视的地位。现代气动技术具有着结构简单、成本低、可靠性高、使用寿命长等等优点。现代汽车制造行业当中，不断追求着自动化率高、生产成本低以及设备运行稳定的高标准、高质量的工程理念。汽车制造，不论是冲压、焊装、涂装还是总装都包含着气动技术，气动技术在汽车行业的各大车间随处可见。
【关键词】气动技术;控制;压力;阀;气缸
0引言
近年来，气动技术在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大的提高了制造业的生产效率和产品质量，现代气动技术与电子技术的结合为大规模工业自动化生产线、生产系统与装备的实现提供了更多的技术选择与应用平台。以汽车制造业为例，焊装生产线、夹具、机器人、输送设备、组装线、涂装线、发动机与轮胎生产装备上，气动技术无所不在，大显身手。气压传动以其洁净、小型轻量化、集成化等突出优点，作为易于推广、普及的机电一体的技术代表，广泛地应用于机械、化工、包装、印刷、轻工、汽车等现代制造行业领域。
1气动技术的特点
20世纪80年代以来，自动化、省力化得到迅速发展。自动化、省力化的主要方式有：机械方式、电子方式、液压方式和气动方式等。这些方式都有各自的优缺点及其最适合的使用范围。表1经出了各种动力传动和控制方式的比较。任何一种方式都不是万能的，在实现生产设备、生产线的自动化、省力化时，必须对各种技术进行比较，扬长避短，选出最适合方式或几种方式的恰当组合，以使装备做到更可靠、更经济、更安全、更简单。
表1：各种传动与控制方式的比较
机械方式 电子方式 液压方式 气动方式
驱动力 较小 小 大 较大
构造 一般 复杂 比较复杂 简单
配线、配管 无 复杂 复杂 复杂
定位精度 良好 良好 良好 不良
维护 簡单 技术要求高 简单 简单
信号转换 难 易 难 较难
速度调节 较难 易 易 易
价格 低 高 高 较低
2气动系统的组成
2.1气源处理元件
从空压机输出的压缩空气中，含有大量的水分、油分和粉尘等污染物，必须适当清除这些污染物，以避免它们对气动系统的正常工作造成危害。水分会造成管道及金属零件腐蚀生锈，使弹簧失效或断裂;在寒冷地区以及在元件内的高速流动区，由于温度太低，水分会结冰，造成元件动作不良、管道冻结或冻裂;管道及元件内滞留的冷凝水，会导致流量不、压力损失增大、甚至造成阀的动作失灵;冷凝水混入润滑油中，会使润滑油变质;液态水会冲洗掉润滑脂，导致润滑不良。油分变质后粘度会增大，从液态逐渐固态化而形成焦油状物质。它会使橡胶及塑料材料变质和老化;或者堵塞小孔，影响元件性能。粉尘及铁屑会使相对运动件产生磨损，造成元件动作不良，甚至卡死;粉尘会加速过虑器虑芯的堵塞、增大流动阻力;粉尘等会加速密封件损伤，导致漏气。
2.2气动控制元件
在气压传动和控制系统中，气动控制元件是用来控制和调节压缩空气的压力、流量和方向的，使气动执行元件机构获得必要的力、动作速度和正确的运动方向，并按规定的程序工作。按气动控制元件的作用，可分为压力控制阀、流量控制阀和比例控制阀三种，具体结构如图1所示。
图1：三联件组成示意图
2.2.1压力控制元件
调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀，它包括减压阀（调压阀）、安全阀（溢流阀）、顺序阀、压力比例阀、增压阀及多功能组合阀等。减压阀是出口侧压力可调（但低于进口侧压力），并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀;安全阀是为了防止元件和管路等的破坏，而限制回路最高压力的阀。超过最高压力就自动放气。溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时，使部分气体从排气侧放出，以保持回路内的压力在规定值的阀。溢流阀和安全阀的作用不同，但结构原理基本相同;顺序阀是当进口压力或先导压力达到设定值时，便允许从进口侧向出口侧流动的阀，使用它可依据气压的大小来控制气动回路中各元件动作的先后顺序。顺序阀常与单向阀并联，构成单向压力顺序阀;压力比例阀是输出压力与输入信号（电压或者电流）成比例变化的阀;增压阀是出口压力比进口压力高的阀。
2.2.2流量控制元件
在气动系统中，对气缸运动速度、信号延迟时间、油雾的滴油量、气缓冲气缸的缓冲能力等的控制，都是依靠控制流量来实现的。控制流量的方法很多，大致可分成两类。一类是不可调的流量控制，如细长管、孔板等;另一类是可调的流量控制，如喷嘴挡板机构、各种流量控制阀等。控制压缩空气流量的阀称为流量控制阀。
2.2.3方向控制元件
能改变气体流动方向或通断的控制阀称为方向控制阀。例如，向气缸一端进气，并从另五端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气，这种流动方向的改变，使用到的就是方向控制阀。方向控制元件的品种规格相当多，选用时要了解其分类以及掌握它们的特征。常见的分类方式有几种：按控制方式分可分为电磁控制、气压控制、人力控制和机械控制四种阀;按动作方式可分为直动式换向阀和先导式换向阀;按阀芯的工作位置数可分为二位二通阀、二位三通阀、三位三通阀、三位四通阀、三位五通阀;按阀芯结构形式可分为滑柱式、座阀式、滑板式;按密封形式可分为弹性密封和间隙密封。
2.3气动执行元件
将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构直线往复运动、摆动和旋转运动的元件，称为气动执行元件。作直线运动的气缸可输出力，作摆动的气缸和作旋转运动的气马达可输出力矩，气爪和真空吸盘可拾放物体。在气动执行元件中，使用最多的是作直线运动的气缸，因此，着重介绍作直线运动的气缸。 气缸分类：按气缸缸径大小分类，有微型缸（Ф10mm以下）、小型缸（Ф10mm～Ф25mm）、中型缸（Ф32mm～Ф100mm）、大型缸（大于Ф100mm）;按安装形式分类，有基本型、脚座型、杆侧法兰型、无杆侧法兰型、单耳环型、双耳环型、耳轴型;按缓冲形式分类，有弹性缓冲和气缓冲;按驱动形式分类，有单作用和双作用。
气缸的基本构造：由于气缸的使用目的不同，气缸的构造是多种多样的，最常用的是单杆双作用气缸。图2就是单杆双作用气缸为例，说明气缸的基本构造：
图2：气缸内部结构示意图
双作用气缸都的活塞前进或后退都能输出力（推力或拉力），结构相对简单，行程可以根据使用需要选择，如图2，对气缸基本构造的主要部分进行说明：
（1）缸筒：一般缸筒内表面的粗糙度应达到0.8μm，对于钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减少摩擦阻力和磨损，其材质除了高碳钢，还使用高强度铝合金、黄铜和不锈钢。
（2）端盖：端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构，杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内，以前端盖常用可锻铸铁，现在常用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材质的。
（3）导向套：提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸的使用寿命。通常使用烧结含油合金、铅青铜铸件。
（4）活塞：活塞是受压力零件，活塞上设有密封圈、耐磨环，耐磨环可提高气缸的导向必，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦力，通常材料使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材质，活塞的材质通常用铝合金和铸铁，小型缸有用黄铜制成的。
（5）通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，提高密封圈的耐磨性。
3.气动元件的选型及典型回路设计
3.1气缸的选用
（1）预选气缸的缸径：根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F;根据负载的运动状态，预选气缸的负载率η。对于静负载（夹紧、低速铆接等）η≤70%，对于气缸速度在50～500mm/s范围内的水平或垂直运动η≤50%，对于气缸速度在500mm/s以上至最大运动速度范围内η≤30%;根据气源供气条件，确定气缸的使用压力P（P应小于减压阀进口侧压力的85%）。根据理论输出推力（即活塞杆伸出）F=π/4*D?*P求出气缸缸径D。
（2）预选气缸行程：根据气缸的操作距离及传动机构的行程比来选择气缸的行程。为了便于安装调试，对计算出的行程要留有余量。应尽量选择标准行程，可保证供货迅速，成本低廉.
（3）选择气缸的品牌、系列：根据气缸承担任务的要求及各设计者的需求来选择气缸的品牌及系列。
（4）选择安装形式：不同系列气缸有不同的安装形式，而各系列亦有多种安装形式可供选择，应根据气缸的不同用途来选择安装形式。主要安装形式有基本型、脚座型、法兰型、耳环型、耳轴型等。
（5）根据设计需求及用途选定气缸的缓冲形式，并且验算一下缓冲能力是否符合要求。气缸缓冲有橡胶缓冲（弹性缓冲）、气缓冲，如果气缸无缓冲或者气缸自带缓冲力不足，可选择外部安装液压缓冲器。
（6）选择磁性开关：气缸位置检测用的磁性开关，其品种规格很多，也有多种接线方式和安装方式，使用磁性开关的先决条件是使用气缸内置磁环。
（7）选择合适的气缸配件：根据机械设计的需要，选择活塞杆端的接头配件。活塞杆端接头有肘接头和浮动接头。使用浮动接头可避免工件与活塞杆的轴向偏心问题。
3.2阀的选用
（1）根据使用目的和使用条件，选择结构形式。
（2）根据控制要求，选择控制方式。控制方式有电磁控制、气压控制、机械控制、人力控制。设计时可参照对比几种控制方式的优缺点，结合工艺要求选择阀的控制方式。
（3）根据工作需求，选择阀的机能。阀的机能有单控和双控、二位和三位、零位中封和中泄等等各类功能，设计时根据需求选择最合适类型。
（4）根据流通能力的要求或阀的有效截面积大小，预选阀的系列型号。再考虑选择阀的连接方式，连接方式有管式、板式和集装式。最后按工作条件和性能要求，最终确定阀的具体型号。阀的工作条件应考虑是否需要油雾润滑、环境和介质温度范围、防振动、防尘防爆等能力。除此之外，對电磁阀而言，应考虑阀的响应时间和最大动作频度;对气控阀而言，应考虑阀的最低先导压力。
（5）电气规格的选择：对电磁阀来说，应选择电源种类、电压大小、功率大小、导线引出方式、先导阀的手动操作方法，是否需要有指示灯和冲击电压保护装置等各功能。
3.3气源处理的选用
根据使用地点的空气质量以及下一级气动元件对空气质量的要求，适当选用气源处理元件。为了得到多种功能，将过虑器、减压阀和油雾器等元件进行不同的组合，各元件之间采用模块式连接方式。这种方式安装简单，密封性好，易于实现标准化、系列化，节省空间，便于维修和集中管理。气源处理的部分功能，如残压释放阀、压力检测开关、快插耦合接头等可根据不同的使用情况进行选用。
4结束语
气动系统的设计及气动元件的选型应根据气动系统提出的性能要求，考虑到安全性及可能会出现的故障，按最新产品样本和资料来决定气动元件的规格。必要时，还应做相应的分析和试验。气动系统回路设计完后，安装时要严格按图安装。使用前要对每个动作进行调试运行，确保动作无误、能达到使用要求再投入使用。第一次调试动作时，尽量把速度调慢，后期即将投产运行后再把速度慢慢提高。
参考文献：
[1]机械工业出版社编.机械设计手册[M].机械工业出版社， 2010.
[2] SMC（中国）有限公司编.现代实用气动技术[M]. 机械工业出版社， 1998 .
[3]吴卫荣.气动技术[M].中国轻工业出版社.2010.
作者简介：
农振（1987.04--），男，大学本科，广西横县人，助理工程师，现任职于上汽通用五菱汽车股份有限公司，主要从事夹具控制设计方面的工作。
【关键词】气动技术;控制;压力;阀;气缸
0引言
近年来，气动技术在各种自动化生产装备和生产线中得到了广泛的应用，极大的提高了制造业的生产效率和产品质量，现代气动技术与电子技术的结合为大规模工业自动化生产线、生产系统与装备的实现提供了更多的技术选择与应用平台。以汽车制造业为例，焊装生产线、夹具、机器人、输送设备、组装线、涂装线、发动机与轮胎生产装备上，气动技术无所不在，大显身手。气压传动以其洁净、小型轻量化、集成化等突出优点，作为易于推广、普及的机电一体的技术代表，广泛地应用于机械、化工、包装、印刷、轻工、汽车等现代制造行业领域。
1气动技术的特点
20世纪80年代以来，自动化、省力化得到迅速发展。自动化、省力化的主要方式有：机械方式、电子方式、液压方式和气动方式等。这些方式都有各自的优缺点及其最适合的使用范围。表1经出了各种动力传动和控制方式的比较。任何一种方式都不是万能的，在实现生产设备、生产线的自动化、省力化时，必须对各种技术进行比较，扬长避短，选出最适合方式或几种方式的恰当组合，以使装备做到更可靠、更经济、更安全、更简单。
表1：各种传动与控制方式的比较
机械方式 电子方式 液压方式 气动方式
驱动力 较小 小 大 较大
构造 一般 复杂 比较复杂 简单
配线、配管 无 复杂 复杂 复杂
定位精度 良好 良好 良好 不良
维护 簡单 技术要求高 简单 简单
信号转换 难 易 难 较难
速度调节 较难 易 易 易
价格 低 高 高 较低
2气动系统的组成
2.1气源处理元件
从空压机输出的压缩空气中，含有大量的水分、油分和粉尘等污染物，必须适当清除这些污染物，以避免它们对气动系统的正常工作造成危害。水分会造成管道及金属零件腐蚀生锈，使弹簧失效或断裂;在寒冷地区以及在元件内的高速流动区，由于温度太低，水分会结冰，造成元件动作不良、管道冻结或冻裂;管道及元件内滞留的冷凝水，会导致流量不、压力损失增大、甚至造成阀的动作失灵;冷凝水混入润滑油中，会使润滑油变质;液态水会冲洗掉润滑脂，导致润滑不良。油分变质后粘度会增大，从液态逐渐固态化而形成焦油状物质。它会使橡胶及塑料材料变质和老化;或者堵塞小孔，影响元件性能。粉尘及铁屑会使相对运动件产生磨损，造成元件动作不良，甚至卡死;粉尘会加速过虑器虑芯的堵塞、增大流动阻力;粉尘等会加速密封件损伤，导致漏气。
2.2气动控制元件
在气压传动和控制系统中，气动控制元件是用来控制和调节压缩空气的压力、流量和方向的，使气动执行元件机构获得必要的力、动作速度和正确的运动方向，并按规定的程序工作。按气动控制元件的作用，可分为压力控制阀、流量控制阀和比例控制阀三种，具体结构如图1所示。
图1：三联件组成示意图
2.2.1压力控制元件
调节和控制压力大小的气动元件称为压力控制阀，它包括减压阀（调压阀）、安全阀（溢流阀）、顺序阀、压力比例阀、增压阀及多功能组合阀等。减压阀是出口侧压力可调（但低于进口侧压力），并能保持出口侧压力稳定的压力控制阀;安全阀是为了防止元件和管路等的破坏，而限制回路最高压力的阀。超过最高压力就自动放气。溢流阀是在回路中的压力达到阀的规定值时，使部分气体从排气侧放出，以保持回路内的压力在规定值的阀。溢流阀和安全阀的作用不同，但结构原理基本相同;顺序阀是当进口压力或先导压力达到设定值时，便允许从进口侧向出口侧流动的阀，使用它可依据气压的大小来控制气动回路中各元件动作的先后顺序。顺序阀常与单向阀并联，构成单向压力顺序阀;压力比例阀是输出压力与输入信号（电压或者电流）成比例变化的阀;增压阀是出口压力比进口压力高的阀。
2.2.2流量控制元件
在气动系统中，对气缸运动速度、信号延迟时间、油雾的滴油量、气缓冲气缸的缓冲能力等的控制，都是依靠控制流量来实现的。控制流量的方法很多，大致可分成两类。一类是不可调的流量控制，如细长管、孔板等;另一类是可调的流量控制，如喷嘴挡板机构、各种流量控制阀等。控制压缩空气流量的阀称为流量控制阀。
2.2.3方向控制元件
能改变气体流动方向或通断的控制阀称为方向控制阀。例如，向气缸一端进气，并从另五端排气，再反过来，从另一端进气，一端排气，这种流动方向的改变，使用到的就是方向控制阀。方向控制元件的品种规格相当多，选用时要了解其分类以及掌握它们的特征。常见的分类方式有几种：按控制方式分可分为电磁控制、气压控制、人力控制和机械控制四种阀;按动作方式可分为直动式换向阀和先导式换向阀;按阀芯的工作位置数可分为二位二通阀、二位三通阀、三位三通阀、三位四通阀、三位五通阀;按阀芯结构形式可分为滑柱式、座阀式、滑板式;按密封形式可分为弹性密封和间隙密封。
2.3气动执行元件
将压缩空气的压力能转换为机械能，驱动机构直线往复运动、摆动和旋转运动的元件，称为气动执行元件。作直线运动的气缸可输出力，作摆动的气缸和作旋转运动的气马达可输出力矩，气爪和真空吸盘可拾放物体。在气动执行元件中，使用最多的是作直线运动的气缸，因此，着重介绍作直线运动的气缸。 气缸分类：按气缸缸径大小分类，有微型缸（Ф10mm以下）、小型缸（Ф10mm～Ф25mm）、中型缸（Ф32mm～Ф100mm）、大型缸（大于Ф100mm）;按安装形式分类，有基本型、脚座型、杆侧法兰型、无杆侧法兰型、单耳环型、双耳环型、耳轴型;按缓冲形式分类，有弹性缓冲和气缓冲;按驱动形式分类，有单作用和双作用。
气缸的基本构造：由于气缸的使用目的不同，气缸的构造是多种多样的，最常用的是单杆双作用气缸。图2就是单杆双作用气缸为例，说明气缸的基本构造：
图2：气缸内部结构示意图
双作用气缸都的活塞前进或后退都能输出力（推力或拉力），结构相对简单，行程可以根据使用需要选择，如图2，对气缸基本构造的主要部分进行说明：
（1）缸筒：一般缸筒内表面的粗糙度应达到0.8μm，对于钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减少摩擦阻力和磨损，其材质除了高碳钢，还使用高强度铝合金、黄铜和不锈钢。
（2）端盖：端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构，杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内，以前端盖常用可锻铸铁，现在常用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材质的。
（3）导向套：提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸的使用寿命。通常使用烧结含油合金、铅青铜铸件。
（4）活塞：活塞是受压力零件，活塞上设有密封圈、耐磨环，耐磨环可提高气缸的导向必，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦力，通常材料使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材质，活塞的材质通常用铝合金和铸铁，小型缸有用黄铜制成的。
（5）通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，提高密封圈的耐磨性。
3.气动元件的选型及典型回路设计
3.1气缸的选用
（1）预选气缸的缸径：根据气缸的负载状态，确定气缸的轴向负载力F;根据负载的运动状态，预选气缸的负载率η。对于静负载（夹紧、低速铆接等）η≤70%，对于气缸速度在50～500mm/s范围内的水平或垂直运动η≤50%，对于气缸速度在500mm/s以上至最大运动速度范围内η≤30%;根据气源供气条件，确定气缸的使用压力P（P应小于减压阀进口侧压力的85%）。根据理论输出推力（即活塞杆伸出）F=π/4*D?*P求出气缸缸径D。
（2）预选气缸行程：根据气缸的操作距离及传动机构的行程比来选择气缸的行程。为了便于安装调试，对计算出的行程要留有余量。应尽量选择标准行程，可保证供货迅速，成本低廉.
（3）选择气缸的品牌、系列：根据气缸承担任务的要求及各设计者的需求来选择气缸的品牌及系列。
（4）选择安装形式：不同系列气缸有不同的安装形式，而各系列亦有多种安装形式可供选择，应根据气缸的不同用途来选择安装形式。主要安装形式有基本型、脚座型、法兰型、耳环型、耳轴型等。
（5）根据设计需求及用途选定气缸的缓冲形式，并且验算一下缓冲能力是否符合要求。气缸缓冲有橡胶缓冲（弹性缓冲）、气缓冲，如果气缸无缓冲或者气缸自带缓冲力不足，可选择外部安装液压缓冲器。
（6）选择磁性开关：气缸位置检测用的磁性开关，其品种规格很多，也有多种接线方式和安装方式，使用磁性开关的先决条件是使用气缸内置磁环。
（7）选择合适的气缸配件：根据机械设计的需要，选择活塞杆端的接头配件。活塞杆端接头有肘接头和浮动接头。使用浮动接头可避免工件与活塞杆的轴向偏心问题。
3.2阀的选用
（1）根据使用目的和使用条件，选择结构形式。
（2）根据控制要求，选择控制方式。控制方式有电磁控制、气压控制、机械控制、人力控制。设计时可参照对比几种控制方式的优缺点，结合工艺要求选择阀的控制方式。
（3）根据工作需求，选择阀的机能。阀的机能有单控和双控、二位和三位、零位中封和中泄等等各类功能，设计时根据需求选择最合适类型。
（4）根据流通能力的要求或阀的有效截面积大小，预选阀的系列型号。再考虑选择阀的连接方式，连接方式有管式、板式和集装式。最后按工作条件和性能要求，最终确定阀的具体型号。阀的工作条件应考虑是否需要油雾润滑、环境和介质温度范围、防振动、防尘防爆等能力。除此之外，對电磁阀而言，应考虑阀的响应时间和最大动作频度;对气控阀而言，应考虑阀的最低先导压力。
（5）电气规格的选择：对电磁阀来说，应选择电源种类、电压大小、功率大小、导线引出方式、先导阀的手动操作方法，是否需要有指示灯和冲击电压保护装置等各功能。
3.3气源处理的选用
根据使用地点的空气质量以及下一级气动元件对空气质量的要求，适当选用气源处理元件。为了得到多种功能，将过虑器、减压阀和油雾器等元件进行不同的组合，各元件之间采用模块式连接方式。这种方式安装简单，密封性好，易于实现标准化、系列化，节省空间，便于维修和集中管理。气源处理的部分功能，如残压释放阀、压力检测开关、快插耦合接头等可根据不同的使用情况进行选用。
4结束语
气动系统的设计及气动元件的选型应根据气动系统提出的性能要求，考虑到安全性及可能会出现的故障，按最新产品样本和资料来决定气动元件的规格。必要时，还应做相应的分析和试验。气动系统回路设计完后，安装时要严格按图安装。使用前要对每个动作进行调试运行，确保动作无误、能达到使用要求再投入使用。第一次调试动作时，尽量把速度调慢，后期即将投产运行后再把速度慢慢提高。
参考文献：
[1]机械工业出版社编.机械设计手册[M].机械工业出版社， 2010.
[2] SMC（中国）有限公司编.现代实用气动技术[M]. 机械工业出版社， 1998 .
[3]吴卫荣.气动技术[M].中国轻工业出版社.2010.
作者简介：
农振（1987.04--），男，大学本科，广西横县人，助理工程师，现任职于上汽通用五菱汽车股份有限公司，主要从事夹具控制设计方面的工作。