作者： 春華秋實，公眾號：工控實踐課

氣缸是一種機械裝置，它利用壓縮空氣的能量以線性方式產(chǎn)生力和運動。氣缸必須配合電磁閥、氣管、氣管接頭、調(diào)壓閥、空壓機等組成氣動系統(tǒng)才能正常工作。本文敘述一下氣動系統(tǒng)的基本知識和用法，希望對需要的朋友一些幫助。

1氣缸

氣缸可分為多種類型。有活塞桿氣缸、無桿氣缸、回轉(zhuǎn)氣缸、串聯(lián)和多位置氣缸、夾緊氣缸等。氣缸中較為常見和眾所周知的是帶有活塞桿的氣缸。兩種較為常見的帶有活塞桿的氣缸是單作用氣缸 (SAC) 和雙作用氣缸 (DAC)。

單作用氣缸在活塞的一側(cè)可以進氣放氣,另一側(cè)靠彈簧復(fù)位。單作用氣缸一般長下面這個樣子:

雙作用氣缸在活塞的兩個各有一個進氣排氣口，可以實現(xiàn)兩個方向的推動，雙作用氣缸一般長這樣：

回轉(zhuǎn)氣缸可以輸出一定角度范圍的回轉(zhuǎn)運動，原理圖如下所示。當氣體從2進從4出時，氣缸兩端的活塞呈遠離運動，通過齒輪齒條帶動輸出件逆時針旋轉(zhuǎn)。當氣體從4進從2出時，氣缸兩端的活塞呈靠近運動，通過齒輪齒條帶動輸出件順時針旋轉(zhuǎn)。

選擇氣缸時首先根據(jù)功能要求選擇氣缸的類型，然后根據(jù)載荷情況選擇缸徑，然后選擇氣缸行程。同時要兼顧結(jié)構(gòu)空間，既要保證氣缸力量足夠，又要保證結(jié)構(gòu)緊湊合理。

氣缸的缸徑指的就是內(nèi)徑。一般來說氣源的壓力為6bar左右也就是0.6Mpa，那么氣缸的出力為6Kg/cm^2^，假如需要氣缸出力為100Kg，氣缸內(nèi)徑的計算公式如下：

D=（100/（6*3.14））^1/2^= 2.3（cm）

考慮安全系數(shù)1.0-1.3 ,實際的缸徑為3cm,即30mm。

行程需要根據(jù)使用的場合和機構(gòu)操作空間進行選擇，但一般不選用滿行程，防止活塞和缸蓋相碰。如用于夾緊機構(gòu)等，應(yīng)按計算所需的行程增加10~20mm的余量。

2 電磁閥

無論什么氣缸，都需要靠電磁閥來控制。電磁閥有很多種類型，有直動式電磁閥、分步直動式電磁閥、先導(dǎo)式電磁閥。直動式電磁閥：通電時，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。特點：在真空、負壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。分步直動式電磁閥是一種直動和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理，當入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門打開。當入口與出口達到啟動壓差時，通電后，電磁力先導(dǎo)小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時，先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動關(guān)閉件，向下移動，使閥門關(guān)閉。特點：在零壓差或真空、高壓時亦能可動作，但功率較大，要求必須水平安裝。先導(dǎo)式電磁閥通電時，電磁力把先導(dǎo)孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關(guān)閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動關(guān)閉件向上移動，閥門打開；斷電時，彈簧力把先導(dǎo)孔關(guān)閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關(guān)閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動關(guān)閉件向下移動，關(guān)閉閥門。特點：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝（需定制）但必須滿足流體壓差條件。

一般應(yīng)用時要關(guān)注它是幾通幾位，幾位指電磁閥有幾種狀態(tài),幾通指電磁閥上有幾個通氣孔。單作用氣缸一般使用兩位三通閥，電磁閥符號（常開和常閉）如下：

雙作用氣缸一般使用兩位五通閥或者三位五通閥，兩者的區(qū)別是兩位五通閥無法使氣缸停在中間位置，而三位五通閥卻可以。

兩位五通單電控 兩位五通雙電控

單電控是指只有一個電磁線圈，通過線圈的通和斷來切換電磁閥的位；雙電控有兩個電磁線圈，給正動作線圈通電（正動作出氣孔有氣），則正動作氣路接通即使給正動作線圈斷電后正動作氣路仍然是接通的，將會一直維持到給反動作線圈通電為止。給反動作線圈通電的原理相同。

三位五通電磁閥有三種形式：

三位五通中封 三位五通中泄 三位五通中壓

中封：在兩個線圈都不給電的情況下，氣缸前腔和后腔的壓力保持在最后一個線圈失電后的狀態(tài)不變，進氣口關(guān)閉；中卸：在兩個線圈都不給電的情況下，氣缸前腔和后腔都無壓力，進氣口關(guān)閉，氣缸前后腔內(nèi)的壓力分布經(jīng)電磁閥兩個排氣口排出；中壓：在兩個線圈都不給電的情況下，氣缸前腔和后腔保持在最后一個線圈失電后的狀態(tài)不變，并持續(xù)給壓，使氣缸前后腔內(nèi)的壓力與進氣端壓力一致，進氣口打開，排氣口關(guān)閉。中封用于保壓回路，中壓用于調(diào)壓回路，中卸用于卸載回路。

電磁閥規(guī)格要根據(jù)氣缸所需要的最大耗氣量來確定，氣缸最大耗氣量是氣缸以最大速度運動時所需要的空氣流量，可以表示成：

Q=0.046D2v（p+0.1）

例如：缸徑D為10cm，最大速度為300mm/s，使用壓力為0.6Mpa，則氣缸的最大耗氣量為：

Q=0.046D2v（p+0.1）=0.046×10^2^×300×（0.6+0.1）=966（L/min）,因此選用CV值為1.0或有效截面積為18mm左右的電磁閥即可滿足流量要求。Cv值：閥門的流通能力單位為 m^3^/h。有效面積S值與C值之關(guān)系：S=18.0×10^-6^Cv（m^2^）=18×Cv（mm^2^）。

非官方經(jīng)驗：最大耗氣量=缸徑（cm計）平方乘以系數(shù)10（此時使用壓力為0.6MPa，最大速度為300mm/s

3 空壓機

氣動系統(tǒng)需要壓縮空氣才能運行，空壓機即空氣壓縮機是產(chǎn)生壓縮空氣的機器?？諌簷C的種類很多，常用的有往復(fù)式、回轉(zhuǎn)式、螺桿式等。往復(fù)式和螺桿式都需要配合儲氣罐使用。當用氣量不大時，使用空壓機自帶的儲氣管，如果用氣量比較大時需要另配專門的儲氣管。按照排氣壓力、容積和功率可以將壓縮機分成如下幾類：

一般的工業(yè)設(shè)備使用的都是低壓壓縮機。空壓機的壓力也可以根據(jù)系統(tǒng)的負載情況進行計算，氣缸的輸出力、缸徑和系統(tǒng)壓力之間的關(guān)系如下：

氣缸內(nèi)徑底面積×系統(tǒng)壓力＝輸出力-----N。

例如：缸徑40，系統(tǒng)壓力0.5MPA。

20×20×π×0.5＝628N。

氣缸活塞桿上的推力F1=π/4×D^2^×P×?（N）。

氣缸活塞桿上的拉力F2=π/4×（D^2^-d^2^）×P×?（N）。

F1：活塞桿推出時的推力。

F2：活塞桿拉回時的拉力。

D：氣缸管內(nèi)徑（活塞直徑）。

d：活塞桿直徑。

P：氣源壓力。

?：負載率（慢速時?=65%左右 快速時?=30%左右）。

根據(jù)負載情況計算出系統(tǒng)中氣缸需要的最大的系統(tǒng)壓力，加上1-2bar的余量，再選擇空壓機的壓力。（空氣壓力單位為：Mpa或bar，1Mpa=10bar；通常也把壓力單位稱為：Kg（公斤）1bar=1Kg）。

容積流量通常稱為排氣量，單位為：m^3^/min (立方/分鐘)或L/min（升/分鐘），1m^3^(立方)=1000L（升）。應(yīng)先了解所有的用氣設(shè)備的用氣量，如果是氣缸，要計算氣缸的平均耗氣量，然后將所有用氣設(shè)備耗氣量相加得到設(shè)備的總用氣量，一般建議是空壓機的排氣量需要比用氣設(shè)備的總用氣量大1/4，這樣有利于過載和日常工作中額外的吹塵使用。

單個氣缸的平均耗氣量是氣缸在氣動系統(tǒng)的一個工作循環(huán)周期內(nèi)所消耗的空氣流量?？梢员硎緸椋?/p>

Qca=0.0157(D^2^×L+d^2^×ld)×N×(p+0.102)

式中：Qca:氣缸的平均耗氣量，L/min（ANR）;

N：氣缸的平均頻率，即每分鐘內(nèi)氣缸的往復(fù)周數(shù)，一個往復(fù)為一周，周/min；

L：氣缸的行程,cm；

d:換向閥與氣缸之間的配管的內(nèi)徑,cm；

ld:配管的長度,cm。

例如，缸徑為100mm(10cm)、行程L為100mm（10cm）的氣缸，動作頻率N為60周/min，d=10mm（1cm）,ld=60mm(6cm)，

Qca=0.0157(D^2^×L+d^2^×ld)×N×(p+0.102)=0.0157×(10^2^×10+1^2^×6) ×60×(0.6+0.102)=666.5L/min（ANR）

4 其他部件

除了氣缸、電磁閥、空壓機之外，氣動系統(tǒng)還包括氣管、氣管接頭、節(jié)流閥接頭、調(diào)壓閥、消音器、消音器、過濾器、冷干機、儲氣管、氣缸磁性傳感器等。

根據(jù)用氣量選擇氣源的形式，如果是一個較大的設(shè)備或者是車間的氣源一般要建設(shè)專用的壓縮空氣站，壓縮空氣站一般如下圖所示。

如果是較小的設(shè)備，用氣量不大的情況下可以直接使用一臺儲氣式空壓機。借用從網(wǎng)上down的一個簡單的氣動系統(tǒng)圖: