第6章 气动控制回路
气动系统由气源、气路、控制元件、执行元件和辅助元件等组成，并完成规定的动作。任何复杂的气路系统，都是由一些具有特定功能的气动基本回路、功能回路和应用回路组成。本章将介绍这些回路。
6.1 基本回路
基本回路是指对压缩空气的压力、流量、方向等进行控制的回路。基本回路包括供给回路、排出回路、单作用气缸回路、双作用气缸回路等。
一、供给回路
压缩空气中含有的水分、灰尘、油污等杂质及输出压力的波动，对气动系统的正常工作都将造成不良影响，因而必须对其进行净化及稳压处理。气动供给回路即气源处理回路，它要保证气动系统具有高质量的压缩空气和稳定的工作压力。
图6-1所示为一次气源处理回路。由空气压缩机1产生的压缩空气经冷却器2冷却后，进入气罐3。压缩空气由于冷却而分离出冷凝水，冷凝水存积于气罐底部，由自动排水器9排出。由气罐出来的压缩空气经主路过滤器5再进入空气干燥器6进行除水，然后再通过主路油雾分离器7将油雾分离，即可供一般用气设备使用，供给回路的压力控制，可采用压力继电器8来控制空气压缩机的启动和停止，使储气罐内压力保持在规定的范围内。
该回路一般由过滤器、减压阀和油雾器组成。过滤器除去压缩空气中的灰尘、水分等杂质；减压阀可使二次工作压力稳定；油雾器使润滑油雾化后注入空气流中，对需要润滑的部件进行润滑。这三个元件组合在一起通常称为气动调节装置(气动三联件)，其简化图形符号如图6-2b所示。近年来，不供油气动执行元件和控制元件构成的气动系统不断增多，这类系统的气动供给回路不需油雾器来进行润滑。因此，在不同的情况下，过滤精度、润滑或免润滑应该分别进行考虑，以保证供给用气设备符合要求的压缩空气。实践证明，提供高质量的压缩空气对提高气动元件的使用寿命及可靠性是至关重要的。图6-2为二次气源处理回路。
图6-3所示为稳压回路，用于供气压力变化大或气动系统瞬时耗气量很大的场合。在过滤器和减压阀的前面或后面设置气罐，以稳定工作压力。
二、排出回路
气动系统中用过的压缩空气可直接排入大气，这是气动控制的优点。但是，排气时排出的雾化油分和噪声对环境的污染，必须加以控制。
气动回路产生噪声的主要原因有压缩机吸人侧和气动元件的排气噪声。降低噪声可采用安装消声器的方法来解决，图6-4所示为换向阀的分散排气消声回路，图6-5所示为换向阀的集中排气回路。集中排气回路中常加有过滤装置除油，减少排出的油分对周围环境的污染。
在食品、医药和半导体等应用场合，应尽量采用不供油润滑的空气压缩机和不供油气动元件。以尽量减少排气对产品的不良影响。
三、单作用气缸回路
图6-6a所示为采用二位三通电磁阀控制的单作用气缸回路，电磁阀通电时靠气压使活塞杆伸
出，断电时靠弹簧作用缩回。图6-6b为采用两个二位二通电磁阀的控制回路，此时应注意的问题是两个电磁阀不能同时通电。
四、双作用气缸回路
双作用气缸回路是指通过控制气缸两腔的供气和排气来实现气缸的伸出和缩回运动的回路，一般架用二位五通换向阀控制。图6-7a和图6-7b分别为单电控换向阀和双电控换向阀的控制回路。由于双电控二位换向阀具有记忆功能，如果在气缸l伸出的途中突然失电，气缸仍将保持原来的位置状态。而单电控换向阀则立即复位，气缸自动缩回。如气缸用于夹紧机构。考虑到失电保护控制，则选用双电控阀为好。
五、差动回路
差动回路是指气缸的两个运动方向采用不同压力供气，从而利用差压进行工作的回路。当双作用缸仅在活塞的一个移动方向上有负载时，采用该回路可减少空气的消耗量。但是在气缸速度比较低的时候，容易产生爬行现象。
6-8a所示为采用二位三通阀和减压阀组成的差动回路。气缸有杆腔由减压阀设定为较低的供气压力。电磁阀通电时高压空气流入气缸无杆腔，活塞杆伸出。电磁阀断电时气缸无杆腔的高压空气经排气口排出，活塞在较低的供气压力作用下缩回。在气缸伸出的过程中，如果气缸有杆腔的配管容积小，有杆腔的压力上升使气缸两腔压力达到平衡状态，气缸将停止运动。为防止此现象的产生，可以设置气罐。图6-8b所示为采用减压阀带单向阀的差动回路，电磁阀断电后，气缸以较低供气压力缩回。
六、气马达回路
图6-9a所示为气马达单方向旋转的回路，采用二通电磁阀实现转停控制，马达的转速用节流阀来调整。图6-9b和图6-9c所示分别为采用两个二位三通阀和一个三位五通阀来控制气马达正反转的回路。
6.2 功能回路
功能回路是控制执行机构的输出力、速度、加速度、运动方向和位置的回路，包括速度控制回路、力控制回路、转矩控制回路和位置控制回路等。
一、速度控制回路
控制气缸速度包括调速与稳速两部分。调速的一般方法是改变气缸进排气管路的阻力。因此，利用调速阀等流量控制阀来改变进排气管路的有效截面积，即可实现调速控制。气缸的稳速控制通常是采用气液转换的方法，克服气体可压缩的缺点，利用液体的特性来稳定速度。
1、进气节流、排气节流回路
为控制气缸的速度，回路要进行流量控制，在气缸的进气侧进行流量控制时称为进气节流，在排气侧进行流量控制时称为排气节流。图6-10a所示为双作用气缸的进气节流调速回路。在进气节流时，气缸排气腔压力很快降至大气压，而进气腔压力的升高比排气腔压力的降低缓慢。当进气腔压力产生的合力大于活塞静摩擦力时，活塞开始运动。由于动摩擦力小于静摩擦力，所以活塞运动速度较快，由此进气腔急剧增大，而由于进气节流限制了供气速度，使得进气腔压力降低，从而容易造成气缸的 “爬行”现象。一般来说，进气节流多用于垂直安装的气缸支撑腔的供气回路。
图6-lOb所示为双作用气缸的排气节流调速回路。在排气节流时，排气腔内可以建立与负载相适应的背压，在负载保持不变或微小变动的条件下，运动比较平稳，调节节流阀的开度即可调节气缸往复运动速度。从节流阀的开度和速度的比例性、初始加速度、缓冲能力等特性来看，双作用气缸一般采用排气节流控制。但是，对于单作用气缸和气马达等，根据使用目的和条件，也采用进气节流控制。
除用单向节流阀构成的调速回路外，采用其它流量控制阀也可构成调速回路。图6-lOc为采用排气节流阀的调速回路。但在管路比较长时，较大的管内容积会对气缸的运行速度产生影响，此时不宜采用排气节流阀控制。
为了提高气缸的速度，可以在气缸出口安装快速排气阀，这样气缸内气体可通过快速排气阀直接排放。图6.10d为采用快速排气阀构成的气缸快速返回回路。
图6-1 1所示为单作用气缸的速度控制回路。在图6-11a中，气缸升降均通过节流阀调速，两个反向安装的单向节流阀，可分别控制活塞杆的伸出及缩回速度。在图6-11b中，气缸上升时可调速，下降时则通过快速排气阀排气，使气缸快速返回。
2、气液转换回路
由于空气的可压缩性，在低速及传动负载变化大的场合可采用气液转换回路。这种控制方式不需要液压动力即可实现传动平稳、定位精度高、速度控制容易等目的，从而克服了气动难以实现低速控制的缺点。
图6-12a为采用气液转换器的速度控制回路：它利用气液转换器将气压变成液压，利用液压油驱动液压缸，从而得到平稳且容易控制的活塞运动速度。通过调节两个节流阀的开度实现气缸两个运动方向的速度控制。采用此回路时应注意气液转换器的容积应大于液压缸的容积，气、液问的密封要好，避免气体混入油中。
图6-12b为采用气液阻尼缸的速度控制回路。此回路采用两缸并联形式，调节连接液压缸两腔回路中设置的可变节流阀即可实现速度控制。其优点是比串联形式结构紧凑，气、液不易相混。不足之处是，如果安装时两缸轴线不平行，会由于机械摩擦导致运动速度不平稳。
二、压力控制回路
气压传动多数用气缸作执行元件，把气压能转换成机械能。气缸输出力是由供排气压力和活塞面积来决定的，因此可以通过改变压力和受压面积来控制气缸力。一般情况下，对于已选定的气缸，可通过改变进气腔的压力来实现气缸出力控制。
图6-13所示为由两个减压阀和换向阀构成的高低压转换回路，可控制气缸输出两种大小不同的力。
近年来，由于计算机技术、微电子技术与气动技术的结合，电气比例控制技术的应用日益广泛。图6-14所示为采用比例阀构成的压力控制回路。气缸有杆腔的压力由减压阀调为定值，而无杆腔的压力由计算机输出的控制信号控制比例阀的输出压力来实现，从而使气缸的输出力得到连续控制。
三、转矩控制回路
1、气马达转矩控制回路
气马达是产生转矩的气动执行元件。一般情况下，对于已选定的气马达，其转矩是由进排气压差决定的。图6-15所示为活塞式气马达转矩控制回路。通过改变减压阀的设定压力，即可改变气马达的输出转矩。
2、摆动马达转矩控制回路
摆动马达转矩控制与气马达类似，通过调节供气压力来改变输出转矩。图6-16所示为其转矩控制回路。在转矩控制回路中，气马达或摆动马达的速度控制可参考前述速度控制回路。
四、位置控制回路
气动执行元件的位置控制包括气压控制方式、内外部挡块方式、锁定机构方式和气液变换方式等。
1、采用三位阀的方法
图6-17a所示为使用中位封闭式三位五通阀的位置控制回路。当阀处于中位时，气缸两腔的压缩空气被封闭，活塞可以停留在行程中的某一位置。这种回路不允许系统有内泄漏，否则气缸将偏离原停止位置。另外，由于气缸活塞两端作用面积不同，阀处于中位后活塞仍将移动一段距离。为了克服这一缺点，可以在活塞面积较大的一侧和控制阀之间增设调压阀，调节调压阀的压力，使作用在活塞上的合力为零，见图6-17b。当使用对称气缸(活塞两侧作用面积相等)时，可采用如图6-17c所示的中位加压式(也可使用中位封闭式)三位五通换向阀。由于空气的可压缩性，采用纯气动控制方式难以得到较高的控制精度。
2、机械挡块方法
图6-18所示为采用机械挡块辅助定位的控制回路。该回路简单可靠，在定位状态下驱动气缸始终压紧挡块，不产生间隙，可以完全停止在确定位置上，其定位精度取决于挡块的机械精度。使用挡块定位机构必须注意的问题是：为防止系统压力过高，应设置安全阀以及为保证精度应考虑冲击的吸收及挡块的刚性。
3、机械式制动器方法
图6.7.19为气缸内带有制动机构的位置控制回路。当活塞到达期望位置时，制动机构靠摩擦力强制活塞杆停止运动。
4、气液转换方法
图7-20所示为采用气液转换器的位置控制回路。当五通电磁阀和二通电磁阀同时通电时，液压缸活塞杆伸出。液压缸运动到指定位置时，控制信号使二通电磁阀断电，液压缸有杆腔的液体被封闭，液压缸停止运动。反之亦然。采用气液转换方法的目的是获得高精度的位置控制。
5、比例阀、伺服阀方法
比例阀和伺服阀可连续控制压力或流量的变化，不采用机械式辅助定位也可达到较高精度的位置控制。图6-21所示为采用流量伺服阀的位置控制回路。该回路由气缸、流量伺服阀、位移传感器及计算机控制系统组成。活塞位移由位移传感器获得并送入计算机，计算机按一定算法求得伺服阀的控制信号的大小，从而控制活塞停留在期望的位置上。
6高速开关阀方法
高速开关阀构成的数字式位置控制系统，是指在一系列给定脉冲信号的作用下，高速开关阀频繁开闭实现压力或流量的连续控制，进而实现气缸活塞位置的控制。根据给定的脉冲信号，可分为 PWM和PCM等控制方式。图6-22所示为采用 PWM方法的位置控制回路。控制系统输出的 PWM脉宽调制信号作用于二位二通阀的电磁线圈上，通过控制两个阀的通断，来控制气缸无杆腔的进气和排气，进而实现气缸位置的控制。
7.2 应用回路
应用回路是指在生产实践中经常用到的回路，它一般由基本回路和功能回路组合或变形而成，如增压回路、同步回路、缓冲回路、平衡回路和安全回路等。
一、增压回路
当压缩空气的压力较低，或气缸设置在狭窄的空间里，不能使用较大面积的气缸，而又要求很大的输出力时，可采用增压回路。增压一般使用增压器，增压器可分为气体增压器和气液增压器。气液增压器高压侧用液压油，以实现从低压空气到高压油的转换。
1、 使用气体增压器的增压回路
气体增压器的输入气体压力为驱动源，根据输出压力侧受压面积小于输入压力侧受压面积的原理，得到大于输入压力的增压装置。它可以通过内置换向阀实现连续供给。
图6-23所示为采用气体增压器的增压回路。五通电磁阀通电，气控信号使三通阀换向，经增压器增压后的压缩空气进入气缸无杠腔。五通电磁阀断电，气缸在较低的供气压力作用下缩回，可以达到节能的目的。
2、 增压夹紧回路
图7-24所示为采用气液增压器的夹紧回路。电磁阀左侧通电，对增压器低压侧施加压力，增压器动作，其高压侧产生高压油并供应给工作缸，推动工作缸活塞动作并夹紧工件。电磁阀右侧通电可实现缸及增压器回程。使用该增压回路时，必须把工作缸所需容积限制在增压器容量以内，并留有足够裕量；油、气关联部密封要好，油路中不得混入空气。
二、 冲压回路
1、 冲压回路
冲压回路，主要用于薄板冲床、压配压力机等。由于在实际冲压过程中，往往仅在最后很小一段行程里作功，其它行程不作功。因而宜采用低压-高压二级回路，无负载时低压，作功时高压。
如图6-25所示，电磁换向阀通电后，压缩空气进入气液转换器，使工作缸动作。当活塞前进到某一位置，触动三通高低压转换阀时。该阀动作，压缩空气供入增压器，使增压器动作。由于增压器活塞动作，气液转换器到增压器的低压液压回路被切断(内部结构实现)，高压油作用于工作缸进行冲压作功。当电磁阀复位时，气压进入增压器活塞及工作缸的回程侧，使之分别回程。
2、冲击回路
冲击回路是利用气缸的高速运动给工件以冲击的回路，如图7-26所示。此回路由压缩空气的储气罐、快速排气阀及操纵气缸的换向阀组成。置缸在初始状态时，由于机械式换向阀处于压下状态，气缸活塞杆一侧通大气。二位五通电磁阀通电后，三通气控阀换向，气罐内的压缩空气快速流入冲击气缸，气缸启动，快速排气阀快速排气，活塞以极高的速度运动，该活塞具有的动能给出很大的冲击力。使用该回路时，应尽量缩短各元件与气缸之间的距离。
三、 同步控制回路
同步控制回路是指控制多个气缸以相同的速度移动或在预定的位置同时停止的回路。由于气体的可压缩性及负载的变化等因素，单纯利用调速阀来调节气缸的速度以达到各缸同步的方法是很难实现的。实现同步控制的可靠方法是采用气动与机械并用的方法或气液转换方法。
1、 气动与机械机构并用方法
图6-27所示为采用同轴齿轮连接两活塞杆上齿条而达到气缸同步位移的机构。虽然存在一定的机械误差，但能可靠地实现同步控制。
2、 气液转换方法
图6-28所示是为了使承受不对称负载(F1≠F2)的工作台水平升降而使用两个气缸与液压缸串联而成的气液缸的同步控制装置。当三位五通电磁阀A端电磁铁通电后，压缩空气通过管路自下而上作用在两个气液缸的气缸活塞的无杆腔，使之克服各自的负载向上运动。此时，来自梭阀9的控制气压使常开式二通阀3和4关闭，所以气液缸7和8的液压缸部分的上侧液压油分别被压送到7和8的液压缸部分的下侧，可以保证缸7和8向上同步移动。同理电磁阀的B端电磁铁通电时，可以保证缸向下同步移动。这种上下运动中由于泄漏而造成的液压油不足可在电磁阀不通电的图示状态下从油箱2自动补充。为了排出液压缸中的空气，需设置放气塞5和6。
四、 张力控制回路
为使卷纸或布等带材的张力恒定，需要保证压紧力恒定，图7-29所示为由减压阀和气缸组成的张力控制回路。气缸的输出力精度取决于缸的动摩擦力及减压阀精度。为保证控制精度，应选择摩擦力小的气缸及精密减压阀。
装置启动时，为了给带材一个初始张力，采用中位加压的电磁阀。当装置进入正常运转时，根据控制要求，使电磁铁A或B通电，便能进行张力控制。
五、平衡回路
平衡回路是指保持外负载与气缸压力所产生的力相平衡，控制气缸速度或位置的回路。气动平衡回路不同于液压回路，由于空气的压缩性，在负载移动剧烈的装置中，有时也采用气液转换回路或气液阻尼缸。
1、平衡基本回路
如果气缸承受的负载与减压阀设定压力所产生的推力相平衡，负载可以停止在任意位置上。从理论上说，只要气缸内压与负载稍有不同，就会发生移动，但实际上因活塞的摩擦阻力，气缸可以在平衡点附近一个小的范围内仍然保持停止状态。其平衡基本回路如图6-30所示。
2、应用回路
1）任意位置停止回路
图6-31所示为用于任意位置停止的起重机上的回路，调节减压阀的压力使之与负载平衡。物体的提升和下降由手动换向阀实现。先导气控三位四通阀用于在气缸空气泄漏和活塞移动时供气和排气。另外溢流阀是为使气缸出力与机构总重量平衡而设置的。节流阀是在无负载时为了保证三位四通阀处于中位状态而向三位四通阀右端提供一定的压缩空气(防止因空气泄漏而引起的控制压力降低)。
2）变负载平衡回路
图6-32所示为使用气液转换器的变负载平衡回路。在这种机械中，当负载逆时针越过0－0′位置时气缸受拉力。此时由于空气的可压缩性，负载将沿逆时针方向旋转，直到负载与所产生的背压平衡时的位置。这样的动作是非常危险的。因此，如使用液压缸，虽然载荷的位置引起负载变化，使速度稍有变化，但要比仅用气动时平稳得多。使用摆动马达当负载重心偏离回转中心回转时.也有此问题。
3）气压自动平衡回路
图6-33所示为气压平衡式步进电动机驱动气缸控制回路。步进电动机的旋转运动通过齿形皮带传递给滚珠丝杠，丝杠的旋转运动通过滚珠螺母变成活塞的上下移动，从而进行气缸的位置控制。负载的重量全部由活塞下腔的气体压力进行平衡。大容量溢流型电一气比例压力阀控制活塞下腔的压力，以维持平衡压力不变，并随时根据负载变动而设定不同的压力。
六、缓冲回路
气缸驱动较大负载高速移动时，会产生很大的动能。将此动能从某一位置开始逐渐减少，最终使负载在指定位置平稳停止的回路称为缓冲回路。缓冲的方法大多是利用空气的可压缩性，在气缸内设置气压缓冲装置。此外还有在外部设置吸振气缸的方法，但对于行程短、速度高的情况，气缸内设气压缓冲吸收动能比较困难，一般采用液压吸振器。
1. 缓冲基本回路
图6-34所示为基本缓冲回路。驱动负载的气缸运动时具有很大的动能，到达停止前的某个位置时，触动吸振缸的活塞杆，使吸振缸的压力上升，缸内空气经节流阀和换向阀排出。当主动缸返回时，吸振缸也同时被供气，活塞杆伸出。
由于空气有压缩性，使用这种回路时，节流阀开度必须调节适当，否则会产生能量吸收不足，发生撞击或能量吸收过大发生反弹现象。
2. 使用安全阀的回路
吸振缸在仅有节流阀时将会产生很大的压力，以避免缸内压力过高，可以采用图6-35的回路。当缸内压力超过溢流阀的设定压力时，空气经溢流阀放出，使内部压力保持恒定。吸振缸回程时，压缩空气经单向阀供入，使活塞返回原位。采用这种方式时，由于限制了缸内压力，会使气缸的缓冲行程拉长。
另外，在动能很大的情况下，单靠气缸吸收是困难的，可使用油作吸能流体的吸振器。液压吸振器的回程侧多用弹簧，而且多用能调节油流量的可变节流口来调节所能吸收的油量。
3. 采用并联节统阀的缓冲回路
除气压缓冲器或液压缓冲器外，采用两个节流阀并联使用的方法也可达到缓冲目的。如图6-36所示，两个节流阀分别调定为不同的节流开度，以控制气缸的高速运动或低速缓冲。当三通电磁阀通电时，气缸高速运动，当气缸接近行程终点时，行程开关发出的电信号使三通电磁阁断电，气缸由高速运动状态转变为低速缓冲状态。
