任务1.1 认识气动剪板机气动系统

【学习目标】

1）了解气动系统的组成与特点。

2）熟悉气动系统回路图。

3）熟悉FluidSIM-P仿真软件。

【任务布置】

剪板机常采用气动控制。本任务要求观察气动剪板机的工作情况及其气动系统，阅读气动剪板机的气动系统原理图（图1-1），了解气动系统的组成与特点，熟悉FluidSIM-P软件，绘制气动剪板机的气动系统原理图。

【相关知识】

1.1.1 气动剪板机气动系统工作原理

图1-1所示为用于气动剪板机的气压传动系统实例，当工料11送入剪板机并到达规定位置时，机动阀8的顶杆受压右移而使阀内通路打开，气控换向阀9的控制腔与大气相通，阀芯受弹簧力的作用而下移。由空气压缩机1产生并经过初次净化处理后储藏在气罐4中的压缩空气，经空气过滤器5、减压阀6、油雾器7及气控换向阀9，进入气缸10的下腔，气缸上腔的压缩空气通过气控换向阀9排入大气。此时，气缸活塞向上运动，带动剪刃将工料切断。工料剪下后，即与机动阀8脱开，机动阀复位，所在的排气通道被封死，气控换向阀9的控制腔气压升高，迫使阀芯上移，气路换向，气缸活塞带动剪刃复位，准备第二次下料。由此可以看出，剪切机构克服阻力切断工料的机械能是由压缩空气的压力能转换而来的。同时，由于换向阀的控制作用使压缩空气的通路不断改变，气缸活塞方可带动剪切机构频繁地实现剪切与复位的动作循环。

1.1.2 气动系统的组成

气压传动与液压传动都是利用流体作为工作介质，具有许多共同点。气压传动系统通常由以下五个部分组成。

1）动力元件（气源装置）其主体部分是空气压缩机（图1-1中元件1）。它将原动机（如电动机）供给的机械能转变为气体的压力能，为各类气动设备提供动力。

2）执行元件 执行元件包括各种气缸（图1-1中元件10）和气动马达。它的功用是将气体的压力能转变为机械能，驱动工作部件。

3）控制元件 控制元件包括各种阀体，如各种压力阀（图1-1中元件6）、方向阀（图1-1中元件8、9）、流量阀、逻辑元件等，用以控制压缩空气的压力、流量和流动方向以及执行元件的工作程序，以便使执行元件完成预定的运动规律。

4）辅助元件 辅助元件是对压缩空气进行净化、润滑、消声以及实现元件间连接等所需的装置，如各种冷却器、油水分离器、气罐、过滤器、油雾器（图1-1中元件2、3、4、5、7）及消声器等，它们对保持气动系统可靠、稳定和持久地工作起着十分重要的作用。

5）工作介质 工作介质即传动气体，为压缩空气。气压系统是通过压缩空气来实现运动和动力的传递的。

1.1.3 气动系统原理图及图形符号

图1-1b所示为气动系统原理图，其中各元件是用半结构式图形画出来的，这种图形直观性强，较易理解，但难以绘制，系统中元件数量多时更是如此。在工程实际中，一般都用简单的图形符号绘制气动系统原理图。国家标准GB/T 786.1—2021规定了各元件的图形符号，这些符号只表示元件的功能，不能表示元件的结构和参数。详细的气动元件图形符号在后面的章节及附录中有详细介绍。利用元件图形符号可将图1-1b简化为图1-2。

1.1.4 气压传动的特点

1.气压传动的优点

1）以空气为工作介质，较容易取得，用后的空气排到大气中，处理方便，与液压传动相比，不必设置用于回收的油箱和管道。

2）因空气黏度小（约为液压液的万分之一），在管内流动阻力小，压力损失小，便于集中供气和远距离输送，即使有泄漏，也不会像液压液一样污染环境。

3）与液压相比，气动反应快，动作迅速，维护简单，管路不易堵塞，工作介质清洁，不存在介质变质及补充等问题。

4）气动元件结构简单、制造容易，易于实现标准化、系列化和通用化。

5）气动系统对工作环境的适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣环境中工作时，其安全可靠性优于液压、电子和电气系统。

6）排气时气体因膨胀而温度降低，因而气动设备可以自动降温，长期运行也不会发生过热现象。

2.气压传动的缺点

1）由于空气具有可压缩性，因此工作速度稳定性稍差，但采用气液联动装置可得到较令人满意的效果。

2）因工作压力低，且结构尺寸不宜过大，总输出力不宜大于40kN。

3）噪声较大，在高速排气时需要加消声器。

4）气动装置中气信号的传递速度比光、电控制速度慢，因此，气信号传递不适用于要求高速传递的复杂回路。

气动与其他几种传动控制方式的性能比较见表1-1。

1.1.5 气动技术的应用与发展

气动技术具有节能、无污染、高效、成本低、安全可靠、结构简单等优点，广泛应用于各种机械和生产线上。随着气动产品越来越多地应用于生物工程、医药、原子能、微电子、机器人等各行业，气动技术正向节能化、小型化、轻量化、位置控制的高精度化，以及与机、电、液相结合的综合控制技术方向发展。随着智能制造技术的发展，气动技术在精益生产、智能生产线、无人化工厂等制造领域的应用日益广泛。

气动技术的主要发展趋势如下：

1）与电子技术结合，大量使用传感器，使气动元件智能化。

2）体积更小，质量更小，功耗更低。

3）采用伺服控制，执行元件的定位精度提高，刚度增加。

4）更高的安全性和可靠性。

5）向高速、高频、高响应、高寿命方向发展。

6）具有各种异形截面的缸筒和活塞杆的气缸得到应用。

7）多功能化，复合化，安装、使用更方便。

8）普遍使用无油润滑技术，满足某些特殊要求。

随着智能制造的发展，气动技术在我国制造业的转型升级中发挥着越来越重要的作用，气动技术是我国“强基工程”的重点对象。我国科研团队研究提出的“气动元件关键共性检测技术及标准体系”为C919、ARJ21等国产客机高空飞行保驾护航；在国防领域，我国的科研工作者们开拓性地解决了战斗机布局设计中的技术难点——气动与隐身，为我国新一代战斗机的发展奠定了坚实的基础。我们可以学以致用，技能报国，为建设“制造强国”贡献自己的力量。

1.1.6 空气的物理性质

1.空气的组成

自然界中的空气是由若干种气体混合而成的，其主要成分是氮气（N₂）和氧气（O₂），其他气体所占比例极小。此外，空气中常含有一定量的水蒸气，含有水蒸气的空气称为湿空气，不含有水蒸气的空气称为干空气。

空气中所含水分的多少对气动系统的稳定性有直接影响，因此，各种气动元件对含水量有明确的规定，并且常采取一些措施来防止水分进入。

湿空气所含水分的多少用湿度和含湿量来表示。湿度的表示方法有绝对湿度、饱和绝对湿度和相对湿度之分。

（1）绝对湿度

绝对湿度是指每立方米湿空气中所含水蒸气的质量，即

式中，m_s为湿空气中水蒸气的质量；V为湿空气的体积。

（2）饱和绝对湿度

饱和绝对湿度是指湿空气中水蒸气的分压力达到该湿度下水蒸气的饱和压力时的绝对湿度，即

式中，p_b为饱和空气中水蒸气的分压力（N/m2）；R_s为水蒸气的气体常数[J/（kg·K）]；T为热力学温度（K），T=273.1+t,t为摄氏温度（℃）。

（3）相对湿度

相对湿度是指在某温度和总压力下，绝对湿度与饱和绝对湿度之比，即

式中，x、x_b分别为绝对湿度与饱和绝对湿度；p_s、p_b分别为水蒸气的分压力和饱和空气中水蒸气的分压力。

当空气绝对干燥时，p_s=0，φ=0；当空气达到饱和时p_s=p_b，φ=100%；一般湿空气的φ值在0～100%之间变化。通常情况下，空气的相对湿度在60%～70%范围内人体感觉舒适，气动技术中规定各种阀的相对湿度应小于95%。

（4）空气的含湿量

空气的含湿量是指每千克质量的干空气中所混合的水蒸气的质量，即

式中，m_s、m_g分别为水蒸气的质量和干空气的质量；ρ_s、ρ_g分别为水蒸气的密度和干空气的密度。

2.空气的密度和黏度

（1）密度

空气的密度是单位体积空气的质量，用ρ表示，即

式中，m为空气的质量（kg）；V为空气的体积（m3）。

（2）黏度

空气的黏度是空气质点相对运动时产生阻力的性质。空气黏度只受温度变化的影响，且随温度的升高而增大，这主要是由于温度升高后，空气内分子运动加剧，使原本间距较大的分子之间碰撞增多的缘故。而压力的变化对黏度的影响很小，可忽略不计。

1.1.7 压力的表示方法

工程上，压力根据度量基准的不同有两种表示方法：以绝对零压力为基准所表示的压力，称为绝对压力；以大气压力为基准所表示的压力，称为相对压力。

绝大多数测压仪表，因其外部均受大气压力作用，大气压力并不能使仪表指针回转，即在大气压力下指针指在零点，所以仪表指示的压力是相对压力或表压力（指示压力），即高于大气压力的那部分压力。在液压与气压传动中，如不特别指明，所提到的压力均为相对压力。

如果某点的绝对压力比大气压力低，说明该点具有真空，把该点的绝对压力比大气压力小的那部分压力值称为真空度。绝对压力总是正的，相对压力可正可负，负的相对压力数值部分就是真空度。它们的关系如图1-3所示，用式子表示为

绝对压力=表压力+大气压力

真空度=|大气压力-绝对压力|

压力的常用单位主要有以下几种：

1）国际单位制单位Pa（帕）、N/m2（我国法定计量单位）或MPa（兆帕），1MPa=106Pa。

2）工程制单位 kgf/cm2。国外也有用bar（巴）的，1bar=105Pa。

3）标准大气压 1标准大气压=101325Pa。

4）液体柱高度 h=p/（ρg)，常用的有水柱、汞柱等，如1标准大气压约等于10m水柱高度。

1.1.8 FluidSIM软件简介

FluidSIM软件由德国Festo公司的Didactic教学部门和Paderborn大学联合开发，是专门用于液压与气压传动的教学软件。FluidSIM软件分为两种，其中FluidSIM-H用于液压传动教学，而FluidSIM-P用于气压传动教学。

1.FluidSIM软件的主要特点

1）CAD功能和仿真功能紧密联系在一起。FluidSIM软件符合DIN电气-液压（气压）回路图绘制标准，在绘图过程中，FluidSIM软件将检查各元件之间的连接是否可行，可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，并可显示元件的状态图，从而能够在设计完回路后验证设计的正确性，并演示回路动作过程。

2）FluidSIM软件可用来自学、教学液压（气压）基础知识。可以通过液压（气压）元件的“元件描述”“元件插图”和工作原理动画来学习其结构原理和应用。软件中包含的各种练习和教学影片讲授了重要回路和液压（气压）元件的使用方法。

3）可设计和液压气动回路相配套的电气控制电路。弥补了以前液压与气动教学中，学生只见液压（气压）回路不见电路的弊病。同时设计与仿真电气-液压（气压）回路，有助于提高学生对电气动、电液压的实际应用能力。

2.FluidSIM软件应用简介

FluidSIM软件工作界面直观，采用类似于画图软件的图形操作界面，拖放图标进行设计，面向对象设置参数，易于学习，用户可以很快地学会绘制电气-液压（气压）回路图，并对其进行仿真。

1）FluidSIM软件工作界面介绍FluidSIM软件包含两个软件，FluidSIM-H用于液压传动，FluidSIM-P用于气压传动。液压与气动均属于流体传动，本身有很多相似相通之处，故这两种软件的界面和使用方法类似，两者生成的文件虽然均以*.ct为文件名，但互不兼容。

FluidSIM-P软件的主窗口如图1-4所示。窗口左边显示出FluidSIM的整个元件库，其中包括新建回路图所需的气动元件和电气元件。

窗口顶部的菜单栏中列出了仿真和新建回路图所需的功能，工具栏中给出了常用菜单功能，包括下列九组。

• ：新建、浏览、打开和保存回路图。

• ：打印窗口内容，如回路图和元件图片。

• ：编辑回路图。

• ：调整元件位置。

• ：显示网格。

• ：缩放回路图、元件图片和其他窗口。

• ：回路图检查。

• ：仿真回路图，控制动画播放（基本功能）。

• ：仿真回路图，控制动画播放（辅助功能）。

对于一个指定回路图，通常仅使用几个上述所列功能，FluidSIM软件可以识别所属功能，当前不可用工具按钮为灰色。

在应用软件窗口内，当用户单击鼠标右键时，会出现快捷菜单。在FluidSIM软件中，快捷菜单自动适用于窗口内容。

状态栏位于窗口底部，用于显示操作FluidSIM软件期间的当前计算和活动信息。在编辑模式中，FluidSIM软件可以显示由鼠标指针选定的元件。

在FluidSIM软件中，操作按钮、滚动条和菜单栏与大多数Microsoft Windows应用软件相类似。

2）利用FluidSIM软件新建液压与气动回路图 虽然液压与气动均属于流体传动，但其回路建立方法略有不同，现以一简单气动回路为例介绍回路图的基本绘制方法。

利用FluidSIM-P软件绘制图1-5a所示的简单气动回路，该回路包含气源、换向阀、气缸。

①单击按钮或在“文件”菜单下执行“新建”命令，新建空白绘图区域，打开一个新窗口。

②从元件库中拖动“双作用缸”“n位五通换向阀”“气源”到新建文件窗口，如图1-6所示。通过元件库右边的滚动条，用户可以浏览元件。按住鼠标左键，用户可以从元件库中将元件“拖动”和“放置”在绘图区域上，鼠标指针由箭头变为四方向箭头交叉形式，元件随鼠标指针的移动而移动。

注意一定要新建文件，将元件从元件库拖放至新建文件窗口，不要最大化左侧元件库窗口，并在元件库窗口内拖动元件。

③在编辑模式下，将鼠标指针移至气缸左气口上，鼠标指针形状变为十字线圆点形式，按下鼠标左键，并移动鼠标指针保持鼠标左键，此时鼠标指针形状变为十字线圆点箭头向外形式；将鼠标指针移动到换向阀气口上，鼠标指针形状变成十字线圆点箭头向内形式释放鼠标左键，在两个选定气口之间，将立即显示出气路。当不能在两个油口之间绘制管路时，鼠标指针形状变为禁止符号。连接各气口，即可绘制出图1-5a所示回路。

在编辑模式下，可以选择、复制、删除、旋转、调整元件和管路。单击“编辑”菜单或选中元件并单击鼠标右键将弹出快捷菜单，选择相关命令执行即可。

3）利用FluidSIM软件仿真液压与气动回路图 单击按钮（或在“执行”菜单下执行“启动”命令，或者使用功能键< F9>），启动仿真。FluidSIM软件有检查回路图功能，如有问题则会在启动仿真后进行提示。回路图的常见错误如下：

①对象在绘图区域外。

②管路或电路穿越元件。

③管路或电路重叠。

④元件重叠。

⑤气接口或未连的气接口重叠。

⑥气接口未关闭。

⑦元件标识符混淆。

⑧标签混淆。

⑨管路与气接口未相连。

对于检查出的问题，一般应按要求进行修改，但如果想先看运行效果，也可忽略问题，运行仿真。但对于部分错误，如标签混淆，系统不允许忽略，须修改后再运行仿真。

仿真期间，所有管路都被着色，如图1-5b所示气动回路，系统默认管路颜色具有以下意义：

①气路管路为深蓝色，表示气路中有压力。

②气路管路为浅蓝色，表示气路中无压力。

③电路为红色，表示有电流流动。

将鼠标指针移至换向阀两侧，鼠标指针即变为手指形，此时表明该元件可以被操作，单击鼠标左键，可使换向阀换向气缸动作，实现动态仿真。此时，软件还可计算回路中的压力和速度。

单击按钮或者在“执行”菜单下执行“停止”命令，可以将当前回路图由仿真模式切换到编辑模式。将回路图由仿真模式切换到编辑模式时，所有元件都将被置回“初始状态”。

FluidSIM软件的功能较多，这里只介绍了最常用的基本功能，在使用中如有不清楚的地方，可随时查阅FluidSIM软件帮助文档。

【任务实施】

1）观察气动剪板机的工作情况，说出其主要组成。

2）阅读气动剪板机传动系统原理图，分析其工作原理。

3）利用FluidSIM软件绘制气动剪板机的气动系统原理图。

4）查找资料了解气动系统在生活或工业中的应用，并列举2个或3个实例。