方向控制阀工作原理.doc

.第13章 气动控制阀<Pneumatic control valves>气动控制阀是控制、调节压缩空气的流动方向、压力和流量的气动元件,利用它们可以组成各种气动回路,使气动执行元件按设计要求正常工作。13.1常用气动控制阀<Common pneumatic control valves>和液压控制阀类似,常用的基本气动控制阀分为：气动方向控制阀、气动压力控制阀和气动流量控制阀。此外还有通过改变气流方向和通断以实现各种逻辑功能的气动逻辑元件。13.1.1 气动方向控制阀<Pneumatic direction control valves>气动方向控制阀是用来控制压缩空气的流动方向和气流通、断的气动元件。气动方向控制阀的分类气动方向控制阀和液压系统的方向控制阀类似,也分为单向阀和换向阀,其分类方法也基本相同。但由于气压传动具有自己独有的特点,气动方向控制阀可按阀芯结构、控制方式等进行分类。1截止式方向控制阀截止式方向控制阀的截止阀口和阀芯的关系如图13.1,图中用箭头表示了阀口开启后气流的流动方向。分析截止式方向控制阀具有如下特点：1用很小的移动量就可以使阀完全开启,阀的流通能力强,便于设计成结构紧凑的大口径阀。2截止阀一般采用软质材料如橡胶等密封,当阀门关闭后始终存在背压,因此,密封性好、泄漏量小、勿须借助弹簧也能关闭。3因背压的存在,所以换向力较大,冲击力也较大。不适合用于高灵敏度的场合。4比滑柱式方向控制阀阻力损失小,抗粉尘能力强,对气体的过滤精度要求不高。2. 滑柱式方向控制阀滑柱式气动方向控制阀工作原理与滑阀式液压控制元件类似,这里不具体说明。滑柱式方向控制阀的特点：1阀芯较截止式长,增加了阀的轴向尺寸,对动态性能有不利影响,大通径的阀一般不易采用滑柱式结构；2由于结构的对称性,阀芯处在静止状态时,气压对阀芯的轴向作用力保持平衡,容易设计成气动控制中比较常用的具有记忆功能的阀；3换向时由于不受截止式密封结构所具有的背压阻力,换向力较小；4通用性强。同一基型阀只要调换少数零件便可改变成不同控制方式、不同通路的阀；同一只阀,改变接管方式,可以做多种阀使用。5阀芯对介质的杂质比较敏感,需对气动系统进行严格的过滤和润滑,对系统的维护要求高。 常用的气动方向控制阀1. 单向型方向控制阀1单向阀单向阀的结构原理如图13.2。其工作原理和图形符号和液压单向阀一致,只不过气动单向阀的阀芯和阀座之间是靠密封垫密封的。2或门型梭阀如图13.3为或门型梭阀的结构原理。其工作特点是不论P1和P2哪条通路单独通气,都能导通其与A的通路；当P1和P2同时通气时,哪端压力高,A就和哪端相通,另一端关闭,其逻辑关系为"或",图形符号如图。3与门型梭阀与门型梭阀又称双压阀,结构原理如图13.4所示。其工作特点是只有P1和P2同时供气,A口才有输出；当P1或P2单独通气时,阀芯就被推至相对端,封闭截止型阀口；当P1和P2同时通气时,哪端压力低,A口就和哪端相通,另一端关闭,其逻辑关系为"与",图形符号如图。4快速排气阀快速排气阀是为加快气体排放速度而采用的气压控制阀。如图13.5为快速排气阀的结构原理。当气体从P通入时,气体的压力使唇型密封圈右移封闭快速排气口e,并压缩密封圈的唇边,导通P口和A口,当P口没有压缩空气时,密封圈的唇边张开,封闭A和P通道,A口气体的压力使唇型密封圈左移,A、T通过排气通道e连通而快速排气一般排到大气中。2. 换向型方向控制阀换向型方向控制阀简称换向阀,是通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化,从而达到改变气动执行元件运动方向的目的。它包括气压控制换向阀、电磁控制换向阀、机械控制换向阀、人力控制换向阀和时间控制换向阀等。1气压控制换向阀气压控制换向阀是利用气体压力使主阀芯和阀体发生相对运动而改变气体流向的元件。1气压控制换向阀的分类按控制方式不同分为加压控制、卸压控制和差压控制三种。加压控制是指所加的控制信号压力是逐渐上升的,当气压增加到阀芯的动作压力时,主阀便换向；卸压控制是指所加的气控信号压力是逐渐减小的,当减小到某一压力值时,主阀换向；差压控制是使主阀芯在两端压力差的作用下换向。气控换向阀按主阀结构不同,又可分为截止式和滑阀式两种主要型式。滑阀式气控换向阀的结构和工作原理与液动换向阀基本相同。在此只介绍截止式换向阀。2截止式方向控制阀 图13.6所示为二位三通单气控截止式换向阀的结构原理。图示为 K口没有控制信号时的状态,阀芯4在弹簧2与P腔气压作用下右移,使P与A断开,A与T导通；当 K口有控制信号时,推动活塞5通过阀芯压缩弹簧打开P与A通道,封闭A与T通道。图示为常断型阀,如果P、T换接则成为常通型。这里,换向阀芯换位采用的是加压的方法,所以称为加压控制换向阀。相反情况则为减压控制换向阀。<2>电磁控制方向控制阀1> 单电控换向阀由一个电磁铁的衔铁推动换向阀芯移位的阀称为单电控换向阀。单电控换向阀有单电控直动换向阀和单电控先导换向阀两种。如图13.7为单电控直动式电磁换向阀的工作原理。靠电磁铁和弹簧的相互作用使阀芯换位实现换向。图示为电磁铁断电状态,弹簧的作用导通A、T通道,封闭P口通道；电磁铁通电时,压缩弹簧导通P、A通道,封闭T口通道。图13.8为单电控先导换向阀的工作原理。它是用单电控直动换向阀作为气控主换向阀的先导阀来工作的。图示为断电状态,气控主换向阀在弹簧力的作用下,封闭P口,导通A、T通道；当先导阀带电时,电磁力推动先导阀芯下移,控制压力P1推动主阀芯右移,导通P、A通道,封闭T通道。类似于电液换向阀,电控先导换向阀适用于较大通径的场合。2> 双电控电磁换向阀由两个电磁铁的衔铁推动换向阀芯移位的阀称为双电控换向阀。双电控换向阀有双电控直动换向阀和双电控先导换向阀两种。如图13.9为双电控直动二位五通换向阀的工作原理。图示为左侧电磁铁通电的工作状态。其工作原理显而易见,不再说明。注意,这里的两个电磁铁不能同时通电。这种换向阀具有记忆功能,即当左侧的电磁铁通电后,换向阀芯处在右端位置,当左侧电磁铁断电而右侧电磁铁没有通电前阀芯仍然保持在右端位置。图13.10为双电控先导换向阀的工作原理,图示为左侧先导阀电磁铁通电状态。工作原理与单电控先导换向阀类似,不再叙述。<3>机械控制或人力控制方向换向阀通过机械或人力控制使换向阀芯换位的换向阀有机动换向阀和手动脚踏换向阀等。它们的换向原理很简单。如图13.11为通过推杆工作的行程换向阀。图13.12为通过杠杆和滚轮作用推动推杆的行程换向阀；图13.13为可通过式杠杆滚轮控制的行程换向阀,当机械撞块向右运动时,压下滚轮,实现换向动作；当撞块通过滚轮后,阀芯在弹簧力的作用下回复；撞块回程时,由于滚轮的头部可弯折,阀芯不换向。此阀由A口输出脉冲信号,常被用来排除回路中的障碍信号,简化设计回路。4时间控制换向阀时间换向阀是通过气容或气阻的作用对阀的换向时间进行控制的换向阀。包括延时阀和脉冲阀。1延时阀如图13.14为二位三通气动延时阀的结构原理。由延时控制部分和主阀组成。常态时,弹簧的作用使阀芯2处在左端位置。当从K口通入气控信号时,气体通过可调节流阀4气阻使气容腔1充气,当气容内的压力达到一定值时,通过阀芯压缩弹簧使阀芯向右动作,换向阀换向； 气控信号消失后,气容中的气体通过单向阀快速卸压,当压力降到某值时,阀芯左移,换向阀换向。2脉冲阀脉冲阀是靠气流经过气阻、气容的延时作用,使输入的长信号变成脉冲信号输出的阀。图13.15为一滑阀式脉冲阀的结构原理。P口有输入信号时,由于阀芯上腔气容中压力较低,并且阀芯中心阻尼小孔很小,所以阀芯向上移动,使P、A相通,A口有信号输出,同时从阀芯中心阻尼小孔不断给上部气容充气,因为阀芯的上、下端作用面积不等,气容中的压力上升达到某值时,阀芯下降封闭 P、A通道,A、T相通,A口没有信号输出。这样,P口的连续信号就变成A口输出的脉冲信号。13.1.2 气动压力控制阀<Pneumatic pressure control valves>气动压力控制阀在气动系统中主要起调节、降低或稳定气源压力、控制执行元件的动作顺序、保证系统的工作安全等作用。13.1.2.1 气动压力控制阀的分类气动压力控制阀分为减压阀调压阀、顺序阀、安全阀等。13.1.2.2 常用的气动压力控制阀1减压阀减压阀是气动系统中的压力调节元件。气动系统的压缩空气一般是由压缩机将空气压缩,储存在储气罐内,然后经管路输送给气动装置使用,储气罐的压力一般比设备实际需要的压力高,并且压力波动也较大,在一般情况下,需采用减压阀来得到压力较低并且稳定的供气。减压阀按调节压力的方式分为直动式和先导式两种。1直动式减压阀图13.16为直动式减压阀的结构原理。输入气流经P1 进入阀体,经阀口2节流减压后从P2口输出,输出口的压力经过阻尼孔4进入膜片室,在膜片上产生向上的推力,当出口的压力P2瞬时增高时,作用在膜片上向上的作用力增大,有部分气流经溢流口和排气口排出,同时减压阀芯在复位弹簧1的作用下向上运动,关小节流减压口,使出口压力降低；相反情况不难理解。调解手轮8就可以调节减压阀的输出压力。采用两个弹簧调压的作用是调节的压力更稳定。2先导式减压阀如图13.17为某先导式减压阀的结构原理图。与直动式减压阀相比,该阀增加了由喷嘴10、挡板11、固定节流孔5及气室所组成的喷嘴挡板放大环节。当喷嘴与挡板之间的距离发生微小变化时,就会使气室中的压力发生很明显的变化,从而引起膜片6有较大的位移,去控制阀芯4的上下移动,使进气阀口3开大或关小,提高了对阀芯控制的灵敏度,也就提高了阀的稳压精度。3定值器定值器是一种高精度的减压阀,主要用于压力定值。图13.18为定值器的工作原理图。它由三部分组成：一是直动式减压阀的主阀部分；二是恒压降装置,相当于一定差值减压阀,主要作用是使喷嘴得到稳定的气源流量；三是喷嘴挡板装置和调压部分,起调压和压力放大作用,利用被它放大了的气压去控制主阀部分。由于定值器具有调定、比较和放大的功能,因而稳压精度高。定值器处于非工作状态时,由气源输入的压缩空气进人A室和E室。主阀芯2在弹簧1和气源压力作用下压在截止阀座3上,使A室与B室断开。进人E室的气流经阀口又称为活门7进至F室,再通过节流孔5降压后,分别进人G室和D室。由于这时尚未对膜片12加力,挡板5与喷嘴4之间的间距较大,气体从喷嘴10流出时的气流阻力较小,C室及D室的气压较低,膜片8及4皆保持原始位置。进人H室的微量气体主要部分经B室通过溢流口从排气口排出；另有一部分从输出口排空。此时输出口输出压力近似为零,由喷嘴流出而排空的微量气体是维持喷嘴挡板装置工作所必须的,因其为无功耗气量,所以希望其耗气量越小越好。定值器处于工作状态时,转动手柄14压下弹簧13并推动膜片12连同挡板11一同下移,挡板11与喷嘴10的间距缩小,气流阻力增加,使C室和D室的气压升高。膜片4在D室气压的作用下下移,将溢流阀口关闭,并向下推动主阀芯2,打开阀口,压缩空气即经 B室和H室由输出口输出。与此同时,H室压力上升并反馈到膜片12上,当膜片12所受的反馈作用力与弹簧力平衡时,定值器便输出一定压力的气体。当输入的压力发生波动,如压力上升,若活门、进气阀芯2的开度不变,则B、F、H室气压瞬时增高,使膜片12上移,导致挡板11与喷嘴10之间的间距加大,C室和D室的气压下降。由于B室压力增高,D室压力下降,膜片4在压差的作用下向上移动,使主阀口减小,输出压力下降,直到稳定在调定压力上。此外,在输入压力上升时,E室压力和F室瞬时压力也上升,膜片8在上下压差的作用下上移,关小活门口7。由于节流作用加强,F室气压下降,始终保持节流孔5的前后压差恒定,故通过节流孔门的气体流量不变,使喷嘴挡板的灵敏度得到提高。当输入压力降低时,B室和H室的压力瞬时下降,膜片12连同挡板11由于受力平衡破坏而下移,喷嘴10与挡板11间的间距减小,C室和D室压力上升,膜片8和4下移。膜片4的下移使主阀口开度加大,B室及H室气压回升,直到与调定压力平衡为止。而膜片8下移,开大活门口,F室气压上升,始终保持节流孔5前后压差恒定。同理,当输出压力波动时,将与输入压力波动时得到同样的调节。由于定值器利用输出压力的反馈作用和喷嘴挡板的放大作用控制主阀,使其能对较小的压力变化作出反应,从而使输出压力得到及时调节,保持出口压力基本稳定,定值稳压精度较高。2顺序阀顺序阀是根据入口处压力的大小控制阀口启闭的阀。目前应用较多的是单向顺序阀。如图13.19为单向顺序阀的结构原理。当气流从P1口进入时,单向阀反向关闭,压力达到顺序阀弹簧6调定值时,阀芯上移,打开P、A通道,实现顺序打开；当气流从P2口流入时,气流顶开弹簧刚度很小的单向阀,打开P2、P1通道,实现单向阀的功能。3安全阀气动安全阀在系统中起安全保护作用。当系统压力超过规定值时,打开安全阀保证系统的安全。安全阀在气动系统中又称溢流阀。其结构型式很多,这里仅介绍几例。如图13.20a为直动截止式安全阀结构原理,当压力超过弹簧的调定值时顶开截止阀口；图13.20b 为直动膜片式安全阀结构原理；图13.21为气动控制先导式安全阀的结构原理图。它是靠作用在膜片上的控制口气体的压力和进气口作用在截止阀口的压力进行比较来进行工作的。 气动流量控制阀<Pneumatic flow control valves>流量控制阀是通过改变阀的通流面积来实现流量控制的元件。流量控制阀包括节流阀、单向节流阀、排气节流阀、柔性节流阀等。1节流阀节流阀原理很简单。节流口的形式有多种。常用的有针阀型、三角沟槽型和圆柱削边型等。图13.22a为圆柱削边型阀口结构的节流阀。P为进气口,A为出气口。2柔性节流阀柔性节流阀的结构原理如图13.22b。其工作原理是依靠阀杆夹紧柔韧的橡胶管2产生变型来减小通道的口径实现节流调速作用的。3排气节流阀排气节流阀安装在系统的排气口处限制气流的流量,一般情况下还具有减小排气噪声的作用,所以常称排气消声节流阀。图13.22c为排气节流阀的结构原理。节流口的排气经过由消声材料制成的消声套,在节流的同时减少排气噪声,排出的气体一般通入大气。4单向节流阀图13.23为单向节流阀结构原理。其节流阀口为针型结构。气流从P口流入时,顶开单向密封阀芯1,气流从阀座6的周边槽口流向A,实现单向阀功能；当气流从A流入时,单向阀芯1受力向左运动紧抵截止阀口2,气流经过节流口流向P,实现反向节流功能。13.2气动逻辑控制阀<Pneumaticlogical control valves>13.2.1 逻辑控制概述任何一个实际的控制问题都可以用逻辑关系来进行描述。从逻辑角度看,事物都可以表示为两个对立的状态,这两个对立的状态又可以用两个数字符号"l"和"0"来表示。它们之间的逻辑关系遵循布尔代数的二进制逻辑运算法则。同样任何一个气动控制系统及执行机构的动作和状态,亦可设定为"1"和"0"。例如将气缸前进设定为"l",后退设定为"0"；管道有压设定为"1",无压设定为"0"；元件有输出信号设定为"1",无输出信号设定为"0"等。这样,一个具体的气动系统可以用若干个逻辑函数式来表达。由于逻辑函数式的运算是有规律的,对这些逻辑函数式进行运算和求解,可使问题变得明了、易解,从而可获得最简单的或最佳的系统。总之,逻辑控制即是将具有不同逻辑功能的元件,按不同的逻辑关系组配,实现输入、输出口状态的变换。气动逻辑控制系统,遵循布尔代数的运算规则,其设计方法已趋于成熟和规范化,然而元件的结构原理发展变化较大,自60年代以来已经历了三代更新。第一代为滑阀式元件,可动部件是滑柱,在阀孔内移动,利用了空气轴承的原理,反应速度快,但要求很高的制造精度；第二代为注塑型元件,可动件为橡胶塑料膜片,结构简单,成本低,适于大批量生产；第三代为集成化组合式元件,综合利用了电、磁的功能,便于组成通用程序回路或者与可编程序控制器PLC匹配组成气电混合控制系统。13.2.2 逻辑元件<Pneumatic logical elements>气动逻辑元件是用压缩空气为介质,通过元件的可动部件如膜片、阀心在气控信号作用下动作,改变气流方向以实现一定逻辑功能的气体控制元件。实际上气动方向控制阀也具有逻辑元件的各种功能,所不同的是它的输出功率较大,尺寸大。而气动逻辑元件的尺寸较小,因此在气动控制系统中广泛采用各种形式的气动逻辑元件逻辑阀。13.2.3 气动逻辑元件的分类气动逻辑元件的种类很多,可根据不同特性进行分类。1按工作压力1高压型 工作压力 0.20.8MPa2低压型 工作压力 0.050.2MPa3微压型 工作压力 0.0050.05MPa2按结构型式元件的结构总是由开关部分和控制部分组成。开关部分是在控制气压信号作用下来回动作,改变气流通路,完成逻辑功能。根据组成原理,气动逻辑元件的结构型式可分为三类：1截止式 气路的通断依靠可动件的端面平面或锥面与气嘴构成的气口的开启或关闭来实现。2滑柱式滑块型 依靠滑柱或滑块的移动,实现气口的开启或关闭。3膜片式 气路的通断依靠弹性膜片的变形开启或关闭气口。3按逻辑功能对二进制逻辑功能的元件,可按逻辑功能的性质分为两大类：1单功能元件 每个元件只具备一种逻辑功能,如或、非、与、双稳等。2多功能元件 每个元件具有多种逻辑功能,各种逻辑功能由不同的连接方式获得。如三膜片多功能气动逻辑元件等。13.2.4 主要逻辑元件13.2.4.1 高压截止式逻辑元件高压截止式逻辑元件是依靠控制气压信号推动阀心或通过膜片的变形推动阀芯动作,改变气流的流动方向以实现一定逻辑功能的逻辑元件。气压逻辑系统中广泛采用高压截止式逻辑元件。它具有行程小、流量大、工作压力高、对气源压力净化要求低,便于实现集成安装和实现集中控制控制等,其拆卸也方便。1或门元件图示13.24为或门元件的结构原理。A、B为元件的信号输入口,S为信号的输出口。气流的流通关系是：A、B口任意一个有信号或同时有信号,则S口有信号输出；逻辑关系式：。2是门和与门元件图13.25为是门和与门元件的结构原理。在A口接信号,S为输出口,中间孔接气源P情况下,元件为是门。在A口没有信号的情况下,由于弹簧力的作用,阀口处在关闭状态；当A口接入控制信号后,气流的压力作用在膜片上,压下阀芯导通P、S通道,S有输出。指示活塞8可以显示S有无输出；手动按钮7用于手动发讯。元件的逻辑关系为：。若中间孔不接气源P而接信号B,则元件为与门。也就是说,只有A、B同时有信号时S口才有输出。逻辑关系式：。3非门和禁门元件非门和禁门元件的结构原理如图13.26。在P口接气源,A口接信号,S为输出口情况下元件为非门。在A口没有信号的情况下,气源压力P将阀心推离截止阀座1,S有信号输出；当A口有信号时,信号压力通过膜片把阀芯压在截止阀座1上,关断P、S通路,这时S 没有信号。其逻辑关系式：。若中间孔不接气源P而接信号B,则元件为禁门。也就是说,在A、B同时有信号时,由于作用面积的关系,阀芯紧抵下截止阀口1,S口没有输出。在A口无信号而B口有信号时,S有输出。A信号对B信号起禁止作用,逻辑关系式：。4或非元件如图13.27,或非元件是在非门元件的基础上增加了两个输入端,即具有A、B、C三个信号输入端。在三个输入端都没有信号时,P、S导通,S有输出信号。当存在任何一个输入信号时,元件都没有输出。元件的逻辑关系式：。或非元件是一种多功能逻辑元件,可以实现是门、或门、与门、非门或记忆等逻辑功能。表13-1 或非元件组合可实现的逻辑功能。是 门或 门与 门非 门双 稳5双稳元件双稳元件属于记忆型元件,在逻辑线路中具有重要的作用。图示13.28为双稳元件的工作原理。当A有信号输入时,阀芯移动到右端极限位置,由于滑块的分隔作用,P口的压缩空气通过S1输出,S2与排气口T相通；在A信号消失后B信号到来前,阀芯保持在右端位置,S1总有输出；当B有信号输入时,阀芯移动到左端极限位置,P口的压缩空气通过S2输出,S1与排气口T相通；在B信号消失后A信号到来前,阀芯保持在右端位置,S2总有输出；这里,两个输入信号不能同时存在。元件的逻辑关系式为：； 。13.2.4.2 高压膜片式逻辑元件高压膜片式逻辑元件是利用膜片式阀芯的变形来实现其逻辑功能的。最基本的单元是三门元件和四门元件。1三门元件图示13.29为三门元件的工作原理。它由上、下气室及膜片组成,下气室有输入口A和输出口S,上气室有一个输入口B,膜片将上、下两个气室隔开。因为元件共有三个口,所以称为三门元件。A口接气源输入,S口为输出口,B口接控制信号。若B口无控制信号,则A口输入的气流顶开膜片从S口输出,如图13.29b；如S口接大气,若A 口和B口输入相等的压力,由于膜片两边作用面积不同,受力不等,S口通道被封闭,A、S气路不通,如图13.29c。若S口封闭,A、B口通入相等的压力信号,膜片受力平衡,无输出,13.29d。但在S口接负载时,三门的关断是有条件的,即S口降压或B口升压才能保证可靠地关断。利用这个压力差作用的原理,关闭或开启元件的通道,可组成各种逻辑元件。其图形符号如图13.29e。2四门元件四门元件的工作原理如图13.30。膜片将元件分成上、下两个气室,下气室有输入口A和输出口B,上气室有输入口C和输出口D,因为共有四个口,所以称之为四门元件。四门元件是一个压力比较元件。就是说膜片两侧都有压力且压力不相等时,压力小的一侧通道被断开,压力高的一侧通道被导通；若膜片两侧气压相等,则要看那一通道的气流先到达气室先到者通过,迟到者不能通过。当A、C口同时接气源,B口通大气,D口封闭时,则D口有气无流量,B口关闭无输出,如图13.30b；此时若封闭B口,情况与上述状态相同,如图13.30c此时放开D,则C至D气体流动,放空,下气室压力很小,膜片上气室气体由A输入,为气源压力,膜片下移,关闭D口,则D无气,B有气但无流量,如图13.0d；同理,此时再将D封闭,元件仍保持这一状态。根据上述三门和四门这两个基本元件,就可构成逻辑回路中常用的或门、与门、非门、记忆元件等。13.2.4.3 逻辑元件的选用气动逻辑控制系统所用气源的压力变化必须保障逻辑元件正常工作需要的气压范围和输出端切换时所需的切换压力,逻辑元件的输出流量和响应时间等在设计系统时可根据系统要求参照有关资料选取。无论采用截止式或膜片式高压逻辑元件,都要尽量将元件集中布置,以便于集中管理。由于信号的传输有一定的延时,信号的发出点例如行程开关与接收点例如元件之间,不能相距太远。一般说来,最好不要超过几十米。当逻辑元件要相互串联时定要有足够的流量,否则可能无力推动下一级元件。另外,尽管高压逻辑元件对气源过滤要求不高但最好使用过滤后的气源,一定不要使加入油雾的气源进人逻辑元件。13.3气动比例、伺服、数字控制阀pneumatic ratio servo numerical control valves工业自动化的发展,一方面对气动控制系统的精度和调节性能等提出了更高的要求,如在高技术领域中的气动机械手、柔性自动生产线等部分,都需要对气动执行机构的输出速度、压力和位置等按比例进行们服调节；另一方面气动系统各组成元件在性能及功能厂都得到了极大的改进；同时,气动元件与电子元件的结合使控制回路的电于化得到迅速发展,利用微型计算OL使新型的控制思想得以实现,传统的点位控制已不能满足更高要求,并逐步被一些新型系统所取代。现已实用化的气动系统大多为断续控制,在和电于技术结合之后,可连续控制位置、速度及力等的电一气伺服控制系统将得到大的发展。在工业较为发达的国家电,电一气比例伺服技术、气动位置伺服控制系统、气动力伺服控制系统等已从实验室走向工业应用。本节主要介绍气动电液比例控制阀及气动伺服阀的工作原理。13.3.1 气动比例控制阀气动电液比例控制阀是一种输出量与输入信号成比例的气动控制阀,它可以按给定的输入信号连续、按比例地控制气流的压力、流量和方向等。由于电液比例控制阀具有压力补偿的性能,所以其输出压力、流量等可不受负载变化的影响。接控制信号的类型,可将气动电液比例控制阀分为气控电液比例控制阀和电控电液比例控制阀。气控电液比例控制阀以气流作为控制信号,控制阀的输出参量、可以实现流量放大,在实际系统中应用时一般应与电一气转换器相结合,才能对各种气动执行机构进行压力控制。电控电液比例控制阀则以电信号作为控制信号。1气控比例压力阀气控比例压力阀是一种比例元件,阀的输出压力与信号压力成比例,如图13.31为比例压力阀的结构原理。当有输入信号压力时,膜片6变形,推动硬芯使主阀芯2向下运动,打开主阀口,气源压力经过主阀芯节流后形成输出压力。膜片5起反馈作用,并使输出压力信号与信号压力之间保持比例。当输出压力小于信号压力时,膜片组向下运动。使主阀口开大,输出压力增大。当输出压力大于信号压力时,膜片6向上运动,溢流阀芯3开启,多余的气体排至大气。调节针阀的作用是使输出压力的一部分加到信号压力腔形成正反馈,增加阀的工作稳定性。2电控比例压力阀如图13.32所示为喷嘴挡板式电控比例压力阀。它由动圈式比例电磁铁、喷嘴档板放大器、气控比例压力阀三部分组成,比例电磁铁由永久磁铁l0、线圈9和片簧8构成。 当电流输入时,线圈9带动档板7产生微量位移,改变其与喷嘴6之间的距离,使喷嘴6的背压改变。膜片组4为比例压力阀的信号膜片及输出压力反馈膜片。背压的变化通过膜片4控制阀芯2的位置,从而控制输出压力。喷嘴6的压缩空气由气源节流阀5供给。13.3.2 气动伺服控制阀气动伺服阔的工作原理与气动比例阀类似,它也是通过改变输入信号来对输出信号的参数进行连续、成比例的控制。与电液比例控制阀相比,除了在结构上有差异外,主要在于伺服阀具有很高的动态响应和静态性能。但其价格较贵,使用维护较为困难。气动伺服阀的控制信号均为电信号,故又称电一气伺服阀。是一种将电信号转换成气压信号的电气转换装置。它是电一气伺服系统中的核心部件。图13.33为力反馈式电一气伺服阀结构原理图。其中第一级气压放大器为喷嘴挡板阀,由力矩马达控制,第二级气压放大器为滑阀。阀芯位移通过反馈杆5转换成机械力矩反馈到力矩马达上。其工作原理为：当有一电流输入力矩马达控制线圈时,力矩马达产生电磁力矩,使挡板偏离中位假设其向左偏转,反馈杆变形。这时两个喷嘴档板阀的喷嘴前腔产生压力差左腔高于右腔,在此压力差的作用下,滑阀移动向右,反馈杆端点随着一起移动,反馈杆进一步变形,变形产生的力矩与力矩马达的电磁力矩相平衡,使挡板停留在某个与控制电流相对应的偏转角上。反馈杆的进一步变形使挡板被部分拉回中位,反馈杆端点对阀芯的反作用力与阀芯两端的气动力相平衡,使阀芯停留在与控制电流相对应的位移上。这样,伺服阀就输出一个对应的流量,达到了用电流控制流量的目的。13.3.3 气动数字控制阀脉宽调制气动伺服控制是数字式伺服控制,采用的控制阀大多为开关式气动电磁阀,称脉宽调制伺服阀,也称气动数字阀。脉宽调制伺服阀用在气动伺服控制系统中,实现信号的转换和放大作用。常用的脉宽调制伺服阀的结构有四通滑阀型和三通球阀型。图13.34为滑阀式脉宽调制伺服阀原理。滑阀两端各有一个电磁铁,脉冲信号电流轮流加在两个电磁铁上,控制阀芯按脉冲信号的频率作往复运动。13.4阀岛<Valve Terminal>"阀岛"一词来自德语,英文名为"Valve Terminal"。德国FESTO公司发明并最先应用。阀岛是由多个电控阀构成,它集成了信号输入输出及信号的控制,犹如一个控制岛屿。阀岛是新一代气电一体化控制元器件,已从最初带多针接口的阀岛发展为带现场总线 的阀岛,继而出现可编程阀岛及模块式阀岛。阀岛技术和现场总线技术相结合,不仅确保了 电控阀的布线容易,而且也大大地简化了复杂系统的调试、性能的检测和诊断及维护工作。借助现场总线高水平一体化的信息系统,使两者的优势得到充分发挥,具有广泛的应用前景。阀岛有多种类型,简述如下。1带多针接口的阀岛 可编程控制器的输出控制信号、输入信号均通过一根带多针插 头的多股电缆与阀岛相连,而由传感器输出的信号则通过电缆连接到阀岛的电信号输入口上。因此,可编程控制器与电控阀、传感器输入信号之间的接口简化为只有一个多针插头和一根多股电缆。与传统方式实现的控制系统比较可知,采用多针接口阀岛后系统不再需要接线盒。同时,所有电信号的处理、保护功能如极性保护、光电隔离、防水等都已在阀岛上实现。2带现场总线的阀岛 使用多针接口型阀岛使设备的接口大为简化,但用户还必须根 据设计要求自行将可编程控制器的输入输出口与来自阀岛的电缆进行连接,而且该电缆随着控制回路的复杂化而加粗,随着阀岛与可编程控制器间的距离增大而加长。为克服这一缺点,出现了新一代阀岛带现场总线的阀岛。现场总线Field bus的实质是通过电信号传输方式,并以一定的数据格式实现控制系统中信号的双向传输。两个采用现场总线进行信息交换的对象之间只需一根两股或四股的电缆连接。特点是以一对电缆之间的电位差方式传输的。在由带现场总线的阀岛组成的系统中,每个阀岛都带有一个总线输入口和总线输出口。这样当系统中有多个带现场总线阀岛或其它带现场总线设备时可以由近至远串联连接。现提供的现场总线阀岛装备了目前市场上所有开放式数据格式约定及主要可编程控制器厂家自定的数据格式约定。这样,带现场总线阀岛就能与各种型号的可编程控制器直接相连接,或者通过总线转换器进行阀接连接。带现场总线阀岛的出现标志着气电一体化技术的发展进人一个新的阶段,为气动自动化系统的网络化、模块化提供了有效的技术手段,因此近年来发展迅速。3可编程阀岛 鉴于模块式生产成为目前发展趋势,同时注意到单个模块以及许多简单的自动装置往往只有十个以下的执行机构,于是出现了一种集电控阀、可编程控制器以及现场总线为一体的可编程阀岛,即将可编程控制器集成在阀岛上。所谓模块式生产是将整台设备分为几个基本的功能模块,每一基本模块与前、后模块间按一定的规律有机地结合。模块化设备的优点是可以根据加工对象的特点,选用相应的基本模块组成整机。这不仅缩短了设备制造周期,而且可以实现一种模块多次使用,节省了设备投资。可编程阀岛在这类设备中广泛应用,每一个基本模块装用一套可编程阀岛。这样,使用时可以离线同时对多台模块进行可编程控制器用户程序的设计和调试。这不仅缩短了整机调试时间,而且当设备出现故障时可以通过调试出故障的模块,使停机维修时间最短。4模块式阀岛 在阀岛设计中引人了模块化的设计思想,这类阀岛的基本结构是： l控制模块位于阀岛中央。控制模块有三种基本方式：多针接口型、现场总线型和可编程型。2各种尺寸、功能的电磁阀位于阀岛右侧,每2个或1个阀装在带有统一气路、电路接口的阀座上。阀座的次序可以自由确定,其个数也可以增减。3各种电信号的输入输出模块位于阀岛左侧,提供完整的电信号输入输出模块产品。有带独立插座、带多针插头、带ASI接口及带现场总线接口的阀岛, 带独立插座的阀岛通用性强,对控制器无特殊要求,配有电缆有极性容错功能,插座上带有 LED和保护电路,分别用以显示阀的工作状态和防止过压。带多针插头的阀岛通过多感电缆将控制信号从控制器传输到阀岛,顶盖上不仅有电气多针插头,而且还带有LED显示器和保护电路。带ASI接口的阀岛,其显著的一个特点是数据信号和电源电压由同一根2芯电缆同时传输。电缆的形状使用户使用时排除了极性错误。对于ASI接口系统,每个模块通常提供4个地址。因此一个ASI阀岛可安装4个二位五通单控阀或2个二位五通双控阀。带现场总线接口的阀岛可与现场总线节点或控制器相连。这些设备将分散的输入输出单元串接起来,最多可连接4个分支。每个分支可包括16个输入和16个输出,连接电缆同时输电源和控制信号。也就是说,它适合控制分散元件,使阀尽可能安装在气缸附近,其目的是缩短气管长度,减小进排气时间,并减少流量损失。13.5气动控制阀的选用正确选择控制阀是设计气动系统和气动控制系统的重要环节,选择合理就能够使线路简化,减少控制阀的品种和数量,降低压缩空气的消耗量,降低成本并提高系统的可靠性。在选择气动阀时,首先要考虑阀的技术规格能否满足使用环境的要求。如气源工作压力范围,电源条件交、直流及电压等介质温度,环境温度、湿度、粉尘等情况。考虑阀的机能和功能是否满足需要。尽量选择机能一致的阀。根据流量来选择通径。分清是主阀还是控制用先导阀。主阀必须根据执行元件的流量来选择通径；先导阀信号阀则应该根据所控制阀的远近、数量和要求动作的时间来选择通径。根据使用条件、使用要求来选择阀的结构型式。如果要求严格密封,一般选择软质密封阀；如果要求换向力小,有记忆性能,应选择滑阀；如气源过滤条件差,采用截止式阀为好。安装方式的选择。从安装维护方面考虑板式连接较好,特别是对于集中控制的自动、半自动空置系统优越性更突出。阀的种类选择。在设计控制系统时,应尽量减少阀的种类,避免采用专用阀,选择标准化系列阀,以利于专业化生产、降低成本和便于维修使用。调压阀的选用要根据使用要求选定类型和调压精度,根据最大输出流量选择其通径。减压阀一般安装在分水滤气器之后,油雾气或定值器之前；进出口不能接反；阀不用时应该把旋钮防松,防止膜片经常受压变型而影响性能。安全阀的选择应根据使用要求选定类型,根据最大输出流量选择其通径。选用气动流量阀对气动执行元件进行调速,比液压流量阀调速要困难,因为气体具有压缩性。选择气动流量控制阀要注意以下几点：管道上不能有漏气现象；气缸、活塞间的润滑状态要好；流量控制阀尽量安装在气缸或气马达附近；尽可能采用出口节流调速方式；外加负载应当稳定。换向型方向控制阀<简称换向阀>,是通过改变气流通道而使气体流动方向发生变化,从而达到改变气动执行元件运动方向目的。它包括气压控制换向阀、电磁控制换向阀、机械控制换向阀、人力控制换向阀和时间控制换向阀等。 、气压控制换向阀 气压控制换向阀,是利用气体压力来使主阀芯运动而使气体改变流向的。按控制方式不同分为加压控制、卸压控制和差压控制三种。加压控制是指所加的控制信号压力是逐渐上升的当气压增加到阀芯的动作压力时,主阀便换向；卸压控制是指所加的气控信号压力是减小的,当减小到某一压力值时,主阀换向；差压控制是使主阀芯在两端压力差的作用下换向。 气控换向阀按主阀结构不同,又可分为截止式和滑阀式两种主要形式。滑阀式气控换向阀的结构和工作原理与液动换向阀基本相同。在此主要介绍截止式换向阀。 截止式换向阀的工作原理 图1所示为二位三通单气控截止式换向阀的工作原理图。图1420a为及口没有控制信号时的状态。阀芯在弹簧与P腔气压作用下,使P与A断开,A与T通,阀处于排气状态。当K口有控制信号时<见图1420b>,P与A通,A与2、断开,A口进气。图一、截止式换向阀的工作原理图2所示为二位三通