※单作用气缸的工作原理※
一、什么是气缸
气缸，也称气动执行器或气动驱动器，是一种相对简单的机械装置，它利用压缩空气的能量并将其转化为直线运动。与液压或电动气缸相比，气动气缸重量轻且维护成本低，通常以较低的速度和较小的力运行，但对于许多工业环境中的可靠线性运动而言，它是一种清洁且具有成本效益的选择。最常见的设计包括一个两端密封的圆柱体或管子，一端带有盖子，另一端带有头部。气缸包含一个活塞，该活塞连接到一根杆上。杆在压缩空气的驱动下进出管的一端。存在两种主要类型：单作用和双作用。
二、单作用气缸的工作原理
在单作用气缸中，空气通过一个端口供应到活塞的一侧，使活塞杆向一个方向延伸，以完成诸如举起物体之类的任务。另一侧将空气排放到环境中。相反方向的运动最常通过机械弹簧发生，它使活塞杆返回其原始位置或基本位置。一些单作用气缸使用重力、重量、机械运动或外部安装的弹簧来为回程提供动力，尽管这些设计不太常见。下图是某企业生产的单作用气缸的内部结构图。
相比之下，双作用气缸具有两个端口，可提供压缩空气以延伸和缩回活塞杆。双作用设计在整个行业中更为典型，估计有 95% 的应用使用这种气缸类型。然而，在某些应用中，单作用气缸是最具成本效益和合适的解决方案。
在单作用气缸中，设计可以是“基位减"带弹簧复位，或“基位加"带弹簧伸展。这取决于压缩空气是用于为外冲程还是内冲程提供动力，如下视频所展示。
考虑这两个选项的另一种方法是推和拉。在推动设计中，气压产生推力，推动活塞。采用拉力设计，气压会产生拉动活塞的推力。最广泛的类型是压力扩展型，当空气排出时，它使用内部弹簧将活塞返回到其基本位置。单作用设计的一个优点是，在动力或压力损失的情况下，活塞会自动返回其基本位置。这种类型的缺点是由于相反的弹簧力，在全行程期间输出力有些不一致。行程长度还受到压缩弹簧所需空间以及可用弹簧长度的限制。
以下文件是亚德客公司生产的单作用气缸的三维模型，请点击浏览其外观及各部分构造。
三、单作用气缸 ISO 符号
在气动回路图中，单作用气缸的符号图如下图所示：
四、气缸的其它知识
对于位置检测，可以在气缸活塞上安装磁铁。然后安装在气缸体上的传感器可以从磁铁收集信息并确定活塞位置。霍尔效应传感器和簧片开关通常用于此目的。另一个需要考虑的气缸组件涉及缓冲。当压缩空气进入气缸时，活塞会快速移动，并可能对头部或端盖造成强烈冲击。为避免对气缸组件施加压力并将振动传递到机器的其余部分，可以在气缸的末端使用缓冲。对于许多单作用气缸往往是较小的气缸，通常使用由聚氨酯弹性体制成的柔性减震器。这些缓冲器安装在头部和端盖上或集成到活塞本身中。
关于尺寸，重要的是要记住气缸直径与它可以从输入气压中产生的力的大小成正比。以下公式很有用：
F = (P x A) – f
F 是气缸的力（N）； P为气压（MPa）； A为活塞面积（mm2）； f 是摩擦阻力 (N)。
还要记住，对于单作用气缸，由于相反的弹簧力，一些功会丢失。在确定这种气缸类型的尺寸时，必须考虑这种力的减少。直径和行程是尺寸计算过程中要考虑的最重要的因素。直径是指活塞直径，它定义了相对于气压的力。可用的气缸直径由气缸类型和 ISO 或其他标准定义。行程定义活塞和活塞杆可以移动多少毫米。一般规则是缸径越大，输出的力就越大。典型的气缸孔尺寸范围为 8 至 320 毫米。
最后要考虑的是安装方式。根据制造商的不同，有许多配置可用。一些最常见的包括脚安装、尾部安装、后枢轴安装和耳轴安装。最佳选择将由特定应用程序和其他系统组件决定。
※按钮式二位三通换向阀※
一、换向阀
换向阀是具有两种以上流动形式和两个以上油口的方向控制阀。是实现液压油或压缩空气流的沟通、切断和换向，以及压力卸载和顺序动作控制的阀门。靠阀芯与阀体的相对运动的方向控制阀。有转阀式和滑阀式两种。按阀芯在阀体内停留的工作位 置数分为二位、三位等;按与阀体相连的油路数分为二通、三通、四通和六通等;操作阀芯运动的方式有 手动、机动、电动、液动、电液等型式。下图为亚德客的手扳阀的实物图。
二、气动换向阀的“位”和“通”
“通”和“位”是气动换向阀的重要概念。不同的“通”和“位”构成了不同类型的气动换向阀。通常所说的“二位阀”、“三位阀”是指换向阀的阀芯有两个或三个不同的工作位置。所谓“二通阀”、“三通阀”、“四通阀”、“五通阀”是指换向阀的阀体上有两个、三个、四个、五个各不相通且可与系统中不同气管相连的接口，不同气路之间只能通过阀芯移位时阀口的开关来沟通。
前面的“几位”，你要看这个阀有几种工作状态，就可以说是几位，如有气动元件符号，就更好理解了，在图符上代表阀体的正方形（内有箭头或T线）有几个就是几位。而后面的“几通”，是代表在其中的一个正方形上有几个点（和箭头线还有T线相交的点），就是几通。
图形符号的含义一般如下：
(1)用方框表示阀的工作位置，有几个方框就表示有几“位”；
(2)方框内的箭头表示气路处于接通状态，但箭头方向不一定表示气体流动的实际方向；
(3)方框内符号“┻”或“┳”表示该通路不通；
(4)方框外部连接的接口数有几个，就表示几“通”；
(5)一般，阀与系统气连接的进气口用字母P表示；阀与系统回气路连通的排气口用R(有时用EA或EB)表示；而阀与执行元件连接的气口用A、B等表示。
(6)换向阀都有两个或两个以上的工作位置，其中一个为常态位，即阀芯未受到操纵力时所处的位置。图形符号中的中位是三位阀的常态位。利用弹簧复位的二位阀则以靠近弹簧的方框内的通路状态为其常态位。绘制系统图时，气路一般应连接在换向阀的常态位上。
三、气动换向阀的控制方式
气动换向阀按其控制方式的不同可以分成以下几种类型：人力控制式、机械控制式、气压控制式、电磁控制式、时间控制式等，具体选择何种控制方式应根据项目的具体要求，下图为亚德客的各种类型的换向阀。
四、按钮式二位三通换向阀
所谓按钮式二位三通换向阀，顾名思义，即控制方式为按钮式（人力操作），该换向阀有2个工作位置，3个气路接口，由于通常情况下，P口接气源，A口接气缸，R口接消声器，所以在购买换向阀时，还需要购买相应螺纹口规格的快插接口和消声器（会在后面讲到）。下图为亚德客按钮式二位三通换向阀的图片和三维模型。
※空压机知识简要※
空压机（英文为：air compressor）是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置,是利用空气压缩原理制成超过大气压力的压缩空气的机械。
按照压缩空气的方式不同，空压机通常分为两大类，一类是容积式，另一类是动力式，又可按其结构的不同分为以下几种形式：
一、螺杆式空压机的工作原理
螺杆式压缩机是具有螺旋状旋转的容积式压缩机,是目前世界上应用最广泛的容积式压缩机之一。螺杆式空压机是一种很年轻的空压机型，真正的技术突破是在最近二、三十年才发展成熟并形成系列化。大约在1878年德回人H·Krigar 最先提出螺杆式空压机的概念，后来人们逐渐了解了螺杆式空压机的工作原理，20世纪30年代，SRM工厂的总工程师A. 利斯霍尔姆申请了第一个双螺杆专利，之后世界上第一台螺杆式空压机投入使用。下图为双螺杆空压机的结构示意图。
双螺杆空压机具有一对互相啮合、相反旋向的螺旋形齿的转子。其齿面凸起的转子称为阳转子，齿面凹下的转子称为阴转子。
双螺杆空压机的工作过程可以分为吸气、压缩、排气三个过程，如下图所示：
其结构组成如下图所示：
二、螺杆空压机的工作压力
压力单位的表示形式很多，这里主要介绍螺杆式空气压缩机常用的压力表示单位；
① 工作压力，国内用户常称排气压力。工作压力是指空压机排出气体的最高压力；
② 常用的工作压力单位为： bar或Mpa ，1 bar = 0.1 Mpa ；
③ 一般性，用户通常把压力单位称为:Kg（公斤），1 bar = 1 Kg。
三、空压机的容积流量
① 容积流量，国内用户常称排气量。容积流量是指在所要求的排气压力下，空压机单位时间内排出的气体容积，折算到进气状态的量。
② 容积流量单位为：m³/min（立方/分钟）或 L/ min（升/分钟），1m³（立方）= 1000L（升）；
③ 一般性，常用的流量单位为： m³/min（立方/分钟）；
④ 容积流量在我国又被称为排气量或铭牌流量。
四、空压机的功率
① 一般性，空压机的功率是指所匹配的驱动电机或柴油机的铭牌功率；
② 功率的单位为：KW（千瓦）或HP（匹/马力），1KW ≈ 1.333HP 。
五、空压机的保养
（一）螺杆式空压机的维护时间和内容
1、运行500小时：使用新机器后，刚开始更换机油滤清器的滤芯。
2、运行1000小时：检查进气门、栏杆和活动部件的动作，并添加润滑脂。
3、运行2000小时或6个月：以先到者为准检查各管路，更换润滑油，清除油污。
4、运行3000小时或一年：清洁进气门和排气门。
（二）螺杆式空压机的维护内容
1、仔细检查各级气缸和运动部件的运动声音，根据“听”看其工作情况是否正常，发现异常声音，立即停车检查；
2、注意各级压力表、储气罐和冷却器上的压力表、润滑油压力表的指示值是否在规定范围内；
3、检查冷却水温度和流量是否正常；
4、检查润滑油的供应和移动机构润滑系统的供油情况(部分螺杆式空压机在机身十字头导轨侧面装有有机玻璃挡板，可以直接看到十字头运动和润滑油的供应情况)；气缸和填料的排油检查可采用单向切削，并可检查喷油器向气缸内喷油的情况。
5、观察机身油池油位和加油器润滑油是否低于刻度线。如果低，应及时加油(需要停下油尺检查)；
6、触摸检查机身曲轴箱横导轨处的吸排气盖温度是否正常；
7、注意电机温升、轴承温度和电压表、电流表指示是否正常，电流不得超过电机的额定电流，如果超过，要找原因或停机检查；
8、经常检查电机是否有杂物甚至导电物体，线圈是否损坏，定子和转子是否有摩擦，否则电机启动后电机会烧坏；
9、如果是水冷式螺杆式空压机，如果断水后不能立即进水，就要避免冷热不均造成汽缸破裂。冬季停车后，要放出冷却水，避免气缸等处冻裂；
10、检查空压机是否振动，地脚螺栓是否松动或脱落；
11、检查压力调节器或负荷调节器和安全切断是否灵敏；
12、注意螺杆式空压机及其设备和环境的卫生；
13、气罐、冷却器和油水分离器应始终释放油和水；
14、使用的润滑机器应沉淀和过滤。螺杆式空压机油在冬天和夏天应该不同地使用。
总结一下。仔细检查螺杆式空压机各级气缸和运动部件的运动声音，根据“听”来识别其工作状态是否正常。如果发现异常声音，立即停车检查。
※单作用气缸动作控制实现原理※
图1-11 单作用气缸动作控制实现原理
1-单作用气缸；2-活塞；3-连接管；4-按钮式二位三通换向阀；5-进气口；6-排气口
在图1-11的单作用气缸动作控制示意图中，按下换向阀4的按钮前，进气口5封闭，单作用缸的活塞2由于弹簧的作用处于缸体的左侧。按下按钮后，换向阀切换到左位，使压缩空气进气口5与缸的左侧腔体（无杆腔）相同，压缩空气推动活塞客服摩擦力和弹簧的反作用力，向右运动，带动活塞杆向外伸出。松开按钮，换向阀在弹簧力的作用下回到右位，进气口5再次封闭，缸无杆腔与排气口相通，由于气压作用在活塞左侧的推力消失，在缸复位弹簧弹力的作用下，活塞缩回。这样就实现了单作用缸活塞杆在气压和弹簧作用下的直线往复运动。
※FluidSIM软件※
FluidSIM是德国Festo公司和Paderborn大学开发的用于液压与气压传动的教学软件等的软件。FluidSIM软件由德国Festo公司 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，FuidSIM软件分两个软件，其中FluidSIM-H用于液压传动教学，而FluidSIM-P用于气压传动教学。
FluidSIM软件的主要特征是：
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，CAD功能是专门针对流体而特殊设计的，例如在绘图过程中，FluidSIM软件将检查各元件之间连接是否可行。最重要的是可对基于元件物理模型的回路图进行实际仿真，并有元件的状态图显示，这样就使回路图绘制和相应液压（气压）系统仿真相一致，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）系统学习的概念。FluidSIM软件可用来自学、教学和多媒体教学液压（气压）技术知识。液压（气压）元件可以通过文本说明、图形以及介绍其工作原理的动画来描述；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回路。弥补了以前液压与气动教学中，学生只见液压（气压）回路不见电气回路，从而不明白各种开关和阀动作过程的弊病。电气－液压（气压）回路同时设计与仿真，提高学生对电气动、电液压的认识和实际应用能力。
FluidSIM软件用户界面直观，采用类似画图软件似的图形操作界面，拖拉图标进行设计，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。
