第七章氣液壓系統 1 氣壓系統 壓縮機藉由電動馬達或內燃機驅動, 對空氣做功, 把空氣壓縮後儲存在堅固的儲氣槽中, 然後高壓氣體沿著狹窄的塑膠管或鐵管傳送到需要氣壓動力的設備上, 讓氣壓缸或其他機具產生動作 空氣受到壓力時體積會減小, 且被輸入大量功 (work), 因此壓縮空氣中儲藏了大量能量, 一旦釋放出來便能用來做一些有用的工作 氣壓手工具被廣泛運用, 包括牙醫的鑽牙機, 以及修馬路時常用的氣動鑽頭等
2 氣壓系統示意圖 馬達 壓縮機 儲氣槽 氣壓管 調質器 氣壓缸 氣壓系統(pneumatic system) 通常是由 壓縮機 (compressor) 來提供壓縮空氣, 壓縮機也就是整個氣壓系統動力的來源 壓縮機藉由電動馬達或內燃機驅動, 對空氣做功, 把空氣壓縮後儲存在堅固的儲氣槽儲氣槽中 壓縮氣體在使用前必須經過 空氣過濾器 (air filter), 將空氣中塵埃等雜質除去, 再配合 調壓器 (pressure regulator) 調節管路氣壓大小, 最後 潤滑器 (lubricator) 噴入油霧與高壓氣體混合以潤滑管路
過濾器 除去雜質與水氣 3 未過濾空氣 過濾網 凝結水 過濾器表示符號 排水閥
壓力調整器 調節管路壓縮空氣壓力的大小 4 壓力調整鈕 排氣孔 彈簧 撓性薄膜 IN OUT 閥門 P IN IN < <P < P OUT P IN >P > P OUT IN P OUT IN P OUT 氣壓調整器表示符號
潤滑器 使潤滑油成霧狀 5 IN OUT 虹吸管 潤滑油 潤滑器表示符號
氣壓致動器 氣壓缸 6 氣壓缸是氣壓系統中的致動元件, 高壓氣體由左側進入氣壓缸內開始膨脹, 使活塞向右伸出, 同時右側氣壓缸會將內部剩餘空氣排出, 如此就可以將壓縮空氣內儲藏的能量轉換成為活塞運動的動能 氣壓缸活塞桿伸出 拉回的動作, 配合機構的設計, 就可以達成如機械手臂 平台升降 煞車等等動作 compressed air exhaust
例題 1. 氣壓缸作用力大小的計算 7 進口的壓縮空氣壓力為 0.5MPa, 也就是在每一個 1mm 1mm 的面積下, 壓縮空氣會產生 0.5N 的力 ( 大約 5 個大氣壓 ), 而氣壓缸活塞面積為 300mm 2, 氣壓缸產生作用力大小為 : 作用力 = 空氣壓力 活塞面積 = 0.5 N/mm 2 300mm 2 2 300 mm = 150 N compressed 壓縮氣體 air 0.5MPa
氣壓馬達 柱塞式旋轉氣壓馬達 8 輸出軸 活塞 活塞桿 入口 出口
例題 2. 氣動鑽頭 9 控制手把 空氣入口 輸送管 圓盤閥 活塞 氣流 空氣出口鐵塊 氣流 彈簧 鑽頭 (a) (b)
壓力控制閥 放洩閥 10 放洩閥可先以調整栓施予彈簧預力設定壓力, 當迴路中氣壓超過預設壓力時, 高壓氣體會從放洩閥自動排洩於大氣中, 使壓力回復正常, 因此放洩閥又可稱為 安全閥 (safety valve) 調整栓 彈簧 排氣口 球塞 放洩閥表示符號 高壓
壓力控制閥 減壓閥 11 壓力調整鈕 彈簧 撓性薄膜 減壓閥表示符號
方向控制閥 二口閥 (2/2) 12 IN IN OUT OUT 方向控制閥經常以 口 與 位置 來稱呼 進出閥體通路稱為 口, 一般方向控制閥的開口數有二口至六口 ; 而變換閥體各口之間通路的狀態稱為 位置 2/2 閥 : 二口二位置閥 二口二位置閥與電路中的單軸單切開關十分類似
方向控制閥 三口閥 (3/2) 13 三口二位置閥控制氣流通路開閉的功能, 與電路中的單軸雙切開關十分類似 3 1 2 出氣口 3 氣壓源 1 2 彈簧
例題 3. 氣壓沖床 (I) 14 氣壓缸 方向控制閥 沖壓模
例題 3. 氣壓沖床 (II) 15 3 1 2 3 1 2 (a) (b)
方向控制閥 止回閥 16 止回閥(one way valve) 可使氣壓只能由單一方向自由流動, 而不能逆向流動, 其控制氣流方向的功能, 相當於電路中的二極體 球閥 止回閥表示符號
方向控制閥 梭動閥 17 梭動閥的作動方式是當左側管路或右側管路有壓力進來時, 另一邊就會被截斷其流路, 只讓單一方向流入, 並由中央的接頭流出 當 1A 的接頭有空氣流入時, 它會將活塞閥由 1A 壓到 1B 的位置, 使 1A 與 2 號接頭形成通路, 反之則使 1B 與 2 號接頭形成通路 2 閥 2 1A 1B 1A 1B 2 1 1 梭動閥氣壓表示符號
例題 4. 雙重控制的氣壓沖床 18 A D a 3 1 B 2 C b 3 1 2
流量控制閥 流量控制器 調整螺栓 19 流量控制閥通常是單向流量控制 當左側管路壓力較大時, 球閥被頂開形成通路, 因而對於閥門左側到右側的氣流流路完全沒有流量控制效果 針形閥 當右側管路壓力較大時, 球閥完全封閉, 氣流必須從上方針形閥流通 IN OUT 控制調整螺絲改變閥門開口大小, 因此對右側到左側的氣流達到流量控制的效果 球閥 彈簧
雙動氣缸的控制 (I) 20 五口二位置方向閥 流量控制閥
雙動氣缸的控制 (II) 21 氣壓控制閥的工作原理與一般手動控制閥門相同, 只是其利用氣壓來當做閥門切換的訊號 當五口二位置閥門未被切下時,1 號氣缸直接由 5 號接頭排氣, 而 2 號氣缸排氣要經過流量控制閥, 使得排氣速度被限制, 形成 控制流 (controlled flow), 所以 2 號缸伸出速度動作較慢 值得注意的是 1 號與 2 號活塞桿伸出的速度不一樣, 但同時收回活塞桿 1 2 3 1 5
氣壓控制閥 22 前面所討論的方向控制閥完全是以機械方式操作 要達成自動化 自動控制的目的, 氣壓系統的方向控制閥必須能以氣壓訊號或電流訊號控制 氣壓控制閥的工作原理與一般手動控制閥門相同, 只是其利用氣壓來當做閥門切換的訊號 4 2 2 5 1 3 3 1
例題 5. 氣壓控制閥的應用 23 4 2 14 12 5 1 3 安全區域 2 1 3 3 1 2
電磁閥 24 電磁閥是利用線圈通電產生磁場的原理, 控制閥門位置切換 +V +V 電磁線圈 閥 (a) (b)
液壓 25 液壓系統 (hydraulic system) 最大的特點是液壓油沒有壓縮性, 小體積的油壓 缸就能產生相當大的出力 50N 400N 巴斯卡定理 100mm 2 800mm 2 A B
液壓系統 26 氣壓系統中壓縮空氣用完後可以直接排出系統回歸大氣中, 但液壓系統必須將用完的液壓油送回儲油槽, 而管路與致動器中有許多的污染物, 所以液壓油須過濾還原, 再注入儲油槽循環使用, 同時也保護油壓幫浦 液壓缸 方向控制閥 油壓幫浦 馬達 儲油槽
例題 6. 千斤頂 F 27 氣體可以輕易壓縮其體積, 但液體則幾乎無法壓縮, 也由於這個原因, 我們可用液壓來製作千斤頂, 以很小的力量頂起重物 搖臂 大活塞 小活塞 止回閥 螺栓
液壓致動器 28 液壓系統中將液壓能量轉換成機械運動的致動器有油壓缸與液壓馬達 一般液壓馬達可分成 齒輪式幫浦 (gear pump) 葉輪式幫浦 (vane pump) 與 柱塞式幫浦 (axial piston pump) 低壓液壓油 高壓液壓油
例題 7. 液壓煞車 29 煞車油補充箱 煞車盤 油壓缸 煞車踏板 煞車片 煞車 油壓缸 高壓煞車油 煞車盤 油壓缸
例題 8. 液壓系統迴路 30 過濾器 儲油槽儲油箱 C C 方向控制閥 A A B B 油壓缸 油壓缸 放洩閥 油壓幫浦 油壓幫浦
氣壓與液壓系統特性的比較 31 優點 氣壓系統 空氣可隨地取得與排出 只要用塑膠細管即能傳輸 控制流量就可使引動器達到無段變速 無導火的危險 液壓系統 體積小出力大 動作圓滑平順可無段變速 可保持正確工作壓力 可保護管路不會腐蝕 空氣能儲存能量 空氣可壓縮, 故有緩衝力
氣壓與液壓系統特性的比較 32 缺點 氣壓系統 無法得到大出力 空氣有壓縮性 氣體中含有水氣, 易腐蝕元件 管路長度受限制 液壓系統 若管路不良易洩漏 液壓油與管路摩擦, 易生熱使液壓油性質改變 液壓油需要回收重複使用, 故管路較複雜 管路流速受限制 線性致動器 液壓油是可燃物較危險