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2.1送料装置气控回路组装与调试
1）能辨别常用气动方向控制阀单向阀、换向阀的实物与图形符号。
2）能阅读与分析简单方向控制回路。
3）能合理选用气动元件及工具进行简单方向控制回路的搭建与调试。
4）具有初步的故障分析能力和排除方向控制回路简单故障的能力。
图2-1所示的送料装置用于将物料推送到加工位置。要求按下按钮开关后，气缸1A1的活塞杆前向运动推送物料；松开按钮开关后，活塞杆返回，准备推送下一个工件。
图2-1 送料装置示意图
在图2-1所示的气动回路中，执行元件可根据实际需要采用单作用气缸或双作用气缸。如果所推物件很重，那么执行元件可采用双杆气缸，反之可选用单杆气缸，以减小耗气量。确定好执行元件的类型后，根据气缸的类型选取具有相应“位”和“通”路数的方向控制阀，控制阀可根据具体要求采用人力、机械或电磁等控制方式。
气压传动系统中的控制元件是控制和调节压缩空气的压力、流量、流动方向和发送信号的重要元件。 利用它们可以组成各种气动控制回路，使气动执行元件按设计程序正常地进行工作。
控制元件按功能和用途可分为方向控制阀、压力控制阀和流量控制阀三大类。 此外，还有通过改变气流的方向和通断来实现各种逻辑功能的 气动逻辑元件和射流元件等。
用于通断气路或改变气流方向，从而控制气动执行元件起动、停止和换向的元件称为方向控制阀。方向控制阀主要有单向阀和换向阀两种。
单向阀是用来控制气流方向，使其只能单向通过的方向控制阀。 如图2-2a所示，气体只能从左向右流动，反向时单向阀内的通路会被阀芯封闭。在气压传动系统中，单向阀常和其他控制阀并联，使其只在某一特定方向上起控制作用。
图2-2 单向阀的结构原理图、图形符号及实物图
1—阀体 2—阀芯
2.1图2-2单向阀结构原理
用于改变气体通道，使气体流动方向发生变化，从而改变气动执行元件的运动方向的元件，称为换向阀。
换向阀的种类很多，具体分类见表2-1。
表2-1 换向阀的种类
换向阀的表示方法由阀的通口和工作位置决定，阀的切换通口包括供气口、输出口和排气口，阀芯有几个工作位置就是几位阀。
常见换向阀的位、通路及操纵方式的图形符号如图2-3和图2-4所示。
图2-3 换向阀位、通路的图形符号
2.1图2-3换向阀位、通路的图形符号
图2-4 换向阀操纵方式的图形符号
1）用方框表示阀的工作位置，有几个方框就表示有几个工作位置。
2）一个方框与外部相连接的主通口有几个，就表示几通。
3） 方框内的箭头表示该位置上气路接通，但不表示气流的流向； 方框内的符号“┻”或“┳”表示此通路被阀芯封闭。
4） 三位阀中间的方框和二位阀侧面画弹簧的方框为常态位。 绘制气动系统原理图时，气路应连接在换向阀的常态位上。
5）控制方式和复位弹簧应画在方框的两端。
6）为便于连接应对换向阀的接气口进行标号，本书采用国家标准GB/T 32215—2015的规则：压缩空气供气入口为1；排气口为3、5；压缩空气输出口为2、4；使接口1、2导通的控制气路接口为12；使接口1、4导通的控制气路接口为14。
图2-5所示阀的开启和关闭是通过在气控口12处加上或撤销一定压力的气体，使大于管道直径的圆盘形阀芯在阀体内移动来控制的，这种换向阀称为截止式换向阀。
截止式换向阀主要有以下特点：
图2-5 截止式二位三通气控换向阀的结构原理图与图形符号
1）用很小的移动量就可以使阀完全开启，阀流通能力强，因此便于设计成紧凑的大流量阀。
2）抗粉尘和污染能力强，对空气的过滤精度及润滑要求不高，适用于环境比较恶劣的场合。
3）当阀口较多时，结构太复杂，所以一般用于三通或二通阀。
4）因为有阻碍换向的背压存在，阀芯关闭紧密、泄漏量小，但换向阻力也较大。
图2-6所示的换向阀是通过使两端电磁铁通电和失电，从而使圆柱形阀芯在阀套内做轴向运动来实现换向的，这种换向阀称为滑阀式换向阀。
图2-6 滑阀式三位五通电磁换向阀的结构原理图与图形符号
滑阀式换向阀主要有以下特点：
1）换向行程长，即阀门从完全关闭到完全开启所需的时间长。
2）当双控阀不设复位弹簧时；阀芯切换没有背压阻力，所需换向力小，动作灵敏，容易实现记忆功能。
3）阀芯在阀体内滑动，对杂质敏感，对气源处理要求较高。
4）通用性强，易设计成多位多通阀。
换向阀按操纵方式主要有人力操纵控制、机械操纵控制、气压操纵控制和电磁操纵控制四类。
1）人力操纵换向阀。依靠人力对阀芯位置进行切换的换向阀称为人力操纵换向阀，简称人控阀。人控阀又可分为手动阀和脚踏阀两大类。常用的人力操纵换向阀如图2-7所示。
图2-7 常用的人力操纵换向阀
人力操纵换向阀与其他控制方式的换向阀相比，使用频率较低，动作速度较慢。因操纵力不宜太大，所以阀的公称通径较小，操作也比较灵活。
2）机械操纵换向阀。机械操纵换向阀是利用安装在工作台上的凸轮、挡块或其他机械装置来推动阀芯动作而实现换向的换向阀。由于它主要用来控制和检测机械运动部件的行程，所以一般也称为行程阀。行程阀常见的操纵方式有顶杆式、杠杆式、滚轮式、单向滚轮式等，其换向原理与手动换向阀类似。常用的机械操纵换向阀如图2-8所示。
图2-8 常用的机械操纵换向阀
顶杆式换向阀是利用机械外力直接推动阀杆的头部使阀芯位置发生变化来实现换向的。滚轮式换向阀的头部安装滚轮，以减小阀杆所受的侧向力。单向滚轮式换向阀单向运动时换向，反向时不换向，常用它来排除回路中的障碍信号，其头部滚轮是可折回的。
3）气压操纵换向阀。气压操纵换向阀是利用空气压力来实现换向的，简称气控阀。根据控制方式不同，又可分为加压控制、卸压控制和差压控制三种。常用的气压操纵换向阀如图2-9所示。
图2-9 常用的气压操纵换向阀
加压控制是指控制信号的压力上升到阀芯动作压力时，阀换向，是最常用的气控阀；卸压控制是指所加的气压控制信号减小到某一压力值时阀芯动作，阀换向；差压控制是利用换向阀两端气压有效作用面积的不同，使阀芯两侧产生压力差来使其动作而实现换向的。
4）电磁操纵换向阀。电磁操纵换向阀是利用电磁铁线圈通电时所产生的电磁吸力使阀芯改变位置来实现换向的，简称电磁阀。电磁铁的结构如图2-10所示，电磁线圈主要由线圈、动铁心及定铁心三部分组成，动铁心和定铁心一般用软磁材料制成。 电磁阀能够利用电信号对气流方向进行控制，使得气压传动系统可以实现电气控制，是自动化基础元件， 在液压、气动装置中应用普遍。
图2-10 电磁铁的结构
电磁操纵换向阀按操纵方式不同可分为直动式和先导式。常用电磁操纵换向阀如图2-11所示。
将电磁阀集成为阀组，统一进、排气和供电，可以节省空间，减少安装配件数量，如图2-12所示。
图2-11 常用电磁操纵换向阀
图2-12 电磁阀集成为阀组
以图2-13所示的二位三通常开型手动换向阀为例，介绍利用FluidSIM软件绘制换向阀的方法。
1）将图2-14所示的FluidSIM-P软件元件库中的n位三通换向阀拖至绘图区域中。
图2-13 二位三通常开型手动换向阀
图2-14 FluidSIM-P软件元件库中的n位三通换向阀
2）确定工作位置和左端、右端驱动。双击换向阀，弹出图2-15所示的“配置换向阀结构”对话框。从“左端驱动”区的“手控”下拉菜单中选择“带锁定手控方式”，“右端驱动”选择勾选“弹簧复位”复选框，单击“确定”按钮关闭对话框。
换向阀两端的驱动方式可以单独定义，可以采用同一种驱动方式，也可以采用多种驱动方式，如“手动”“机控”或“气控/电控”。单击其后下拉菜单可以设置驱动方式，若不希望选择驱动方式，则应直接从驱动方式下拉菜单中选择空白符号。对于换向阀的每一端，都可以设置为“弹簧复位”。
在图2-15中的“描述”文本框中键入换向阀的名称，该名称用于状态图和元件列表中。
图2-15中的“阀体”区表示换向阀的工作位置，最多可有四个工作位置，单击“阀体”下拉菜单右边向下箭头并选择图形符号，就可以设置每个工作位置。每个工作位置都可以单独设置，若不希望选择工作位置，则应直接从“阀体”下拉菜单中选择空白符号。
图2-15 “配置换向阀结构”对话框
“静止位置”用于定义换向阀的常态位置（当换向阀为三位阀时称为中位），是指换向阀不受任何驱动的工作位置。
3）确定气接口形式。指定气接口3为排气口，双击气接口“3”，弹出图2-16所示的“气接口”对话框，单击“气接口端部”下拉菜单右边向下箭头，选择排气口符号▽（表示简单排气），从而确定排气口的接口形式，单击“确定”按钮关闭对话框，即完成图2-13所示二位三通常开型手动换向阀的绘制。
图2-16 “气接口”对话框
在实际气压传动系统中，如果采用纯气动控制，则回路往往比较复杂，故实际设备大多使用电磁阀，即采用电气控制。这样不仅能对不同类型的执行元件进行集中统一控制，也可以较方便地满足比较复杂的控制要求和实现远程控制。此外，电信号的传递速度也远高于气压信号的传递速度，控制系统可以获得更高的响应速度。
按钮是一种常用电气控制元件，通常用来接通或断开电路， 其电气符号为SB。按钮由按键、动作触头、复位弹簧、按钮盒组成。按钮可分为：
1） 常开按钮 是开关触点常态断开的按钮。
2） 常闭按钮 是开关触点常态接通的按钮。
3） 复合按钮 是开关触点常态既有接通也有断开的按钮。
按钮在电气原理图中的表示方法及实物图如图2-17所示。
电磁继电器在电气控制系统中起控制、放大、联锁、保护和调节的作用，是实现控制过程自动化的重要元件， 其结构原理如图2-18a所示。电磁继电器的线圈通电后，所产生的电磁吸力克服释放弹簧的反作用力使铁心和衔铁吸合。衔铁带动动触头1，使其和静触头2分断，和静触头4闭合。线圈断电后，在释放弹簧的作用下，衔铁带动动触头1与静触头4分断，与静触头2再次恢复闭合状态。 一个电磁继电器可带多组常开、常闭触点， 电磁继电器的图形符号和实物如图2-18b、c所示。
图2-17 按钮的图形符号及实物图
图2-18 电磁继电器
利用FluidSIM软件可以绘制电气控制回路图，以实现气动、液压和电气的联合仿真， 其电路图绘制方法和规则与国家标准电气简图的编制方法基本一致。
下面以图2-19所示的气动与电气回路为例，介绍气动与电气回路图的绘制方法和应注意的问题。
图2-19 电磁线圈在气路图和电路图中的表示方法
1）选定元件库中的气动和电气元件，将其拖至绘图区域中，完成图形绘制。电气元件与气动元件的连接方式相同。
注意： 有些电气元件会同时出现在电路与气路中， 如电磁阀的电磁线圈、气/电转换器（压力继电器）等。电磁线圈在气路图和电路图中的表示方法分别如图2-20a、b所示。
2） 气路图和电路图在同一文件窗口内，需分别单独绘制，如图2-19所示， 左侧为气路图，右侧为电路图。因此， 在电气元件 （如电磁线圈） 与气动元件 （如换向阀） 之间应通过建立标签来确定联系。
将鼠标移至图2-19气路图中二位三通电磁阀电磁线圈的小圆圈处，此时小圆圈变成绿色，左键双击小圆圈，弹出图2-21所示的“电磁线圈”对话框，注意不要双击换向阀主体；或在小圆圈变成绿色状态时单击鼠标右键，在右键菜单下执行“属性”命令，也可弹出图2-21所示的“电磁线圈”对话框，在对话框中的“标签”文本框内键入标签名“1Y1”。标签名最多可含有32个字符，由字母、数字和符号组成。
图2-20 气动与电气回路示例
图2-21 “电磁线圈”对话框
鼠标左键双击图2-19电路图中的电磁线圈，同样弹出图2-21所示的对话框，键入标签名1Y1，在气路图与电路图中，电磁铁左侧均出现“1Y1”标记，如图2-22所示。此时气路图与电路图中的电磁线圈即建立了联系。
3）启动仿真。按住按钮，电磁线圈得电，电磁换向阀换向，如图2-22所示。
图2-22 示例仿真
气压传动系统由具有各种功能的基本回路组成。因此，熟悉和掌握气动基本回路是分析气压传动系统的基础。 由控制元件构成的最常用的基本控制回路有方向控制回路、压力控制回路、速度控制回路、安全保护回路、延时回路等。 下面讨论方向控制中最基本的直接与间接控制方法。
如图2-23a所示， 通过人力或机械外力直接控制换向阀换向来控制执行元件动作的控制方式称为直接控制。 直接控制所用元件少，回路简单，主要用于单作用气缸或双作用气缸的简单控制，但无法满足换向条件比较复杂的控制要求。而且由于直接控制是由人力和机械外力直接操纵换向阀换向的，操纵力较小，只适用于所需气体流量和控制阀的尺寸相对较小的场合。
图2-23 直接与间接控制回路
如图2-23b所示， 间接控制是指执行元件由气控换向阀来控制动作，人力、机械外力等外部输入信号只是用来控制气控换向阀的换向，不直接控制执行元件动作。
间接控制主要用于下面两种场合：
在多数气压控制回路中，控制信号往往不止一个，或输入信号要经过逻辑运算、延时等处理后才去控制执行元件动作。如果采用直接控制，将无法满足控制要求，这时宜采用间接控制。
执行元件所需气流量的大小决定了所采用的控制阀公称通径的大小。对于高速或大口径执行元件，其运动需要较大的压缩空气流量，相应控制阀的公称通径也较大。这样，使得驱动控制阀阀芯动作需要较大的操纵力，直接控制信号（如手动信号）不能满足要求，宜采用间接控制。
常用气动实训装置如图2-24所示，一般由电源模块、按钮模块、继电器模块、PLC模块、气源、带安装底板的气动元件等组成。实训屏表面采用带槽铝合金，方便安装和拆卸各种气动元件。可以根据实训需要运用快速接头连接元件，在实训屏上任意搭建气动回路，组成具有一定功能的气动系统。
图2-24 气动实训装置
用气动实训装置搭建回路时应注意：
1）电源模块的输入电压是AC 220V或AC 380V；电磁阀、继电器、磁性开关、压力继电器、行程开关等电气装置一般采用DC 24V低电压，接线时应注意正、负极要求， 不允许带电操作。
2） 所有布管工作不可以带气操作，应切断气源后再操作。
3）用塑料软管和快速接头连接回路的方法如图2-25a所示，轻推塑料软管即可将其插入快速接头内。必须确保气管插入底部，元件和快速接头锁定后才可使用。
4）拆卸塑料软管和快速接头的方法如图2-25b所示， 一手按住快速接头压紧圈，一手紧紧握住气管末端，然后拔掉气管， 禁止强行拔出。
图2-25 塑料软管和快速接头的连接与拆卸
注意：有压缩空气时不可从快速接头中拔掉气管，此时会有抽打现象，应注意安全。5）为了避免因塑料软管连接处老化而造成气管漏气、脱掉，可用剪刀修剪气管的头部，以保证接口处的牢固性及密封性， 切断面应平整，以防止漏气， 修剪方法如图2-26所示。
图2-26 修剪气管
6） 当接通压缩空气时 ，气缸活塞杆可能会出现伸出运动， 此时不要接触任何运动部件 （如活塞杆、换向凸轮），以防在限位开关和换向凸轮间夹伤手指。
7）管路走向要合理，尽量平行布置，力求最短，弯曲要少且平缓，避免急剧弯曲。用软管连接气路时，弯曲半径通常应大于其外径的9~10倍。
8）实训设定的气压值通常在0.2~0.3MPa即可满足功能要求，对于需要使用压力顺序阀或压力继电器等压力动作元件的气动回路，为使压力元件动作，一般将压力设定为0.4~0.5MPa。
9） 实训完毕后关闭电源、气源。 一般气源接口处都设置截止阀，截止阀手柄与管路垂直为关闭状态，与管路平行为开启状态，如图2-27所示。
图2-27 截止阀状态
实训中一定要严格按规范操作，实训结束后要设备摆放整齐，工位整洁干净，元器件归位，无乱丢、乱放现象。建议按6S管理制度（整理、整改、打扫、洁净、修养、安全）要求，建立清洁、有效的实训环境。
2.1送料装置气控回路组装与调试全气动仿真
送料装置的动作简单，可以采用直接或间接控制；可以采用手动全气动控制，也可以实现电气控制；可以采用双杆缸，也可以采用单杆缸。
完全利用气动控制元件对气动执行元件进行运动控制的回路称为全气动控制回路。它一般适用于要求耐水，有高防爆、防火要求，不能有电磁噪声干扰的场合，以及元件数量较少的小型气动系统。
单杆缸控制回路设计参考图2-23， 单杆缸一般采用三通换向阀控制活塞杆运动。
双杆缸一般采用五通换向阀控制活塞运动。采用双作用缸的直接控制回路通过按钮阀直接控制气缸动作，如图2-28a所示；间接控制回路则用单气控五通换向阀控制气缸动作，用三通按钮阀1S1控制单气控五通换向阀，将按钮阀设计在单气控五通换向阀的控制气路上。请在图2-28b虚线框中绘出单气控五通换向阀，补充完成采用双杆缸的间接控制回路。
图2-28 送料装置控制回路设计（1）
2.1送料装置气控回路组装与调试气电控制仿真
运用电气一体化控制方法，利用电磁阀和继电器重新设计的控制回路如图2-29所示，电路设计了b、c两种方案其中图2-29b不用电磁继电器，电路简单；图2-29c 采用电磁继电器，电路控制和扩展性能较好。
2.1送料装置气控回路组装与调试全气动控制（双作用气缸）实训
2.1送料装置气控回路组装与调试气电控制实训
1）根据项目要求设计回路，在仿真软件上进行调试和运行。
2）熟悉实训设备的使用方法，包括气源的开关、气源调节装置的安装与调节、元件的选择和固定、管线的插接等。
图2-29 送料装置控制回路设计（2）
3）选择相应元件，在实训台上组建回路并检查连接是否正确。实训中严格按照规范，小组协作互助完成。
注意：
① 在二位阀的图形符号中，与弹簧相邻的方框为常态位， 如图2-30所示。 二位三通换向阀的常态位有常开和常闭两种 ，无动作信号时，换向阀的输入、输出气口不相通，为常开阀；反之，为常闭阀。
图2-30 二位三通换向阀
②图2-31a所示二位三通常开按钮阀的图形符号标注在阀体表面，其三个接气口分别为P、A、R（对应于GB/T 32215—2015中的1、2、3）。如果按图2-31a所示方法连接，即P接输入气口、A接输出气口、R为排气口接消声器，则为一常开阀，即无动作信号时P口与A口不通，有动作信号时P口与A口接通。若将P口与R口互换，即用扳手拆卸并互换P口、R口的快速接头和消声器，则可作为二位三通常闭按钮阀使用。
图2-31 按钮阀的连接方法
③图2-31b所示二位三通常开按钮阀的排气口R布置在按钮下方，这种阀的A口与P口不可互换。
④无论是图2-31a或图2-31b所示的按钮阀， 输入气口P和输出气口A均不可接反， 勿从A口进气，P口输出，这样会导致严重漏气现象。
⑤采用间接控制的回路，按钮阀输出应当接五通换向阀的气控口，应注意辨别主气路和控制气路。
4）打开气源，观察压力表指示的压力是否在合理范围内。
注意： 若空压机较长时间断电，会导致气源出口压力低于气源处理装置中减压阀的设定值 （一般在0.1MPa以下）， 当连接好回路开启截止阀时，过滤器处会出现严重漏气现象 。此时应关闭气源出口截止阀，给空压机供电，空压机会自行起动，观察气源出口压力表示值上升至0.4MPa左右时，再次打开截止阀并调整减压阀压力至0.2~0.3MPa，漏气现象即可消除。
5）观察运行情况，分析并解决使用中遇到的问题。调试中遇到的问题可能具有隐蔽性、复杂性、可变性，在分析和排除故障时，要耐心仔细辨别。
6）完成实训并经教师检查评估后，关闭电源、气源，拆下管线，将元件放回原来位置，做好实训室整理工作。
1）回路采用单作用缸与双作用缸时所选用的主气控阀有何不同？
2）直接控制与间接控制的区别是什么？各适用于什么场合？
3）换向阀的“位”和“通”路数指的是什么？