从压缩空气的早期应用到现代气动技术系统

    人们在两千年前就认识到:在一定条件下,空气能产生动力并实现动作。一百多年来,人们一直利用压缩空气作为动力源,开发空气的经济价值。又经过五十年的发展,压缩空气才作为控制和传递动力的介质在工厂和车间得到大量使用。

  {dy}个用空气作为能源进行实验的人是Ktesibios,他生活在公元前三世纪的亚历山大城。Vitruvius是一位曾为凯撒和奥古斯都服务的罗马建筑师和军事工程师。Vitruvius在十卷版本“建筑学”的第三卷中,介绍了Ktestibios怎样发现自然空气的力量和怎样发明空气动力推动物体的机器[1]。历史上,希腊人Philon就产以空气作为动力源来推动寺院大门;至今在每本物理教科书都的以Heron命名的“Heron”效应,也出自于那个时代。此后的几百年,风动技术也没有停滞不前。人们早就知道风车、风箱以及军事装备xx。风车和风箱属于最早得到广泛使用的空气动力装置。除了Galilei、Toricelli、Pascal、和、Papia的工作和发明外,17世纪的Otto von Guericke在Magdeburg实验中当众演示了产生真空时大气压的动力。他首次提出了测量空气特性能理论,并发现大气压力相对于真空能产生推力。Papin用他的空气活塞发动机也说明了这个现象,但没能应用于实际。Guericke向大众所作的Magdeburg演示证明了“空气能作功”。
   十九世纪出现了能实际使用的机器,用于铁路行业和气动管道输送。同一时期,也出现了空气驱动的冲击锤和气动钻。尤其值得一提的是:1861年建造Mont Cenis隧道时,由于采用了气动冲击钻,使施工时间缩短了好几年。巴黎完好地保存了世界上{dy}个环绕城市的压缩空气网络,至今仍得到多种形式的应用。十九世纪末,在一些国家出现了{dy}批生产压缩空气工具的工厂,生产的冲击锤、气动钻研主要供应采矿和筑路行业。随着电动工具的产生,压缩空气驱动的机器及工具不再象以前那样受到欢迎。此后一段时期,气动工具和机械的改进或气动技术的创新没有取得重要进展:20世纪上半叶的两次世界大战,使研究和开发走了另一条轨道。
  德国人在1950年的芝加哥交易会首次接触气动元件。五十年代初期,一些美国公司首先在他们的机器和机械制造装置上采用少量气动元件时,德国人就意识到这项新技术在德国也会大有前途。当时正处于这样一个时期:已有迹象显示出第二次世界大战后的工业繁荣。德国开发气缸和阀是从修改美国元件开始的。即使当时气动已经显示出其独立性和产品重量轻的设计思路,仍不可否认液压元件对气动的影响。木材加工机械尤其是夹紧装置,首先采用了气动元件。此后不久,制成了{dy}批传输控制器。几乎同时,在五十年代中期,德国气动元件工厂已经渗透到市场上与国外产品竞争。今天,部分气动创立者已经成为气动行业的世界xx{lx},另一些在本地区市场之外几乎没有发展,还有一些则从市场上消失了。
  德国{dy}篇关于气动的毕业论文[5]出自斯图加特工程学院(今天的斯图加特大学),题目是“何为气动”。当时液压已为众所周知,但人们对气动所知甚少,急切需要宣传气动。在这项新技术的启蒙时期,人们普遍要求解释气动是什么。随着气动的发展,获取与这项新技术相关的知识显得越来越重要。没有气动新技术的知识,就不可能有进一步的发展和经济进步。除了个别厂商早期发表的文章以外,气动新技术迅速出现在普及技术的著作中。通过在专业的刊上建立专栏,这项新技术很快得到了支持。由于气动需要解释,最初刊登在技术杂志上的文章除了阐明气动的基本原理之外,必须例举简单的应用实例。斯图加特工程学院进行了最早的研究,建立了一个用于研究自动化元件(主要是气动元件)的实验室,亚琛工程学院紧随其后。不久,首批关于气动的书籍]得以出版。为了继续更广泛地普及气动知识,这些气动书籍总是包括大量术语和定义汇编得以出版。关于气动及其应用的工业影片]也问世了。不断的高质量宣传xx了大众对气动新技术的顾虑。{dy}部气动影片的出现,为专题研讨会和培训课程打下了基础。这类专题研讨会和培训课程深受欢迎,至今还被采用。不同的是,当时的题目多为一般性知识,而今天则必须讲授气动技术的详细专业知识及其应用。
  由于不同的应用,各个公司自定的术语及技术细节各不相同。除了一些描述气动回路的美国气动符号外,市面上还存在许多专业公司自定的符号。这样,标准化问题很快得到重视。这项工作起先由VDI(德国工业协会)和VDMA(德国机械制造协会)两个组织在不同领域内各自进行,往后则以一种优化而合理的分工方式继续展开。这些标准化工作形成VDI建议和VDMA标准化文件,再发展成为DIN标准和CETOP标准以及后来的气动DINISO标准。标准化的过程是艰苦的。当时在德国对气路图中符号的称谓就有3个:“Symbol”、“Sinnbild”、“Bildzeichen”,而在气路图中,阀本身的控制环节(如手控和机控)有时被画在阀符号的中间,有时被画在阀符号的上方或下方。自六十年xx始,“压缩空气”被定义为工业气动的介质。这一改变的原因是人们希望明确区别工业气动和以前“风动”工具(如气动冲击钻)的概念。
  对一项可测量,可定义的技术而言,上述方法自然不理想。要成功而有序地设计单项、半自动或全自动控制装置,必须将或多或少来自直觉的解决方法发展为可以计算各种影响因素、能够预定目标的方法。因此在德国产生了一些术语,诸如“控制取决于意愿、行程和时间”,并且开发了{dy}个用于气动控制器的辅助设计“信号—动作图”,以后又综合了时间功能。设计气动控制器要求逻辑思维和结构规划。对控制装置在结构上及元器件的选型和数量的优化,是在60年代初开始的。
  气动分度盘是气动产品系列中最早出现的完整气动装置之一。此后,相继出现的诸多气动装置,有双手安全控制、气动传送带、顺序控制器、各种进给单元、顺序控制器、有油或无油制动气缸和集成控制器等。气动控制的简化归功于集成控制块的产生,这种集成控制块具有内置的方向阀、机械操作换向阀、双向速度调节阀、消声器、活塞杆上的无级行程调节锁紧机构等。为了实现简单的顺序控制,滚轮阀被依次排列,通过带凸轮的轴进行操纵。这种方法只能实现较短的顺序控制。从简单的自动顺序控制器发展到能实现更复杂控制的凸轮带很容易变换,因此能实现各种顺序控制。这些发展最明显的特点是可以改变顺序长度,持续时间从几秒到24小时。用低压气动制成的“射流—纸带阅读器“对机器(尤其是对处于恶劣环境中的化工设备)实现了可变顺序控制。类似的应用实际上在60年代就已出现在自动打字机上,利用喷嘴及穿孔带控制打字头和走纸。那时,为了在广告信中手工插入新的地址、名字或其它改变,机械可以停在预先设定的位置。
   气缸作为线性驱动元件能以不同的工作方式在不同的工作位置很快得到安装。在控制水平中,即从整个控制系统的灵敏度来看,气动还必须为自身的发展作出艰苦的努力。具有继电器和开关的电器装置已经广为人知。在大多数情况下,它们能更快得到应用并且价格便宜,因此控制系统的新发展不断推向市场。柱塞式或隔膜式低压气动元件的发展尤其重要。它们中的一些发展成完整的控制系统,并在短时期内被采用。这种低压气动元件的发展来源于有关射流元件的知识。由于耗气,它们很少得到实际应用。低压气动元件仅在少数几种逻辑控制组合单元中才有应用的可能性。当它们用于整个系统逻辑控制时需要使用大量元件,因耗气量大而不能被接受。与控制部分中不断发展的电子元件相比,低压气动控制技术不仅处于困境中,而且不久以后几乎没有什么实际的应用机会。为此,人们寻求一种能将控制信号转换成气动信号或是将气动信号转换成各种电信号的转换元件。
  在发展的初始阶段,工业气动的适应性和集成能力已无xx议。工业气动与电子控制新技术相连接也没有问题,没有任何一项技术象气动一样,在其设计中有这么多集成元件。基于气动原理的控制技术已经与电子控制结合,例如可编程序控制。这种结合的成果是内置可编程控制器(PLC)的阀岛。在此,电子和气动组合成标准单元,它们在{zj0}状态下互通,最终在工厂计算机中心与生产现场之间建立界面。气动和电子在此构成了控制技术的基础,对于介质(气或电)的选取将取决于功能、可靠性、精度和信号传递的需要。通过{zxj}的总线技术和现代阀岛气动技术,特别是主/从控制模式,可以满足非常复杂的控制要求。因此,迄今为止气动技术已取得了公认的成就。
  在不断改进技术的过程中,气动系统保持着自己的竞争力。一个重要原因是:在许多主要应用上,气动执行元件与其它方法相比具有很好的性能/价格比。在设计由多种技术(包括电子、气动和液压等技术)组合的控制系统时,大多数是从气动系统开始的。气动一直能适应现代技术的发展。从发展的初始阶段起,气动一直作为已有技术的替换和补充。回顾历史,我们可以说:迄今气动已经取得了巨大的成功。气动随着控制技术的进步而发展,有时候它甚至引导技术新的发展方向。

  尽管常规、小型和微型气动产品的分类标准还带有随意性,小型和微型气动的要领在今天已经不再陌生。小型化气动部件,如气缸、阀和模块正应用于许多工业领域。微型气动不仅用于精密机械加工(例如钟表制造业)、电子工业(如印刷电路板的生产)和模块装配等场合,而且用于制药工业和医疗技术、食品加工和包装技术等方面。在这些领域中,活塞直径小到2.5mm(或宽度为1.6mm矩形活塞)的气缸、10mm宽的气阀(即将推出宽度为5mm的气阀以及相关的辅助元件,诸如气路板、气路分配器、M3螺纹微型元件和许多其它微型气动元件已成为系列化产品。由于这些小型和微型的元件能在2~7bar的压力下使用,所以它们能被集成到已有的标准气动系统中。如果说小型气缸由于活塞面积小,相应的功率小,小型阀就大相庭径。与老设计比较,在流量相同的情况下,新的小型阀结构更紧凑、接口尺寸更小。例如,相同流量的换向控制阀,现在的体积仅为过去的7%(1997年与1961年比)。尺寸不断小型化和功能不断强化是气动元件发展的必然趋势。尽管存在尺寸上的限制,气动元件的设计仍有可能进一步改进。
  这种表达并不xx正确,但人们已习以为常地采用。智能气动是指具有集成微处理器、并具有处理指令和程序控制功能的元件或单元。最典型的智能气动是内置可编程序控制器(PLC)的阀岛。阀岛可用常规的电子方式或总线方式控制。总线技术已经引起气动技术的巨大革新,这方面的发展仅仅刚开始。如果微处理器成功地集成于单个元件,例如缸(驱动)、或阀(控制),那么气动的小型化、模块化、集成化和智能化就能得到相应改进。在这种控制阀中,把装有特殊软件的高性能微处理器集成到阀的电磁头中,并与执行机构的气动控制组合起来。下一步应不仅把阀而且把总线控制部分集成于执行元件之中(带阀的气缸早已存在)。气动灵活性为各种技术应用带来极大的创新。

  今天,人们对整套供应的期望日益增加,不管在技术上还是在方法上都如此。完整的模块以及独立的功能单元使人们只需进行简单的组装即可投入使用,因此整套供应将对未来的工程产生深远影响。客户对气动整套供应的要求越来越迫切。供货商供应预先装配好的完整系统,一方面可大大节省客户的装配时间,另一方面客户无需配备各种经过专门培训的技术人员。如果需求继续增加,气缸、阀、接头、气管、位置测试系统以及其它配件将作为一种组合件供货。

    

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