气动技术发展及趋势

一、 气动系统的简介

1.气动技术：气动技术是以压缩空气作为介质,以空气压缩机作为动力源,来实现能量传递或信号传递与控制的工程技术,是流体传动与控制的重要重要组成技术之一,也是实现工业自动化和机电一体化的重要途径。

2.气动系统的典型构成：气压发生装置—执行元件—控制元件—辅助元件

3.气动系统的优点：气动技术与传统的液压技术相比,有以下优点:(1)结构简单轻便、方便安装维护;(2)输出速度一般在50~500mm/s,速度快于液压和电气方式;(3)对冲击负载和负载过载的适应能力较强;(4)可靠性高、使用寿命长、安全无污染且成本较低。由于气动技术具有以上的使用优点,气动技术在世界工业企业得到了广泛的应用。一个完善的机电一体化系统包括机械、动力、信息检测传感、执行、控制及信号处理等部分。作为机电一体化系统的执行部分的气动元件及其系统不仅仅具有机械、气动执行机构,同时也集成了信息检测传感等元件,甚至还集成了其他一些微型机电系统。

4.气动系统的缺点：动作稳定性差、输出功率小、噪声大、信号传递较电信号慢

二、 气动系统应用概述

气动技术应用面的扩大是气动工业发展的标志。气动元件的应用主要为两个方面：维修和配套。国产气动元件的应用,从价值数千万元的冶金设备到只有几百元的椅子。铁道扳岔、列车的煞车、街道清扫、特种车间内的起吊设备、军事指挥车等都用上了专门开发的国产气动元件。这说明气动技术已渗透到各行各业,并且正在日益扩大。气动技术的应用主要在:

(1)汽车、轮船等制造业:包括焊装生产线、夹具、机器人、输送设备、组装线、等方面。

(2)生产自动化:机械加工生产线上零件的加工和组装,如工件的搬运、转位、定位、检测等工序。

(3)某些机械设备:冶金机械、印刷机械、建筑机械、农业机械、制鞋机械、塑料制品生产线、等许多场合

(4)电子半导体、家电制造业:硅片的搬运、元器件的插入与锡焊, 彩电、冰箱的装配生产线等。

(5)包装过程自动化:化肥、粮食、食品、药品等实现粉末、粒状、块状物料的自动计量包装。用于烟草工业的自动化卷烟和自动化包装等许多工气动系统发展及趋势序。用于对粘稠液体(如化妆品、牙膏等)和有毒气体(如煤气等)的自动计量灌装。

三、 气动技术的发展及趋势

近年来随着微电子和计算机技术的引入，新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动元器件和气动控制技术迎来了新的发展空间，正向微型化、多功能化、集成化、网络化和智能化的方向发展。从当前市场上的各类气动产品来看，气动元器件的发展主要体现在以下几个方面。

1. 向小型化和高性能化发展

经过多年来的努力，内资企业产品水平多数达到上世纪90 年代国外企业产品水平，少数主导产品已达到当代国外企业产品水平。气动元件的性能也在飞速地提高，质量、精度、体积、可靠性等方面均在向用户需求的目标靠拢，主要体现了其小型化、低功耗、高速化、高精度、高输出力、高可靠性和高寿命的发展趋势。

如市场上已经普及的CJ1 型针笔型气缸，其缸径可小至2.5～15 mm，如图1 所示；如SMC公司研制的三通直动式V100 系列电磁阀（如图2 所示），耗电量仅0.1 W、响应时间低于10 ms，寿命超过1 亿次、抗污能力极强，其全新的设计有划时代的意义[1，2]。

图2. SMC的针笔形气缸 图2. “阿基里斯”六脚勘探员气动机器人

气缸的高速化发展对提高装置的生产效率非常重要，是气动技术发展的必然趋势。但是，气缸高速化发展的同时也相应需要解决一系列技术问题，如密封料、密封形状、气缸的驱动方式，以及如何吸收冲击惯量进行缓冲等问题。对此，国外各企业十分重视，如SMC开发的正弦气缸最高运行速度达500 mm/s，加速度小于5 m/s2，有效地解决了高速和低冲击的矛盾[2]。

2. 多功能化发展

为了满足用户对元件多品种的不同需求，元件的多样化和多功能化势在必行。执行元件不仅要具有各种安装形式，开发出来了各种具有导向机构和连接结构的气缸、摆动缸，适用各种环境（如抗腐蚀、耐污染、耐高低温、抗震动等）特殊系列的气动执行元件、超高速和低速元件。在结构上也应该多样化，如有活塞杆、无活塞杆，双活塞杆、磁性活塞、椭圆活塞、带阀气缸、带行程开关或传感器网络化 和智能化 结合现场总线和局域网技术进行过程控制和监视技术的实现，气动产品开始具有判断推理、逻辑思维和自主决策能力。

德国FESTO公司的元件制造的“阿基里斯”六脚勘探员气动机器人，如图2，它能够自主探测并安全地绕过前方的障碍物，在人不易进人的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察等工作。在这方面，我国执行元件的品种，和国际水平存在较大的差距，值得欣喜的是，近年来很多企业开始重视这方面的工作，而且在市场上出现许多小型专业化企业，开发或仿制一些新型执行元件，逐渐形成了自己独特的产品特色，值得重视和鼓励。

3. 集成化发展

计算机技术、微电子技术和IC 技术的发展，使得机电一体化有了更加广阔的发展空间。在原来的气控阀、气动执行元件上安装一些电子元件或装置，如D/A 转换，信号放大、调制、解码、测量与信号反馈等等，从而实现将电子与气动控制阀结合在一体，甚至直接与执行元件集成化的气动装置，极大地提高了系统可靠性和维修使用性能。这是一个极为重要的发展方向，也是气动技术发展的必然趋势[5]。

4. 网络化和智能化发展

计算机网络技术的迅猛发展，制造业的过程控制和监视技术方兴未艾，现场总线和局域网技术使集成制造信息和集成制造过程已成了大势。气动技术的发展也体现在其产品智能化上，要求其具有判断推理、逻辑思维和自主决策的能力。世界许多国家的著名气动公司都在从事这方面的研究，智能阀岛和气动工业机器人就是其最具代表性的产品。如今，阀岛技术已经得到了工业界的普遍欢迎，应用极为广泛。阀岛和现场总线技术的结合，大大简化了设备的各种端口，并借助两者的优势，发展成为了可编程阀岛、模块式阀岛和紧凑型阀岛等，计算机网络的优势尽显其中。 5. 节能、环保与绿色化发展

经济的发展给地球的生态环境、能源状况等带来了一系列的问题，环境保护和节约能源现在已经成为衡量一个国家能否可持续发展的重要标志。气动技术作为工业自动化的一个重要组成部分，承担起节约能源和环境保护的责任义不容辞。近年来，国内外的知名的气动公司逐步向节能环保的方向发展。一般工业气动系统由气源系统和用气系统两大部分组成，气动系统的效率较低，能量损失较大，如何很好地实现节能是一个重要的研究课题。例如，SMC公司就在各种气动元件上进行了一些改进和创新，在保证各元件的使用性能的同时，使得各种气动系统的能量消耗降低，开发出了节能型电磁阀，空气用数字式流量开关PFA、薄型气压测定仪PPA，冷却液回收免维护型过滤器等众多产品。

在环境保护方面，最典型的气动产品就是压缩空气动力汽车的研究。在国内，浙江大学机械电子控制工程研究所已经率先开发出了压缩空气动力汽车，它不消耗石油等燃料，零污染，是真正的绿色能源汽车。

四、 气动系统在新领域中的应用特例

1. Festo 仿生手

Festo:1925年成立，德国总部，是世界上最著名的气动元件、组件和系统的生产商，中国子公司在上海。

人机互动的新范畴 Festo 的 ExoHand（仿生手）是一种可像手套一样配戴的外骨骼。通过这一仿生系统，不仅手指可以主动活动，还可以增强手指的力度，收集手的所有动作，并将所有信息实时传输至仿生手上。

该设备旨在提高人手的力量和耐力，拓展人类的行动空间，并确保他们即使年事已高也能独立生活。 从组装到医学治疗 在单调而艰苦的装配作业以及危险环境中的远程操纵过程中佩戴 ExoHand 可获得力度支持：通过力反馈系统，操作人员可以感觉到仿生手抓到的东西。 这样，操作人员便可在一个安全距离内感觉到物体，并无需亲自接触便可移动物体。 由于其气动部件的可弯曲性，ExoHand 还在服务型机器人方面具有潜力。在中风病人的康复过程中，它现已被用作主动式仿生手。强有力的手，敏感的手指 外骨骼（仿生手）从外部为人手提供支持，同时模仿人手的生理自由度。

仿生手由八个双作用气动驱动器驱动，使手指张开和握紧。 为此，CoDeSys 兼容控制系统执行非线性调节算法，实现每个指关节的精确运动。 同时，通过传感器收集手指的力度、角度和位置等信息。

图3.festo仿生手 图4.仿生手进行力反馈

2. 气动肌肉的应用

气动肌肉：将弹性材料制成管状体，封闭并固定一端，由另一端输入压缩空气，管状体在气压的作用下膨胀时，镜像的扩张因其轴向的收缩，从而产生牵引力，带动负载单向运动。

Festo的气动肌腱正在进行一项完全不同的仿生任务，即类人肌腱机器人，它是EvoLogics GmbH 和柏林科技大学仿生和进化系合作完成的一个项目。从2000年开始的简单仿生手臂功能性研究，到中间若干个研究阶段，现在项目已进展到两个仿生手臂带五根手指的半成品阶段。 技术改造的关键部件是Festo气动肌腱，它的张力通过人造神经进行无扭矩传送，人造神经由绝对抗拉断的 Dyneema®绳索构成，甚至可将几根绳索结合在一起，连接到所需的终端控制元件。这样，驱动单元可自由放置在身体部位，运动部件也可保持较小的重量。机器人可执行程序设置好的动作或通过数据衣或数据手套进行远程控制。

图5.日本气动肌肉直立行走机器人 图6.festo人机交互机器人

3. 基于气压原理的仿生鱼和仿生鸟

Festo的Airacuda 能在水中灵活游动，几乎完全不发出声响：它的设计、外形和动力遵循它的生物模型。 电子和气动部件隐藏在它防水的头部中，它们通过两根气动肌腱控制尾部的S形运动。另外两根气动肌腱用于掌握方向。 鱼鳍由交互牵引和压力边缘构成，它们通过骨架连接。如果一个边缘受压，几何结构会自动向与作用力相反的方向弯曲。这听上去很复杂，但原理其实很简单，依据这个原理，鱼的鳍可以在水中有力地划动。这种结构被称为鳍条效应。 气动肌腱是是通过压缩空气驱动的。

图7仿生鱼的压缩空气气囊 图8.仿生鱼的尾部S形运动

图9 远程控制仿生鱼的全貌 五、 参考文献

[1] 人类气动肌肉模型与实验研究[J].天津大学学报2005(3)第38卷,第3期.

[2] 气动类人仿生机械手设计[J].大连交通大学学报2005(4)第34卷,第2期.

[3] /news/393.htm

[4] /qidong_ku/blog/static/134175375201010753837683/

[5] /Search?k=%E6%B0%94%E5%8A%A8%E9%B1%BC