設計與應用科技：學習筆記 - 氣動學
歡迎來到氣動世界！
嘿，各位同學！準備好探索氣動學的奇妙世界了嗎？這個詞聽起來可能有點複雜，但它的原理卻非常簡單：我們將學習如何利用壓縮空氣來驅動物件並執行工作。從巴士的自動門到工廠裡的機械人，氣動學是我們日常生活中無數機械背後的無形力量。
在本章中，我們將為你拆解香港中學文憑考試（HKDSE）所需掌握的一切。我們會探討基本部件、學習如何繪畫和理解氣動迴路圖，並了解這些系統在現實生活中的應用。剛開始時覺得有點難，別擔心——我們會用大量簡單的例子和比喻，讓一切變得清晰易懂。讓我們開始吧！
1. 什麼是氣動學？空氣的力量
氣動學的核心，是一種利用壓縮空氣驅動機械和設備的技術。想像一下吹脹氣球，你正將空氣擠壓到狹小的空間。如果你鬆手，空氣便會衝出，產生運動。氣動學只是控制這種空氣釋放的方式，以執行有用的任務，例如推、拉、提升或壓印。
為什麼要用空氣？優點與限制
我們為什麼會選擇空氣來驅動機械呢？嗯，它有一些很大的優點，但也有一些缺點。了解兩者都很重要！
氣動系統的優點：
- 清潔：即使系統洩漏，也只是空氣！這對於食品加工或醫療環境來說非常理想，因為這些地方不能有油漬洩漏。
- 安全：空氣不會產生火花，因此氣動系統可以在有易燃材料的地方（例如油漆噴塗工廠）安全使用。
- 快速：空氣可以在管道中非常快速地移動，使氣動系統非常適合快速、重複的任務，例如壓印或分類。
- 隨手可得：我們需要的空氣無處不在，而且是免費的！我們只需要一台壓縮機將其加壓儲存。
- 簡單：部件通常簡單耐用，使其可靠且易於維護。
氣動系統的限制：
- 嘈雜：壓縮空氣釋放時會非常響亮（想想巴士發出的嘶嘶聲）。通常需要消音器。
- 難以控制速度：空氣是可壓縮的（軟的），與使用油的系統（液壓）相比，這使得精確和穩定的移動更難實現。
- 需要準備：空氣必須經過過濾和乾燥。灰塵和水會損壞部件。
- 力量較小：氣動系統無法產生液壓系統那樣大的力量。你不會使用氣動系統來舉起汽車，但會用它來在罐頭上壓印日期。
安全注意事項
壓縮空氣威力強大！務必以謹慎的態度對待氣動系統。高壓空氣若不受控制地洩漏，可能會很危險。在工業中，系統配備安全防護裝置、緊急停止按鈕和洩壓閥，以防止事故發生。
重點總結
氣動學利用壓縮空氣的力量，產生快速、清潔、安全的運動。它非常適合快速、重複的任務，但不適合非常重物的提升或超精確的速度控制。
2. 基本構成：氣動部件與符號
要構建一個氣動系統，你需要一套標準部件。每個部件都有特定的功能和獨特的符號，我們用這些符號來繪製氣動迴路圖。這就像一套樂高積木——你有不同的積木，可以連接起來建造一些很酷的東西。
「肌肉」：氣缸（執行器）
氣缸，或稱為執行器，是執行實際工作的部件。它將壓縮空氣的能量轉換為直線運動。
- 單作用氣缸 (SAC)：空氣向一個方向推出活塞。當空氣釋放時，內部的彈簧會將活塞推回。
想像一下彈簧高蹺——你向下推，彈簧把你彈回來。
符號：一個長方形，內部有一個T形活塞和代表彈簧的鋸齒線。它有一個氣體連接埠。 - 雙作用氣缸 (DAC)：空氣用於將活塞向外推出（伸出）和向內拉回（縮回）。它比單作用氣缸更強大和可控。
這是你最常見的氣缸類型。
符號：一個長方形，內部有一個T形活塞。它有兩個氣體連接埠，兩端各一個。
「大腦」：方向控制閥 (DCVs)
閥門是控制系統中最重要的部分。它們在正確的時間將空氣導向正確的位置，就像空氣的交通指揮官。我們使用一個簡單的系統為它們命名：[埠數] / [位置數]。
- 3/2 閥（三埠兩位）：這個閥門有三個連接（埠）和兩種不同的狀態（位置）。它通常用於控制單作用氣缸。它可以將空氣送入氣缸或排出空氣。
- 5/2 閥（五埠兩位）：這是控制雙作用氣缸的「主力」。它有五個埠和兩個位置。在一個位置，它將空氣送入以伸出氣缸並排氣另一側。在第二個位置，它執行相反操作以縮回氣缸。
閥門記憶法：將名稱想像成分數。上面的數字是孔數（埠），下面的數字是閥門的「點擊」次數或狀態數（位置）。
「肺與腎」：空氣處理裝置 (FRL)
來自泵（壓縮機）的壓縮空氣在使用前需要被淨化。這由 FRL 裝置完成。
- 過濾器 (F)：清除空氣中的灰塵和水分。
- 調節器 (R)：控制空氣壓力，確保其不過高或過低。
- 潤滑器 (L)：在空氣中加入細微的油霧，以保持運動部件（如氣缸和閥門）順暢運行。（注意：現代系統不一定會使用）。
符號：簡化符號是一個圓圈，內部有一條垂直線和一條指向下方的小虛線。在氣動迴路圖中，你總會在壓縮機符號之後看到它。
常見錯誤：在氣動迴路圖中忘記繪製FRL裝置！每個良好的氣動系統都始於清潔、受調節的空氣。
「手指與耳朵」：傳感器與電磁閥
- 傳感器：這些部件檢測到事件發生。在簡單的氣動迴路中，我們常用機械滾輪閥作為限位開關。當氣缸伸出並碰到滾輪時，它會激活閥門，發出信號以觸發序列中的下一個步驟。
- 電磁閥：這是電氣-氣動技術的關鍵！電磁閥是一種電磁鐵，當通電時會產生一個小推力。我們將它們連接到方向控制閥上。電氣信號不再是手動按鈕，而是指示電磁閥推動閥門。這使我們能夠使用小型、簡單的電子設備控制強大的氣動系統。
快速回顧：主要部件
壓縮機：提供壓縮空氣。
FRL裝置：清潔和調節空氣。
方向控制閥（例如5/2閥）：引導氣流。
氣缸（例如雙作用氣缸）：執行工作（移動）。
管道：連接所有部件。
3. 組裝起來：簡單氣動迴路
現在，讓我們將部件連接起來解決問題！氣動迴路圖是一張顯示所有部件如何連接的地圖。我們以標準方式繪製，以便任何人都能理解。
如何閱讀迴路圖
我們從下往上閱讀迴路圖。
- 層次1（底部）：動力源 - 你會看到壓縮機和FRL裝置的符號。
- 層次2：控制元件 - 這是閥門（如3/2或5/2方向控制閥）所在的地方。
- 層次3（頂部）：執行器 - 這是執行工作的氣缸。
控制氣缸運動
課程要求你了解如何控制氣缸運動。讓我們看看主要方法。
1. 速度調節
如果你想讓氣缸緩慢伸出但快速縮回怎麼辦？你可以使用流量控制閥（也稱為單向節流閥）。這個閥門有兩部分：一個節流閥（限制氣流，就像擠壓水管一樣）和一個單向閥（允許空氣在一個方向自由流動）。
控制速度的最佳方法是使用排氣節流原則。這意味著我們限制從氣缸排出的空氣。這會產生背壓，使運動更平穩、更穩定。
減慢伸出速度的步驟：要使雙作用氣缸緩慢伸出，將流量控制閥放置在連接到縮回埠（伸出時排出空氣的那個埠）的管道上。確保單向閥的箭頭指向遠離氣缸的方向，這樣排出的空氣就會被迫通過節流器。
2. 邏輯控制（「與」/「或」）
有時你需要在迴路中做出決策。這可以通過邏輯實現。
- 「與」邏輯：「只有當按鈕A和按鈕B都被按下時，氣缸才能伸出。」這是衝壓機上常見的安全功能，以確保操作員的雙手都在按鈕上並遠離危險區域。我們將兩個3/2閥串聯（一個接一個）連接以實現此功能。
- 「或」邏輯：「如果按鈕A或按鈕B被按下，氣缸就能伸出。」為此，你需要一個特殊部件，稱為梭閥。它允許來自任一輸入埠的空氣通過到輸出埠，而不會返回到另一個輸入埠。
3. 順序控制
這就是事情變得真正有趣的地方！順序控制意味著讓事情以特定順序發生，例如「第一步，然後第二步，然後第三步……」例如：氣缸A伸出，然後氣缸B伸出，然後氣缸A縮回……
順序控制的關鍵是使用傳感器（如滾輪閥）來檢測一個步驟何時完成。該傳感器發出的信號隨後觸發下一個步驟。
範例序列 A+ A-：一個氣缸伸出然後自動縮回。
工作原理：
1. 你按下啟動按鈕（一個3/2閥），它會向一個5/2閥發送信號，使氣缸A伸出 (A+)。
2. 當氣缸完全伸出時，它會在其行程末端觸碰到一個滾輪閥（限位開關）。
3. 這個滾輪閥會向5/2閥的另一側發送新的氣動信號，使其翻轉並使氣缸A縮回 (A-)。
該迴路現在已準備好再次啟動！
重點總結
氣動迴路是從下往上構建的（動力源 -> 控制 -> 執行器）。我們可以使用流量控制閥控制氣缸速度（排氣節流效果最佳），使用「與」/「或」邏輯做出決策，並使用傳感器觸發每個步驟來創建自動化序列。
4. 加入電力：電氣-氣動系統
雖然純氣動控制非常適合簡單的任務，但如果你需要更複雜的邏輯，或者想從電腦控制機器怎麼辦？這就是電氣-氣動技術的用武之地。
其原理很簡單：我們用電氣信號取代控制主要閥門的氣動信號。
- 介面：核心部件是電磁操作閥。我們將一個標準的5/2閥，在它的一端或兩端連接一個電磁閥。
- 工作原理：不再是氣動管道推動閥門，一個簡單的電氣開關（如按鈕）將電流發送到電磁閥。電磁閥變成電磁鐵並推動閥芯，引導高壓空氣移動氣缸。
- 為甚麼要這樣做？電氣控制更具彈性。我們可以使用複雜的電子電路、計時器、計數器，甚至是可編程邏輯控制器 (PLC)，來創建非常精密的機械序列。它是電氣「大腦」和氣動「肌肉」的完美結合。
重點總結
電氣-氣動系統利用電氣信號（來自開關、傳感器或電腦）來控制電磁閥。這結合了電子學的靈活性與氣動學的動力。
5. 氣動學在現實世界的應用
你現在已經熟悉了部件和迴路，但我們實際上在哪裡可以看到這項技術在運作呢？到處都是！
你知道嗎？「Pneumatic」（氣動）這個詞源自希臘語「pneuma」，意思是「空氣」、「風」或「呼吸」。
- 自動門：當巴士或港鐵列車車門打開時，你聽到的嘶嘶聲就是氣動系統在運作。一個雙作用氣缸推開車門並將其拉回關閉。
- 自動化生產線：在工廠中，氣動系統是主宰。它們每小時執行數千項任務：夾緊零件進行鑽孔、將標誌壓印到產品上、將物品從一條輸送帶推到另一條、以及操作取放機械人。
- 衝壓機：氣動裝置可以提供非常快速和強大的衝壓，非常適合在金屬板或其他材料上打孔。使用「與」邏輯和雙手控制使這些機器操作安全。
- 其他例子：
- 牙醫工具（例如高速鑽）。
- 建築中使用的氣動釘槍。
- 卡車和巴士上的車輛氣動制動系統。
- 你在牙醫診所坐的椅子，通常也是氣動升降的。
下次當你看到自動機器時，留意那特有的「嘶嘶」聲——你可能正目睹一個氣動系統在運作呢！