Файл: Курс пневмоавтоматики.pdf

1

Краткий курс пневмоавтоматики

Объектом изучения пневмоавтоматики являются элементы и системы, использующие энергию сжатого воздуха для выполнения механической работы с заданной последовательностью перемещений.

Любая пневматическая система имеет следующую структуру:

Различают пневматические и электропневматические системы. Первые используют для выполнения всех своих функций энергию сжатого воздуха, а вторые для ввода, обработки и генерации сигналов используют электрическую энергию, т. е. они нуждаются не только в источнике сжатого воздуха, но и в электропитании. В обеих системах исполнительные элементы используют сжатый воздух, а управляющие (выходные) элементы электропневматической системы преобразуют электрические сигналы в пневматические. Аналогично, имеются элементы, которые преобразуют пневматические сигналы в электрические (например, реле давления).

Каждый элемент пневматической системы имеет условное графическое обозначение, которое используется для составления принципиальных схем, показывающих связь элементов друг с другом и принцип работы всей системы. Эти обозначения отражают только функцию элемента, но не касаются его размеров, характеристик и конструктивных особенностей.

Для пневматической системы необходима только пневматическая принципиальная схема, для электропневматической рисуют две: пневматическую и электрическую. При этом элементы электропневматической системы, использующие оба вида энергии, рисуются на обеих схемах и маркируются на них одинаково. Линии между элементами на принципиальной пневматической схеме означают шланги для сжатого воздуха, а линии на электрической схеме означают прово-

да. Для примера рассмотрим принципиальные схемы пневматической (слева) и электропневматической (справа) систем, выполняющих одну и ту же функцию: при нажатии кнопку «Старт» исполнительный элемент, например, перемещает объект, а затем автоматически возвращается в исходное положение. После этого можно начать новый цикл работы. В обоих случаях в качестве датчиков крайних положений исполнительного элемента используются механические концевые выключатели (пневматические или электрические). По сигналу с датчика, установленного в конце хода исполнительного элемента (в данных схемах это S2 или S4), система возвращается в исходное положение, а сигнал с датчика исходного положения (S1 или S3) является одним из необходимых условий начала работы – вместе с кнопкой «Старт».

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

Исполнительные элементы

В качестве исполнительных элементов, которые преобразуют энергию сжатого воздуха в механическое перемещение, в пневматических системах используются:

• Пневматические цилиндры со штоком

• Специальные цилиндры

• Пневматические бесштоковые цилиндры

• Пневматические поворотные приводы (неполноповоротные и непрерывного вращательного действия, которые называются пневмомоторами)

• Пневмомускул

• Модули перемещения

• Механические захваты

• Генераторы вакуума ивакуумные захваты Самым многочисленным типом исполнительных устройств являются цилиндры со штоком,

совершающим линейное (возвратно-поступательное) перемещение. Функционально различают цилиндры одно- и двустороннего действия. Первые совершают работу под действием сжатого воздуха только в одном направлении (чаще всего при выдвижении штока – толкающие цилиндры), а обратный ход выполняют под действием пружины. Вторые совершают перемещения под действием сжатого воздуха в обоих направлениях. Принцип действия виден на рисунках. Голубым цветом показан воздух под атмосферным давлением, синим – сжатый воздух под рабочим давлением.

В исходном положении управляющий элемент (распределитель) сообщает поршневую полость цилиндра с атмосферой, и поршень под действием пружины или давления в штоковой полости удерживается в крайнем левом положении, шток втянут. При переключении распреде-

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

3

лителя в поршневую полость подается сжатый воздух, и поршень перемещается вправо, выдвигая шток. При этом воздух из штоковой полости цилиндра выбрасывается в атмосферу (в цилиндре одностороннего действия через небольшое вентиляционное отверстие). Видно, что для управления цилиндром одностороннего действия нужен распределитель с одним выходным каналом и всего один шланг между распределителем и цилиндром. Для цилиндра двустороннего действия нужен распределитель с двумя выходными каналами и два шланга.

Штоки пневмоцилиндров движутся, как правило, с большой скоростью, поэтому во избежание сильных ударов поршня в конце хода в цилиндрах используют демпфирование (торможение). Самым простым является упругое демпфирование за счет установки эластичных колец на поршне или в крышках. Более эффективным является пневматическое регулируемое демпфирование, принцип действия которого показан на рисунке.

Пневмоцилиндры с упругим (вверху) и регулируемым демпфированием

В отличие от цилиндра с упругим демпфированием цилиндр с пневматическим демпфированием имеет с боков поршня специальные втулки. В конце хода эти втулки входят в уплотнения в крышках, перекрывая выход воздуха из полости в атмосферу, заставляя его идти по обходному каналу с установленным в нем дросселем. Если дроссель завернуть, проходное сечение канала уменьшается, воздух выходит медленнее, и в полости повышается давление, тормозящее поршень (пневматическая пружина). Наличие регулируемого пневматического демпфирования можно установить по присутствию специальных винтов в крышках и характерному звуку в конце хода поршня при перемещении штока вручную (при этом также ощущается увеличение сопротивления движению). Обычно зона демпфирования составляет не менее 20 мм с каждой стороны (у цилиндра большого диаметра больше), поэтому такое демпфирование получают цилиндры с ходом 50 мм и более.

Для получения информации о положении поршня цилиндра (шток втянут или выдвинут) используют датчики положения или концевые выключатели. На механические выключатели цилиндр воздействует штоком, а для активации датчиков, которые устанавливаются на его корпусе, используется магнит на поршне. Наличие магнита показывается на условном обозначении цилиндра черной вертикальной полосой (см. ниже). Также на условном обозначении показываются тип демпфирования и некоторые конструктивные особенности, такие как: двусторонний шток, двусторонний полый шток, защита от проворота штока (например, за счет штока квадратного сечения, овального поршня, направляющей), наличие фиксатора штока.

Другие особенности, такие как форма корпуса, удлиненный шток или опорная втулка, изменения в резьбе на штоке, специальные материалы, на условном обозначении не показываются. Корпус цилиндра может быть выполнен из трубы или специального профиля.

Некоторые часто встречающие условные обозначения цилиндров показаны ниже.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

4

Важнейшими характеристиками цилиндра являются: диаметр поршня, рабочий ход (расстояние, на которое но может переместить нагрузку), рабочее давление и присоединительная резьба в отверстиях, куда устанавливаются штуцеры для подвода шлангов.

Стандартные цилиндры

Самой многочисленной группой цилиндров со штоком являются так называемые стандартные цилиндры. Ряд диаметров их поршня, ход, все присоединительные и габаритные размеры нормируются стандартом. Это делается для того, чтобы пользователь всегда мог заменить цилиндр одной фирмы на точно такой же от другой. В настоящее время действуют три международных стандарта (ISO) на пневматические цилиндры.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

5

Стандартный ряд диаметров поршня: 8, 10, 12, 16, 20, 25, 32, 40, 50, 63, 80, 100, 125 мм.

Также выпускаются цилиндры, как правило, со стяжными шпильками, с диаметром поршня 160, 200, 250, 320 и 400 мм. Промежуточные значения могут быть только у специальных цилиндров, например, для сварочных клещей (70 и 90 мм). Круглые цилиндры могут выпускаться до диаметра 63 мм, но тогда они уже не являются стандартными. Ряд стандартных ходов: 10, 25, 40, 50, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 320, 400 и 500 мм, но выпускаются цилиндры с любым промежу-

точным ходом по желанию заказчика, начиная с 1 мм (цилиндры по стандарту ISO 15552 до 2.000 мм, остальные до 500 мм). Цилиндры одностороннего действия выпускаются с ходом до 50 мм, поскольку на больших ходах пружина работает неэффективно и в сжатом состоянии занимает много места.

Рабочее давление цилиндров обычно не превышает 10…12 бар, то есть усилие, которое может развить, например, цилиндр с диаметром поршня 100 мм, будет около 9240 Н. Ресурс стандартных цилиндров от известных фирм, которые производят пневмоавтоматику, составляет примерно 10.000 км пробега.

Существует большое количество вариантов монтажа цилиндров на технологическом оборудовании: с помощью монтажных лап, резьбы в крышках, цапф, опорных стоек и других элементов. Нагрузка может крепиться к штоку цилиндра с помощью других принадлежностей: вилок, шарнирных головок, адаптеров (см. рис.).

Монтажные принадлежности пневматических цилиндров со штоком

1- адаптер для многопозиционных цилиндров; 2- монтажная лапа; 3- монтажный фланец;

4- фланец с цапфой, 5 –поры для цапфы;

6, 12фланец с осью

7, 8, 14опорная стойка с подшипником; 9- фланец с проушиной и подшипником; 10опорная стойка с осью; 11фланец с длинной проушиной; 13опорная стойка; 15цапфа

16шарнирная головка; 17угловая

опорная стойка; 18вилка с наружной резьбой; 19соединительная деталь; 20вилка, 21-

гибкое соединение;

22адаптер, 23 – направляющая;

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

6

24крепление датчика, 25 – профиль для паза, 26 – датчики SME/SMT-8; 27дроссель с ОК, 28 - штуцер

Еще одной большой группой являются компактные цилиндры. За счет некоторого упрощения конструкции (отказ от регулируемого демпфирования, более короткая опорная втулка, узкий поршень) они имеют значительно меньший осевой габарит и могут использоваться в тесных местах. Однако такие цилиндры не могут выдерживать значительных боковых усилий на шток. Еще меньший габарит имеют короткоходовые цилиндры (ход только до 25 мм), но в них боковые усилия вообще не допускаются. Компактные цилиндры могут иметь рабочий ход до 500 мм, но при этом отклонения конца выдвинутого штока от оси перемещения оказываются очень велики. Для устранения этого недостатка нужно использовать внешние направляющие или вариант с двумя штоками.

На рисунке слева направо:

короткоходовой, компактный и стандартный цилиндры с одинаковым диаметром поршня и ходом.

Ресурс компактных и короткоходовых цилиндров может достигать 50 млн. двойных ходов (выдвижение и втягивание штока).

Все эти цилиндры имеют разные усилия прямого и обратного хода из-за разной площади поршня (со стороны штоковой полости она меньше на площадь штока). Поэтому, если в обе полости цилиндра подать одинаковое давление, шток выдвинется. Одинаковая площадь поршня с двух сторон имеет место у цилиндров с двусторонним штоком, то есть их поршень можно остановить в промежуточном

положении. За это приходится платить значительным увеличением занимаемого монтажного пространства – требуется места почти в 3 раза больше, чем рабочий ход штока.

Иногда бывает необходимость в увеличении развиваемого цилиндром усилия без увеличения диаметра поршня (например, имеются ограничения по габаритам). В этих случаях можно использовать тандем-цилиндры, у которых на общем штоке находится несколько поршней. При прямом ходе, когда шток выдвигается, усилие увеличивается за счет подачи давления в несколько полостей. Обратный ход производится при подаче воздуха только в одну крайнюю штоковую полость.

Как правило, тандем-цилиндры делаются на основе серийных стандартных или компактных цилиндров.

Если нужно получить больше чем два положения нагрузки на жестких упорах без использования внешних устройств, можно использовать многопозиционные цилиндры. Конструктивно, как и тандем-цилиндры, они могут быть выполнены на основе последовательного соединения нескольких стандартных или компактных, но штоки их не связаны, а ход каждого следующего цилиндра должен быть больше предыдущего. Подавая давление в соответствующую поршневую полость, можно получить перемещение конца последнего штока на разное расстояние. Обратный ход производится при подаче воздуха в одну крайнюю штоковую полость (цилиндра с самым большим ходом). Многопозиционный цилиндр можно получить, просто соединив задними крышками два обычных штоковых цилиндра с одинаковым диаметром поршня и присое-

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

7

Существует также большое разнообразие специальных цилиндров со штоком, у которых специфика применения определяет те или иные конструктивные особенности. Так, у стопорных цилиндров, задачей которых является остановка идущих по конвейерным системам объектов, увеличен диаметр штока и усилена опорная втулка. На штоке могут располагаться рычаги с роликами и гидравлическими амортизаторами, смягчающими удар. У цилиндров-пробойников для алюминиевой промышленности, которые должны пробивать оксидную корку на электролизной ванне в условиях высокой температуры, сильных магнитных полей и наличия в окружающем воздухе вредных примесей, усилены шток и опорная втулка, имеющая специальную конструкцию, установлен дополнительный скребок на штоке и механические концевые выключатели в крышках (использовать магнит на поршне нельзя), а все уплотнения выполнены из жаропрочных материалов. Ввертные цилиндры имеют по всему корпусу внешнюю монтажную резьбу и т. п.

Стопорные цилиндры Ввертный цилиндр Цилиндр-пробойник Сварочные цилиндры

(3-позиционные)

Цилиндр направляющей

Иногда удобно располагать управляющий распределитель непосредственно на корпусе цилиндра. Это также позволяет сократить длину магистралей между цилиндром и распределителем, что сокращает время рабочего цикла и потребление сжатого воздуха, поскольку кроме полостей цилиндра на каждом рабочем ходе приходится без всякой пользы заполнять и эти магистрали.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

8

Если требуется обеспечить большое перемещение нагрузки при минимуме занимаемого пространства, то применяют так называемые бесштоковые цилиндры, у которых осевой габарит превышает рабочий ход только на размер концевых крышек и ширину поршня. Элементом, к которому в таких цилиндрах крепится нагрузка, является каретка (ползун), связанная с поршнем механически или с помощью постоянных магнитов.

Бесштоковые цилиндры

Цилиндр с механической связью имеет прорезь по всей длине корпуса, в которой и перемещается элемент, соединяющий каретку и поршень. Эта прорезь уплотняется изнутри эластичной лентой, а снаружи закрывается защитной металлической. Обе ленты проходят сквозь соединительный элемент, а их концы зажимаются в крышках. Цилиндрическая полость внутри корпуса выполнена со смещением от его геометрической оси, чтобы потеря прочности из-за наличия прорези была минимальной.

По причине длинной каретки и отсутствия штока поршень в таких цилиндрах приходится делать довольно длинным. Его площадь, на которую воздействует давление сжатого воздуха, одинакова с обеих сторон, поэтому цилиндр развивает в обоих направлениях одинаковое усилие, и поршень можно остановить в промежуточном положении, подав давление в обе рабочие полости. Если нужно, чтобы цилиндр выдерживал значительные боковые нагрузки, на его корпусе размещают направляющую (скольжения или качения), а каретке придают Г-образную форму. На поршне цилиндра имеется магнит для активации датчиков положения. Кроме рассмотренных типов демпфирования бесштоковые цилиндры могут иметь в крышках гидравлические амортизаторы, которые еще более эффективно поглощают энергию при ударе в крайнем положении. Кроме этого, установленные в крышках упоры или амортизаторы можно перемещать и таким образом регулировать величину рабочего хода, правда, в небольшом диапазоне.

Бесштоковые цилиндры с механической связью между кареткой и поршнем выпускают в диапазоне стандартных диаметров поршня от 8 до 80 мм и с ходом до 8500 мм (для диаметров от 32 мм). Из-за наличия прорези и того, что поршень не имеет возможность вращаться относительно оси перемещения, уплотнения таких цилиндров изнашиваются несколько быстрее, чем у штоковых. Поэтому их ресурс составляет до 7000 км. Рабочее давление, опять-таки из-за наличия прорези, не превышает 8 бар. Иначе утечки становится неприемлемыми, особенно при большом рабочем ходе.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

9

Конструкция бесштокового цилиндра с механической связью между кареткой и поршнем

Бесштоковые цилиндры с магнитной связью имеют на поршне и в каретке постоянные магниты разной полярности. Поэтому при перемещении поршня под действием давления, каретка также перемещается снаружи корпуса, который выполнен из сплошной стальной трубы.

Конструкция бесштокового цилиндра с магнитной связью между кареткой и поршнем

Такие цилиндры полностью герметичны, но требуют внешнюю направляющую, которая бы защищала каретку с прикрепленной нагрузкой от проворота вокруг корпуса. Они выпускаются с диаметром поршня от 12 до 40 мм, с ходом до 4000 мм. Ресурс более 5000 км (в основном изнашиваются уплотнения в каретке, скользящие по наружной поверхности трубы корпуса. Рабочее давление обычно не превышает 7 бар, что вызвано недостаточной прочностью длинной тонкостенной трубы корпуса.

Для получения поворотного или вращательного перемещения, например, в операциях сборки, используют пневматические неполноповоротные приводы двустороннего действия, выполненные на основе лопасти или передачи рейка-шестерня. Первые, имеющие сидящую на выходном валу лопасть, выполняющую функцию поршня в цилиндре, обеспечивают поворот на угол до 270º, вторые – до 360º при лучшей точности (отсутствует люфт) и более высоком моменте на выходном валу. Функцию зубчатой рейки выполняет один или два поршня, а шестерня является частью выходного вала. В обоих типах приводов угол поворота можно уменьшить за счет перестановки внешних упоров, которые расположены позади корпуса у приводов с лопастью и в крышках у приводов с зубчатой передачей (см. рис.). Приводы с лопастью могут иметь только внешнее демпфирование, а приводы с зубчатой передачей имеют внутреннее, включая установку гидравлических амортизаторов.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

Рабочее давление приводов с лопастью до 8 бар, приводов с зубчатой передачей – до 10 бар, ресурс – до 30 млн. циклов. Выходной момент зависит от давления и так называемого приведенного диаметра поршня. Например, у привода с лопастью размера 25 мм площадь лопасти равна площади круга диаметром 25 мм (максимальный размер таких приводов 40 мм). Для привода с зубчатой передачей указывается диаметр поршня-рейки. Обычно он не превышает 100 мм, а у приводов с двумя поршнями – 50 мм.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /