Кевин Какасик, инженер по техническому маркетингу компании AutomationDirect, написал для декабрьского номера журнала Fluid Power World за 2020 год статью под названием Решения для бесштоковых цилиндров для компактного пневматического линейного перемещения , в которой обсуждается, как бесштоковые пневматические цилиндры могут быть отличным решением реализации компактного линейного движения. Вот краткое изложение, нажмите на ссылку выше для полного текста.

Опции линейного перемещения

Производители оригинального оборудования (OEM) и системные интеграторы (SI) обычно автоматизируют оборудование, требующее управления линейным движением, чтобы эффективно и экономично удовлетворить требования к мощности, скорости и точности.

Электрические серводвигатели и шаговые двигатели представляют собой высокопроизводительное решение, но стоимость конструкции и материалов высока, а во многих случаях результаты оказываются излишними.

Пневматические цилиндры могут быть эффективными и относительно выгодными, если форм-фактор подходит. Однако традиционные цилиндры представляют собой длинные трубки с внутренним поршнем, соединенным со штоком, который выдвигается и втягивается при подаче или сбросе давления воздуха. Эти устройства лучше всего подходят для приложений с полным ходом, и им обычно требуется место для установки в конце приводимого оборудования, поэтому они, как правило, занимают много места.

Альтернативным пневматическим вариантом является бесштоковый цилиндр, который работает аналогично традиционному штоковому цилиндру двойного действия. Бесштоковые цилиндры также имеют внутренний поршень, но вместо того, чтобы соединяться со штоком на конце, они соединяются с внешней кареткой, которая перемещается вдоль корпуса цилиндра, что позволяет упаковывать их в более узкие пространства.

Бесштоковые решения

Бесштоковые цилиндры могут быть отличным решением для липких ситуаций, например, для клеевой станции, где клеевая головка должна перемещаться по плоскому листу картона, но оборудование должно быть установлено в ограниченном пространстве. Пневматический цилиндр идеально подходит для управления этим типом движения, но традиционные версии со штоком будут немного выступать за машину, что часто создает проблемы при установке и, возможно, проблемы с безопасностью. Бесстержневая версия компактно помещается в пределах площади машины, снижая сложность и стоимость, поскольку она действует как опора клеевой головки без необходимости в другом механизме.

По тем же причинам бесштоковый цилиндр может быть лучшим решением для вертикальных применений, таких как дырокол. В этом случае уменьшение высоты над головой оборудования обеспечило соответствие нормам, сохранив надлежащий зазор от верхних спринклеров.

Решение задач линейного движения с помощью бесштоковых цилиндров

Бесштоковые цилиндры дороже своих штоковых аналогов, но они намного дешевле, чем варианты с приводом от электродвигателя.

Однако там, где место для линейного перемещения ограничено, особенно при большой длине хода, часто можно использовать бесштоковый цилиндр вместо традиционного штокового цилиндра, особенно если механизм будет прикреплен к каретке.

AutomationDirect предлагает множество вариантов бесштоковых цилиндров и может помочь разработчикам выбрать наилучшее решение для линейного перемещения.

Бесштоковые цилиндры справятся со всем

В обычных цилиндрах, конечно, поршень толкает или тянет шток, который перемещает груз через своего рода механическую связь. Это отлично подходит для большинства применений, но если вам не хватает места или вам нужна одинаковая площадь с обеих сторон поршня, бесштоковый цилиндр может быть лучшим решением. В большинстве бесштоковых цилиндров нагрузка передается от самого поршня, а не от штока, что дает ряд преимуществ.

Что бесштоковые цилиндры делают лучше всего

Бесштоковые цилиндры отличаются от обычных штоковых цилиндров несколькими особенностями, которые обеспечивают явные преимущества для определенных типов применения. На первый взгляд два основных преимущества могут показаться противоречивыми: бесштоковые цилиндры экономят место, но они также обеспечивают более длинный ход в том же пространстве, что и обычный цилиндр. Они экономят место, потому что ход заключен в оболочке корпуса цилиндра. В стержневой конструкции ход начинается только в точке выхода стержня из трубы, поэтому необходимое пространство включает длину корпуса цилиндра плюс длину хода. Благодаря бесштоковой конструкции полный ход соответствует площади цилиндра. Другими словами, бесштоковые цилиндры могут обеспечить такой же ход примерно вдвое меньше, чем штоковый цилиндр.

Так как же бесштоковые цилиндры могут обеспечивать еще более длинный ход? Ограничением для цилиндров штокового типа является длина штока. Самый длинный ход, для которого практически можно изготовить удочку, составляет примерно 12 футов. Для изготовления удочки большей длины потребуется специальный материал. Напротив, можно построить бесштоковый цилиндр с ходом до 27 футов, используя легкий прессованный алюминиевый сплав.

У стержней есть еще одна проблема. В зависимости от длины и приложенной силы они могут деформироваться. Без стержня нет коробления и меньше вероятность деформации.

Другая основная характеристика бесштоковых цилиндров заключается в том, что они движутся в обоих направлениях с одинаковой силой. Это отличается от цилиндров штокового типа, которые создают максимальное усилие для выдвижения и меньшее усилие для втягивания. В приложениях, которые перемещают грузы в обоих направлениях, могут потребоваться два разных расчета нагрузки, и вам может потребоваться увеличить размер цилиндра, чтобы приспособиться к его более низкой потенциальной силе втягивания. Использование бесштокового цилиндра устраняет эти ограничения. Это также обеспечивает более точное и воспроизводимое позиционирование в середине хода, поскольку сила одинакова в обоих направлениях.

Общие сведения о бесштоковых цилиндрах

Самой ранней конструкцией бесштокового цилиндра был тросовый цилиндр. В этом типе цилиндров, который все еще используется сегодня, используется трос, который наматывается на шкив и прикрепляется к любому концу поршня для перемещения каретки или вилки для передачи нагрузки. По мере того, как поршень движется в одном направлении, увлекая за собой трос, вилка перемещается в противоположном направлении.

Самой большой проблемой этих цилиндров является износ кабеля. Как и в любом оборудовании, работающем на сжатом воздухе, утечка — это враг. Потеря воздуха означает потерю давления, поэтому грузы перемещаются менее эффективно, а энергия тратится впустую. По мере износа кабели растягиваются и становятся тоньше, открывая путь для утечек воздуха.

В настоящее время чаще используются цилиндры, в которых каретка соединена с поршнем, поэтому они движутся в тандеме. Один из способов сделать это — соединить поршень и каретку с помощью магнитного поля. Без отверстия и без кабеля, эта конструкция чистая и герметичная. Однако магнитные цилиндры уязвимы для разъединения и вращения каретки, а их грузоподъемность ниже, чем у других конструкций, что делает их использование несколько ограниченным. Они лучше всего подходят для приложений с более низкими скоростями, относительно низким воздействием и более легкими нагрузками.

Прорезная конструкция — три системы направляющих

Наиболее универсальным и широко используемым типом бесштоковых цилиндров на сегодняшний день является конструкция с прорезной трубкой, впервые представленная в 1977 году. В них используется каретка, которая напрямую соединяется с поршнем через прорезь в трубе. Эта простая конструкция дешевле в производстве, чем большинство других конструкций. Что еще более важно, он допускает несколько вариантов направления, он может быть сконструирован для чрезвычайно длинных ходов и может быть сконфигурирован для перевозки тяжелых или несбалансированных грузов.

Используются бесштоковые цилиндры трех разных типов: с внутренней направляющей , с внешней направляющей и с роликовой направляющей .

Цилиндры с внутренней направляющей имеют каретку, которая находится на верхней части трубы и соединена с поршнем. Это основные рабочие лошадки, подходящие для приложений, где нагрузки не слишком велики и не нагружают механическую грузоподъемность цилиндра.

Некоторые операции включают собственную систему для направления грузов, например, направляющие стержни, установленные на каретке цилиндра. В таких случаях обычно достаточно цилиндра с внутренней направляющей. Система с внутренним управлением работает наиболее продуктивно, когда операция проста, а нагрузка постоянно находится в центре. Из трех типов эти цилиндры имеют наиболее ограниченную направляющую способность.

Цилиндр с внешним управлением следует использовать для приложений с более сложной механикой. Как и в случае с цилиндром с внутренней направляющей, каретка конструкции с внешней направляющей соединена с поршнем, но каретка также частично охватывает внешнюю часть трубы. Это обеспечивает дополнительную опорную поверхность для каретки, что увеличивает допустимую нагрузку на цилиндр (см. «Лови момент»).

Бесштоковый цилиндр, в котором используются роликовые подшипники для направления каретки вдоль боковой стороны трубы, обладает максимальной допустимой нагрузкой из всех возможных. Он также более универсален, так как может воспринимать нагрузки, расположенные дальше от центра, либо вдоль траектории цилиндра, либо в одну или другую сторону.

Поддерживайте чистоту

Загрязнение может сократить срок службы любого пневматического оборудования, включая цилиндры. Щелевые бесштоковые цилиндры, как и любые другие, уязвимы для пыли и мусора из окружающей среды, таких как опилки или бумажные волокна. Цилиндры с прорезями имеют уплотнения вдоль прорези, которые открываются при прохождении каретки и закрываются за ней. У некоторых есть дополнительные агрессивные дворники, чтобы не допустить попадания мусора в трубу.

Тщательный монтаж снижает риск загрязнения частицами. Простая установка цилиндра с кареткой снизу, а не сверху, заставляет работать гравитацию, заставляя частицы падать с каретки и накладной планки, а не в нее, что снижает риск загрязнения.

Подача на цилиндр чистого, сухого воздуха со смазкой также продлевает срок службы. Фильтр/регулятор/лубрикатор (FRL), расположенный выше по потоку от цилиндра, будет удерживать влагу и загрязняющие вещества и пропускать дозированную смазку. Бесштоковый цилиндр может пройти до 10 миллионов футов за свой срок службы, если сжатый воздух, который приводит его в действие, смазан. Без воздушной смазки даже предварительно смазанные цилиндры прослужат примерно вдвое меньше.

Разнообразие областей применения

На протяжении многих лет инженеры и дизайнеры придумывали всевозможные творческие способы использования преимуществ особых характеристик бесштоковых цилиндров, особенно их высокого отношения длины хода к длине, стабильности, занимаемой площади, легкости. вес, управляемость, возможность боковой загрузки и постоянное усилие в обоих направлениях. От производства старой школы до последних достижений в области оптической сортировки — вот некоторые распространенные примеры:

• Коммерческое шитье — перемещение машины по всей длине операции шитья
• Промышленные ворота — быстро открываются и закрываются на автоматической мойке или въезде вилочного погрузчика в холодильное хранилище
• Печать — летающий нож для обрезки бумаги на конце рулона
• Пищевые продукты и напитки — устройства для отвода дорожек при розливе или упаковке пищевых продуктов
• Складской подъемник — перемещает грузы на высоту до двух этажей, устанавливая полку на каретку цилиндра, установленного вертикально
• Шелкография — равномерное давление по прямой линии
• Автомобилестроение — нанесение боковых молдингов на кузова автомобилей
• Оптическая сортировка — удаление дефектных частей (бубликов или печенья) с конвейера в соответствии с оптическими датчиками
• Транспортировка — перемещение грузов
• Изготовление — установите один цилиндр под прямым углом к ​​другому, чтобы создать балансир, который перемещает грузы горизонтально, а затем размещает их вертикально
• Окраска распылением — устанавливайте и перемещайте распылительное оборудование для равномерного и воспроизводимого покрытия
• Упаковка — перемещайте коробки и загружайте их в картонные коробки
• Изготовление шин – резка резины под углом для соединения швов
• Робототехника — перемещение инструментов между станциями в производственной ячейке

Бесштоковые цилиндры настолько универсальны и надежны, что они продолжают находить применение в новых производственных технологиях, о которых невозможно было и мечтать, когда они впервые появились на сцене.

Лови момент

Очевидно, цилиндр должен иметь достаточно длинный ход, чтобы выполнять работу, и быть достаточно прочным, чтобы выдерживать вес любого перемещаемого груза. Но расчет сложнее, чем только эти два фактора. Термин для всех переменных, которые необходимо учитывать при определении размера цилиндра, — это слово, заимствованное из физики: «момент» — произведение силы на расстояние.

Проще говоря, сила равна давлению, умноженному на площадь. Таким образом, чем больше и тяжелее объект, тем больше сила. При обсуждении цилиндров момент означает силу движущегося объекта, умноженную на его расстояние от центра поршня.

Перед определением размера бесштокового цилиндра и выбором правильного направления необходимо понять и учесть момент, характерный для операции. Чем дальше груз от каретки, тем больше момент. Чем тяжелее или объемнее груз, тем больше момент. И расчет момента варьируется в зависимости от того, как установлен цилиндр и где находится нагрузка: сверху, снизу или сбоку.