Пневмоцилиндры для станка ЧПУ

Что такое пневмоцилиндр

Пневмоцилиндр превращает энергию сжатого воздуха в прямолинейное движение штока. На станке с ЧПУ пневмоцилиндры прижимают заготовку, поднимают и опускают узлы, двигают упоры и заслонки. Цилиндром управляет распределитель: он подаёт воздух в нужную полость цилиндра и выпускает воздух из другой.

Как устроен пневмоцилиндр

• Гильза (корпус). Труба или профиль, внутри которой движется поршень. Гильзу делают из алюминия или стали.
• Поршень. Делит гильзу на две полости: поршневую и штоковую. Уплотнение поршня не даёт воздуху перетекать из одной полости в другую.
• Шток. Стальной стержень, соединённый с поршнем. Шток выходит через переднюю крышку и передаёт усилие на нагрузку.
• Крышки. Закрывают гильзу с двух сторон. В передней крышке стоит уплотнение штока.
• Порты. Резьбовые отверстия для подвода воздуха в полости цилиндра.

Когда воздух подают в одну полость, давление действует на поршень и двигает его вместе со штоком. Воздух из другой полости в это время выходит через распределитель в атмосферу. Усилие цилиндра зависит от давления воздуха и площади поршня.

Виды пневмоцилиндров

Одностороннего и двустороннего действия

• Одностороннего действия. Воздух подают в одну полость, обратно шток возвращает пружина. У цилиндра один рабочий порт, для управления достаточно распределителя 3/2. Часть усилия уходит на сжатие пружины, а ход ограничен длиной пружины.
• Двустороннего действия. У цилиндра два порта, воздух подают попеременно в обе полости, и шток выдвигается и втягивается воздухом. Усилие есть в обе стороны. Для управления нужен распределитель 5/2. Воздух расходуется на оба хода, поэтому расход воздуха больше, чем у цилиндра одностороннего действия.

По конструкции

• Стандартные. Корпус длиннее, чем у компактных. К таким цилиндрам выпускают разные крепления: фланцы, лапы, проушины.
• Компактные. Короткий корпус из профиля для небольшого хода, когда мало места по длине.
• Бесштоковые. Вместо штока вдоль корпуса движется каретка. Штоковому цилиндру нужно место под корпус и под выдвинутый шток, бесштоковому только под корпус.
• Тандемные. Два поршня на одном штоке в одном корпусе, их усилия складываются.

Компактные цилиндры

Корпус компактного цилиндра сделан из алюминиевого профиля квадратного сечения. Корпус короче, чем у стандартного цилиндра с тем же ходом, поэтому такой цилиндр ставят там, где узел должен сдвинуться на небольшое расстояние, а места вдоль оси мало.

• Порты для подвода воздуха выходят на боковую грань корпуса.
• В углах крышки резьбовые отверстия: цилиндр крепят винтами прямо к детали станка.
• На конце штока внутренняя резьба. В неё вкручивают винт или шпильку, чтобы закрепить нагрузку.
• В продольные пазы профиля ставят датчики положения.

Как читать маркировку

На корпусе цилиндра указаны модель и диапазон рабочего давления. У компактных цилиндров серии SDA модель читают так:

• SDA: компактный цилиндр двустороннего действия.
• Первое число: диаметр поршня в миллиметрах. В маркировке SDA32X… поршень 32 мм.
• Число после буквы X: ход штока в миллиметрах.
• Буква S после хода: на поршне стоит магнитное кольцо для датчиков положения. Если буквы S нет, магнита на поршне нет.
• Буква B: на конце штока наружная резьба вместо внутренней.

Если давление указано в МПа, переведите его в бары: 1 МПа это 10 бар.

Усилие цилиндра

Усилие считают по формуле F = p × S: давление воздуха умножают на площадь, на которую оно давит. Если давление взять в МПа, а площадь в мм², усилие получится в ньютонах.

• При выдвижении штока воздух давит на всю площадь поршня.
• При втягивании воздух давит на кольцевую площадь: площадь поршня минус площадь штока. Поэтому втягивающее усилие меньше выталкивающего.
• Формула даёт теоретическое усилие. Часть усилия уходит на трение уплотнений, у цилиндра одностороннего действия ещё и на сжатие пружины.

Пример расчёта

• Поршень диаметром 32 мм имеет площадь 804 мм² (3,14 × 16 × 16).
• При давлении 0,5 МПа (5 бар) выталкивающее усилие 0,5 × 804 = 402 Н, это 41 кгс.
• Шток диаметром 12 мм занимает 113 мм², кольцевая площадь 804 минус 113, это 691 мм².
• Втягивающее усилие 0,5 × 691 = 346 Н, это 35 кгс.

Как подобрать диаметр и ход

• Посчитайте, какое усилие нужно: вес поднимаемого узла, сила прижима, трение в направляющих.
• Выберите диаметр поршня, при котором расчётное усилие больше нужного с запасом. Учитывайте, что втягивающее усилие меньше выталкивающего.
• Считайте по давлению после регулятора, а не по максимальному давлению компрессора.
• Ход штока выбирайте по нужному перемещению узла. Если узел должен остановиться раньше конца хода, поставьте внешний упор.
• Шток рассчитан на нагрузку вдоль оси. Если на шток действует боковая сила, ставьте направляющие, иначе быстрее изнашиваются уплотнение и втулка штока.
• Без давления цилиндр нагрузку не держит: при падении давления шток под весом узла уходит. Для удержания нужен упор или замок.

Подключение к распределителю и фитингам

• Цилиндр двустороннего действия подключают к распределителю 5/2: выходы A и B к двум портам цилиндра, подачу воздуха к порту P, выхлопы R и S в атмосферу. При переключении распределителя шток меняет направление движения.
• Цилиндр одностороннего действия подключают к распределителю 3/2: в одном положении воздух идёт в цилиндр, в другом полость цилиндра соединяется с выхлопом.
• В порты цилиндра вкручивают фитинги под трубку. Резьбу фитинга подбирают по резьбе порта, диаметр трубки по фитингу.
• Резьбу уплотняют лентой ФУМ или резьбовым герметиком. Следите, чтобы герметик не попал внутрь цилиндра.

Демпфирование и скорость

• В конце хода поршень подходит к крышке. Удар смягчают резиновые бамперы или воздушное демпфирование.
• Резиновые бамперы не регулируются. Воздушное демпфирование настраивают винтом на крышке: в конце хода воздух выходит через узкий канал и тормозит поршень.
• Скорость штока настраивают регуляторами потока с обратным клапаном на портах цилиндра. Регулятор ставят так, чтобы он ограничивал воздух, который выходит из цилиндра: так шток движется ровнее, чем при ограничении подачи.
• Шум выхлопа снижают глушители на выхлопах распределителя.

Датчики положения

Датчики положения сообщают контроллеру станка, что шток дошёл до нужной точки. Контроллер по этому сигналу запускает следующее действие.

• Датчик ставят снаружи корпуса в паз профиля. Он срабатывает от магнитного кольца на поршне.
• Датчик работает только с цилиндром, у которого на поршне есть магнит. Проверьте это по маркировке или паспорту цилиндра до покупки датчика.
• Датчик сдвигают по пазу до точки, где он срабатывает в нужном положении штока, и фиксируют винтом.

Монтаж и обслуживание

• Подавайте воздух через блок подготовки: фильтр задерживает воду и грязь, которые изнашивают уплотнения.
• Крепите цилиндр так, чтобы ось штока совпадала с направлением движения нагрузки.
• Не зажимайте шток инструментом за рабочую поверхность: царапины на штоке повреждают уплотнение.
• Если в пневмосистему подают масло через лубрикатор, подавайте его постоянно.
• Перед обслуживанием сбросьте давление в линии.
• Утечки воздуха ищите мыльным раствором: пузыри покажут место утечки.

Сильные и слабые стороны

• Сильные стороны. Простая конструкция с малым числом подвижных деталей. Быстрое движение штока. К самому цилиндру не нужно подводить электричество. Управление через распределитель легко встроить в автоматику станка.
• Слабые стороны. Воздух сжимается, поэтому при меняющейся нагрузке шток движется неравномерно, а остановить его точно в промежуточной точке без упоров и датчиков нельзя. Для работы нужны компрессор и подготовка воздуха. Выхлоп воздуха шумит.