Пневмоприводы

В современных пневмоприводах энергия сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию перемещение звеньев исполнительных механизмов при воздействии воздуха на их рабочие органы, такте как поршень, лопатка или мембрана. При этом величина развиваемого усилия пропорциональна величине давления воздуха, а скорость движения выходного звена исполнительного механизма определяется расходом сжатого воздуха. 
Широкая гамма различных конструктивных решений исполнительных механизмов позволяет осуществлять достаточно много разнообразных операций.
В отдельную группу можно выделить специальные пневматические исполнительные механизмы - вакуумные захваты, цанговые зажимы и т. п.
Рассматриваемые типы механизмов имеют свои преимущества и недостатки, каждый из них характеризуются некоторой предпочтительной областью применения.
Пневматический привод характеризуется высоким быстродействием и высокой экологичностью, низкой пожароопасностью, благодаря этому находит применение в металлургии, пищевой, газовой и химической промышленности, автомобилестроении.
1. Общее устройство пневмоприводовПневмоприводы современного оборудования, в которых рабочей средой служит сжатый воздух, характеризуется простотой конструкции, простотой эксплуатации, надежностью и долговечностью работы, функциональной гибкостью, высоким быстродействием, приемлемой стоимостью, возможностью работы в условиях взрывоопасных и  агрессивных сред. Сжатый воздух в процессе работы легко аккумулируется и транспортируется, при этом утечки воздуха через уплотнения не создают негативного воздействия для окружающей среды и производимой продукции. Благодаря этому пневмопривод применяется в медицинской, парфюмерной и электронной промышленности.
Пневмоприводы позволяют осуществлять линейные и поворотные движения без помощи преобразующих механизмов, сохраняют работоспособность при перегрузках. При этом скорость срабатывания и максимальная выходная мощность имеют достаточно широкий диапазон.
По сравнению с гидроприводами преимущества пневмоприводов заключаются в возможности использования централизованного источника сжатого воздуха, отсутствии возвратных линий и коммуникаций, более низких требованиях к герметичности, отсутствии загрязнения окружающей среды, больших скоростях движения выходного звена. Для пневматических приводов характерны простота управления, свобода выбора места установки, малая чувствительность к изменениям температуры окружающей среды.
Одним из существенных недостатков пневмопривода является низкое давление воздуха в централизованных пневмомагистралях, которое составляет 0,3-1,1 МПа, в сравнении с диапазоном давлений в гидросистемах — до 70 МПа. Кроме того, пневмоприводы имеют значительно меньшую энергоемкость и не самые лучшие массогабаритные показатели. Сжимаемость воздуха существенно усложняет обеспечение плавности перемещения выходных звеньев исполнительных механизмов при возможных изменениях параметров нагрузки, а также их точный останов в любом промежуточном положении(позиционирование) и реализацию заданного закона движения.
Современный  пневматический привод состоит из двух взаимосвязанных основных частей, силовой характеризует энергетические процессы, а управляющей обеспечивает функционирование и информационные процессы.
Элементы пневматического привода имеют различное функциональное назначение, подготовка сжатого воздуха (к таковым относятся компрессоры, фильтры, осушители, влагоотделители), составляют энергообеспечивающую подсистему привода.
Управление внутренней энергией сжатого воздуха, регулирование как давления и расхода, изменение  направлений потоков сжатого воздуха, осуществляется посредством регулирующей и направляющей аппаратуры, в частности дросселей, клапанов давления, распределителей.
Полезная работа машин и приводов характеризуется различными рабочими перемещениями или созданием усилий выходного звена современного оборудования. В простейших приводах функции управления остаются за человеком
В процессе разработки пневмопривода составляются структурные, обобщенные, а на их основе принципиальные пневматические схемы, в которых пневматическое оборудование указывается в виде условных обозначений. [2]
Функций контроля и управления   в большинстве случаев связано с необходимостью выполнения ряда существующих операций вычислительного и логического характера. Физиологические возможности человека ограничены, разработка и эффективное использование нового высокопроизводительного оборудования позволяет существенно снизить процент ручного труда на производстве. Функции автоматического управления позволяют осуществлять процесс управления работой оборудования без непосредственного участия человека.
В современных машинах используются разомкнутые и замкнутые системы автоматического управления, при этом в разомкнуты системах отсутствует контроль состояния управляемого объекта, управляющее воздействие осуществляется в соответствие с  целью управления и свойствам управляемого объекта. В замкнутых системах управляющее воздействие производится путем сравнений заданного состояния с требуемым.
Управляющая часть замкнутой системы управления представляет собой информационную и логико-вычислительную  подсистемы, при этом в информационную подсистему входят устройства ввода внешних управляющих сигналов, такие как датчики и индикаторы. Логико-вычислительная подсистема осуществляет обработку введенных управляющих сигналов на основании с заданной программы, производит вывод на устройства управления энергией в силовой части привода.
Требования безопасности и эксплуатации, а так же сложность силовой части привода позволяет применять электрические, электронные и пневматические средства автоматизации.
Исполнительные механизмы приводов современного оборудования имеют жесткую или кинематическую связь с объектом управления, что позволяет судить о соответствующем состоянии объекта в зависимости от состояния их выходных звеньев.
Системы автоматического управления реализуют основной принцип построения, с возможным  применением обратной связи, которая обеспечивает передачу информации об изменении текущего состояния объекта. В пневмоавтоматике  наиболее широко распространены дискретные системы управления, которые характеризуются  принудительным пошаговым процессом, поступлением  четких сигналов от управляемой системы. [2]
2.Виды и типы пневмоцилиндровПневматические цилиндры линейного перемещения используются для реализации прямолинейного движения рабочих органов современного оборудования.
Наибольшее распространения имеют конструкции пневмоцилиндров одностороннего с односторонним или двухсторонним штоком, одностороннего и двухстороннего действия.
В пневмоцилиндрах одностороннего действия происходит выдвижение штока под действием воздуха только в одну сторону, при этом воздух подается только с одной стороны от поршня, а возврат в исходное положение осуществляется пружиной или внешними силами. Важно заметить, что возвратная пружина снижает усилие выдвижения штока пневмоцилиндра под действием сжатого воздуха, а усилие при возврате в исходное положение определяется жесткостью и степенью сжатия пружины. Наибольшее распространение получили пневмоцилиндры двух модификаций: с расположением пружины в бесштоковой полости - в исходном положении шток выдвинут, пневмоцилиндры с расположением пружины в штоковой полости цилиндра - в исходном положении шток выдвинут, выдвигается под действием давления воздуха. В пневмоцилиндрах двухстороннего действия перемещение поршня под действием давления сжатого воздуха происходит в двух направлениях
В конструкции большинства пневматических цилиндров предусмотрены специальные устройства – демпферы, которые обеспечивают более плавное движение в конце хода поршня. Простейшими демпферами являются резиновые шайбы, которые устанавливаются на поршне или на крышке внутри цилиндра. Демпферные шайбы используются в цилиндрах небольших диаметров, а также в короткоходовых цилиндрах с небольшими усилиями. В пневмоцилиндрах с большими диаметрами для торможения и исключения удара используется дросселирование, при этом создается сопротивление воздуха, при сбросе из полости пневмоцилиндра. Дросселирование осуществляется автоматически в конце хода штока, при этом интенсивность торможения определяется степенью открытия дросселя и регулируется винтом.
В зависимости от назначения пневматические цилиндры могут иметь разные варианты исполнения элементов конструкции. [3]
Рисунок 1-Пневмоцилиндр с двухсторонним штоком
Пневмоцилиндры с двусторонним штоком предназначены для большей устойчивости к боковым нагрузкам, обеспечивается креплением штока в двух опорах, расположенных на большом расстоянии друг от друга.Конструкции с защищенным от проворачивания штоком применяются в том случае, когда инструмент крепится непосредственно к пневмоцилиндру. Максимально допустимый крутящий момент рассматриваемых конструкций ограничивают специально нанесенные плоские фаски.
Рисунок 2- Пневмоцилиндр с овальной гильзой
В некоторых случаях для защиты от проворачивания корпуса пневмоцилиндра, а также с целью экономии монтажного пространства применяется плоская конструкция со сплющенной до овальной формы гильзой.
Рисунок 3-Пневмоцилиндр тандем
Пневмоцилиндр тандем, состоящий из двух продольно совмещенных цилиндров с общим штоком, позволяет увеличить развиваемое усилие при одновременной подаче давления в полости обоих цилиндров.
Рисунок 4-Магнитный пневмоцилиндрОбласть применения пневмоцилиндров одностороннего действия ограничена недостатками конструкции:
-рабочее усилие снижено на 8-10% вследствие противодействия пружины;
- усилие при обратном ходе составляет 8-12% от рабочего;
- величина хода штока не более 100 мм.
Магнитные пневмоцилиндры отличаются наличием магнита на штоке, который позволяет определять местоположение поршня в процессе перемещения. В рассматриваемом случае на корпус пневмоцилиндра устанавливается чувствительный элемент, который реагирует на приближение магнита поршня, электрическая цепь замыкается при попадании в магнитное поле. Датчики получили широкое применение в пневмоприводе, отслеживают координаты поршня непрерывно по всей длине хода, в ряде случаев используются для пневмоприводов с обратной связью.
Кроме того, существуют пневмоцилиндры поворотного действия – преобразуют прямолинейное движение поршня в поворотное движение выходного вала, величина угла поворота не превышает 360°.
При выборе конструкции и размеров пневмоцилиндра используют расчетный метод, графики и таблицы, компьютерные программы.
Мембранные и сильфонные пневмоцилиндры характеризуются минимальной величиной рабочего хода штока. Плоская резиновая мембрана позволяет получить необходимую величину перемещение штока на 0,1...0,5 от ее эффективного диаметра, применение мембраны в форме гофрированного чулка увеличивают ход штока до нескольких диаметров мембраны.
Сильфонные пневмоцилиндры с внешним подводом воздуха характеризуются уменьшением длины гофрированной трубки под действием давления, с внутренним подводом - увеличением за счет деформации гофров. В качестве эластичного элемента чаще всего используется резина, синтетические материалы, бронза, латунь, тонколистовая сталь.
Увеличение скорости выполнения различных операций достигается применением пневмозахватов.
Для перемещения листового металла в промышленности используются пневмоприсоски, которые относятся к вакуумным захватам безнасосного и насосного типа. В захватах безнасосного типа при этом вакуум в рабочей камере К создается при деформации самих элементов захвата, которые выполнены в виде гибкой тарелки, прилегающей своей кромкой к детали и подвижным поршнем, к которому прикладывается внешнее усилие. Величина вакуума при подъеме детали пропорциональна ее весу и обычно бывает не более 55 кПа. С целью обеспечения большего притяжения, в частности в случаях с недостаточно гладкой поверхностью детали, применяют захваты насосного типа с подводом воздуха из рабочей камеры вакуума 70…95 кПа.
В существующих конструкциях эжектора кинетическая энергия струи воздуха используется для создания вакуума в рабочей камере , находящейся между присоской  и деталью. Сжатый воздух, поступающий на вход А, проходит с большой скоростью через сопло Б эжектора, при этом создаетс пониженное давление в камере В и канале Г, в камере К создается разрежение.
Рисунок 5- ПневмозахватыЗажим цилиндрических деталей осуществляется пневмозахватами, выполненные по схемам. Давление подаваемого воздуха в рабочей камере К воздействует на упругий цилиндрический колпачок, который охватывает шейку вала и создает необходимое усилие для зажима деталей.
Двухсторонний пневмозахват, рабочими элементами которого служат сильфоны с односторонним гофром обеспечивает создание избыточного давления внутри сильфона, при этом гофрированная сторона растягивается на большую длину в сравнении с гладкой, происходит перемещение консольной стороны трубки в направлении охватываемой детали. Рассматриваемое устройство позволяет фиксировать детали круглой формы с любыми фасонными поверхностями.
Радиально-поршневые пневматические двигатели имеют диапазон частот вращения вала до 1000…1500 об/мин, применяемые шестеренные и пластинчатые двигатели 2000…4000 об/мин, наиболее быстроходными являются турбинные пневматические двигатели, частота вращения достигает 20000 об/мин.
Рисунок 6- Схемы пневматических двигателей объемного (а) и динамического (б) действия
Пневмопривод отличается большим разнообразием оригинальных исполнительных устройств с эластичными элементами в форме мембран, оболочек, гибких нитей, рукавов и т.н. Они широко используются в зажимных, фиксирующих, переключающих и тормозных механизмах современных автоматизированных производств.
3. Существующие конструкцииПринцип действия мембранного пневмоцилиндра аналогичен принципу действия поршневого пневмоцилиндра одностороннего действия, в рассматриваемой конструкции поршень заменен жестко защемленной мембраной. 1082040388620
Рисунок 7-Мембранные пневмоцилиндры
В большинстве конструкций мембрана изготавливается из резины или пластика, при этом площади мембран позволяют развивать усилия до 25000 Н при ограниченном ходе штока. Мембранные пневмоцилиндры отличаются низкой стоимостью, характеризуются существенно меньшими габаритными размерами и простотой монтажа, в конструкции отсутствуют подвижные уплотнения.
На рисунке 7б показан мембранный пневмоцилиндр одностороннего действия, применяется для зажима деталей с целью их последующей механической обработки. Шток отсутствует, усилие передается непосредственно через мембрану 1, рабочий ход в пределах 1 — 5 мм.
Перемещение штока в любом направлении является рабочим и может осуществляться под нагрузкой. При обратном ходе поршня штоковая полость находится под избыточным давлением, что связано с необходимостью установки дополнительных уплотнений на поршне и в передней крышке для предотвращения утечек сжатого воздуха по штоку.
В поршневых пневмоцилиндрах одностороннего и двустороннего действия используются различные способы креплений.Конструктивное исполнение пневмоцилиндров может быть различным в зависимости от их типоразмера и области применения. Часто встречается завальцовка гильзы в крышках - способ крепления корпусных деталей пневмоцилиндров с диаметром поршня 25 мм - 63 мм, изображен на рисунке 8а. Такая конструкция имеет существенный недостаток — пневмоцилиндры не подлежат ремонту.
В некоторых конструкциях пневмоцилиндров с диаметром поршня от 32 мм применяется стягивание крышек и гильзы шпильками (рисунок 8б), известны конструкции, в которых крышки присоединены болтами к цельнотянутой спрофилированной гильзе (рисунок 8в).
Рисунок 8 - Способы крепления крышек пневмоцилиндровТехнология производства цельнотянутых гильз пневмоцилиндров позволяет выполнять каналы для подвода воздуха, продольные пазы для датчиков положения поршня, конструкция гильзы имеет удобную для монтажа и обслуживания.
Конструкция пневмоцилиндра с воздушным демпфированием изображена на рисунке 9.
1167765-297180
Рисунок 9-Пневмоцилиндр двустороннего действия с демпфированием в конце хода
Расширение функциональных возможностей рассматриваемой конструкции пневмоцилиндров достигается установки дополнительных элементов. Втулки демпфера 2 установлены с двух сторон поршня, уплотнительные манжеты 1 и дроссели 5 с обратным клапаном 6 установлены в крышках цилиндра. В процессе работы пневмоцилиндра сжатый воздух свободно поступает в поршневую или штоковую полость, в частности через встроенный обратный клапан 6. Поршень перемещается до достижения втулки демпфера 2 в полость уплотнительных манжет 1. В этот момент воздух из этой полости может вытесняться в атмосферу лишь через дроссельное отверстие 5 с регулируемой величиной диаметра проходного сечения. При дальнейшем перемещении поршня воздух в запертом объеме начинает сжиматься, возрастает давление, что приводит к торможению поршня, поршень упирается в крышку без удара. При изменении направления перемещения поршня сжатый воздух свободно поступает в штоковую полость через обратный клапан 6, составляющий вместе с дросселем 5 единый узел, при этом обеспечивается быстрое начало хода.
С целью исключения влияния больших инерционных нагрузок при высоких скоростях движения поршня следует устанавливать внешние гидравлические амортизаторы.
Кроме того, в поршне рассматриваемого пневмоцилиндра смонтирован кольцевой постоянный магнит 3, магнитное поле обеспечивает возможность контроля различных положений выходного звена пневмоцилиндра.
Грязесъемное кольцо 4 установлено для защиты штока пневмоцилиндра от внешних загрязнителей. [7]
В конструкциях пневмоцилиндров с двусторонним штоком характеризуется одинаковыми эффективными площадями поршня, при этом шток две опоры в каждой из крышек.
Рисунок 10 - Пневмоцилиндр с двухсторонним штоком
Рассматриваемая конструкция пневмоцилиндра имеет ряд преимуществ:
-действующие нагрузки воспринимаются двумя опорами, что существенно увеличивает срок службы пневмоцилиндра;
-равенство эффективных площадей поршня обеспечивает равные рабочие усилия при движении.
Основным недостатком пневмоцилиндров с проходным штоком является увеличение длины.
Тандем-пневмоцилиндры изображен на рисунке 11. Развиваемое усилие тандем-пневмоцилиндра, характеризуется суммированием усилий одновременно на двух поршнях. Применяются трехсекционные и четырехсекционные конструкции пневмоцилиндров, в которых несколько сецкий соединяются последовательно. Наличие распределительных каналов в корпусе позволяет подводить сжатый воздух в полости всех секций пневмоцилиндров всего через два внешних подсоединения.