Che Cilindro dell'aria Lo fa effettivamente in una linea di produzione
Un cilindro pneumatico converte la pressione dell'aria compressa in forza meccanica lineare e la risposta breve per chiunque ne scelga uno è questa: la dimensione del foro determina la forza erogata, la lunghezza della corsa determina la distanza percorsa e il design dello stelo determina la capacità di carico sotto carichi laterali . Un cilindro attuatore pneumatico standard funzionante con aria di officina a 6 bar (87 psi) con un alesaggio di 32 mm produce circa 482 newton di forza sulla corsa di spinta, sufficiente per eseguire la maggior parte delle attività di bloccaggio, sollevamento e pressatura presenti sulle apparecchiature di imballaggio e assemblaggio. Se un processo richiede più forza senza aumentare la dimensione del foro, l'unico percorso pratico è aumentare la pressione di linea (entro il limite nominale del cilindro, in genere 10 bar per le unità standard) o passare a un design del cilindro tandem che impila due pistoni su un'asta.
I cilindri attuatori rientrano in due grandi famiglie meccaniche: cilindri a semplice effetto, che utilizzano la pressione dell'aria per muoversi in una direzione e una molla per il ritorno, e cilindri a doppio effetto, che utilizzano la pressione dell'aria sia per l'estensione che per la retrazione. Secondo i dati dei distributori di componenti dei cataloghi Festo e SMC, i design a doppio effetto rappresentano circa il 75% delle installazioni di cilindri pneumatici industriali, in gran parte perché offrono forza e velocità controllate in entrambe le direzioni e non sprecano energia comprimendo una molla di ritorno ad ogni ciclo.
Calcolo della forza del cilindro: i numeri che contano
La formula della forza per un cilindro pneumatico è semplice: Forza (N) = Pressione (bar) x Area (cm²) x 10 . L'area del pistone viene calcolata dal diametro del foro utilizzando la formula standard dell'area del cerchio, π per raggio al quadrato. Per la corsa lato stelo (retrazione), l'area della sezione trasversale dello stelo deve essere sottratta dall'area totale del pistone, motivo per cui la forza di retrazione è sempre inferiore alla forza di estensione su un cilindro a doppio effetto, spesso dal 10% al 15% a seconda del diametro dello stelo.
| Diametro del foro | Zona pistone | Forza a 6 Bar | Applicazione tipica |
|---|---|---|---|
| 16 mm | 2,01 cm² | 120N | Espulsione di piccole parti, gating |
| 25 mm | 4,91 cm² | 295 n | Dispositivi di bloccaggio leggeri |
| 32 mm | 8,04 cm² | 482 n | Arresti del trasportatore, piastre di spinta |
| 50 mm | 19,63 cm² | 1178 n | Raccordi a pressare, formatura lamiere |
| 80 mm | 50,27 cm² | 3016 n | Bloccaggio pesante, utensili per pressofusione |
Vale la pena notare che la forza teorica di questa formula rappresenta la massima potenza disponibile prima delle perdite per attrito. La forza erogata nel mondo reale è inferiore di circa il 5% - 10% a causa dell'attrito della guarnizione, in particolare nei cilindri che sono stati in funzione per periodi prolungati senza manutenzione della lubrificazione.
Stili del corpo del cilindro e quando ciascuno si adatta
I cilindri pneumatici sono prodotti in diverse configurazioni del corpo e la scelta dello stile sbagliato è una delle cause più comuni di usura prematura delle apparecchiature automatizzate.
Cilindri a corpo tondo (ISO 6432).
Si tratta dell'opzione più compatta per una determinata dimensione del foro e si montano facilmente su telai di macchine stretti utilizzando staffe a forcella o flangiate. Si trovano comunemente con diametri compresi tra 8 mm e 25 mm e sono preferiti per bracci pick-and-place, piccoli meccanismi di espulsione e applicazioni di gate in cui lo spazio lungo l'asse di attuazione è limitato.
Cilindri con corpo a profilo (ISO 15552).
Corpi a sezione quadrata o rettangolare con asole di fissaggio integrate lungo tutti e quattro i lati. Le superfici piatte e le scanalature con scanalatura a T consentono ai progettisti di imbullonare sensori, staffe e binari di guida direttamente al corpo del cilindro senza dispositivi aggiuntivi. Questo stile domina nella gamma di alesaggi da 32 mm a 125 mm ed è la scelta predefinita per l'automazione industriale generale.
Cilindri guidati (a scorrimento).
Questi combinano un cilindro standard con aste di guida lineare integrate, in genere due alberi in acciaio temprato che corrono paralleli all'asta principale. Le aste di guida assorbono i carichi laterali e la coppia che altrimenti piegherebbero o usurerebbero lo stelo e la guarnizione del cilindro standard. Qualsiasi applicazione in cui il carico viene applicato decentrato rispetto alla linea centrale dello stelo, come un braccio di spinta o una pinza rotante, dovrebbe utilizzare un cilindro guidato anziché un cilindro con stelo standard , poiché il carico laterale è la principale causa di cedimento prematuro delle guarnizioni dello stelo.
Cilindri compatti
Unità a corsa breve e profilo piatto progettate per operazioni di bloccaggio in cui lo spazio assiale è limitato, come su tavole rotanti multistazione. Le lunghezze della corsa raramente superano i 50 mm, ma la superficie di montaggio piatta e la lunghezza complessiva ridotta li rendono ideali per installazioni in cui un cilindro standard semplicemente non è adatto.
Stili di montaggio e relativi compromessi meccanici
Lo stile di montaggio scelto influisce non solo sull'installazione ma anche sulla sollecitazione di flessione subita dal corpo del cilindro e dallo stelo durante il funzionamento.
- Montaggio su piedi : Imbullonato lungo la parte inferiore del corpo del cilindro, semplice e rigido, ma richiede che il percorso del carico sia perfettamente allineato per evitare momenti flettenti sul tubo del corpo.
- Montaggio a flangia : Imbullonato al cappuccio o all'estremità della testa, molto rigido per applicazioni assiali push/pull, comuni su presse e apparecchiature di stampaggio.
- Montaggio a perno : Un punto di articolazione consente al cilindro di oscillare mentre si estende, essenziale per bracci di presa e meccanismi di sollevamento che ruotano lungo un arco anziché muoversi in linea retta.
- Montaggio a cerniera : Un collegamento a perno e forcella nella parte posteriore del cilindro, spesso abbinato anche a una forcella all'estremità dello stelo, che consente all'intero cilindro di ruotare durante la corsa.
I supporti con perno e cerniera sono le uniche scelte da utilizzare quando il percorso di attuazione non è una linea retta, poiché i supporti rigidi su un carico oscillante piegheranno rapidamente lo stelo del pistone.
Consumo d'aria: dimensionare correttamente il compressore
Un fattore trascurato quando si aggiungono cilindri a un sistema pneumatico esistente è la richiesta d'aria totale. Ogni ciclo di un cilindro consuma un volume di aria compressa pari all'area del pistone moltiplicata per la lunghezza della corsa, raddoppiata per i cilindri a doppio effetto poiché entrambe le camere riempiono e scaricano ad ogni ciclo.
Ad esempio, un cilindro con alesaggio di 50 mm e corsa di 200 mm ha un volume del pistone di circa 393 cm³ sul lato di estensione. Aggiungete il volume lato stelo (leggermente inferiore a causa dello spostamento dello stelo, chiamatelo 370 cm³), e un ciclo completo consuma circa 763 cm³ di aria libera a pressione atmosferica, moltiplicato per il rapporto di compressione. A 6 bar (7 bar assoluti), si tratta di circa 5,3 litri di aria libera per ciclo. Una macchina che fa funzionare questo cilindro a 20 cicli al minuto consumerà circa 106 litri al minuto di aria libera solo per quell'attuatore , che è un carico significativo se moltiplicato per una macchina con una dozzina o più di cilindri.
| Dimensione del foro | Corsa 100mm | Corsa 200mm | Corsa 300mm |
|---|---|---|---|
| 25 mm | 26 l/min | 52 l/min | 78 l/min |
| 32 mm | 42 l/min | 84 l/min | 127 l/min |
| 50 mm | 53 l/min | 106 l/min | 159 l/min |
| 80 mm | 135 l/min | 271 l/min | 406 l/min |
Gli stabilimenti comunemente sottovalutano il dimensionamento del compressore quando aggiungono nuove celle di automazione perché calcolano in base solo all'alesaggio del cilindro senza tenere conto della frequenza di ciclo. Un compressore sottodimensionato rispetto alla domanda totale provoca un abbassamento della pressione di linea durante i cicli di picco, il che riduce direttamente la forza erogata da ogni cilindro del sistema contemporaneamente, portando talvolta i tecnici a diagnosticare erroneamente il sintomo come un guasto dell'attuatore quando la vera causa è a monte.
Ammortizzazione di fine corsa e perché prolunga la durata
Alla fine di ogni corsa, il pistone decelera sbattendo contro il cappuccio terminale, a meno che non sia presente qualche forma di ammortizzazione. I cilindri standard senza ammortizzatori sono limitati a velocità del pistone relativamente basse, generalmente inferiori a 0,3 metri al secondo, prima che le forze di impatto inizino a danneggiare il pistone, i cappucci terminali e l'hardware di montaggio.
L'ammortizzazione regolabile utilizza una valvola a spillo per limitare l'aria di scarico negli ultimi 10-15 mm di corsa, rallentando il pistone prima che entri in contatto con il cappuccio terminale. Questa singola caratteristica può prolungare significativamente la durata di servizio del cilindro, poiché lo shock meccanico ripetuto di un arresto non ammortizzato contribuisce in modo significativo all'usura delle guarnizioni, all'allentamento degli elementi di fissaggio e all'eventuale rottura della fusione del cappuccio terminale sui cilindri con corpo in alluminio.
Per applicazioni con velocità superiore a 0,5 m/s o per qualsiasi cilindro che trasporta una massa di carico superiore a pochi chilogrammi, l'ammortizzazione pneumatica regolabile dovrebbe essere considerata un requisito standard piuttosto che un aggiornamento opzionale . I paraurti in gomma offrono un'alternativa a basso costo per carichi più leggeri e velocità inferiori, assorbendo l'impatto attraverso la deformazione elastica anziché la strozzatura dell'aria, ma si usurano e richiedono una sostituzione periodica.
Selezione dei materiali per diversi ambienti operativi
Il corpo, l'asta e i materiali delle guarnizioni di un cilindro dell'attuatore determinano la sua capacità di sopravvivenza all'esterno di uno stabilimento pulito, asciutto e climatizzato.
Cilindri standard con corpo in alluminio
L'alluminio anodizzato è l'impostazione predefinita per l'uso interno generale. È leggero, resiste alla corrosione superficiale dovuta alla normale umidità e si lavora facilmente per i fori di precisione necessari per mantenere una buona tenuta. Non è adatto per ambienti con prodotti chimici di lavaggio caustici o esposizione costante all'acqua salata senza rivestimenti aggiuntivi.
Cilindri in acciaio inossidabile
Utilizzato nella lavorazione alimentare, in applicazioni farmaceutiche e marine in cui il lavaggio con detergenti clorurati o l'esposizione all'aria salata è di routine. I cilindri in acciaio inossidabile costano di più, in genere da 1,5 a 2,5 volte il prezzo di un'unità equivalente in alluminio, ma evitano la corrosione per vaiolatura che altrimenti richiederebbe frequenti sostituzioni in questi ambienti.
Composti sigillanti
Le guarnizioni in nitrile (NBR) sono standard per il servizio aereo generale a temperature comprese tra -20°C e 80°C. Per applicazioni ad alta temperatura vicino a forni o stazioni di saldatura, le guarnizioni in fluorocarburo (FKM/Viton) estendono il campo di utilizzo fino a circa 150°C ma costano notevolmente di più. Per i macchinari per uso alimentare e farmaceutico, sono richiesti composti di tenuta conformi alla FDA e devono essere specificati esplicitamente al momento dell'ordine, poiché le guarnizioni standard potrebbero non soddisfare i requisiti di lavorazione sanitaria.
Sintomi comuni di guasto e cause principali
I tecnici sul campo riscontrano ripetutamente gli stessi modelli di guasto sui cilindri degli attuatori e riconoscerli rapidamente consente di risparmiare notevoli tempi di inattività.
| Sintomo | Probabile causa | Azione correttiva |
|---|---|---|
| Corsa lenta o lenta | Tubi sottodimensionati, raccordi restrittivi o bassa pressione di linea | Controllare la pressione di alimentazione all'attacco del cilindro e aumentare il diametro del tubo |
| Perdita d'aria dall'estremità dello stelo | Guarnizione dello stelo usurata, spesso a causa del caricamento laterale o della contaminazione | Sostituire il kit di guarnizioni, ispezionare eventuali rigature sull'asta e la fonte di carico laterale |
| Il cilindro va alla deriva quando l'aria è interrotta | Bypass della guarnizione interna del pistone che consente il trasferimento dell'aria tra le camere | Sostituire la guarnizione del pistone, ispezionare l'alesaggio per eventuali rigature |
| Forte scoppio a fine corsa | Ammortizzazione mancante o usurata, velocità eccessiva | Regolare la valvola a spillo d'ammortizzo o aggiungere il controllo del flusso sullo scarico |
| Stelo del pistone piegato | Carico laterale oltre i limiti nominali, disallineamento | Sostituirlo con un cilindro guidato o correggere l'allineamento meccanico |
La maggior parte dei guasti prematuri dei cilindri è riconducibile a due cause principali: carico laterale sullo stelo dovuto a un montaggio disallineato e alimentazione d'aria contaminata che trasporta umidità o particelle nelle guarnizioni. Un'unità filtro-regolatore-lubrificatore (FRL) mantenuta correttamente a monte di ciascun attuatore affronta direttamente la seconda causa, mentre i controlli di allineamento di routine durante la manutenzione preventiva affrontano la prima.
Una lista di controllo pratica per specificare un nuovo cilindro attuatore
Quando si specifica un nuovo cilindro dell'attuatore pneumatico per la progettazione di una macchina o per il retrofit, è necessario seguire i seguenti punti per evitare gli errori di specifica più comuni.
- Calcolare la forza richiesta alla pressione di linea più bassa prevista, non alla pressione nominale, poiché la pressione può abbassarsi durante i picchi di domanda.
- Selezionare la dimensione del foro con un margine di sicurezza di almeno il 25% superiore al requisito di forza minima calcolata.
- Verificare che la lunghezza della corsa tenga conto della corsa meccanica completa più l'eventuale distanza di ammortizzazione su ciascuna estremità.
- Scegliere un cilindro guidato se allo stelo verrà applicato un carico laterale o una coppia durante la corsa.
- Adattare il materiale della guarnizione e il materiale del corpo all'ambiente ambientale, compresa la temperatura, l'umidità e l'esposizione chimica.
- Specificare il tipo di ammortizzazione in base alla velocità prevista del pistone e alla massa di carico.
- Verificare che lo stile di montaggio corrisponda al percorso del carico, movimento rettilineo rispetto a quello rotatorio.
- Aggiungere il consumo d'aria del nuovo cilindro alla richiesta totale del sistema e verificare la capacità del compressore.
Seguire questa sequenza in ordine, anziché partire da un codice articolo del catalogo e procedere a ritroso, fa la differenza tra un attuatore che funziona in modo affidabile per anni e uno che diventa un elemento di manutenzione ricorrente entro pochi mesi dall'installazione.
