Thật là một Xi lanh khí Thực tế có trong một dây chuyền sản xuất
Một xi lanh khí chuyển đổi áp suất khí nén thành lực cơ học tuyến tính và câu trả lời ngắn gọn cho bất kỳ ai chọn một xi lanh là: kích thước lỗ khoan xác định lực phát ra, chiều dài hành trình xác định khoảng cách di chuyển và thiết kế thanh xác định khả năng chịu tải dưới tải trọng bên . Một xi lanh truyền động khí nén tiêu chuẩn chạy trên không khí xưởng 6 bar (87 psi) với lỗ khoan 32mm tạo ra lực khoảng 482 newton trên hành trình đẩy, đủ để thực hiện hầu hết các nhiệm vụ kẹp, nâng và ép trên thiết bị đóng gói và lắp ráp. Nếu một quy trình cần nhiều lực hơn mà không tăng kích thước lỗ khoan, thì cách thực tế duy nhất là tăng áp suất đường ống (trong giới hạn định mức của xi lanh, thường là 10 bar đối với các đơn vị tiêu chuẩn) hoặc chuyển sang thiết kế xi lanh song song xếp hai pít-tông trên một thanh.
Xi lanh truyền động được chia thành hai họ cơ khí rộng: xi lanh tác động đơn, sử dụng áp suất không khí để di chuyển theo một hướng và lò xo để quay trở lại, và xi lanh tác động kép, sử dụng áp suất không khí cho cả việc kéo dài và rút lại. Thiết kế tác động kép chiếm khoảng 75% lắp đặt xi lanh khí nén công nghiệp theo dữ liệu của nhà phân phối linh kiện từ danh mục Festo và SMC, phần lớn là do chúng cung cấp lực và tốc độ được kiểm soát theo cả hai hướng và không lãng phí năng lượng khi nén lò xo hồi vị trên mỗi chu kỳ.
Tính lực trụ: Những con số quan trọng
Công thức lực của xi lanh khí nén rất đơn giản: Lực (N) = Áp suất (bar) x Diện tích (cm²) x 10 . Diện tích piston được tính từ đường kính lỗ khoan bằng công thức diện tích hình tròn tiêu chuẩn, bình phương π nhân bán kính. Đối với hành trình phía thanh truyền (rút lại), diện tích mặt cắt ngang của thanh truyền phải được trừ khỏi tổng diện tích piston, đó là lý do tại sao lực rút luôn thấp hơn lực giãn trên xi lanh tác dụng kép, thường từ 10% đến 15% tùy theo đường kính thanh truyền.
| Đường kính lỗ khoan | Khu vực pít-tông | Lực ở 6 Bar | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|
| 16mm | 2,01 cm2 | 120 N | Đẩy phần nhỏ, gating |
| 25mm | 4,91 cm2 | 295 N | Thiết bị kẹp đèn |
| 32mm | 8,04 cm2 | 482 N | Điểm dừng băng tải, tấm đẩy |
| 50 mm | 19,63 cm2 | 1178 N | Lắp ép, tạo hình kim loại tấm |
| 80mm | 50,27 cm2 | 3016 N | Dụng cụ kẹp, đúc khuôn nặng |
Điều đáng chú ý là lực lý thuyết từ công thức này biểu thị công suất tối đa sẵn có trước tổn thất do ma sát. Lực được cung cấp trong thế giới thực thấp hơn khoảng 5% đến 10% do ma sát phốt, đặc biệt là trong các xi lanh đã chạy trong thời gian dài mà không cần bảo trì bôi trơn.
Kiểu dáng thân xi lanh và khi nào mỗi kiểu phù hợp
Xi lanh khí được sản xuất theo nhiều kiểu dáng thân máy khác nhau và việc chọn sai kiểu dáng là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây hao mòn sớm trên thiết bị tự động.
Xi lanh thân tròn (ISO 6432)
Đây là tùy chọn nhỏ gọn nhất cho kích thước lỗ khoan nhất định và dễ dàng lắp vào các khung máy chặt bằng cách sử dụng giá đỡ hình chữ thập hoặc mặt bích. Chúng thường có kích thước lỗ khoan từ 8 mm đến 25mm và được ưa chuộng cho các cánh tay gắp và đặt, cơ cấu phun nhỏ và các ứng dụng gating nơi không gian dọc theo trục truyền động bị hạn chế.
Thân hồ sơ (ISO 15552)
Thân có mặt cắt ngang hình vuông hoặc hình chữ nhật có tích hợp các khe lắp dọc theo cả bốn cạnh. Các bề mặt phẳng và rãnh rãnh chữ T cho phép các nhà thiết kế bắt vít các cảm biến, giá đỡ và ray dẫn hướng trực tiếp vào thân xi lanh mà không cần thêm đồ đạc cố định. Kiểu này chiếm ưu thế trong phạm vi lỗ khoan từ 32mm đến 125mm và là lựa chọn mặc định cho tự động hóa công nghiệp nói chung.
Xi lanh dẫn hướng (Trượt)
Chúng kết hợp một xi lanh tiêu chuẩn với các thanh dẫn hướng tuyến tính tích hợp, thường là hai trục thép cứng chạy song song với thanh chính. Các thanh dẫn hướng hấp thụ tải trọng bên và mô-men xoắn có thể làm cong hoặc làm mòn thanh xi lanh tiêu chuẩn và vòng đệm. Bất kỳ ứng dụng nào mà tải trọng được tác dụng lệch tâm so với đường tâm của thanh, chẳng hạn như tay đẩy hoặc bộ kẹp quay, nên sử dụng xi lanh dẫn hướng thay vì xi lanh thanh tiêu chuẩn. , bởi vì tải trọng bên là nguyên nhân lớn nhất dẫn đến hư hỏng vòng đệm thanh sớm.
Xi lanh nhỏ gọn
Các bộ phận có hành trình ngắn, phẳng được thiết kế cho các hoạt động kẹp trong đó không gian dọc trục ở mức cao, chẳng hạn như trên các bàn quay nhiều trạm. Chiều dài hành trình hiếm khi vượt quá 50mm, nhưng mặt lắp phẳng và chiều dài tổng thể giảm khiến chúng trở nên lý tưởng cho việc lắp đặt ở những nơi mà xi lanh tiêu chuẩn đơn giản là không vừa.
Kiểu lắp đặt và sự cân bằng cơ học của chúng
Kiểu lắp được chọn không chỉ ảnh hưởng đến việc lắp đặt mà còn ảnh hưởng đến ứng suất uốn của thân xi lanh và thanh truyền trong quá trình vận hành.
- Gắn chân : Được bắt vít dọc theo đáy thân xi lanh, đơn giản và cứng cáp nhưng yêu cầu đường dẫn tải phải được căn chỉnh hoàn hảo để tránh mô men uốn trên ống thân.
- Gắn mặt bích : Được bắt vít ở nắp hoặc đầu đầu, rất cứng cho các ứng dụng đẩy/kéo dọc trục, phổ biến trên các thiết bị ép và dập.
- lắp trunnion : Điểm xoay cho phép hình trụ lắc lư khi nó kéo dài, điều này cần thiết cho cánh tay kẹp và cơ cấu nâng quay theo hình cung thay vì di chuyển theo đường thẳng.
- gắn khoan : Một kết nối chốt và nĩa ở phía sau hình trụ, thường được ghép nối với một chốt ở đầu thanh, cho phép toàn bộ hình trụ xoay trong hành trình.
Giá đỡ trục và móc khoan là những lựa chọn duy nhất nên được sử dụng khi đường truyền động không phải là đường thẳng, vì các giá đỡ cứng trên tải quay sẽ nhanh chóng làm cong cần piston.
Tiêu thụ không khí: Định cỡ máy nén chính xác
Một yếu tố bị bỏ qua khi thêm xi lanh vào hệ thống khí nén hiện có là tổng nhu cầu không khí. Mỗi chu kỳ của xi lanh tiêu thụ một thể tích khí nén bằng diện tích piston nhân với chiều dài hành trình, gấp đôi đối với xi lanh tác động kép vì cả hai buồng đều nạp và xả mỗi chu kỳ.
Ví dụ, một xi lanh có đường kính 50mm với hành trình 200mm có thể tích piston khoảng 393 cm³ ở phía mở rộng. Thêm thể tích phía thanh (ít hơn một chút do dịch chuyển thanh, gọi là 370 cm³) và một chu kỳ đầy đủ tiêu thụ khoảng 763 cm³ không khí tự do ở áp suất khí quyển, nhân với tỷ lệ nén. Ở mức 6 bar (7 bar tuyệt đối), tức là khoảng 5,3 lít không khí tự do mỗi chu kỳ. Một cỗ máy chạy xi lanh này với tốc độ 20 chu kỳ mỗi phút sẽ tiêu thụ khoảng 106 lít không khí tự do mỗi phút chỉ cho một bộ truyền động đó , đây là một tải trọng có ý nghĩa khi được nhân trên một máy có hàng tá xi lanh trở lên.
| Kích thước lỗ khoan | Hành trình 100mm | Hành trình 200mm | Hành trình 300mm |
|---|---|---|---|
| 25mm | 26 lít/phút | 52 lít/phút | 78 lít/phút |
| 32mm | 42 lít/phút | 84 lít/phút | 127 lít/phút |
| 50 mm | 53 lít/phút | 106 lít/phút | 159 lít/phút |
| 80mm | 135 L/phút | 271 L/phút | 406 lít/phút |
Các nhà máy thường đánh giá thấp kích thước máy nén khi bổ sung các bộ phận tự động hóa mới vì họ tính toán chỉ dựa trên lỗ xi lanh mà không tính đến tốc độ chu kỳ. Máy nén có kích thước nhỏ hơn so với tổng nhu cầu sẽ khiến áp suất đường dây bị chùng xuống trong chu kỳ cao điểm, điều này trực tiếp làm giảm lực đầu ra của mọi xi lanh trên hệ thống đồng thời, đôi khi khiến các kỹ thuật viên chẩn đoán nhầm triệu chứng là bộ truyền động bị hỏng khi nguyên nhân thực sự là ở phía thượng nguồn.
Đệm cuối hành trình và lý do nó kéo dài tuổi thọ sử dụng
Vào cuối mỗi hành trình, piston giảm tốc bằng cách đập vào nắp cuối trừ khi có một số dạng đệm. Các xi lanh tiêu chuẩn không có đệm được giới hạn ở vận tốc piston tương đối thấp, thường dưới 0,3 mét mỗi giây, trước khi lực tác động bắt đầu làm hỏng piston, nắp đầu và phần cứng lắp đặt.
Đệm có thể điều chỉnh sử dụng van kim để điều tiết khí thải trong hành trình 10 đến 15 mm cuối cùng, làm chậm pít-tông trước khi tiếp xúc với nắp cuối. Tính năng duy nhất này có thể kéo dài đáng kể tuổi thọ sử dụng của xi lanh, bởi vì cú sốc cơ học lặp đi lặp lại của điểm dừng không có đệm là nguyên nhân chính gây ra tình trạng mòn phớt, lỏng dây buộc và cuối cùng là nứt nắp cuối đúc trên xi lanh thân nhôm.
Đối với các ứng dụng chạy trên 0,5 m/s hoặc đối với bất kỳ xi lanh nào mang khối lượng tải trên vài kg, đệm khí có thể điều chỉnh được nên được coi là yêu cầu tiêu chuẩn hơn là nâng cấp tùy chọn . Cản cao su cung cấp giải pháp thay thế chi phí thấp hơn cho tải trọng nhẹ hơn và tốc độ thấp hơn, hấp thụ tác động thông qua biến dạng đàn hồi thay vì tiết lưu không khí, nhưng chúng bị mòn và cần được thay thế định kỳ.
Lựa chọn vật liệu cho các môi trường hoạt động khác nhau
Vật liệu thân, thanh và vòng đệm của xi lanh truyền động xác định mức độ tồn tại của nó bên ngoài sàn nhà máy sạch sẽ, khô ráo, được kiểm soát khí hậu.
Xi lanh thân nhôm tiêu chuẩn
Nhôm anodized là mặc định để sử dụng trong nhà nói chung. Nó nhẹ, chống ăn mòn bề mặt do độ ẩm bình thường và dễ dàng gia công các lỗ khoan chính xác cần thiết để duy trì độ kín tốt. Nó không phù hợp với môi trường có hóa chất ăn da hoặc tiếp xúc thường xuyên với nước mặn mà không có lớp phủ bổ sung.
Xi lanh thép không gỉ
Được sử dụng trong các ứng dụng chế biến thực phẩm, dược phẩm và hàng hải, nơi thường xuyên phải rửa trôi bằng chất tẩy rửa clo hoặc tiếp xúc với không khí muối. Xi lanh không gỉ có giá cao hơn, thường gấp 1,5 đến 2,5 lần giá của một đơn vị nhôm tương đương, nhưng tránh được hiện tượng ăn mòn rỗ mà nếu không sẽ phải thay thế thường xuyên trong những môi trường này.
Hợp chất bịt kín
Phớt nitrile (NBR) là tiêu chuẩn cho dịch vụ hàng không nói chung ở nhiệt độ từ -20°C đến 80°C. Đối với các ứng dụng nhiệt độ cao gần lò nướng hoặc trạm hàn, vòng đệm fluorocarbon (FKM/Viton) mở rộng phạm vi sử dụng lên đến khoảng 150°C nhưng chi phí cao hơn đáng kể. Đối với máy móc dược phẩm và cấp thực phẩm, cần phải có các hợp chất làm kín tuân thủ FDA và phải được chỉ định rõ ràng khi đặt hàng, vì các con dấu tiêu chuẩn có thể không đáp ứng các yêu cầu xử lý hợp vệ sinh.
Các triệu chứng hư hỏng thường gặp và nguyên nhân gốc rễ của chúng
Các kỹ thuật viên hiện trường liên tục gặp phải một số kiểu lỗi giống nhau trên xi lanh của bộ truyền động và việc nhận ra chúng nhanh chóng giúp tiết kiệm đáng kể thời gian ngừng hoạt động.
| triệu chứng | Nguyên nhân có thể xảy ra | Hành động khắc phục |
|---|---|---|
| Đột quỵ chậm hoặc chậm chạp | Ống có kích thước nhỏ, phụ kiện hạn chế hoặc áp suất đường dây thấp | Kiểm tra áp suất cung cấp tại cổng xi lanh, tăng đường kính ống |
| Không khí rò rỉ từ đầu thanh | Vòng đệm thanh bị mòn, thường do tải bên hoặc nhiễm bẩn | Thay thế bộ bịt kín, kiểm tra điểm thanh và nguồn tải bên |
| Xi lanh trôi đi khi hết không khí | Vòng đệm piston bên trong cho phép truyền không khí giữa các buồng | Thay thế phốt piston, kiểm tra lỗ khoan để ghi điểm |
| Tiếng nổ lớn ở cuối cú đánh | Đệm bị thiếu hoặc mòn, vận tốc quá cao | Điều chỉnh van kim đệm hoặc thêm điều khiển lưu lượng trên ống xả |
| Thanh piston cong | Tải bên vượt quá giới hạn định mức, sai lệch | Thay thế bằng xi lanh dẫn hướng hoặc căn chỉnh cơ khí chính xác |
Hầu hết các hỏng hóc sớm của xi lanh đều bắt nguồn từ hai nguyên nhân gốc rễ: tải trọng bên lên thanh do lắp không thẳng hàng và nguồn cung cấp không khí bị ô nhiễm mang hơi ẩm hoặc các hạt vào trong vòng đệm. Bộ lọc-bộ điều chỉnh-bôi trơn (FRL) được bảo trì đúng cách ở thượng nguồn của mỗi bộ truyền động sẽ giải quyết trực tiếp nguyên nhân thứ hai và việc kiểm tra căn chỉnh định kỳ trong quá trình bảo trì phòng ngừa sẽ giải quyết nguyên nhân đầu tiên.
Danh sách kiểm tra thực tế để xác định xi lanh truyền động mới
Khi chỉ định xi lanh truyền động khí nén mới cho thiết kế máy hoặc trang bị thêm, hãy thực hiện các điểm sau để tránh các lỗi thông số kỹ thuật phổ biến nhất.
- Tính lực cần thiết ở áp suất đường ống dự kiến thấp nhất, không phải áp suất danh nghĩa, vì áp suất có thể giảm trong thời gian nhu cầu cao nhất.
- Chọn kích thước lỗ khoan có giới hạn an toàn ít nhất 25% so với yêu cầu lực tối thiểu được tính toán.
- Xác nhận chiều dài hành trình tính đến toàn bộ hành trình cơ học cộng với bất kỳ khoảng cách đệm nào ở mỗi đầu.
- Chọn một xi lanh dẫn hướng nếu bất kỳ tải trọng bên hoặc mô-men xoắn nào sẽ tác dụng lên thanh trong quá trình hành trình.
- Làm cho vật liệu bịt kín và vật liệu thân máy phù hợp với môi trường xung quanh, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và khả năng tiếp xúc với hóa chất.
- Chỉ định loại đệm dựa trên vận tốc piston và khối lượng tải dự kiến.
- Xác nhận kiểu lắp phù hợp với đường dẫn tải, chuyển động theo đường thẳng và chuyển động xoay.
- Thêm mức tiêu thụ không khí của xi lanh mới vào tổng nhu cầu của hệ thống và xác minh công suất máy nén.
Tuân theo trình tự này, thay vì bắt đầu từ số bộ phận trong danh mục và làm việc ngược lại, là sự khác biệt giữa một bộ truyền động chạy đáng tin cậy trong nhiều năm và một bộ truyền động trở thành bộ phận bảo trì định kỳ trong vòng vài tháng sau khi lắp đặt.
