Пневматические приводы

Исходной энергией в пневматических приводах является энергия сжатого воздуха. Пневмопривод широко используют в приспособлениях благодаря его быстродействию (скорость срабатывания – доли секунды), простоте конструкции, легкости и простоте управления, надежности и стабильности в работе. Вместе с тем пневмопривод имеет недостатки – неплавное перемещение штока, низкое давление воздуха и шум при выпуске отработанного воздуха.

Пневмопривод включает в себя следующие части: источник сжатого воздуха – обычно цеховая или заводская компрессорная установка; силовой агрегат – пневмодвигатель, преобразующий энергию сжатого воздуха в силу W на штоке; пневмоаппаратура – контролирующие приборы, распределительные, предохранительные устройства и т. д.; воздухопроводы.

В одну конструкцию с приспособлением скомпонован пневмодвигатель. Остальные устройства размещают вне приспособления, с помощью воздухопроводов их соединяют с приспособлением.

Пневмодвигатели бывают трех типов – поршневые (пневмоцилиндры, рис. 2.59, а), диафрагменные (пневмокамеры, рис. 2.59, б) и сильфонные (рис. 2.59, в).

Рис. 2.59. Типы пневмодвигателей

Пневмокамеры представляют собой конструкцию из двух литых или штампованных чашек, между которыми зажата упругая диафрагма из стали или прорезиненной ткани. Рабочая полость сильфонного двигателя представляет собой гофрированную замкнутую камеру 1 из тонколистовой коррозионно-стойкой стали, латуни или фосфористой бронзы, упругорасширяющуюся в направлении рабочего хода штока 2 под действием сжатого воздуха. Обратный ход осуществляется при подаче воздуха внутрь камеры 3. Рабочий ход штока пневмокамеры и сильфона в связи с этим ограничен величиной возможной упругой деформации, в то время как у пневмоцилиндра он может быть любым. Пневмоцилиндр для герметизации рабочих полостей требует уплотнений на поршне и штоке, которые довольно быстро изнашиваются (обычно срок их службы не превышает 10 тыс. циклов), диафрагмы более долговечны – до 600 тыс. циклов. Сильфон уплотнений не требует.

Уплотнения являются ответственными конструктивными элементами пневмодвигателей. Они необходимы в кольцевых зазорах между поршнем и цилиндром, штоком и крышкой и в неподвижных соединениях, где возможна утечка воздуха. В современных пневмодвигателях применяют две разновидности уплотнений (рис. 2.59, а): 1 - манжеты V -образного сечения из маслостойкой резины по ГОСТ 6969-54 для уплотнения поршней и штоков, 2 – кольца круглого сечения из маслостойной резины по ГОСТ 9833-73 для уплотнения поршней, штоков и неподвижных соединений.

Кроме того, применяют оригинальные многоместные приспособления с трубчатыми диафрагмами. Концы трубок закрыты пробками и в одну из пробок ввинчен штуцер для подачи сжатого воздуха. При впускании сжатого воздуха диафрагма 3 (рис. 2.60, а) расширяется, сжимает пружины 2 и перемещает плунжеры 1, зажимая детали. При выпускании воздуха плунжеры возвращаются в исходное положение под действием пружин.

Рис. 2.60. Схемы пневмодвигателей одностороннего действия и способы крепления на корпусе.	Рис. 2.61. Схема для расчета силы на штоке пневмокамеры (а) и график зависимости силы тяги от хода штока (R=0,5D) (б)

По источнику энергии обратного хода различают приводы: одностороннего действия, в которых рабочий ход производится сжатым воздухом, а холостой – усилием пружины, и двустороннего действия.

Приводы одностороннего действия применяют в следующих случаях: когда не требуется большой ход штока; когда на обратном ходе не требуется большой силы для отвода зажимных элементов в исходное положение.

На рис. 2.60, б, в даны схемы пневматических цилиндра и камеры. В них сжатый воздух действует на поршень или на диафрагму, которые передают давление штоку, а через шток зажимному механизму. В исходное положение поршень и диафрагма возвращается под действием пружины. Силу на штоке одностороннего цилиндра рассчитывают по формуле

(2.123)

где р – давление воздуха в сети, бар; D – диаметр поршня, см; η= 0,97÷98 – КПД цилиндра; q – сила сопротивления предельно сжатой пружины обратного хода, кгс.

На рис. 54, а представлена расчетная схема пневмокамеры.

При расчете силы на штоке пневмокамеры необходимо учитывать, что в связи с жестким креплением диафрагмы в корпусе не вся сила сжатого воздуха передается на штоке. Часть этой силы, приходящейся на кольцевую площадку 0,5(D–D₁), передается корпусу. Поэтому полезную силу тяги W на штоке односторонней пневмокамеры можно представить состоящей из силы W₁, приходящейся на шайбу радиусом R₁ = 0,5D₁, и силы W₂, приходящейся на кольцевую площадку, за вычетом силы q, необходимой для сжатия пружины:

W = W₁ + W₂ – q.

Сила W₁ = 0,25pπD₁² = pπR₁2. Силу W можно определить, пренебрегая упругостью материала диафрагмы. Для этого выделим элементарную кольцевую площадку на текущем радиусе ρ шириной dρ (рис. 2.61, а). На эту площадку воздух действует с силой, равной 2πpρdρ [величиной (dρ)² можно пренебречь]. Допустим, что на шток камеры будет передаваться только часть этой силы, пропорциональная отношению , характеризующему положение элементарной кольцевой площадки:

(2.124)

Подставив выражения для W₁ и W₂ в формулу для определения силы тяги, получим

(2.125)

Величина силы W зависит от положения диафрагмы в камере, которое непрерывно изменяется за время рабочего хода штока. Изменение силы W объясняется зависимостью величины q и упругого сопротивления материала мембраны от хода штока. На рис. 2.61, б дан график изменения силы тяги W в зависимости от длины рабочего хода L штока для нормализованной камеры диаметром 230 мм при давлении в сети р = 4·10^-3 Н/м² (4 бар). Как видно из графика, кривая изменения силы имеет три характерных участка – в начале и конце рабочего хода сила резко уменьшается, в середине – стабилизируется. Поэтому при конструировании приспособлений с пневмокамерами рабочий ход следует выбирать таким, чтобы при закреплении заготовки диафрагма занимала примерно среднее положение.

Для пневмокамеры с чашечной диафрагмой силу на штоке рассчитывают по формуле

(2.126)

где D – диаметр диафрагмы по линии заделки;

(2.127)

здесь L – длина рабочего хода, d – диаметр опорной шайбы штока.

Приводы двустороннего действия применяются в тех случаях, когда: требуется большой ход штока; необходимо приложить значительную силу для возврата в исходное положение зажимных элементов; оба хода должны быть рабочими.

В таких цилиндрах (или камерах) воздух поочередно поступает в правую или левую полость. Силу на штоке при прямом и обратном ходе рассчитывают по следующим формулам:

а) для цилиндра

(2.128)

б) для пневмокамеры

(2.129)

где d – диаметр штока.

Для увеличения силы зажима без увеличения диаметра цилиндра применяют сдвоенные и строенные пневмокамеры и цилиндры. Силу на штоке определяют по формулам, аналогичным указанным выше.

По методам компоновки с приспособлением приводы могут быть прикрепляемыми, встроенными, агрегатируемыми.

Прикрепляемые приводы – нормализованные агрегаты, которые прикрепляют к корпусу приспособления. При износе привода он может быть легко заменен новым. Если приспособление снимают с производства, то привод можно использовать для другого приспособления. Такие приводы применяют в серийном и в массовом производствах. Прикрепляемые приводы бывают трех типов, отличающихся способом закрепления на корпусе – неподвижные, качающиеся и вращающиеся.

Неподвижные приводы крепят к приспособлению с помощью ножек или фланцев (рис. 2.60, г, д).

Качающиеся приводы применяют для предотвращения изгиба штока при соединении его с качающимся рычагом. Крепление производят с помощью специально отлитого ушка на крышке цилиндра (рис. 2.60, е).

Вращающиеся цилиндры применяются для закрепления деталей на токарных и круглошлифовальных станках, а также в поворотных приспособлениях. Их укрепляют на шпинделе станка с помощью переходной планшайбы. Пневмоцилиндр вращается вместе со шпинделем станка, а муфта, обеспечивающая подачу воздуха во вращающуюся систему, не вращается. На рис. 2.62 дана конструкция такой муфты. Втулку 2 устанавливают на валик 1, закрепленный во вращающемся цилиндре. В валике 1 имеются два канала, которые направляют сжатый воздух от штуцеров 4 в одну или другую полость цилиндра. Манжеты 3 изолируют каналы друг от друга.

Рис. 2.62. Муфта для подачи сжатого воздуха

Конструкции прикрепляемых пневмодвигателей нормализованы и стандартизованы в пределах рабочих диаметров 25-400 мм (стационарные пневмоцилиндры – ГОСТ 15608-70, вращающиеся – ГОСТ 16683-71). При разработке оригинальных по креплению к приспособлению пневмоцилиндров рекомендуется использовать стандартные гильзы, поршни, штоки и т. д.

Встроенные пневмодвигатели отличаются тем, что полость под поршень или диафрагму растачивают непосредственно в корпусе приспособления. Используют стандартные поршни, штоки, уплотнения. Встроенные двигатели являются специальными и повторного использования не допускают; их применяют в крупносерийном и массовом производствах достоинством приспособлений со встроенными приводами является их большая компактность.

Агрегатируемый пневмодвигатель представляет собой самостоятельный механизм, закрепляемый на станке отдельно от приспособления. Часто в его конструкцию вводят рычажный усилитель. Таким пневмодвигателем можно приводить в действие несколько последовательно устанавливаемых на станок приспособлений для крепления различных заготовок. Такие приводы используют в серийном производстве. На рис. 2.63 показан универсальный пневматический цилиндр. При опускании поршня 2 вниз под действием сжатого воздуха, впускаемого через штуцер 1, рычаги, 3, 4 поворачиваются вокруг оси и поднимают шток 5 вверх.

Рис. 2.63. Агрегатируемый пневмоцилиндр с рычажным усилителем