Co jsou pneumatické pohony a jak fungují?

Pneumatické pohony pohánějí moderní automatizaci, přesto má mnoho inženýrů potíže s výběrem správného typu pro své aplikace. Porozumění základům pohonů zabrání nákladným chybám a zajistí optimální výkon systému.

Pneumatické aktuátory jsou zařízení, která přeměňují energii stlačeného vzduchu na mechanický pohyb, včetně lineárních válců, rotačních aktuátorů, chapadel a specializovaných jednotek, které poskytují přesná, výkonná a spolehlivá automatizační řešení.

Minulý týden mi volala Maria z německé balicí společnosti a byla zmatená ohledně výběru pohonu. Její výrobní linka potřebovala lineární i rotační pohyb, ale neuvědomovala si, že více typů pohonů může bez problémů spolupracovat.

Obsah

• Jaké jsou hlavní typy pneumatických pohonů?
• Jak fungují lineární pneumatické pohony?
• K čemu se používají rotační pneumatické pohony?
• Jak vybrat správný pneumatický pohon?

Jaké jsou hlavní typy pneumatických pohonů?

Pneumatické pohony se dělí na několik různých kategorií, z nichž každá je určena pro specifické požadavky na pohyb a aplikace.

Čtyři hlavní typy pneumatických pohonů jsou lineární válce (standardní, beztyčové, mini), rotační pohony (lopatkové, hřebenové), chapadla (paralelní, úhlová) a specializované jednotky, jako jsou posuvné válce, které kombinují více pohybů.

Pohony pro lineární pohyb

Lineární pohony zajišťují přímočarý pohyb a představují nejběžnější typ pneumatických pohonů:

Standardní válce

• Jednočinný¹: Zpětná pružina, jednosměrné napájení
• Dvojčinný: Pohyb s pohonem v obou směrech
• Aplikace: Základní tlačení, tahání a zvedání.

Válce bez tyčí²

• Magnetická vazba: Bezkontaktní přenos síly
• Mechanická spojka: Přímé mechanické připojení
• Aplikace: Instalace s dlouhým zdvihem a omezeným prostorem

Mini válce

• Kompaktní design: Prostorově úsporné aplikace
• Vysoká přesnost: Požadavky na přesné určení polohy
• Aplikace: Montáž elektroniky, zdravotnické přístroje

Pohony pro rotační pohyb

Rotační aktuátory převádějí pneumatický tlak na rotační pohyb:

Lopatkové pohony

• Jednotlivé lopatky: úhly natočení 90-270°
• Dvojitá lopatka: Maximální otáčení o 180°
• Aplikace: Obsluha ventilů, orientace dílů

Pohony s ozubeným hřebenem a pastorkem

• Přesné ovládání: Přesné úhlové polohování
• Vysoký točivý moment: Těžké aplikace
• Aplikace: Řízení tlumičů, indexování dopravníku

Specializované aktuátory

Pneumatická chapadla

Chapadla zajišťují upínací a přidržovací funkce:

Posuvné válce

Kombinace lineárního a rotačního pohybu v jedné jednotce:

• Duální pohyb: Sekvenční nebo simultánní provoz
• Kompaktní design: Prostorově úsporná řešení
• Aplikace: Pick-and-place, třídicí systémy

Matice pro výběr akčních členů

John, inženýr údržby z Ohia, si původně vybral standardní válce pro použití s dlouhým zdvihem. Po přechodu na naše řešení pneumatických válců bez tyče snížil instalační prostor o 60% a zároveň zvýšil spolehlivost.

Jak fungují lineární pneumatické pohony?

Lineární pneumatické pohony převádějí tlak stlačeného vzduchu na přímočarou mechanickou sílu prostřednictvím uspořádání pístu a válce.

Lineární aktuátory pracují tak, že na jednu stranu pístu působí tlak stlačeného vzduchu, čímž vzniká tlakový rozdíl, který vytváří sílu podle vzorce F = P × A a posouvá zátěž prostřednictvím mechanických vazeb.

Základní principy fungování

Tlaková aplikace

Stlačený vzduch vstupuje do válce přes pneumatické šroubení a elektromagnetické ventily:

• Přívodní tlak: Obvykle 80-120 PSI průmyslový standard
• Regulace tlaku: Ruční ventily regulují provozní tlak
• Řízení toku: Regulace otáček pomocí omezovačů průtoku

Generování síly

Základní fyzikální zákony jsou následující Pascalův princip³:

• Oblast pístu: Větší průměry vytvářejí větší síly
• Tlaková diference: Čistý tlak vytváří použitelnou sílu
• Mechanická výhoda: Pákové systémy mohou znásobit výstupní sílu

Standardní provoz válce

Prodlužovací cyklus

1. Přívod vzduchu: Stlačený vzduch vstupuje do komory na konci víka.
2. Nárůst tlaku: Síla překonává statické tření a zatížení
3. Pohyb pístu: Tyč se vysouvá řízenou rychlostí
4. Výfuk: Konec tyče odvádí vzduch ventilem

Cyklus stahování

1. Vzduchová reverzace: Přívodní spínače ke komoře tyčového zakončení
2. Směr síly: Tlak působí na zmenšenou účinnou plochu
3. Zpětný tah: Píst se zasouvá menší dostupnou silou
4. Dokončení cyklu: Připraveno k další operaci

Charakteristika válce s dvojitou tyčí

Dvojité tyčové válce poskytují jedinečné výhody:

• Stejná síla: Stejná účinná plocha v obou směrech
• Vyvážené zatížení: Symetrické mechanické síly
• Průchozí konstrukce tyče: Oba konce přístupné pro montáž

Výpočty síly

• Rozšiřující síla: F = P × (A_píst - A_táhlo)
• Zatahovací síla: F = P × (A_píst - A_táhlo)
• Stejný výkon: Stálá síla v obou směrech

Technologie válců bez tyčí

Magnetické spojovací systémy

Magnetické válce bez tyčí používají permanentní magnety:

• Bezkontaktní: Žádné fyzické spojení přes stěnu válce
• Uzavřený provoz: Kompletní ochrana životního prostředí
• Účinnost: 85-95% typický přenos síly

Mechanické spojovací systémy

Mechanicky spřažené jednotky umožňují přímé připojení:

• Vyšší účinnost: 95-98% silový převod
• Větší přesnost: Minimální zpětná vazba a dodržování předpisů
• Složitost těsnění: Vnější těsnění vyžaduje údržbu

Optimalizace výkonu

Metody regulace rychlosti

Řízení rychlosti lineárních pohonů využívá několik technik:

Polštářové systémy

Tlumení na konci úderu zabraňuje poškození nárazem:

• Pevné polstrování: Vestavěné tlumení nárazů
• Nastavitelné odpružení: Laditelné zpomalení
• Vnější polstrování: Samostatné tlumiče

Německý závod společnosti Maria zvýšil efektivitu své balicí linky o 25% po zavedení našeho systému beztlakových vzduchových válců s regulací rychlosti a integrovaným tlumením.

K čemu se používají rotační pneumatické pohony?

Rotační pneumatické pohony převádějí energii stlačeného vzduchu na rotační pohyb pro aplikace vyžadující úhlové polohování a krouticí moment.

Rotační pohony zajišťují přesné úhlové polohování v rozsahu 90° až 360° a generují vysoký točivý moment pro ovládání ventilů, orientaci dílů, indexovací stoly a automatizované polohovací systémy.

Rotační pohony lopatkového typu

Konstrukce s jednou lopatkou

Nejjednodušší rotační řešení představují pohony s jednou lopatkou:

• Rozsah otáčení: 90° až 270° typicky
• Výstupní točivý moment: Vysoký točivý moment při nízkých otáčkách
• Aplikace: Čtvrtotáčkové ventily, ovládání klapek

Konfigurace s dvojitými lopatkami

Dvoulopatkové jednotky zajišťují vyvážený provoz:

• Rozsah otáčení: Omezeno na maximálně 180°
• Vyvážené síly: Snížené zatížení ložisek
• Aplikace: Šoupátka, polohování šoupátek

Pohony s ozubeným hřebenem a pastorkem

Provozní mechanismus

Systémy s ozubenými koly převádějí lineární pohyb na rotační:

• Lineární písty: Stojany na pohon na obou stranách
• Ozubené kolo pastorku: Převádí lineární pohyb na rotaci
• Převodové poměry: K dispozici je více převodových poměrů pro optimalizaci točivého momentu/otáček

Výkonnostní charakteristiky

Příklady použití

Automatizace ventilů

Rotační pohony vynikají v aplikacích ovládání ventilů:

• Kulové kohouty: 90° čtvrtotáčkový provoz
• Motýlové klapky: Přesné ovládání škrticí klapky
• Šoupátka: Možnost víceotáčkového režimu s redukcí

Manipulace s materiálem

Rotační pohyb umožňuje efektivní manipulaci s materiálem:

• Indexování tabulek: Přesné úhlové polohování
• Orientace části: Automatizované polohovací systémy
• Dopravníkové odbočky: Řízení směrování výrobku

Řízení procesu

Průmyslové procesní aplikace využívají rotační pohony:

• Ovládání tlumičů: HVAC a řízení procesního vzduchu
• Umístění směšovače: Chemické a potravinářské zpracování
• Sledování slunečního záření: Aplikace obnovitelných zdrojů energie

Výpočty točivého momentu

Krouticí moment lopatkového pohonu

T = P × A × R × η

Kde:

• P = provozní tlak
• A = účinná plocha lopatek
• R = účinný poloměr
• η = mechanická účinnost (obvykle 85-90%)

Krouticí moment ozubeného kola

T = F × R_pinion × η

Kde:

• F = lineární síla z pneumatických válců
• R_pinion = poloměr pastorku
• η = celková účinnost systému

Řízení a polohování

Zpětná vazba k poloze

Přesné polohování vyžaduje systémy zpětné vazby:

• Zpětná vazba potenciometru: Analogové signály polohy
• Zpětná vazba kodéru: Digitální údaje o poloze
• Koncové spínače: Potvrzení o ukončení cesty

Řízení rychlosti

Metody řízení rychlosti rotačních pohonů:

• Regulační ventily průtoku: Jednoduchá pneumatická regulace otáček
• Servo ventily: Přesné elektronické řízení
• Redukce převodů: Mechanická redukce otáček s násobením točivého momentu

V závodě společnosti John v Ohiu byly vyměněny indexovací stoly poháněné elektromotorem za naše pneumatické rotační pohony, čímž se snížila spotřeba energie o 40% a zároveň se zvýšila přesnost polohování.

Jak vybrat správný pneumatický pohon?

Správný výběr aktuátoru vyžaduje sladění požadavků na výkon s možnostmi aktuátoru při současném zohlednění systémových omezení a nákladových faktorů.

Pneumatické pohony vybírejte tak, že analyzujete požadavky na sílu a točivý moment, potřebu zdvihu a otáčení, specifikace rychlosti, montážní omezení a podmínky prostředí, abyste sladili požadavky aplikace s možnostmi pohonu.

Analýza požadavků na výkon

Výpočty síly a točivého momentu

Začněte základními požadavky na výkon:

Požadavky na lineární sílu:

• Statické zatížení: Hmotnost a třecí síly
• Dynamické zatížení: Zrychlovací a zpomalovací síly
• Bezpečnostní faktor: Obvykle 1,25-2,0násobek vypočteného zatížení
• Dostupnost tlaku: Omezení tlaku v systému

Požadavky na točivý moment:

• Vypínací moment: Počáteční odpor při otáčení
• Točivý moment při běhu: Požadavky na nepřetržitý provoz
• Setrvačné zatížení: Zrychlovací moment pro rotující tělesa
• Vnější zatížení: Procesní síly a odpory

Specifikace rychlosti a časování

Požadavky na pohyb ovlivňují výběr pohonu:

Úvahy o životním prostředí

Provozní podmínky

Faktory prostředí významně ovlivňují výběr pohonu:

Vliv teploty:

• Standardní rozsah: 32°F až 150°F typicky
• Vysoká teplota: Potřebná speciální těsnění a materiály
• Nízká teplota: Obavy z kondenzace vlhkosti

Odolnost proti kontaminaci:

• Čisté prostředí: Standardní těsnění je dostatečné
• Prašné podmínky: Těsnění stěračů a ochrana zavazadlového prostoru
• Expozice chemickým látkám: Výběr kompatibilních materiálů

Montážní a prostorová omezení

Montáž lineárního pohonu:

• Průchozí montážní tyč: Dvojité tyčové válce
• Kompaktní instalace: Válce bez tyčí pro dlouhé zdvihy
• Více pozic: Posuvné válce pro složitý pohyb

Montáž rotačního pohonu:

• Přímé spojení: Hřídelové aplikace
• Dálková montáž: Řemenový nebo řetězový pohon
• Integrovaný design: Vestavěné montážní prvky

Faktory systémové integrace

Požadavky na přívod vzduchu

Sladit požadavky na pohon s jednotky pro úpravu zdrojů vzduchu⁵:

Kompatibilita řídicího systému

Zajistěte kompatibilitu pohonů s řídicími systémy:

• Požadavky na elektromagnetický ventil: Napětí, průtoková kapacita, doba odezvy
• Systémy zpětné vazby: Snímače polohy, koncové spínače
• Ruční ovládání ventilu: Schopnost nouzového provozu
• Bezpečnostní systémy: Požadavky na bezpečné umístění při poruše

Analýza nákladů a přínosů

Úvahy o počátečních nákladech

Srovnání Bepto vs. OEM:

Celkové náklady na vlastnictví

Zvažte dlouhodobé náklady nad rámec počátečního nákupu:

• Požadavky na údržbu: Výměna těsnění, servisní intervaly
• Spotřeba energie: Požadavky na provozní tlak a průtok
• Náklady na prostoje: Spolehlivost a dostupnost náhradních dílů
• Flexibilita aktualizace: Budoucí možnosti úprav

Doporučení pro konkrétní aplikace

Aplikace s vysokou silou

Pro dosažení maximálního silového výkonu:

• Standardní válce s velkým otvorem: Maximální účinná plocha
• Vysokotlaký provoz: Systémy 100+ PSI
• Robustní konstrukce: Těžká těsnění a materiály

Přesné aplikace

Pro přesné určení polohy:

• Válce bez tyčí: Přesnost dlouhého zdvihu
• Servopneumatické systémy: Elektronické řízení polohy
• Kvalitní úprava vzduchu: Důsledný tlak a čistota

Vysokorychlostní aplikace

Pro rychlé cyklování:

• Mini válce: Nízká hmotnost, rychlá odezva
• Ventily s vysokým průtokem: Rychlý přívod a odvod vzduchu
• Optimalizované pneumatické kování: Minimální pokles tlaku

Německý balicí závod společnosti Maria dosáhl úspory nákladů 30% a vyšší spolehlivosti po přechodu na naše integrované řešení pneumatických pohonů, které kombinuje beztyčové válce s rotačními pohony a pneumatickými chapadly v koordinovaném systému.

Závěr

Pneumatické pohony převádějí stlačený vzduch na přesný mechanický pohyb a jejich správný výběr na základě požadavků na sílu, rychlost, životní prostředí a náklady zajišťuje optimální automatizační výkon.

Často kladené otázky o pneumatických pohonech