2.4.2. Пневматические приводы

Исходной энергией в пневматических приводах является энергия сжатого воздуха. Пневмопривод широко используют в приспособлениях благодаря его преимуществам:

• 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;

• большие габаритные размеры силовых агрегатов;

• низкое давление воздуха;

• 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.

Рис. 2.40. Типы пневмодвигателей

Пневмодвигатели бывают трех типов — поршневые (пневмоцилиндры, рис. 2.40, а), диафрагменные (пневмокамеры, рис. 2.40, б) и сильфонные (рис. 2.40, в). 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. 2.40, а):

• 1 — манжеты V-образного сечения из маслостойкой резины для

уплотнения поршней и штоков,

• 2 — кольца круглого сечения из маслостойкой резины 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. 2.41, а) расширяется, сжимает пружи­ны 2 и перемещает плунжеры 1, за­жимая детали. При выпускании воз­духа плунжеры возвращаются в ис­ходное положение под действием пружин.

По источнику энергии обратного хода различают приводы:

• односто­роннего действия, в которых рабочий ход производится

сжатым воздухом, а холостой — усилием пружины

• дву­стороннего действия.

Рис. 2.41. Схемы пневмодвигателей одностороннего действия и способы крепления их в корпусе

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. 2,41, 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 возвращаются под действи­ем пружины. Силу на штоке одностороннего цилиндра рассчитывают по формуле

,

где р — давление воздуха в сети, бар; D — диаметр поршня, см; — КПД цилиндра; q — сила сопротивления предельно сжатой пружины обратного хода, кгс.

Рис. 2.42 Схема для расчета силы на штоке пневмокамеры и график зависимости силы тяги от хода штока (R=0,5D)

На рис. 2.42, 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 , передается корпусу. По­этому полезную силу тяги W на штоке односторонней пневмокамеры можно представить состоящей из силы W_1, приходящейся на шайбу радиусом и силы W₂, приходящейся на кольцевую пло­щадку, за вычетом силы q, необходимой для сжатия пружины:

Сила . Силу W можно определить, пренебре­гая упругостью материала диафрагмы. Для этого выделим элементар­ную кольцевую площадку на текущем радиусе ρ шириной (рис. 2.42, а). На эту площадку воздух действует с силой, равной [величиной ² можно пренебречь]. Допустим, что на шток камеры будет передаваться только часть этой силы, пропорциональная отношению , характеризующему положение элементарной кольцевой площадки:

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

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. 2.42, 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 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

Q = CpD²,

где D —диаметр диафрагмы по линии заделки;

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

;

б) для пневмокамеры

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. 2.41, 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. 2.41, 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. 2.51 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. 2.43. Муфта для подачи сжатого воздуха во вращающийся пневмоцилиндр

Конструкции прикрепляемых пневмодвигателей нормализованы и стандартизованы в пределах рабочих диаметров 25—400 мм . При разработке оригинальных по креплению к приспособ­лению пневмоцилиндров рекомендуется использовать стандартные гильзы, поршни, штоки и т. д.

Встроенные пневмодвитатели 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. 2.43 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. 2.43. Агрегатируемый пневмоцилиндр с рычажным усилителем