tsurfの機械設計研究室

サーボモーターやエアシリンダの選定計算なども扱っている技術ブログです

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単動エアシリンダーの構造と動作原理

本ブログの御訪問ありがとうございます。
機械設計歴20年以上のtsurfと言います。

 

今回は以下に関する記事です。

単動エアシリンダーの構造と動作原理

 

⇩本記事は機械設計初心者の方で以下の方にオススメです⇩

f:id:tsurf:20210605171303p:plain
とある
初心者機械設計者

単動エアシリンダーってなんだ?
電磁弁は何を使えばいい?

 

⇩本記事を読むと以下が わかります⇩

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管理人TSURF

単動のエアシリンダーの
構造や特徴 使用用途
制御方法を解説します

 

 

①結論 

単動エアシリンダー概要

単動エアシリンダーは、
中にスプリングが内蔵されています。
エアがない状態では、強制的にスプリングにより
初期状態に戻るエアシリンダーです。

 

スプリングによる強制初期状態によって
以下の2つのタイプがあります。

 

⇩単動押し出し型⇩

スプリングの反力により初期位置はヘッド側

f:id:tsurf:20210413203925p:plain

 

⇩単動引き込み型⇩

スプリングの反力により初期位置がロッド側

f:id:tsurf:20210413204036p:plain

 

―制御用の電磁弁(詳しくは後述)ー

使用電磁弁は、3方向弁となります。
上図のとおり、初期動作方向へはスプリングによるものです。
従って 単動エアシリンダーの制御用エアポートは
1ヶのみとなっています。

―動作(詳しくは後述)―

動作については以下となっています。

エアの
供給
➡️ エア圧により、
(スプリングを縮めつつ)
ロッドが駆動
エアの
供給
➡️ スプリングにより、
ロッドが初期位置に戻る

 

―速度制御(詳しくは後述)―

スピードコントローラーは

  • メーターイン(吸気絞り)
  • メーターアウト(排気絞り)

上記の併用です。

 

 

②単動エアシリンダーの動作(単動押し出し)

エア供給時

以下の図のように 
エアを供給することで、スプリングを縮めつつ
ロッドを動かします。

 

f:id:tsurf:20210417061056p:plain

この時 スプリング側のチャンバー内は、
現在あるエアが圧縮されてしまいます。

すると、圧力上昇により、ロッドが途中で止まってしまいます。

 

スプリング側チャンバーの圧力上昇防止のために
スプリング側のチャンバーの壁に呼吸穴があり、
エアを逃がします。

 

エア排気時

以下の図のように、エアを排気をすることにより、
スプリングで初期位置に戻ります

f:id:tsurf:20210417061539p:plain


この時 スプリング側のチャンバーは、
現在あるエアが引き伸ばされます。

すると圧力低下により、ロットが途中で止まってしまいます。

 

スプリング側チャンバーの圧力低下防止のために 
スプリング側チャンバーの壁に呼吸穴があり、
エアを吸い込みます。

 

 

③単動エアシリンダーの動作(単動引き込み)

エア供給時

以下の図のように 
エアを供給することで、スプリングを縮めつつ
ロッドを動かします。

この時 スプリング側のチャンバー内は、
現在あるエアが圧縮されてしまいます。

すると、圧力上昇により、ロッドが途中で止まってしまいます。

 

スプリング側チャンバーの圧力上昇防止のために
スプリング側のチャンバーの壁に呼吸穴があり、
エアを逃がします。

 

エア排気時

以下の図のように、エアを排気をすることにより、
スプリングで初期位置に戻ります

この時 スプリング側のチャンバーは、
現在あるエアが引き伸ばされます。

すると圧力低下により、ロットが途中で止まってしまいます。

 

スプリング側チャンバーの圧力低下防止のために 
スプリング側チャンバーの壁に呼吸穴があり、
エアを吸い込みます。

 

 

④単動エアシリンダを駆動させるシステム

システム全体図概要

以下の図のようになります。

単動エアシリンダーのポートに
メーターインとメーターアウトのスピコン併用
(デュアルスピコンでも可)

電磁弁は3ポート電磁弁を使う。

f:id:tsurf:20210417073826p:plain 

 

スピードコントローラー

―エア供給によるエア駆動時のエアの流れ―
エア供給によるロッド駆動時のエアの流れは、
以下のようになります。

f:id:tsurf:20210417061056p:plain

復動のエアシリンダと違い
エア供給によるロッド駆動時に、排気が行われません。
(上述のとおり呼吸はしますが)

エア供給のみでロッドを動かすため
エア供給時の速度制御はメーターインとなります。

 

―エア排気によるスプリング駆動時のエアの流れ―
エア排気によるスプリング駆動時のエアの流れは、
以下のようになります。

f:id:tsurf:20210417061539p:plain

スプリングの戻りによって行われるので、
排気をします。

エア排気時の速度制御はメーターアウトとなります。

 

従って、一般的にスピードコントローラーは

  • メーターイン
  • メーターアウト

両方使います。

一つのスピコンに
上記がが内蔵されているデュアルスピコン
というものもあり、それを使っても可です。

 

制御用電磁弁

―使用電磁弁―

単動エアシリンダは、ポートが一つしかありません。
電磁弁の機能としても以下のみとなります

  • エア駆動のためのエア供給
  • スプリング駆動のためのエア排気

従って3ポート弁を使います。

実際の3ポート弁を使用した動作は 
⇩以下の記事を御参照願います⇩


―シングルソレノイドの3ポート弁の場合―

通電をoffされると、以下となります。

  • ノーマルクローズ⇒エア排気
    つまり、停電時は初期位置

  • ノーマルオープン⇒エア供給
    つまり、停電時は動作位置

 

―ダブルソレノイドの3ポート弁の場合―

通電をoffしても、現状の位置を保持しますので
停電時などでも 現状の状態を保持します。

 

 

⑤電磁弁の注意点

3ポート弁について

メーカーのマニホールド電磁弁によっては、
5ポート弁マニホールドに、3ポート弁を
組み込め無いものもあります。

 

この場合 以下の図のように 
5ポート弁にプラグを使うと3ポート弁になります。

つまり、 
ダブルソレノイドの5ポート弁にプラグすると
ダブルソレノイドの3ポート弁となります。

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背圧に気をつける

単動エアシリンダを、
操作3ポート弁をマニホールドに組み込んでいる状態の時に
以下の条件の時に排圧の影響を受ける可能性があります。

  • 電磁弁排気状態
    スプリングによる初期位置の時

  • 同じマニホールドに、
    出力径が大きく 長ストロークで 
    速度の早いシリンダーが駆動している。

 

【参考】排圧とは

同じマニホールド内に 出力径が大きく 長ストロークで 
速度の早いシリンダーがあると そのシリンダーの駆動時に
マニホールド内の排気ラインの 圧力があがってしまいます 

それにより
エキゾーストセンターの3位置電磁弁で中間停止しているエアシリンダーや
3ポート電磁弁で駆動している単動のエアシリンダーが誤動作しています

センタープレシャーで中間停止してるエアシリンダや
排気状態でスプリングによる初期位置の単動エアシリンダは
反対側のポートにエア圧がかかっていないためにおこる現象です

 

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対策としては以下となります。

対策1 マニホールドに組み込む場合

単動エアシリンダー用 電磁弁のみ吸排気を個別吸排気にする

 

対策2 マニホールドを分ける場合

単動シリンダーの駆動用電磁弁のみ、別のマニホールドにまとめる

 

 

⑥単動エアシリンダーの選定計算の基礎

単動エアシリンダーの選定計算の基礎については
以下の記事を御参照お願いします。

 

 

⑦まとめ

  • 単動エアシリンダは 復動エアシリンダと比較した場合
    システム的には楽ですが 選定や背圧考慮などが厄介です
  • 単動エアシリンダとは 以下の特徴があります
  • スプリング内臓しています
  • 上記により エア供給でロッドが動き エア排気でスプリングにより 
    初期位置に戻ります
  • マニホールドに組む時は 背圧に気をつけてください

 

本記事は以上です。
最後までお読み頂きありがとうございます。

 

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