tsurfの機械設計研究室

機械設計未経験もしくは初心者の方に向けたブログです 基礎的な知識やスキルを記事にしていきます  ブログのお問合せフォームからお気軽に連絡ください

単動エアシリンダーの構造と動作原理と推力計算

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と出力計算

 

⇩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⇩

f:id:tsurf:20210611183707p:plain

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 

f:id:tsurf:20210918200916p:plain

概要

中にスプリングが内蔵されています

以下の2つのタイプがあります

 

⇩図1 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

 

 

⇩図2 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

 

動作

動作は以下となります(詳しくは後述します)

エアの供給➡️ロッドが駆動

エアの排気➡️スプリングにより ロッドが初期位置に戻る

 

それぞれの スプリングによる初期位置は以下となります

単動押し出しの初期位置:ベッド側

単動引き込みの初期位置:ロッド側

 

動作制御弁

動作の片側はスプリングによるものですので 吸排気ポートは一つだけとなります

よって使用する電磁弁は 3方向弁となります

(詳細は後述します)

 

速度制御

スピードコントローラーはメーターインとメーターアウトを併用します

(詳細は後述します)

 

  

②単動エアシリンダーの動作(例:単動押し出し)

エア供給時

図3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

           図3 単動押し出し型エアシリンダー エア供給

 

 

この時 スプリング側のチャンバーは 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

図4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


     図4 単動エアシリンダーエア供給

 

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選定計算時の注意

注意点1 選定計算

出力計算時は外部の重力や摩擦力などの他に スプリング反力も計算に入れます

スプリング反力はカタログに記載があります

 

エアシリンダの選定計算の原理に関しては ⇩以下の記事⇩を御参照ください

 

単動押し出し型  押し出し動作に必要な必要出力径D

上記記事の計算式にスプリング反力を考慮すると 以下となります

D= Y × 2 × √{(Fa+Fm + Fy ) /(P × π)}

 Fy:スプリング反力

 

単動引き込み型 引き込み動作に必要な出力径D

上記記事の計算式にスプリング反力を考慮すると 以下となります

また引き込み側は エア圧受圧面積が小さくなることも考慮します

D= Y × 2 × √⦅{(Fa+Fm + Fy ) /(P × π)}+( d² / 4 ) ⦆

Fy:スプリング反力

d  :ロッド径

 

 

 

注意点2 スプリング反力を考慮

例えば 以下の図5のように 

単動押し出しを使いシャッターを検討します

 

f:id:tsurf:20210417065156p:plain

     図5 単動押し出しエアシリンダを使用したシャッター

 

この時 シャッターの上昇は スプリング反力に依存します

スプリング反力内で 

このシャッターが持ち上がらないようにしなくてはいけません

 

  

 

 

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

以下の図のようになります

f:id:tsurf:20210417073826p:plain

    図6 単動エアシリンダ システム
 

スピードコントローラー

エア供給によるロッド駆動時

 

 

f:id:tsurf:20210417061056p:plain

           図3再掲載 単動押し出し型エアシリンダー エア供給

 

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

この場合の速度制御はメーターインとなります

 

エア排気によるロッドのスプリングリターン時

f:id:tsurf:20210417061539p:plain


     図4再掲載 単動エアシリンダーエア供給

 

スプリングの戻りによって行われるので 排気をします 

排気により速度調整をすることになるメーターアウトです

 

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

メーターインとメーターアウトが内蔵されている

デュアルスピコンというものもあります

 

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

・エア供給によるロッド駆動

・エア排気によるスプリングリターン

従って3ポート弁を使います

 

シングルソレノイドの3ポート弁を使用した場合

通電offにすると エアが排気に切り替わります

 

単動エアシリンダーはスプリングにより 初期位置に戻ります

つまり停電時などに 初期位置に戻ります

 

ダブルソレノイドの3ポート弁を使用した場合

現状の位置を保持します

つまり停電時などでも 現状の状態を保持します

 

⑤にて注意点を記載します

 

⑤電磁弁の注意点

3ポート弁について

メーカーによっては

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

この時 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

f:id:tsurf:20210417081248p:plain

  図7 5ポート電磁弁を3ポート電磁弁にする方法

 

背圧に気をつける

背圧については 3位置電磁弁の記事でも記載しましたが

 

単動エアシリンダも 

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ます(図8 御参照)

・排気状態で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です

 

f:id:tsurf:20210417101244p:plain

     図8 単動エアシリンダーの排圧の影響
 

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動作特徴

上記の駆動方式により

エアがなくなると スプリングリターンにより 初期位置に戻ります

 

また 3ポート弁をシングルソレノイドに設定している場合

非常停止時に電磁弁への電源をoffにするようにしている場合

非常停止時に 初期位置に戻ります

 

従って緊急時 や エア圧低下した場合に 

初期位置に戻って欲しい 

もしくは 戻っても構わないという時に使用します

 

例としては 以下等になります

●プッシャー

●初期位置が開いている小型シャッター

 

 

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

 

●選定計算時 スプリング反力を考慮してください

 

●駆動させるものがある場合 

 スプリング反力による初期位置への戻りの力はスプリング反力のみです

 

●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