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空中からの筋肉。 子ども科学実験室
ある程度の解釈をすれば、機械の空気圧駆動装置は最も古いものの XNUMX つであると考えることができます。 結局のところ、風は長い間、船の帆と風車の刃の両方で人間に役立ってきました。 より厳密なアプローチを採用した空気圧アクチュエータは、おそらく最も新しいものの XNUMX つであり、したがって非常に有望です。 部品のパワークランプ、工具の移動、直線および円のステップ送りや断続送りに使用され、切断、プレス、組み立て、その他多くの技術作業に使用されます。 産業用ロボットの約半数が空気圧で駆動されていると言えば十分でしょう。 その基本的な考え方は非常にシンプルです。 コンプレッサーは空気を圧縮します。 このガス「スプリング」は、空気がエアモーターに供給されるまで、位置エネルギーを蓄えます。 膨張すると、位置エネルギーが出力リンク (ロッド付きピストンなど) の運動エネルギーに変わり、機械の作動本体が動き始めます。 設計の単純さに加えて、空気圧アクチュエータには多くの利点があります。 まず第一に、作動流体は常に手元にあり、文字通り「何もないところから」取り出されます。 また、使用後はそこに捨てられるため、環境トラブルもほとんどありません。 また、空気は他の作動流体に比べて衛生的であるため、空気圧駆動装置は食品、電子、製薬産業、および精密機器の分野で広く使用されています。 空気圧ドライブを使用した設置は、他の条件が同じであれば、より安価で信頼性が高く、暑さや寒さの中でも良好に動作し、高湿度や塵を恐れず、火災、電気、爆発の完全な安全性を保証します。 空気圧アクチュエータの耐用年数は最大20000時間に達し、作動力は数トンに達し、作動速度は油圧アクチュエータの5倍であり、非常に簡単な装置を使用して力と速度の両方をスムーズに調整できます。 多くの場合、空気圧駆動装置は機械の作動本体に直接接続できるため、複雑な機械的トランスミッションを使用せずに駆動されます。 電気駆動と比較した他の重要な利点は、負荷がかかった状態で無制限にブレーキをかけて停止できることと、過負荷保護装置なしでできることです。 したがって、空気圧ドライブには多くの利点がありますが、同様に多くの欠点がない限り、当然ながら競争力を失います。 これらの欠点は利点の有機的な継続であるため、それらを取り除くのは困難です。 これらは、作動流体が圧縮性気体である空気であるという事実によるものです。 この特性により、負荷変動時に機械の作動本体のスムーズな動作を実行することは不可能であり、厳密に定義された点でツールを停止することは困難であり、パイプラインを介した空気圧コマンドは次の時点でしか送信できません。音の速さ。 したがって、場合によっては、空油圧式 (高い滑らかさまたは停止精度が必要な場合) と電空式 (速度を確保する必要がある場合) のハイブリッド システムが便利です。 油圧駆動の利点は、高圧の作動流体 (最大 500 気圧) を使用できることです。 これにより、小さなシリンダーサイズで数百トン、数千トンの力を生み出すことができます。 同じ高圧が空気圧ドライブで使用されないのはなぜですか? 第一に、エアコンプレッサーで生成するのが難しく、第二に、使用すると危険です。 パイプラインが破損すると、圧縮空気によって破片が破片のように吹き飛ばされます。 つまり、部品や作業ツールの固定に多大な努力と精度が必要な場合を除いて、シンプルで安価で信頼性の高い空気圧アクチュエータを使用するのが最善であると主張できます。 空気圧エンジンとしては、膜、ピストン、ベーン、タービンなどのさまざまな機構が使用されます。しかし、機械的な仕事を実行するエンジンがあるだけでは十分ではなく、その動きを制御する必要もあり、そのためには XNUMX つの問題を解決する必要があります。主なタスク: 直線運動と回転運動の方向を変更し、速度を滑らかに変更し、生成される作動力を滑らかに調整します。 この目的のために、さまざまな空気圧装置が作成されてきました。
これらのメカニズムについてもう少し詳しく説明しましょう。 最も単純なエア モーターは、前進中に圧縮するリターン スプリングを備えたダイヤフラム アクチュエーターです。 その主な利点は、設計の単純さ、作業キャビティの密閉性、およびコマンド空気圧ラインが XNUMX つだけであることです。 そして主な欠点は、作動ストロークが比較的小さいことです。 膜メカニズムは、輸送だけでなく石油化学やガス産業でも広く応用されています。 バスのドアを開けたり、鉄道車両やトラックのブレーキを作動させたりします。 ピストン空気圧シリンダは機械製造業者の間でさらに人気があります。 単動シリンダはダイヤフラム モータに似ており、同じ長所と短所があります。 複動空気圧シリンダはストロークが非常に大きいため、より頻繁に使用されます。 最近まで、このようなエンジンではロッドのみが出力リンクとして機能していました。 シリンダの一方のキャビティに圧縮空気が供給されると、もう一方のキャビティは大気と接続されます。 したがって、複動空気圧シリンダでは、ロッドを備えたピストンは XNUMX つの極端な安定位置、つまりロッドが完全に後退するか完全に伸長するかのいずれかにしかとることができません。 シリンダ径に制限がある場合には、二重または三重の空気圧シリンダが使用されます。 これは、互いに直列に接続された XNUMX つまたは XNUMX つのシリンダーで構成され、XNUMX つの共通のロッドで動作します。 この場合、ピストンに作用する力は加算されます。 空気圧シリンダが垂直に設置されている場合、圧縮空気の供給が遮断されると、重力の作用によりステムが落下する可能性があります。 この現象を防ぐために、FESTO（オーストリア）は、特殊な機構でロッドをしっかりと固定し、圧縮空気を供給すると再びロッドが解放される空気圧シリンダーを開発しました。 ロッドを使用した動きの伝達には多くの欠点があります。 まず、ステムを密閉する必要があります。 第二に、ロッドを完全に伸ばすと、空気圧シリンダの全長がほぼ XNUMX 倍になります。 第三に、ストロークの大きさはロッドの剛性によって制限されます。ストロークが長いとロッドは曲がり始めます。 近年、多くの外国企業がこれらの欠点を解消したロッドレス空気圧シリンダを開発しました。 そこで、FESTO 社は、強力な永久リング磁石をピストンとキャリッジに組み込む設計を開発しました。 磁力の作用によりピストンが動くと、外側の可動キャリッジもシリンダーの軸に沿って動きます。 機械の作動本体はそれによって固定されます。 これにより、次のようなメリットが得られます。 第一に、ピストンが動いてもシリンダーの全長は変化せず、第二に、このようなシリンダーは従来のものと比較して大幅に大きなストローク（最大10メートル以上）を提供できます。 また、シールはピストンとシリンダーの間にのみ必要で、圧縮空気入口をXNUMX箇所備えたシリンダー自体が密閉構造となります。 ORIGA (スウェーデン) が製造するロッドレス空気圧シリンダでは、ピストンは、スライドする長手方向のスロットを介してシリンダの外面に配置された可動キャリッジにしっかりと接続されています。 この隙間は、XNUMX つの柔軟なスチール テープ (内側と外側) と永久磁石の助けを借りてシールされます。 ピストンとキャリッジの強固な接続により、伝達される作動力が圧縮空気の圧力に確実に依存するようになり、この設計が以前の設計と区別されます。 BOSCH（ドイツ）社の空気圧シリンダーではピストンの両側にロッドがありますが、これは柔軟なスチールテープです。 これらのベルトはシリンダーに対して密閉されており、XNUMX つのローラーを介して外側の可動キャリッジに動きを伝えます。 ピストンが右に移動すると、キャリッジは左に移動し、その逆も同様です。 キャリッジには空気ブレーキが装備されており、極端な位置だけでなく中間位置でも停止できます。 しかしながら、そのような位置決めの精度は低い。 ホースエアモーターにはロッドがありません。中空のゴムホースで、その軸に沿ってXNUMXつのローラーを備えたキャリッジが外面に沿って移動できます。 高速の空気圧シリンダでは、ピストンがストロークの終端で衝撃を引き起こす可能性があります。 それらを防ぐために、ブレーキ付きの空気圧シリンダーが作成され、スロットル（可変断面の穴）を使用してスムーズに調整できます。 回転空気圧シリンダは、チャックの駆動、ねじ切り旋盤のブランクやバー材のクランプに広く使用されています。 それらへの圧縮空気の供給は、特別なカップリングを通じて実行されます。 シリンダー本体は長手方向軸の周りを回転できますが、クラッチは静止したままです。 スタンピングなどの衝撃技術操作が多数あります。 このために、圧縮空気の位置エネルギーが衝撃の運動エネルギーに変換される衝撃空気圧シリンダーが開発されました。 別のタイプの空気圧モーターには、チャンバーまたはバルーンがあります。 これらは、プレスのクラッチやブレーキ、自動車のジャッキ、航空機建設などの巨大な構造物を持ち上げるための「ニューモマット」、自動車のシャーシのエアサスペンションなどに使用されます。 車の地上高（クリアランス）を調整できるサスペンションです。 多くの場合、機械の作動本体を回転させる必要があります。 この目的のために、ロータリー エア モーターが使用され、ほとんどの場合、ピストンとスライド (ブレード) が使用されます。 ピストンピストンでは、XNUMX つのピストンが共通のロッドで接続されており、そのロッド上に歯車とかみ合う歯車ラックがあります。 後者のシャフトはエアモーターの出力リンクです。 圧縮空気の作用により、ロッドを備えたピストンが往復運動を行い、出力シャフトの回転に変換されます。 ベーン空気圧モーターでは、本体は固定された隔壁を備えたリングの形で作られています。 このハウジング内では、圧縮空気の作用下で、やはり出力シャフトに関連付けられた密閉ブレード (またはゲート) が回転できます。 空気圧モーターでは、圧縮空気の位置エネルギーが出力シャフトの複数回転の回転運動に変換されます。 空気圧モーターには、ギア、ラメラ、タービン、スクリューなど、さまざまな種類があります。 最も普及しているのはベーンおよびタービンの空気圧モーターで、特にボール盤や研削盤、ドライバー、レンチ、はさみ、やすりなどの空気圧工具を駆動するために使用されます。 その主な利点は、完全な電気および爆発に対する安全性です。 空気の圧縮性に関連する空気圧駆動の欠点は、複合駆動である空圧駆動によって解消されることはすでに述べた。 この定義では、そもそも「肺炎」という言葉は無駄ではありません。 そのエネルギー源は圧縮空気です。 この駆動装置は空気圧と油圧の XNUMX つのシリンダーで構成されており、そのピストンとロッドは互いにしっかりと固定されており、高い滑らかな動作が保証されています。 移動速度はバイパスパイプラインに取り付けられたスロットルによって制御されます。 油圧シリンダのキャビティ間の連通をバルブで遮断すると、液体の非圧縮性により、ロッドを任意の中間位置で停止させることができ、正確な位置決めを行うことができる。 このような組み合わせられたドライブは、XNUMX つを除いて、その「親」のすべての肯定的な特性を備えています。それは、大きな作動力を生成しないことです。 これは理解できます。 結局のところ、エネルギー源は（油圧駆動に比べて）低い圧力の圧縮空気です。 多大な努力により空圧ブースターが提供されます。 その中で、エネルギー源は圧縮空気であり、その圧力はロッドを介してオイルに伝達されます。 油圧シリンダでは、圧力は圧縮空気の圧力の 250 倍になります。これはピストンとロッドの面積の比率によって決まります。 空気圧油圧ブースターの使用は、工作機械のクランプ装置で特に便利です。 それらでは、クランプジョーを動かして製品に接触させるときは低圧力が必要であり、製品を確実にクランプするには高圧が必要です。 このような増幅器は、さまざまな機械のブレーキ装置やドリルなどの工具の駆動にも応用されており、トルクを増加させます。 MEKMAN (スウェーデン) のこのようなアンプは、わずか 10 気圧の圧縮空気圧で XNUMX 気圧の油圧を提供します。 産業用ロボットマニピュレーターにおける空気圧アクチュエーターの使用についてさらに詳しく見てみましょう。 ロボット工学の開発は、最もシンプルで軽量な産業用ロボットの作成から始まりました。そのため、空気圧駆動装置が非常に役立つことが判明しました。 通常、マニピュレータのリンクは剛構造です。 人間の肩、前腕、手にそれぞれ独自の筋肉があるのと同じように、各リンクには独自の駆動力が供給されます。 リンク (またはそのドライブ) の数によって、ロボットの自由度の数が決まります。 ほとんどの既存のロボットの場合、この数は 22 または XNUMX を超えることはありません。 しかし、可動度の数によって、障害物を回避したり回避したりする能力など、マニピュレーターの操作性が決まります。 人間の手は XNUMX 度可動します。 最近、可変剛性の空気圧アクチュエータがソ連で開発されました。 このようなヘビに似た機構により、無限の自由度を持つマニピュレーターを作成できます。 これは、いくつかの縦方向のチャンバーを備えた中空の柔軟なシェルです。 すべてのチャンバーに等しい圧力が適用される場合、マニピュレーターは垂直位置を占め、異なる圧力が適用される場合、マニピュレーターは圧力の低いチャンバーに向かって曲がります。 フランスでは、空気圧ロボット「Cedrom-3」が開発されました。このロボットは、柔軟な「本体」が連続的に伸びたり縮んだりすることで、ワームのように蠕動運動をします。 90 つのセクションで構成されます。 それぞれは防毒マスクのホースに似た弾性のあるコルゲートチューブです。 このようなロボット「ワーム」は、あらゆる水路、パイプ、平坦、凸面、または凹面に沿って、水平方向または垂直方向にさえ這うことができます。 最大XNUMX°の角度で回転し、砂、穀物、雪、瓦礫の中などの緩やかな環境でも移動できます。 静止時のこのロボットは長さ 3 m、直径 120 mm です。 重量は10kg、牽引力は80kg、走行速度は1m/分以上です。 30 mを超える距離を「クリープ」し、最大80°Cの温度に耐えることができます。 日本では、圧縮空気で満たされた管状の弾性チャンバーがロボットの駆動に使用されます。 このようなドライブは、合成材料の編組で囲まれたゴムチューブです。 圧縮空気が供給されると、チューブは筋肉のように直径が拡大し、軸方向に長さが収縮し始めます。 ゴムチューブの両端には金属製の台座が付いています。 ロボットの各可動性を制御するには、このようなゴム アクチュエータが XNUMX つ使用されます。 各ドライブの金属ベースの XNUMX つはしっかりと固定されており、他のものはプーリーに掛けられたフレキシブル ケーブルによって相互接続されています。 この滑車はロボットのアームのリンクの XNUMX つに接続されています。 一方のアクチュエータの圧力が増加すると、アクチュエータは「収縮」し、圧力が同じ量だけ減少すると、もう一方のアクチュエータは「緩和」します（つまり、伸びます）。 その結果、ケーブルが移動し、プーリーとロボットのアームリンクが回転します。 このようなロボットはマイクロコンピュータによって制御されます。 軽量で柔軟性があるため、人体に無害です。 このロボットはそのシンプルさにより、部品にニスを塗るなど、多くの単純な作業を実行するために使用できます。 最も重要なことは、圧縮空気で満たされたゴム製の「筋肉」を使用することにより、ロボットの質量 (6 kg) と持ち上げられる荷重 (2 kg) の間で前例のない比率、つまり 3:1 を達成することができたことです。 結局のところ、この比率は通常 10:1 以上です。 しかし、そのようなロボットはまだ人間には程遠いです。 重量挙げ選手は自分の 2 ～ 2,5 倍の重量を持ち上げることを思い出してください。 つまり、ロボット設計者が落ち着くのはまだ早いのです。 空気圧駆動の発展の見通しは何ですか? 有名な企業 FESTO (オーストリア) によると、1986 年のヨーロッパ、米国、日本における空気圧アクチュエータの総生産量は 6,5 億ドイツマルクに達しました。 この資金は快適な中級車を 200.000 万台生産するのに十分です。 先進資本主義国では、大小問わず数十の企業が最も幅広い範囲の空気圧駆動装置を製造しています。 これらの企業の最大手は、FESTO、Wabco-Westinghouse (ドイツ)、Martoier (ドイツ)、Mekman (スウェーデン) です。 FESTO の空気圧アクチュエータ要素の範囲は、直径 6 ～ 320 mm、動作ストローク数ミリメートルから数メートルのさまざまなタイプの空気圧シリンダ、空気通路の断面を備えたあらゆるサイズの空気圧シリンダを制御する装置など、数千ユニットに及びます。 2,5から20mmまで。 CMEA 諸国はまた、ベラルーシ人民共和国、東ドイツ、そしてとりわけハンガリー (メクマン社との共同生産) で、幅広い品揃えと高品質の空気圧駆動装置を生産しています。 国内産業における空気圧駆動装置の生産と使用の状況を見てみましょう。 嘆かわしいとしか言いようがない。 空気圧駆動装置の集中生産とそれを機械工学のあらゆる分野に供給することは、工作機械産業省によって行われています。 その中で空気圧機器の生産に従事している企業は4社のみで、全国の機械工学用の空気圧シリンダーはオルジョニキッゼ実験（!?）空気圧機器工場で製造されています。 その命名法は、わずか 58 モデルの空気圧シリンダで構成されています。 少数の産業用ロボット用の回転空気圧モーターとロングストローク空気圧シリンダーが、シンフェロポリ生産協会プネヴマティカによって製造されています。 ミニチュア空気圧シリンダおよびブレーキ付き空気圧シリンダは、ミンスタンコプロムのどの企業によっても製造されていません。 ブレーキなしの空気圧シリンダは合計 150 モデル生産され、1000 個必要になります。ブレーキ付きの空気圧シリンダは 1200 モデル必要です。 ロータリー エア モーターのモデルは 4 つだけですが、24 個必要です (すべての数値はハリコフの VNIIgidroprivod によるものです)。 機械工学の一部の分野では、独自の空気圧アクチュエータの生産を組織しています。 そのため、電車や地下鉄の車両を製造するミティシ工場では、これらの車両のドアを駆動するための空気圧シリンダーを製造しています。 自動車産業では、自動車ブレーキ システムやバス ドア ドライブ用のダイヤフラム空気圧アクチュエータを製造しています。 ただし、これらの個々の例は全体像を変えるものではありません。 オルジョニキゼフスキー実験工場とシンフェロポリ生産協会「プネヴマティカ」が製造する空気圧機器の摩擦面とゴムシールの品質は非常に悪い。 これは信頼性の低下と機器の寿命不足につながります。 これは、VNR で製造された空気圧シリンダーが 50 万回のダブルストロークを実現している間であり、これはほぼすべての機械の耐用年数全体に十分な量です。 分配および制御機器、ならびに圧縮空気準備機器の生産状況は改善されていません。 その命名法は非常に狭く、品質と信頼性は（モスクワ・プネフモ装置の機器を除いて）低い。 これらすべてにより、国内のエンジニアリング業界では空気圧ドライブの使用は非常にわずかになりました。 特に小型空気圧駆動装置が不足しています。 外国企業のライセンスの下で新しい機械の生産を習得する場合、空気圧駆動用のコンポーネントを含む国内のコンポーネントに移行する必要があります。 同時に、毎回つまずきとなるのは、国内に必要な空気圧駆動装置が不足しており、外貨を獲得して海外から購入しなければならないことです。 国内の機械工学の開発の加速と高度な技術の創造は、空気圧駆動を含むあらゆるタイプの駆動装置の生産のための近代的な基盤の創設なしには不可能です。 この最も重要な課題に対する迅速かつ迅速な解決策がなければ、当社の機械工学は前進し、世界市場で競争力を持つことができません。 リニアエアモーター 複動式空気圧シリンダー
単動空気圧シリンダ
ロッドレス磁気シリンダ
ロッドレスエアシリンダ
ロープ空気圧シリンダー
ホースエアモーター
ブレーキ付空気圧シリンダ
回転空気圧シリンダ
インパクト空気圧シリンダ
チャンバーエアモーター
ロータリーエアモーター ラック＆ピニオン付ピストン
ゲート（ベーン）
エアモーター 装備
ロータリーベーン
タービン
空気圧油圧ドライブ
空気圧油圧ブースター
空圧エンジン「スネーク」
空気の「筋肉」
作者: V.レビン
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