Исполнительная подсистема

Воздействие системы автоматического управления (САУ) непосредственно на какой-либо технологический объект осуществляется исполнительными механизмами, которые и составляют исполнительную подсистему САУ. Энергия давления сжатого воздуха преобразуется в механическую энергию исполнительных механизмов при воздействии воздуха на их рабочие органы, которыми могут служить поршень, лопатка или мембрана.
Широкая гамма конструктивных решений исполнительных механизмов дает возможность осуществлять множество разнообразных операций в различных технологических процессах. Фиксация и зажим, тиснение и прессование деталей, их перемещение и ориентировка в пространстве обеспечиваются соответствующими исполнительными механизмами, которые могут выполнять следующие виды движения:
линейное (возвратно-поступательное);
поворотное (в ограниченном угловом диапазоне);
вращательное.

По реализуемому виду движения исполнительные механизмы подразделяются на три основных типа:
линейные пневмодвигатели — пневматические цилиндры;
поворотные пневмодвигатели;
пневмодвигатели вращательного действия — пневматические моторы.
Все перечисленные типы исполнительных механизмов и каждая из существующих конструкций определен­ного типа имеют свои преимущества и недостатки, а следовательно, все они характеризуются некоторой пред­почтительной областью применения.
Исполнительный механизм выбирают исходя из его соответствия определенному набору критериев, как то:
вид движения — вращательное, поворотное или линейное;
направление движения — реверсивное или нереверсивное;
развиваемая скорость вращения (угловая) или перемещения (линейная);
создаваемый момент или усилие;
эргономические показатели.

1. Пневматические цилиндры
1.1. Пневмоцилиндры одностороннего действия
Пневмоцилиндры одностороннего действия применяют в различного рода выталкивателях и отсекателях, в зажимных, маркировочных и других подобных устройствах. Рабочий ход в таких пневмоцилиндрах осуществляется под действием сжатого воздуха, а в исходную позицию выходное звено возвращается встроенной пру­жиной либо от внешней нагрузки .

Пневмоцилиндр одностороннего действия
В рассматриваемой конструкции гильза пневмоцилиндра 5 (цилиндрический корпус) с обеих сторон закрыта крышками 1 и 8, причем в задней крышке 1 выполнено отверстие для подвода сжатого воздуха, а передняя крышка 8 имеет декомпрессионное отверстие с вмонтированным фильтроэлементом 7. Поршень 2 делит внут­реннее пространство гильзы на две полости: штоковую, в которой находится жестко связанный с ним шток 4, и поршневую. Полости разграничены герметичным уплотнением 3 (например, манжетой), расположенным в кольце­вой проточке на наружной цилиндрической поверхности поршня. Передняя (проходная) крышка 8 снабжена направляющей втулкой 9, которая является опорой скольжения штока, передающего усилие от поршня на вне­шний объект. Возвратная пружина 6 смонтирована внутри цилиндра и охватывает шток

Область применения пневмоцилиндров одностороннего действия ограничена недостатками, присущими данной конструкции:
. рабочее усилие снижено вследствие противодействия пружины (примерно на 10%);
малое усилие при обратном ходе (примерно 10% рабочего);
ограниченное перемещение штока (максимум 100 мм);
увеличенные продольные габариты (прибавляется длина сжатой пружины).

Мембранные пневмоцилиндры одностороннего действия
Принцип функционирования мембранного пневмоцилиндра аналогичен вышеописанному прин­ципу работы поршневого пневмоцилиндра одностороннего действия. Конструктивные отличия заключаются в том, что подвижной поршень заменен жестко защемленной упругой мембраной 1, изготовленной из резины, прорезиненной ткани или пластика. Благодаря большой площади мембраны такие пневмоцилиндры развива­ют усилия до 25000 Н, но при этом ход штока 2 ограничен. В связи с особенностями конструкции мембранные пневмоцилиндры характеризуются существенно меньшими продольными габаритами и простотой монтажа; они недороги, и в них отсутствуют подвижные уплотнения.
Мембранный пневмоцилиндр одностороннего действия, показанный на рис. 4.2, б, предназначен для зажима деталей с целью их последующей механической обработки. В таком пневмоцилиндре отсутствует шток, а усилие передается непосредственно через мембрану 1, рабочий ход которой составляет 1 — 5 мм.

Условные графические обозначения пневмоцилиндров одностороннего действия

Пневмоцилиндры двустороннего действия
Пневмоцилиндры двустороннего действия применяют в тех случаях, когда требуется передавать рабочее усилие при линейных перемещениях в обоих направлениях, например при транспортировании, сортировании, установке, механической обработке, подъеме и опускании и других технологических операциях.
Принципиальное отличие пневмоцилиндров двустороннего действия от рассмотренных выше пневмоци­линдров одностороннего действия заключается в том, что в них как прямой, так и обратный ходы поршня осуществляются под действием сжатого воздуха при попеременной его подаче в одну из полостей, в то время как другая соединена с атмосферой

Пневмоцилиндры с демпфированием в конце хода
По обе стороны поршня устанавливают втулки демпфера 2, а в крышках цилиндра — уплотнительные манжеты 1 и дроссели 5 с обратным клапаном 6. Сжатый воздух, подводимый к цилиндру, свободно поступает в соответствующую полость, в том числе и через встроенный обратный клапан 6. Поршень движется к удаленной от него в этот момент крышке с максимальной скоростью до тех пор, пока втулка демпфера 2 не дойдет до уплотнительных манжет 1. При этом происходит «запирание» некоторого объема отводимого из цилиндра воздуха в полости, которая только что была соединена с атмосферой. Теперь воздух из этой полости может вытесняться в атмосферу лишь через отверстие малого диаметра в дросселе 5, величину проходного сечения которого можно изменять.
3 магнит , магнитное поле которого распространяется за преде­лы гильзы и может регистрироваться с помощью специальных датчиков.

Однако пневмоцилиндрам двустороннего действия присущ и ряд недостатков, ограничивающих область их применения:
усилия при прямом и обратном ходах поршня различны вследствие неодинаковости его площадей в штоковой и поршневой полостях;
шток расположен консольно, причем размер консоли различен во втянутом и выдвинутом положении;
шток хорошо воспринимает только осевую нагрузку, тогда как радиальную — плохо.

Пневмоцилиндры с проходным штоком
В пневмоцилиндрах с проходным, или двусторонним, штоком .Обе рабочие полости штоковые, а площади поршня равны с обеих сторон. Шток опирается не на одну опору в крышке, как в ранее рассмотренных конструкциях, а на две — в каждой из крышек.
Подобная конструкция имеет ряд преимуществ:
возможность осуществления рабочих перемещений со стороны обоих торцов пневмоцилиндра;
нагрузка на шток воспринимается двумя опорами, что увеличивает срок службы пневмоцилиндра;
равенство площадей поршня в обеих рабочих полостях, что обеспечивает равные рабочие усилия при движении его в любом направлении.

Тандем-пневмоцилиндры
В случаях, когда требуется получение значительных усилий, а поперечный размер монтажного простран­ства на технологическом оборудовании недостаточен для установки пневмоцилиндра соответствующего диа­метра, применяют тандем-пневмоцилиндры
Тандем-пневмоцилиндр. или сдвоенный пневмоцилиндр, — это, по существу, два пневмоцилиндра двусто­роннего действия, объединенные в одном корпусе и имеющие общий шток. По сравнению с традиционными пневмоцилиндрами того же диаметра усилия, развиваемые тандем-пневмоцилиндрами. фактически в два раза больше вследствие суммирования усилии, получаемых одновременно на двух поршнях.

Бесштоковые пневмоцилиндры
Одним из конструктивных решений, позволяющих отказаться от штока в его традиционном значении, явля­ется пневмоцилиндр с гибким штоком .
Пневмоцилиндр с гибким штоком
Жесткий шток в данной конструкции заменен покрытым нейлоном металлическим тросом 3 (либо лентой из синтетического материала), охватывающим ролики 1, размещенные в крышках пневмоцилиндра. Внутри гиль­зы 4 цилиндра трос 3 жестко связан с поршнем 5, а снаружи — с кареткой 2, к которой и крепится перемещае­мый объект. Однако такое техническое решение, несмотря на свою простоту, не получило широкого распрост­ранения

Пневмоцилиндр с магнитной муфтой
Поршень 1 имеет набор кольцевых постоянных магнитов 2, которые взаимодействуют с кольцевыми магнита­ми 3, расположенными в каретке 4, охватывающей гильзу 5. Если гильза выполнена из немагнитного материала и является тонкостенной, то движение поршня (1-я полумуфта) сопровождается синхронным перемещением каретки (2-я полумуфта), к которой присоединен внешний объект (нагрузка).

Пневмоцилиндры с непроворачивающимся штоком