tsurfの機械設計研究室

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今回は以下に関する記事です

わかりやすいエアシリンダの構造と動作原理と使用用途

⇩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⇩

エアシリンダーついて

• どんな構造？
• どうやって動作をするの？
• どうやって速度制御する？

⇩本記事を読むと以下が　わかります⇩

エアシリンダの簡単な構造解説動作方法と速度制御を解説します。

• ①エアシリンダの構造概要
  • 概要解説
  • ロッドについて詳細
  • 駆動の概要
• ②エアシール用のパッキンと吸排気ポート
  • エアシール用パッキン
  • 吸排気ポート
• ③エアシリンダの動作原理
  • ロッドを押し出す場合
  • ロッドが引っ込む場合
  • ＜補足＞エアシリンダの選定計算
• ④エアシリンダの速度制御に使うスピードコントローラー
  • 概要
  • メーターイン
  • メーターアウト
• ⑤エアシリンダの速度制御法　メーターイン
  • 概要
  • メリット
  • デメリット
• ⑥エアシリンダの速度制御法　メーターアウト
  • 概要
  • メリット
  • デメリット
• ⑦エアシリンダーの制御とスピードコントローラー
• ⑧エアシリンダーの使用用途と使われる理由
• ⑨その他関連記事

エアシリンダーは構造としては、以下のようにいたってシンプルな構造です。

ロッドは以下のようになっていて

オレンジ色で塗った部位にエア圧を受けて上下に駆動します。

⇩ロッド引っ込む動作の場合⇩

吸排気ポートAにエアが供給され吸排気ポートBからエアが排出されるとロッドのオレンジの部位にエア圧を受けて

ロッドが引っ込む方向に駆動します。

⇩ロッドが飛び出す動作の場合⇩

吸排気ポートBにエアが供給され吸排気ポートAからエアが排出されるとロッドのオレンジの部位にエア圧を受けて

ロッドが飛び出す方向に駆動します。

エアシリンダーはエアの圧力によって内部のロッドが上下に動作する

という非常にシンプルな構造です。

そのためにロッドが上下するために必要な

• 内部のパッキン
• 吸排気ポート

さえ押さえておけば理解が可能です。

エアシリンダは、非常にシンプルな構造をしています。図にもあるようにロッドと　外筒で構成されています。

そして内部にパッキンがあります

パッキンの役割

このパッキンは、充填されたエアをシールして、圧力を保持するためのものです。

このパッキンがないと　圧力が逃げてしまい、動作しなくなります

パッキンの注意点

このパッキンは、エアをシールするために　エアシリンダー外筒に接しています。

つまり　パッキンは摺動しています。

なので　経年劣化や、摺動摩擦により　次第に傷んできます。このパッキンが傷むと、圧力を保持することができず推力が落ちていき、最悪　動作しなくなります。

上記の構造から、内部のパッキンを傷めない機械的構成が必要です。くわしくは、以下の記事を参照してください。

エアシリンダにある吸排気ポートは　エアシリンダを駆動させるために

• エアを供給したり　
• エアを排気したり

重要な役割をするポートです。

ここに、スピードコントローラーを装着します。これについては　後述します。

このポートの役割を、実際の動きと照らし合わせながら次章で解説をしていきます。

電磁弁より、ヘッド側にエアが供給されます。同時にロッド側のエアが排気されます。

このことにより、ロッドは　エアシリンダ動作方向とある矢印方向に動きます。

この時のエアシリンダの出力は

エアシリンダの内径面積ｘ供給エア圧となります

電磁弁より、ロッド側にエアが供給されます。同時にヘッド側のエアが、排気されます。

このことにより、ロッドはエアシリンダ動作方向とある矢印方向に動きます

この時のエアシリンダの出力は

（エアシリンダの内径面積－ロッド径の面積）ｘ供給エア圧となります

よってロッド付きエアシリンダの場合は　ロッド引っ込み時は出力が小さくなります

動作の説明中　エアシリンダの出力について軽くふれていますが、詳しい計算方法は、以下の記事を参照願います。

⇩エアシリンダの選定計算⇩

先述の解説のとおり、エアシリンダの吸排気ポートに、スピードコントローラーというものを装着します。

スピードコントローラーの概要は以下のようになります。

この調整用つまみで、エアの流量を手動調整することによりエアシリンダーの速度を、調整することになります。

エアシリンダーの速度調整法には、以下があります。

エアシリンダに供給するエアの流量を、制限して速度を制御します。メーターインの特性については後述します。

エアシリンダから排気するエアの流量を、制限して速度を制御します。特に理由が無い場合は、基本的にはこちらにします。メーターアウトの特性については、後述します。

供給エアを制限することにより速度を制御します。排気エアは制限なしに一気に排気します。

• 供給エアを絞って制限しているので　出だしが多少ゆるやかスロースタートをしたい場合は若干有利

• 動作が不安定以下の図3のように　まず　ロッドが動き出します従って　ある程度動くと体積が膨張します　しかし　供給エアをしぼっているので　体積膨張に間に合わない場合圧力が降下し　動作が遅くなったり　止まったりします結論として　シリンダ内のエア圧が安定しない場合があるのです。この場合　対策として低速専用のエアシリンダを選定します。

• 垂直姿勢の下降動作の場合落下してしまう図4のように　垂直姿勢の場合で電磁弁が下降動作用の供給　排気に切り替わった際に　下降側のエアが一気になくなることにより、落下してしまいます。この場合　対策としてメーターアウトも併用します。

排気エアを制限することにより速度を制御します。供給エアは制限なしに一気に流入します。

• 動作が安定排気を絞っても　供給エアは制限なしに流入するので　シリンダ内の内圧が安定しますつまり　エアシリンダーの動作が安定します
• 垂直姿勢の下降動作にデメリットがない排気エアが　一気に排気されず　排気エア量を絞ることで速度を制御しているからです

• 供給エアが一気に流入するので　出だしの勢いがすごい場合があるスロースタートをしたい場合は若干不利

エアシリンダーを駆動させるための電磁弁は5ポート弁です。

• ５ポート弁とエアシリンダのエアの流れ
• エアシリンダとスピードコントローラーのエアの流れ

上記は以下の記事で詳しく解説します。

詳しいスピードコントローラーの構造について御興味があれば、以下の記事を御参照願います。

エアシリンダーは、その特性からシリンダー内部の端から端までのつまりは、単純な２点間搬送に向いています。

というか、エアシリンダで多点で中間停止したい場合できないことはありませんが、限定的であり場合によっては不可能である場合があります。

反面、モーターなどを使った直動機構は

• 多点の中間停止が可能
• モーターがサーボの場合、高精度な位置決めが可

という特徴がありますが、コストが掛かります。

ですが、単純な２点間搬送であればエアシリンダーは、

• 圧倒的なコストパフォーマンスを誇ります。
• かつ、強大なエアの力を使うのでエアシリンダ本体は小型で設置に困ることが少ないです。
• オートスイッチなど位置センサー付きで手配可能です。

という圧倒的な利便性があります。

しかも、単純な２点間搬送は複雑な装置でも、意外と多いです。

なので装置にはエアシリンダの使用が非常に多いです。

エアシリンダーの電磁弁による動作の解説や、エアシリンダーの種類、機種の選定、出力選定計算などあらゆる学習記事を掲載しています。

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。