Pneumatikzylinder

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Ein Pneumatikzylinder ist ein Bauteil das mit Druckluft als Medium eine Bewegung ausführt.

Zylinderarten

Das Antriebsspektrum der Pneumatikzylinder ist bei Festo in folgende Bereiche eingeteilt.

  • Kolbenstangenzylinder
  • Kolbenstangenlose Zylinder (Linearantrieb)
  • Schwenkzylinder
  • Tandem- und Mehrstellungszylinder
  • Stopperzylinder
  • Klemm- und Spannzylinder
  • Antriebe mit Linearführung
  • Balg- und Membranzylinder

Kolbenstangenzylinder

Prinzipiell lassen sich Kolbenstangenzylinder in zwei unterschiedliche Funktionen aufteilen.

  • einfachwirkende Zylinder
  • doppeltwirkende Zylinder

einfachwirkende Zylinder

Zylinder einfachwirkend.png
einfachwirkender Zylinder

An diesem Zylinder gibt es nur einen Anschluss für Druckluft. Die einströmende Druckluft bewegt den Kolben in eine Richtung, dementsprechend wird in diese Richtung auch die Kraft des Zylinders aufgebaut. Soll der Kolben wieder in seine Grundstellung fahren, lässt man einfach die Luft aus dem Zylinder entweichen. Die mechanische Feder drückt den Kolben wieder auf die Grundstellung. Damit es in der zweiten Zylinderkammer keinen Über- bzw. Unterdruck durch die Kolbenbewegung gibt, ist dieser Teil mit einer Be-/Entlüftungsbohrung versehen.

Vorteil:

  • definierte Position bei Energieausfall
  • reduzierter Luftverbrauch
  • einfache Ansteuerung durch 3/2-Wegeventil


Nachteil:

  • zusätzliches Bauteil - Zylinder baut länger
  • federabhängige Hublänge - starke Einschränkung der maximalen Hublänge
  • Kraftaufbau nur in einer Bewegungsrichtung
  • Kraft reduziert sich um die Federkraft
  • keine konstante Kraft (hubabhängig)


doppeltwirkende Zylinder

Zylinder doppeltwirkend eingefahren.png Zylinder doppeltwirkend ausgefahren.png
doppeltwirkender Zylinder - eingefahren doppeltwirkender Zylinder - ausgefahren

Der doppeltwirkende Zylinder benötigt für jede Bewegungsrichtung Druckluft. Bei diesem Zylindertyp wird in Aus- und in Einfahrrichtung Kraft über die Druckluft aufgebaut. Die einfachste Ansteuerung eines doppeltwirkenden Zylinders wird mit einem 5/2-Wegeventil realisiert.

Vorteil:

  • Kraftaufbau in beide Bewegungsrichtungen
  • konstante Kraft (hubunabhängig)
  • Hübe über mehrere Meter realisierbar


Nachteil:

  • jede Bewegung verbraucht Druckluft
  • bei Druckluftausfall keine definierte Posotion


Aufbau eines Kolbenstangenzylinders

Ein Standard-Pneumatikzylinder lässt sich in fünf Baugruppen/Teile aufteilen.

Zylinder Aufbau.png
  • Zylinderrohr
  • Lagerdeckel
  • Abschlussdeckel
  • Kolben
  • Kolbenstange

Natürlich ist im Regelfall damit ein Zylinder noch nicht fertig. Es gibt noch verschiedene kleinere Bauteile wie Dichtungen, Lager, Führungsband, Permanentmagnet, usw. Aber diese Teile befinden sich alle in den fünf aufgeführten Teilen/Baugruppen die einen Standardzylinder (Zylinder mit einseitiger Kolbenstange) ausmachen.

Zylinderrohr

Ursprünglich waren dies tatsächlich "nur" Rohre. Bei einem Großteil der Zylinder werden heute Strangpressprofile anstelle eines Rohres verwendet. Der Vorteil liegt darin, dass ein Profil andere Funktionen übernehmen kann.

  • Aufname der Sensoren
  • Befestigungsmöglichkeit für Anbauteile
  • einseitige Belüftung eines doppeltwirkenden Zylinders

Kolbenstange

Die Kolbenstange ist das Teil das die Kraft und die Bewegung des Zylinders nach außen überträgt. Die Spitze der Kolbenstange ist meistens mit einem Gewinde versehen, damit kundenseitig weitere Bauteile angebunden werden können.

Gerade die Kolbenstange lässt verschiedenste Varianten zu. 
Festo hat mehrere Baureihen von Pneumatikzylindern, die auch mit durchgehender, hohler Kolbenstange bezogen werden können. Es handelt sich dabei um die Zylindertypen ADN-..., DZF-..., DNC-..., DMM-..., DSL-..., DSM-... und DSRL. Die Kennzeichnung der Variante durchgehend und hohl lautet S20. Bsp. DNC-32-100-PPV-A-S20

Kolben

Die eigentliche Bewegung im Zylinder macht der Kolben, der mit der Kolbenstange verbunden ist.

Der Kolben hat aber noch mehr Aufgaben als nur eine Bewegung auszuführen. Die Abdichtung zwischen der vorderen und hinteren Zylinderkammer ist eine dieser Aufgaben. Außerdem fällt dem Kolben die Aufgabe zu die kinetische Restenergie in der Endlage umzuwandeln. Diese Aufgabe teilt sich der Kolben mit dem Lager- und Abschlussdeckel.

Lagerdeckel

Der Lagerdeckel verschließt den Zylinder (Zylinderrohr) auf einer Seite und stellt gleichzeitig eine Lager- und Dichtstelle für die Kolbenstange dar. Im Regelfall befindet sich einer der Luftanschlüsse im Lagerdeckel.

Abschlussdeckel

Der Abschlussdeckel verschließt den Zylinder (Zylinderrohr) auf der zweiten Seite. Im Abschlussdeckel ist normalerweise der zweite Luftanschluss zu finden. 

Kolbenstangenlose Zylinder

Unter dem Begriff "kolbenstangenlose Zylinder" werden in aller Regel Zylinder verstanden, die keine Kolbenstange besitzen und eine Linearbewegung ausführen. Obwohl die pneumatischen Drehantriebe ebenfalls keine Kolbenstange besitzen und damit streng genommen auch kolbenstangenlose Zylinder sind, werden diese unabhängig betrachtet und unter der Rubrik Drehantriebe behandelt.
Kolbenstangenlose Zylinder werden auch als Linerantrieb bezeichnet.

Kolbenstangenlose Zylinder sind auf dem Markt in verschiedenen Ausführungen zu finden, als einfacher Antrieb und als Antrieb mit angebauter Führung.
Durch diese zusätzliche, extern angebrachte Führung (als Gleit- der Wälzführung) ist es möglich, den Läufer mit seitlichen Kräften und Momenten zu belasten. Werkzeuge oder andere Antriebe können direkt auf den Läufer montiert werden. Dadurch wird zum Beispiel der Aufbau von Mehrachsgeräten für die Teilehandhabung recht einfach.

Es gibt zwei unterschiedliche Funktionsprinzipien für kolbenstangenlose Zylinder

  • mechanisch gekoppelter Läufer
  • magnetisch gekoppelter Läufer

mechanisch gekoppelter Läufer

Linearantrieb Schnitt de.png


Der Kolben wird mit Druckluft im Zylinderrohr bewegt. Das Zylinderrohr ist über die gesamte Länge auf einer Seite offen, damit eine mechanische Anbindung des Kolbens zum Läufer hergestellt werden kann. Zur Abdichtung dieser offenen Seite wird über die gesamte Länge ein Dichtungsband gespannt. Dabei wird es durch die Oberseite des Kolbens hindurchgeführt, um trotz der mechanischen Verbindung zwischen Kolben und Läufer die Dichtheit zu gewährleisten. Zum Schutz des Dichtungsbandes vor mechanischen Einflüssen und Schmutz wird bei einigen Typen parallel dazu noch ein dünnes Abdeckband aus Metall gespannt. Nach Anlegen des Drucks wird das Dichtband so an das Gehäuse gedrückt, dass eine völlige Dichtheit erreicht wird.

Linearantrieb1 de.png Linearantrieb2 de.png
Bewegungsrichtung des Läufers nach rechts Bewegungsrichtung des Läufers nach links

Die Luftzufuhr erfolgt für beide Bewegungsrichtungen von einer Seite. Durch einen Kanal längs durch das Gehäuse hindurch wird die Luft auch auf die gegenüberliegende Seite geleitet.

magnetisch gekoppelter Läufer

Linearantrieb Magnet Schnitt de.png

Bei dieser Bauart bewegt sich der Kolben in einem komplett geschlossenen dünnen Stahlrohr. Das ist auch einer der Hauptvorteile dieses Aufbaus. Denn mit diesem, praktisch leckagefreien, System ist dieser Antrieb auch für den Einsatz unter Reinraumbedingungen geeignet.
Die Verbindung zwischen Kolben und Läufer erfolgt mit Hilfe der eines Pakets aus Dauermagneten.
Dieses Paket ist zu einem Teil im Läufer angebracht und zum Teil im Kolben. Die Nord - Süd - Ausrichtung liegt dabei parallel zur Längsachse des Antriebs. Die magnetische Kopplung ist zugleich auch eine Kraftbegrenzung. Kann der Läufer durch äußere Kräfte nicht mehr bewegt werden, kann sich der Kolben aus dem Magnetfeld lösen und alleine weiterbewegen. Wie auch andere Zylinder verfügt dieser Antrieb über eingebaute Magnete zur Abfrage der Endlagen mit Näherungsschaltern. Diese Magnete befinden sich hier aber im Läufer und nicht auf dem Kolben.

Zylinderkraft

Welche Kraft kann ein Zylinder ausüben?
Die theoretische Kraft eines Pneumatikzylinders lässt sich nach folgender Formel berechnen:
F [N] = p [bar] x A [cm²] x 10

Bsp.: Ein Zylinder mit einem Nenndurchmesser von 100 mm hat eine Fläche von 78,5 cm². Bei einem Betriebsdruck von 6 bar wirkt über diese Fläche eine Kraft von ca. 4700 N (78,5 x 6 x 10).

Pneumatische Endlagendämpfung

Welche Aufgabe hat die pneumatische Endlagendämpfung und wie funktioniert sie?
Das Produkt aus Masse und Geschwindigkeit ergibt die kinetische Energie (J = 0,5 m x v²). Diese Energie muss ein Zylinder in seiner Endlage noch umwandeln können, ohne dass er sich selbst zerstört. Die Masse, die ein Zylinder bewegen muss, lässt sich meist nicht beeinflussen. Daher wird versucht, die Geschwindigkeit in der Endlage möglichst gering zu halten. Je nach Zylinderdurchmesser wird in den letzten Zentimetern des Hubes die Abluft abgesperrt und nur noch über eine Drosselstrecke (Drosselung einstellbar) freigegeben. Dadurch baut sich kurzfristig ein wesentlich höherer Gegendruck auf, der der Bewegung entgegenwirkt. Die Geschwindigkeit des Zylinders wird innerhalb eines kurzen Zeitraumes stark reduziert und bei richtiger Einstellung der Endlagendämpfung bleibt die kinetische Restenergie unter dem maximal zulässigen Höchstwert. Zylinder mit pneumatischer Endlagendämpfung sind in der Typenbezeichnung an der Buchstabenfolge PPV erkennbar.

Festo hat für die gängigsten Zylindertypen auch eine selbsteinstellende pneumatische Endlagendämpfung, hier entfällt jeglicher Aufwand für die Drosseleinstellung. Die Typenbezeichnung ist an der Buchstabenfolge PPS erkennbar.

Medien

Pneumatik

Dürfen Zylinder und Ventile von Festo auch mit ungeölter Druckluft betrieben werden?
Die meisten Festo Pneumatikelemente sind vom Werkstoff und der Bearbeitung her für den Betrieb mit gefilterter, geölter oder gefilterter, nicht geölter Druckluft konstruiert. Diese Elemente erhalten bei der Montage eine Grundschmierung und können daher ohne Öler eingesetzt werden. Erforderlich ist jedoch auf alle Fälle eine Filtereinheit, die Verunreinigungen von 40 Mikron abscheidet. Elemente mit der Mediumsangabe "gefilterte, nicht geölte Druckluft" werden bei Festo mit gefilterter, nicht geölter Druckluft unter Prüfbedingungen einer stichprobenartigen Untersuchung unterzogen. Wenn es die technischen Daten erfordern, sind Filter mit einem Abscheidegrad von 5 bzw. 10 Mikron einzuplanen. Bei stark verunreinigter Luft empfehlen wir, die Luft mit einem 40-Mikron-Filter vorzufiltern. Den Betrieb mit gefilterter, geölter Druckluft empfehlen wir dort, wo extreme Umwelt- und Einsatzbedingungen vorherrschen. Das können zum Beispiel sehr schnelle Zylinderbewegungen (über 2 m/s) sein. Ein ölfreier Betrieb ist nicht möglich, wenn die Anlage bereits mit geölter Druckluft betrieben wurde. Da geölte Druckluft die Grundschmierung auswäscht, müssen die Elemente für den weiteren Einsatz stets mit geölter Druckluft betrieben werden. Möchten Sie Ihre Anlage auf ungeölte Druckluft umstellen, dann erneuern Sie an allen Elementen die Grundschmierung.

Hydraulik

Dürfen Pneumatikzylinder auch mit einem flüssigen Medium (Niederdruck-Hydraulik) betrieben werden?
Die Dichtungen der Pneumatikantriebe sind für den Einsatz mit hydraulischen Medien konstruktionsbedingt nicht geeignet. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass das Dichtungsmaterial durch die Flüssigkeit chemisch angegriffen wird.


WebLinks

Artikel zu Pneumatik in Wikipedia