W skrócie:

• Napędy prowadzone mają moc, aby obsługiwać podnoszenie, naciskanie, ciągnięcie, pchanie, zaciskanie, zatrzymywanie, trzymanie, cięcie i rozdzielanie.
• Prowadzone prowadnice dobrze sobie radzą, gdy wymagana jest precyzja i powtarzalność.
• Prowadnice i napędy mogą być używane w szerokim zakresie zastosowań typu „pack-and-place”.

Pneumatyczne napędy prowadzone i prowadnice są wołami roboczymi automatyki przemysłowej. Są dobrze sprawdzone i można je dostosować do coraz większej liczby zastosowań, w których dodanie prowadzenia poprawia wydajność. Są również ekonomiczne, a wiele wariantów i opcji konfiguracji zapewnia dużą niezawodność i trwałość.

Prowadzony napęd (z lewej) zawiera pręty prowadzące i nie wymaga montażu, ale wiele jednostek prowadzących, takich jak ten siłownik FENG i standardowy siłownik Festo (z prawej) wymaga montażu.

Napędy i prowadnice

W przeciwieństwie do standardowych napędów, napędy prowadzone pneumatycznie zachowują pełną stabilność, a prowadnice prowadzone pneumatycznie zapewniają większą stabilność i precyzję, co ma krytyczne znaczenie w wielu funkcjach typu „podnieś i połóż”. W przypadku obu typów siłowników, dodanie stabilizacji dla tłoczyska zapewnia lepszą wydajność i dłuższą żywotność w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami bez stabilizacji. Rynek napędów prowadzonych i prowadnic rośnie, ponieważ coraz więcej inżynierów dowiaduje się, że łatwiej i wygodniej jest kupić pojedynczy produkt z ruchem liniowym i prowadzeniem, niż kupować obie funkcje oddzielnie.

W standardowym napędzie pneumatycznym tłoczysko wytwarza ruch liniowy i może się swobodnie obracać podczas wysuwania i wsuwania. W wielu zastosowaniach przemysłowych obrót ten jest nieistotny, ale jest niepożądany, jeśli użytkownik potrzebuje stabilności, np. utrzymując narzędzie do tłoczenia idealnie równolegle do tłoczonego elementu. Dodatkowo, jeżeli tłoczysko wywiera siłę na obiekt, opór, jaki napotyka, może wytworzyć siłę boczną lub moment obrotowy względem zespołu siłownika.

Na przykład, jeżeli siłownik pozycjonuje piłę tarczową przecinającą drewno, siły zewnętrzne działające na siłownik, gdy tłoczysko jest wysunięte, mogą wytworzyć ugięcia powodujące niedoskonałe cięcie. Powoduje to nadmierne zużycie piły i siłownika.

Napędy sterowane często wykonują jedno z trzech prostych zadań: zatrzymywanie, podnoszenie lub pchanie.

Pneumatyczne napędy sterowane mają tylko jeden tłok, którego stabilność gwarantują dwa pręty prowadzące. Te pręty prowadzące zazwyczaj poruszają się na zestawach tulei lub łożysk kulkowych zapewniających stabilność. Pręty prowadzące i tłok są przymocowane do jarzma, które utrzymuje oprzyrządowanie, zapobiegając skręcaniu lub obracaniu się tłoka w przypadku przyłożenia siły bocznej, co zapewnia stabilność operacyjną. Napędy te znajdują zastosowanie w aplikacjach obejmujących podnoszenie, naciskanie, ciągnięcie, pchanie, zaciskanie, zatrzymywanie, powstrzymywanie, trzymanie, cięcie i rozdzielanie. Są one dostępne w wielu rozmiarach i wariantach, mogą pomieścić prawie każde narzędzie, zapewniają długość skoku do 400 mm i mogą stosować dużą siłę tam, gdzie jest to wymagane.

Prowadnice doskonale sprawdzają się w zadaniach, w których wysoki poziom precyzji i powtarzalności jest niezbędny, takich jak montaż elektroniki lub małych części samochodowych, w obróbce żywności i napojów oraz w zastosowaniach dozujących w innych sektorach procesowych. Prowadnice z prowadnicami mają zazwyczaj pojedyncze lub podwójne tłoczyska i szynę prowadzącą poruszającą się na precyzyjnych łożyskach kulkowych w obudowie prowadnicy, co zapewnia precyzyjny ruch i powtarzalną dokładność, pomimo obciążeń bocznych i momentów obrotowych.

Prowadnice zapewniają ruch liniowy, niezależnie od tego, czy są zamocowane poziomo czy pionowo. Stanowią one doskonałe narzędzia przymocowane do suwnicy, takie jak konfiguracje wieloprowadnicowe z dwiema osiami (X, Z) i mogą być dodawane do konfiguracji pick-and-place oraz piggyback, w których jedna prowadnica jest zamontowana na drugiej w celu uzyskania dłuższych skoków z przystankami po drodze, często bez adapterów.

W zastosowaniach dupleksowych, kompaktowa miniprowadnica przymocowana do małego chwytaka mechanicznego lub kubka próżniowego zwykle zapewnia powtarzalną dokładność 0.01 mm oraz liniowość i równoległość w zakresie 1/100 mm 0,01-mm w milionach cykli.

Napędy pneumatyczne są dostępne w różnych konfiguracjach, w tym nieobrotowe (po lewej), niekierowane (w środku) i prowadzone (po prawej).

Prowadnice są dostępne w wielu rozmiarach z różnymi opcjami montażu i wieloma opcjami tłumienia, aby zapewnić najkrótsze czasy cyklu przy minimalnych wibracjach. W porównaniach pomiędzy prowadnicami i napędami a cylindrami nieobrotowymi o identycznym rozmiarze otworu tłoka i długości skoku, prowadnice są największe i najcięższe spośród opcji z wbudowanym prowadzeniem tłoka, dzięki szerokim, płaskim prowadnicom, które zapewniają bardzo precyzyjny ruch.

Przy założeniu tej samej średnicy otworu (20 mm) tłoczyska i tej samej długości skoku (50 mm), prowadnica ma największy profil (powierzchnia podstawy lub długość, wysokość i szerokość). Napędy prowadzone mieszczą się pomiędzy nimi, będąc mniejszymi niż prowadnica prowadzona i większymi niż cylinder nieobrotowy.

Porównując cylinder nieobrotowy, napęd prowadzony i prowadnicę prowadzoną, wszystkie o tym samym rozmiarze otworu tłoka (20 mm), długości skoku (50 mm) i rozszerzonej sile 188 N (patrz wykres), stosunek siły do masy napędu nieobrotowego wynosi 65%, napędu prowadzonego 16%, a prowadnicy 15%. Tak więc, nieobrotowy cylinder byłby mniejszy i tańszy, ale w przypadku wyższych nośności momentu obrotowego lub precyzji, potrzebny jest prowadzony suwak lub napęd, a one byłyby większe dla tego samego otworu/suwu. Dodanie prowadzenia zwiększa masę w stosunku do napędu nieobrotowego w celu zapewnienia większej stabilności.

Alternatywy dla siłowników kierowanych

Siłowniki nieobrotowe oraz kombinacje prowadnic zewnętrznych i standardowych siłowników są często uważane za alternatywę dla napędów i prowadnic kierowanych pneumatycznie. Mają one ograniczone nośności, więc lepiej nadają się do zastosowań wymagających utrzymania określonej orientacji, ale przy niewielkich obciążeniach.

Nieobrotowe napędy i cylindry z nieobrotowymi tłoczyskami są tańsze, ale napędy prowadzone i prowadnice są bardziej trwałe i precyzyjne oraz mogą przenosić większe obciążenia boczne i moment obrotowy. Podczas wykonywania tej samej funkcji, takiej jak podnoszenie ładunku lub przesuwanie chwytaka, napęd nieobrotowy będzie miał największe ugięcie wynikające z luzu łożyska i siły poprzecznej. Ugięcie w tym przypadku to odległość, o jaką przesuwa się tłok lub płyta przednia na skutek luzu w łożyskach lub działania sił zewnętrznych. Zwiększone ugięcie oznacza zmniejszoną precyzję.

Prowadnica zewnętrzna może być dopasowana do większego zakresu siłowników, aby obsłużyć różne zadania i sytuacje, takie jak zaciskanie, regulowane poduszki powietrzne i praca w wysokich temperaturach, ale oba te elementy muszą być połączone. Prowadnice i napędy z prowadnicami mają mniej opcji konfiguracji i bardziej ograniczony zakres wydajności, ale są również tańsze. W zastosowaniach typu „podnieś i połóż” można rozważyć kompaktowy, niekierowany cylinder ze swobodnie obracającym się tłokiem, ale nie zapewni on spójnego pozycjonowania i orientacji przemieszczanych części tak dobrze, jak prowadzony miniprowadnik.

Pneumatyczne i elektryczne prowadzenie

Pneumatyczne i elektryczne napędy i prowadnice mogą wykonywać podobne zadania, ale mają różne mocne strony. Przy odpowiednio wyskalowanym, dobrze utrzymywanym źródle sprężonego powietrza napędy pneumatyczne zapewniają większą gęstość siły i prędkości przy niższych kosztach instalacji i eksploatacji oraz dłuższym okresie eksploatacji.

Porównując siłowniki w podobnych miniprowadnicach pneumatycznych i elektrycznych, wersja pneumatyczna jest krótsza i ma krótszy czas pozycjonowania. Wersje elektryczne oferują łagodniejsze zatrzymywanie i uruchamianie, programowalny profil napędu oraz stałe, precyzyjne prędkości. Ogólnie rzecz biorąc, napędy pneumatyczne i prowadnice zajmują mniej miejsca. Obecnie zarządzanie energią i diagnostyka sprężonego powietrza mogą zmniejszyć zużycie powietrza oraz nieplanowaną konserwację i przestoje, co czyni je bardziej ekonomicznym wyborem.

Relatywna efektywność jest podstawowym czynnikiem przy dokonywaniu właściwego wyboru inżynieryjnego spośród potencjalnie odpowiednich napędów pneumatycznych z prowadnicami.

Pneumatyczne mini prowadnice ślizgowe są przydatne do precyzyjnych ruchów w ciasnych przestrzeniach.

Przykład (poniżej) porównuje ceny cylindra nieobrotowego, napędu z prowadzeniem i prowadnicy z prowadzeniem (wszystkie modele bazowe z tym samym tłokiem 20 mm i skokiem 50 mm oraz procentem prowadnicy wykorzystywanym w warunkach identycznego obciążenia offsetowego. Dla celów tego przykładu, cylinder nieobrotowy jest w 100% wykorzystywany przez prowadnicę. Jest to jego granica i zły wybór pod względem zdolności do obsługi obciążeń przesuniętych. Prowadnica prowadzona jest najdroższa z całej trójki, a przy wykorzystaniu prowadnicy na poziomie 12% osiąga lepsze wyniki w tym zastosowaniu. Napęd prowadzony osiąga 54% wykorzystania prowadnicy i chociaż jest około 2,5 razy droższy od siłownika nieobrotowego, zapewnia najlepszy stosunek kosztów do wydajności spośród trzech opcji.

Napędy prowadzone dla wszystkich scenariuszy

Wzrost wykorzystania pneumatycznych napędów prowadzonych i prowadnic odzwierciedla ich przydatność w nadzwyczajnym zakresie zadań. Siłowniki te są dostępne zarówno w wersjach standardowych, jak i specjalnych lub dostosowanych do potrzeb klienta, w wersjach metrycznych i calowych.

Modele standardowe stanowią połowę rynku i są opłacalne w większości zastosowań. Większość z nich jest bezobsługowa i wymaga niewielkiego lub żadnego montażu. Wiele z nich jest dostępnych z wyborem prowadnic z łożyskami ślizgowymi dla dużej sztywności lub prowadnic z łożyskami kulkowymi obiegowymi dla zastosowań z obciążeniami momentem obrotowym. Modele podstawowe są niezwykle uniwersalne i zajmują mniej miejsca w stosunku do dostarczanych sił niż modele alternatywne. Te podstawowe napędy są dostępne w wielu rozmiarach, z wieloma kombinacjami średnicy tłoka i długości skoku. Długości skoku do 200 mm są zwykle uważane za produkty standardowe. Większe wersje o długości skoku do 400 mm są dostępne. Te większe wersje zawierają wybór opcji tłumienia i amortyzacji końcowej, w tym ręcznie regulowaną, a w niektórych modelach samoregulującą się amortyzację powietrzną.

Istnieją również specjalistyczne modele i warianty dla suchej żywności i stref rozpryskowych, pomieszczeń czystych i zastosowań ATEX oraz warianty z konstrukcjami odpornymi na wysoką temperaturę. Napędy higieniczne do zastosowań w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym zapewniają taką samą łatwość czyszczenia i odporność na korozję jak standardowe siłowniki higieniczne, a także smarowanie zgodne z normą NSF-H1. Napędy kierowane do zastosowań higienicznych mają gładką, czystą konstrukcję, która nie pozwala na gromadzenie się na nich wody, brudu ani kurzu.

Podstawowa seria modeli DFM firmy Festo to popularny pneumatyczny napęd kierowany.

Wiele z tych samych zalet dużych napędów kierowanych jest dostępnych w napędach miniprowadzonych, gdzie wystarcza krótka długość skoku i mniejsza siła, a przestrzeń jest na wagę złota. Szczególnie kompaktowe modele oferują skoki o długości zaledwie 5-30 mm.

Dwa miniprowadniki Festo DGSL są zamontowane na osi elektrycznej w jednostce załadunku bocznego maszyny pakującej.

Prowadniki oferują podobną różnorodność zarówno w przypadku modeli standardowych, jak i specjalnych oraz opcji, które można dostosować do większości zastosowań. Oferta obejmuje modele podstawowe o długości skoku do 200 mm i wielu opcjach amortyzacji, konstrukcje płaskie i smukłe oraz modele ultrakompaktowe o szerokości zaledwie 8 mm i długości skoku od 1 do 10 mm. Te ostatnie są idealne do małych zastosowań typu „pick-and-place” i innych zastosowań o krótkim skoku. Rozwój coraz bardziej kompaktowych prowadnic odzwierciedla tendencję w przemyśle, zwłaszcza w montażu elektroniki, w kierunku miniaturyzacji, która wymaga, aby prowadnice mini i mikroprowadnice działały z taką samą precyzją, powtarzalnością i długim okresem eksploatacji jak większe siłowniki.

Wybór właściwego napędu

Oprogramowanie takie jak narzędzie do wymiarowania pneumatyki Festo (dostępne w katalogu online firmy w niebieskiej zakładce „Engineering”) pomaga klientom w wyborze i konfiguracji produktów pneumatycznych. Klienci mogą wprowadzić parametry swojego zastosowania, takie jak ładunek, który ma być przemieszczany, odległość i prędkość oraz ciśnienie robocze. Otrzymują oni odpowiednie zalecenia dotyczące produktów, a także pomysł na rodzaj amortyzacji, który spełni ich potrzeby – od prostego typu zderzaka lub amortyzatora do ręcznie regulowanej lub samoregulującej się amortyzacji pneumatycznej. Narzędzie do doboru rozmiaru uwzględnia również zastosowanie prowadnic łożyskowych, wskazując, czy do ich wymagań operacyjnych lepiej nadawałyby się łożyska ślizgowe czy kulkowe.

i napędów i prowadnic pneumatycznych stale rośnie, odzwierciedlając dalszy rozwój automatyzacji i udoskonalenia w konstrukcji siłowników. Siłowniki te stanowią doskonały wybór wszędzie tam, gdzie dostępna jest energia sprężonego powietrza. Są one konkurencyjne cenowo, łatwe w konfiguracji i montażu, często nie wymagają konserwacji i są wytrzymałe, co zapewnia im długi okres eksploatacji. Są uniwersalne i dostępne w szerokim zakresie wielkości tłoków i długości skoku. Modele podstawowe nadają się do większości zastosowań, a warianty specjalne do wielu innych. Ich zdolność prowadzenia jest już zaprojektowana i wbudowana, więc wymagany jest minimalny, jeśli w ogóle, montaż. Bez przesady można powiedzieć, że istnieje prowadzony napęd lub suwak dla większości zastosowań wymagających stabilności i/lub powtarzalnej precyzji.

Darren O’Driscoll, Michael Guelker i Julian Beckler są menedżerami produktu, a Thomas Martin kieruje działem zarządzania produktem (siłowniki z tłoczyskiem) w Festo AG & Co.

.