Пневматический манипулятор: цилиндр на груз и расход воздуха

Краткий ответ: цилиндр пневматического манипулятора выбирают по силе подъёма: F = m × (g + a) × k, где m масса груза с захватом, a ускорение подъёма, k запас на трение направляющих. Для груза 100 кг, ускорения 2 м/с² и запаса на трение 15 % нужно ≈ 1 358 Н.

Подобрать и купить пневмоцилиндры в каталоге →

Вступление полностью

Цилиндр SI Ø63 при 0,7 МПа и КПД 0,9 даёт ≈ 1 964 Н (запас ≈ 1,45), а при 0,6 МПа запас падает до 1,24 и ниже принятого порога 1,25. За цикл подъёма на 300 мм и спуска уходит ≈ 14 нл воздуха. Допустимую массу груза для вашей установки и требования безопасности к подъёмным устройствам мы здесь не определяем: это расчёт силы цилиндра, а не допуск к эксплуатации.

Из чего складывается нагрузка на цилиндр?

Манипулятор поднимает груз вертикально или по дуге, поэтому цилиндр работает против веса и против инерции. Единой нормы «сколько запас» для такой схемы мы не приводим: значения ниже принятые авторами допущения, их нужно заменить на данные своей установки.

1. Вес. F_в = m × g. Для 100 кг: 100 × 9,81 = 981 Н (≈ 100 кгс).
2. Инерция при разгоне. К весу добавляется m × a. При a = 2 м/с² (допущение: плавный разгон за счёт дросселя) нагрузка растёт до 1 181 Н.
3. Трение направляющих. Запас k = 1,15 (допущение): 1 181 × 1,15 ≈ 1 358 Н.
4. Сила цилиндра. F_ц = p × π × D² / 4 с КПД 0,9 на трение уплотнений.
5. Запас. F_ц / F (сила цилиндра уже с КПД 0,9) не меньше 1,25 (допущение авторов).

Какой Ø цилиндра нужен на груз 100 кг?

Поднимать груз цилиндром штоком вверх выгодно поршневой полостью: площадь полная, без вычета штока. Цилиндры SI профильные, по ISO 15552, рабочее давление серии мы указываем «до 0,8 МПа по каталогу завода», поэтому расчётные 0,6 и 0,7 МПа в допуске. Порты цилиндров SI внутренние G.

листайте таблицу вбок →

Из таблицы видно: SI Ø50 для 100 кг не годится ни при 0,6, ни при 0,7 МПа (запас меньше 1). Ø63 проходит только при 0,7 МПа. Ø80 даёт запас 2,0 уже при 0,6 МПа и оставляет место на неучтённые потери. Если груз тяжелее или рука длиннее, переходите на следующий диаметр, а не поднимайте давление к пределу серии.

Пример: подъём груза 100 кг на 300 мм

Возьмём стойку манипулятора, цилиндр штоком вверх, груз вместе с захватом 100 кг. Ход подъёма 300 мм и ускорение 2 м/с² приняты как допущения примера; захват и сама стойка в нашу номенклатуру не входят.

1. Нужная сила. 100 × (9,81 + 2) × 1,15 ≈ 1 358 Н.
2. Цилиндр SI Ø63 при 0,7 МПа. 0,7 × 3 117 ≈ 2 182 Н; с КПД 0,9 ≈ 1 964 Н.
3. Запас. 1 964 / 1 358 ≈ 1,45. При 0,6 МПа запас 1,24: ниже порога 1,25.
4. Давление на цилиндре. Для запаса 1,0 (сила впритык, без резерва) 1 358 / (0,9 × 3 117) ≈ 0,48 МПа; рабочее 0,7 МПа даёт запас по силе.
5. Артикул. SI-63-300-P: карточка SI, 47 460 ₸. Вариант с запасом 2,0 при 0,6 МПа: SI-80-300-P, 64 860 ₸.
6. Воздух на подъём. Объём поршневой полости π × 63² / 4 × 300 ≈ 0,935 л; при 0,7 МПа это ≈ 0,935 × (0,7 + 0,1013) / 0,1013 ≈ 7,4 нл.
7. Воздух на спуск. Штоковая полость (шток Ø20 мм) 2 803 мм² × 300 мм ≈ 0,841 л, при 0,7 МПа ≈ 6,7 нл.
8. Цикл. ≈ 14 нл. При четырёх подъёмах в минуту (допущение) ≈ 56 нл/мин; по этой цифре и считают компрессор и магистраль, подставьте свой темп.

Величина	Значение
Масса груза с захватом	100 кг (допущение)
Нужная сила с запасом на трение	≈ 1 358 Н
Цилиндр SI Ø63, 0,7 МПа, КПД 0,9	≈ 1 964 Н (запас ≈ 1,45)
Ход	300 мм (допущение)
Расход воздуха за цикл	≈ 14 нл

Как плавно поднимать и не уронить груз при обрыве воздуха?

Скорость и плавность задают дросселями, а удержание груза при потере давления отдельным элементом. Это три отдельные задачи.

Скорость. Дроссель с обратным клапаном AS ставят на выпуск (meter-out): на штоковую полость при подъёме, на поршневую при спуске. Цена от 1 080 ₸. Выпускной дроссель держит давление в противоположной полости и гасит рывок; ускорение a в расчёте выше как раз то, что вы настраиваете дросселем.

Управление. Распределитель 5/3 с выхлопом в центре 4V230E позволяет остановить груз посередине хода: 4V230E-08-DC24V, порты G1/4, 11 100 ₸. Центр «закрыто» с пневмозамками применять нельзя: давление пилота остаётся запертым в линии, замки остаются открытыми и не запирают полость.

Удержание груза. Пилотный обратный клапан PCV (пневмозамок) ставят в линию поршневой полости как можно ближе к порту цилиндра. При обрыве шланга или падении давления он запирает полость, и груз не падает вниз. Серия PCV по карточке: G1/8–G1/2, пилотный порт M5×0,8 у PCV-06, G1/8 у PCV-08, G1/4 у PCV-10 и PCV-15, рабочее давление 0,15–1,0 МПа; цена от 6 840 ₸. Важная граница: клапан запирает полость, но не заменяет механический упор. Герметичность любого пневмозамка не бесконечна, держать им груз часами над людьми нельзя.

Какой пневмоузел собрать вокруг цилиндра?

Давление выставляет регулятор с манометром, например ARG (цена от 20 520 ₸): диапазон 0,1–0,85 МПа, резьба G. Для нашего примера он стоит на 0,7 МПа; сеть выше предела серий напрямую не подаётся.

Выхлоп распределителя заглушает глушитель BSL из спечённой бронзы, от 180 ₸: при выхлопе сразу двух полостей за цикл шум заметен рядом с оператором.

Если стрела манипулятора создаёт поперечную нагрузку на шток, обычный цилиндр её хуже переносит: берут цилиндр с двумя направляющими штангами DFM, цена от 26 280 ₸. Допустимый изгибающий момент вы берёте из листа серии под свою стрелу. Длинный шток ещё проверяют на продольный изгиб, как в статье про расчёт по Эйлеру.

Что учесть по безопасности

• Люди под грузом. Нельзя оставлять груз над людьми и держать его только давлением или пневмозамком; нужен механический упор или опора на время обслуживания.
• Предельная масса и допуск. Какая масса допустима для вашего манипулятора и подпадает ли он под правила для подъёмных сооружений, зависит от конструкции; нормативных документов мы здесь не цитируем, вопрос к проектировщику и эксперту.
• Пропадание воздуха. Без пневмозамка шток под нагрузкой опускается; решение о положении при отказе принимают заранее для всей схемы.
• Область расчёта. Стойка, стрела, захват и их прочность в нашу номенклатуру и в статью не входят.

Типичные ошибки

• Считают только вес. 981 Н против нужных 1 358 Н: разница около 38 %.
• Ø63 при 0,6 МПа «почти хватает». Расчётный запас 1,24 ниже принятого 1,25.
• Дроссель на впуск. Груз «проваливается» при спуске; ставьте дроссели на выпуск.
• Пневмозамок с центром «закрыто». Давление пилота заперто, замки остаются открытыми: при обрыве шланга груз не удерживается.
• Удержание давлением. Любая утечка опускает груз: нужен упор.

Рубрики каталога

• Пневмоприводы: цилиндры и усилители;
• Пневмоцилиндр SI: профильный по ISO 15552;
• Калькулятор усилия цилиндра;
• Калькулятор расхода воздуха.

Частые вопросы

Как рассчитать цилиндр для подъёма груза?

F = m × (g + a) × k, затем сравнить с силой цилиндра p × S × 0,9. Для груза 100 кг, a = 2 м/с² и k = 1,15 нужно около 1 358 Н.

Какой цилиндр взять на груз 100 кг?

SI Ø63 при 0,7 МПа даёт около 1 964 Н, запас около 1,45. При 0,6 МПа запас 1,24, поэтому берите Ø80 (запас 2,0).

Как не уронить груз при обрыве воздуха?

Пилотным обратным клапаном PCV в линии поршневой полости, у самого порта. Он запирает полость, но не заменяет механический упор.

Можно ли остановить груз посередине хода?

Да, распределителем 5/3 с выхлопом в центре, например 4V230E. Центр «закрыто» вместе с пневмозамками не работает.

Как сделать подъём плавным?

Дросселями с обратным клапаном AS на выпуске: они задают скорость и ускорение.

Сколько воздуха расходует манипулятор?

SI Ø63, ход 300 мм, 0,7 МПа: около 7,4 нл на подъём и 6,7 нл на спуск, цикл около 14 нл.

Какая масса груза допустима?

Это зависит от конструкции манипулятора и не определяется расчётом цилиндра. Нормативные требования к подъёмным устройствам уточняйте у проектировщика и эксперта.

Ещё по теме: артикулы, аналоги и статьи (3)

• Синхронизация двух пневмоцилиндров
• Клапан не держит давление
• Пневматика зимой