Pneumatikzylinder - Arbeitsprinzip und Typen

Ein pneumatischer Zylinder wandelt die Energie von Druckluft in eine hin- und hergehende lineare Bewegung um. Sie sind einfach zu bedienen und eine kostengünstige Lösung, um Lasten linear zu bewegen, weshalb sie häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen Automatisierung erforderlich ist, wie z. B. in der Fertigung, an Montagelinien und in der Robotik. Dieser Artikel gibt einen vollständigen Überblick darüber, wie pneumatische Zylinder funktionieren, die verschiedenen Arten von pneumatischen Zylindern, ihre wichtigen Eigenschaften und wie man sie für eine Anwendung auswählt.

Inhaltsübersicht

• Pneumatische Zylinderteile
• Funktionsprinzip eines Pneumatikzylinders
• Hublänge, Geschwindigkeit und Zeit
• Berechnung der Kraft
• Normen
• Kolbenstangenlose Zylinder
• Dämpfung
• Zubehör für Pneumatikzylinder
• Symbole
• Auswahlkriterium
• Wartung von Pneumatikzylindern
• FAQs

Pneumatische Zylinderteile

Abbildung 2 zeigt die Hauptkomponenten eines doppeltwirkenden Pneumatikzylinders.

• Anschluss am Kopfende (A): Die Kappe am hinteren Ende des Pneumatikzylinders, in die Druckluft ein- oder austreten kann.
• Zugstange (B): Zugstangen sind lange Stangen, die den Pneumatikzylinder zusammenhalten. Sie verlaufen über die gesamte Länge des Pneumatikzylinders und verbinden die Kappen- und Gelenkköpfe miteinander.
• Stangenende-Anschluss (C): Die Kappe am Stangenende des Pneumatikzylinders, in die Druckluft ein- oder austreten kann.
• Kolben (D): Ein scheibenförmiges Element, das sich im Inneren des Zylinders bewegt. Sie bewegt sich als Reaktion auf Luftdruckänderungen und ist mit der Kolbenstange verbunden.
• Fass (E): Der zylindrische Körper, der den Kolben enthält.
• Kolbenstange (F): Die Kolbenstange ist mit dem Kolben verbunden und bewegt sich mit ihm, um eine lineare Bewegung zu erzeugen. Das Ende der Kolbenstange ist in der Regel an einem Anbaugerät oder der Last befestigt.

Erfahren Sie mehr über diese Teile in unserem Artikel über Pneumatikzylinderteile.

Funktionsprinzip eines Pneumatikzylinders

Das allgemeine Funktionsprinzip eines Pneumatikzylinders hängt davon ab, ob es sich um einen einfach oder doppelt wirkenden Zylinder handelt. Eine kurze Beschreibung finden Sie weiter unten, aber lesen Sie auch unseren Artikel über einfachwirkende und doppeltwirkende Pneumatikzylinder, um mehr zu erfahren.

Einfachwirkender Pneumatikzylinder

Ein einfach wirkender Pneumatikzylinder verwendet Druckluft, um den Kolben nur in eine Richtung zu bewegen. Eine mechanische Feder bewegt den Kolben in seine Ausgangsposition. Abbildung 3 zeigt die beiden Gestaltungsmöglichkeiten. Abbildung 3 Kennzeichnung A zeigt, dass die Feder den Kolben nach außen ausfährt und die Druckluft den Kolben nach innen zurückzieht. Abbildung 3 Kennzeichnung B zeigt, dass die Feder zum Einfahren des Kolbens und die Druckluft zum Ausfahren des Kolbens verwendet wird. Einfachwirkende Zylinder werden häufig für ausfallsichere Anwendungen verwendet, bei denen der Kolben bei Druckluftverlust eine bestimmte Position einnehmen muss.

Aufgrund der entgegengesetzten Federkraft liefern einfachwirkende Pneumatikzylinder keine gleichmäßige Ausgangskraft über den gesamten Kolbenhub. Außerdem ist der Hub von einfachwirkenden Zylindern aufgrund des Platzbedarfs für die Druckfeder begrenzt.

Doppelt wirkender Pneumatikzylinder

Doppelt wirkende Pneumatikzylinder ermöglichen eine vollständige Kontrolle der Kolbenbewegung. Abbildung 4 zeigt, wie sich der Kolben und die Kolbenstange bewegen, wenn Druckluft in die kopf- und stangenseitigen Anschlüsse eintritt.

• Positive Position (A): Die Stange wird aus dem Körper herausgezogen.
• Negative Position (B): Die Stange wird in den Körper zurückgezogen.

Die Druckluft strömt in den Anschluss am Kopfende ein und drückt den Kolben nach vorne, wodurch die Kolbenstange verlängert wird (Abbildung 3, Kennzeichnung A). Die Luft tritt aus der Auslassöffnung am Stangenende aus. Zum Einfahren der Kolbenstange wird Druckluft in den Anschluss am Stangenende eingeleitet, die Luft aus dem Auslassanschluss am Kappenende verdrängt und den Kolben zum Einfahren zwingt (Abbildung 3, gekennzeichnet mit B).

Doppeltwirkende Pneumatikzylinder ermöglichen eine vollständige Kontrolle, eine größere Kolbenhublänge und eine konstante Ausgangskraft über den gesamten Hub. Da sie Druckluft in beide Richtungen verwenden, verbrauchen sie mehr Energie. Sie können auch mit höheren Taktraten arbeiten. Ein doppelt wirkender Zylinder ist jedoch nicht für Systeme geeignet, bei denen der Zylinder bei einem Ausfall und dem Verlust der Druckluft in einer bestimmten Position stehen muss.

Hublänge, Geschwindigkeit und Zeit

Die Hublänge, die Vollhubzeit und die Geschwindigkeit eines Pneumatikzylinders haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistung und Effizienz des Zylinders in einem System.

• Länge des Hubs: Die Hublänge eines Pneumatikzylinders ist die maximale Strecke, die ein Pneumatikzylinder seine Last bewegen kann.
• Volle Hubzeit: Die Zeit, die benötigt wird, um die Zylinderstange vom vollständig ausgefahrenen in den vollständig eingefahrenen Zustand oder umgekehrt zu bringen.
• Geschwindigkeit: Die Geschwindigkeit der Kolbenstange ergibt sich aus der Division der Hublänge durch die Hubzeit.

Berechnung der Kraft

Bei der Auswahl eines Pneumatikzylinders ist es zunächst wichtig zu wissen, wie viel Kraft erforderlich ist, um die Last mit der gewünschten Geschwindigkeit zu bewegen. Der zum Bewegen der Last gewählte Zylinder sollte eine Kraft aufweisen, die etwas höher ist als die zum Bewegen der Last erforderliche Kraft. Erfahren Sie, wie Sie diese Berechnungen durchführen können, indem Sie unseren Pneumatikzylinder-Kraftrechner lesen.

Normen

Pneumatikzylinder sind in der Regel nach ISO-Normen konstruiert, so dass sie mit Produkten anderer Hersteller austauschbar sind. Daher hängen die Einbaumaße, die Zylinderbohrung, der Hub, die Kolbenstangeneigenschaften und die Luftanschlüsse von der Art/Norm und der Verwendung ab.

Rund ISO 6432 (8-25 mm)

ISO 6432 ist eine metrische ISO-Norm, die für Einstangen-Pneumatikzylinder mit Bohrungen von 8 mm bis 25 mm und einem maximalen Betriebsdruck von bis zu 10 bar (1000 kPa) gilt. Sie werden gemeinhin als Mini-Luftzylinder oder Rundzylinder bezeichnet. Dieser Pneumatikzylinder verfügt standardmäßig nicht über eine manuelle Dämpfungseinstellung. ISO 6432-Zylinder eignen sich für Automatisierungssysteme in den Bereichen Diagnoseinstrumente, Flaschenabfüllung, Automobilbau, Großküchen und Wäschereiausrüstung.

Anmerkung: Es sind Rundzylinder mit Bohrungen größer als 25 mm erhältlich. Aufgrund ihrer Größe entsprechen sie jedoch nicht vollständig der ISO-Norm 6432.

Profil ISO 15552 (32-320 mm)

ISO 15552 legt Normen für Einstangen- oder Zweistangen-Pneumatikzylinder mit einem maximalen Arbeitsdruck von bis zu 10 bar (1000 kPa) und Bohrungsgrößen von 32 mm bis 320 mm fest. Diese Norm gilt für Zylinder mit abnehmbaren Befestigungen. Die pneumatischen Zylinder der Serie ISO 15552 verfügen über eine einstellbare Dämpfung, die zu einer perfekten Dämpfung beiträgt. Daher eignen sich ISO 15552-Zylinder für die effiziente Bewegung großer Lasten. Sie werden im Allgemeinen in Automatisierungssystemen im Maschinen- und Anlagenbau sowie in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt. Die ISO 15552 hat die älteren Normen ISO 6431 und VDMA 24562 ersetzt.

Kompakt ISO 21287 (20-100 mm)

ISO 21287 gilt für Einstangen-Kompakt-Pneumatikzylinder mit einem maximalen Betriebsdruck von bis zu 10 bar (1000 kPa) und Bohrungsgrößen von 20 mm bis 100 mm. Diese Pneumatikzylinder-Serie ist nicht mit einer einstellbaren Dämpfung ausgestattet. An beiden Enden befinden sich jedoch Gummipuffer zur Dämpfung. Die ISO 21287 Pneumatikzylinder sind kompakt, leicht und eignen sich daher für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot.

Kolbenstangenlose Zylinder

Ein kolbenstangenloser Zylinder bewegt die Last entlang des Kolbens, anstatt die Last mit dem Kolben zu schieben oder zu ziehen. Diese Zylinder sind bei gleicher Hublänge kompakter. Sie haben in beiden Richtungen die gleiche Kraft und keine Knickung der Kolbenstange. Kolbenstangenlose Zylinder werden häufig für Materialtransport, Laden, Heben und Schneiden von Bahnen verwendet. Lesen Sie unseren technischen Artikel über kolbenstangenlose Zylinder für weitere Informationen.

Dämpfung

Die Bewegung des Kolbens in einem Pneumatikzylinder kann sehr schnell sein, wenn die Druckluft in den Zylinder eintritt. Diese schnelle Bewegung kann einen harten Stoß verursachen, wenn der Kolben auf den Kopf oder die Endkappe trifft. Dieser Stoß belastet die Komponenten des Luftzylinders, verursacht Geräusche und überträgt Vibrationen auf die Maschinenstruktur. Um dies zu verhindern, wird der Kolben durch eine Dämpfung an den Kappen abgebremst. Die Dämpfung kann auch verhindern, dass der Kolben von der Endposition abprallt (abprallt). Die meisten Pneumatikzylinder haben eine Endlagendämpfung auf eine der folgenden Arten:

• Flexible Stoßdämpfer: Diese Stoßdämpfer eignen sich am besten für langsame Betriebsgeschwindigkeiten, geringe Belastungen und kürzere Hübe. Ihr Material sind häufig Elastomere, die die Form eines Rings haben.
• Einstellbare pneumatische Dämpfung: Diese Art der Dämpfung ist für größere Pneumatikzylinder mit höheren Kolbengeschwindigkeiten oder stärkeren Kräften geeignet. Ein bestimmtes Luftvolumen, das in der Endposition des Kolbens eingeschlossen ist, dämpft den Stoß.
• Selbsteinstellende pneumatische Dämpfung: Diese Art der Dämpfung verwendet ebenfalls eingeschlossene Luft, um Stöße zu absorbieren, kann sich aber selbst an unterschiedliche Kräfte anpassen. Sie muss nicht manuell eingestellt werden. Die selbsteinstellende pneumatische Dämpfung eignet sich am besten für Anwendungen mit unterschiedlichen Kräften.

Zubehör für Pneumatikzylinder

Rückmeldung der Kolbenposition

Pneumatische Zylindersensoren liefern Rückmeldungen über die Kolbenposition an ein Steuerungssystem in automatisierten Maschinen und Anlagen. In der Regel ist der Kolben mit einem Magneten im Inneren des Zylinderkörpers ausgestattet. Dann kann ein Sensor am Gehäuse des Pneumatikzylinders angebracht werden, wie in Abbildung 6 dargestellt, um die Position des Kolbens zu ermitteln. Je nachdem, wo der Sensor angebracht ist, kann er das Ausfahren, das Einfahren oder einzelne Positionen entlang des Zylinderkörpers erkennen. Mehrere Sensoren können am Körper des Zylinders montiert werden, wenn eine Rückmeldung über mehrere Positionen erforderlich ist.

Reed-Sensoren sind der am häufigsten verwendete Sensortyp, da sie eine lange Lebensdauer haben (über 10 Millionen) und in der Regel nicht der erste Ausfallpunkt bei Anwendungen mit starken Stößen oder Vibrationen sind. Lesen Sie unseren Artikel über pneumatische Zylindersensoren , um mehr über deren Funktionsweise zu erfahren.

pneumatische Greifer

Ein pneumatischer Greifer ist ein Pick-and-Place-Gerät, das Druckluft zur Betätigung der Greiferbacken, auch Finger genannt, verwendet. Sie haben in der Regel zwei oder drei Finger und sind mit einem internen Pneumatikzylinder ausgestattet, der sie bedient und steuert. Sie werden meist in automatisierten Fertigungsprozessen eingesetzt, um ein Werkstück zu greifen. Lesen Sie unseren Artikel über pneumatische Greifer , um mehr darüber zu erfahren, wie sie funktionieren.

Montagezubehör

Das Montagezubehör dient zur Befestigung des Pneumatikzylinders oder zur Ankopplung der Kolbenstange an eine Last. Sie werden in der Regel auf der Grundlage der ISO-Norm des Pneumatikzylinders konstruiert. Die Montage des Zubehörs wirkt sich auf die Systemleistung, die Zuverlässigkeit und das Gesamtdesign aus. Flansche, Lebensmittelbefestigungen, Drehzapfen, Winkel und Kugelaugen sind nur einige der verschiedenen Montagezubehörteile. Lesen Sie unsere Artikel über Gelenkköpfe und Montagezubehör.

Symbole

Die ISO hat klar definierte Symbole für Pneumatikzylinder entwickelt, um deren Funktion in Schaltplänen zu unterscheiden. Diese Symbole sind unabhängig von den ISO-Normen für Pneumatikzylinder, dem Durchmesser oder dem Hub.

Doppelt wirkender Zylinder
Doppeltwirkender Zylinder mit Magnetkolben
Doppelt wirkender Zylinder mit einstellbarer Dämpfung
Doppelt wirkender Zylinder mit einstellbarer Dämpfung und Magnetkolben
Doppeltwirkender Zylinder mit durchgehender Kolbenstange, einstellbarer Dämpfung und Magnetkolben
Einfachwirkender Zylinder (Minus)
Einfachwirkender Zylinder (plus)

Auswahlkriterium

Die Auswahl eines Pneumatikzylinders hängt von den folgenden Faktoren ab. Lesen Sie unseren Artikel über die Auswahl eines Pneumatikzylinders, um mehr über die einzelnen Auswahlkriterien für Pneumatikzylinder zu erfahren:

• Macht
• Länge des Hubs
• Montageart
• Positionsrückmeldung
• Dämpfung
• Durchmesser des Zylinders
• Betriebsdruck
• Größe der Verbindung
• ISO-Normen

Wartung von Pneumatikzylindern

Pneumatische Zylinder sind zuverlässig, können aber mit der Zeit verschleißen und beschädigt werden. Dies führt zu einer schlechteren Leistung und im schlimmsten Fall zum Scheitern. Zu einer ordnungsgemäßen Wartung gehören Inspektion und Reparatur, die dazu beitragen können, Probleme mit dem Zylinder zu vermeiden und seine Lebensdauer zu verlängern.

FAQs

Wozu dient ein Pneumatikzylinder?

Ein Pneumatikzylinder ist ein mechanisches Gerät, das die Energie der Druckluft in eine lineare Hin- und Herbewegung umwandelt.

Können Druckluftzylinder mitten im Hub anhalten?

Doppeltwirkende Zylinder sind in der Lage, mitten im Hub zu stoppen. Für hochpräzise Anwendungen sollten spezielle Schließzylinder und Positionsrückmeldungen verwendet werden.

Wie funktionieren Druckluftzylinder?

Ein doppelt wirkender Pneumatikzylinder verwendet Druckluft, um einen Kolben ein- und auszufahren, während ein einfach wirkender Pneumatikzylinder Druckluft für eine Bewegung in eine Richtung und eine Rückholfeder für die andere verwendet.

Was bedeutet der Hub bei Pneumatikzylindern?

Der Hub ist die Gesamtstrecke, die die Kolbenstange in einer Richtung zurücklegen kann.