МУСКУЛЫ ИЗ ВОЗДУХА

Наука и жизнь, 1989, №5

С некоторой натяжкой можно считать, что пневматический привод машин - один из древнейших. Ведь ветер давно уже служил человеку и в парусах кораблей, и в лопастях мельниц. При более строгом подходе пневмопривод, пожалуй, один из самых молодых, а поэтому и весьма перспективных.

Он используется для силового зажима деталей, движения инструментов, шаговой и прерывистой подач по прямой и по окружности, применяется при резке, прессовании, сборке и множестве других технологических операций. Достаточно сказать, что примерно половина промышленных роботов имеет пневматический привод.

Его принципиальная идея чрезвычайно проста. Компрессор сжимает воздух. Эта газовая «пружина» хранит накопленную потенциальную энергию до тех пор, пока воздух не подадут в пневматический двигатель. При расширении потенциальная энергия перейдёт в кинетическую энергию выходного звена, например, поршня со штоком, который, в свою очередь, приведёт в движение рабочий орган машины.

Кроме простоты конструкции, пневматический привод обладает множеством достоинств. Прежде всего всегда под рукой рабочее тело, оно в прямом смысле слова берётся «из воздуха». К тому же после использования туда же и выбрасывается, причём почти без всяких экологических неприятностей. А поскольку воздух гигиеничен по сравнению с другими рабочими телами, то пневмопривод широко используется в пищевой, электронной, фармацевтической промышленности, а также в точном приборостроении.

Установки с пневматическим приводом при прочих равных условиях получаются дешевле, надёжней, хорошо работают в жару и холод, не боятся высокой влажности и пыли, гарантируют полную пожаро-, электро- и взрывобезопасность. Срок службы пневмоприводов доходит до 20000 часов, рабочее усилие достигает нескольких тонн, а рабочие скорости в 5 раз выше, чем у гидропривода, причём и усилие, и скорость могут плавно регулироваться с помощью очень простых устройств. Во многих случаях пневмопривод удаётся соединить напрямую с рабочим органом машины, который, таким образом, приводится в действие без сложных механических передач. Другие важные преимущества по сравнению с электроприводом - возможность торможения до полной остановки под нагрузкой на неограниченное время и возможность обходиться без устройств, защищающих от перегрузки. Итак, достоинств множество, и пневмопривод, безусловно, оказался бы вне конкуренции, если бы у него не оказалось столь же многочисленных недостатков.

Избавиться от них тяжело, так как эти недостатки - органическое продолжение достоинств. Обусловлены они тем, что рабочее тело-воздух, сжимаемый газ. Из-за этого свойства невозможно осуществить плавное перемещение рабочих органов машины при колебаниях нагрузки, сложно остановить инструмент в строго определённой точке, а пневматическую команду по трубопроводу можно передавать только со скоростью звука. Поэтому в некоторых случаях удобными оказываются гибридные системы: пневмогидравлические (если нужна высокая плавность хода или точность остановки) и электропневматические (если необходимо обеспечить быстродействие).

Преимущество гидравлического привода - возможность использовать высокое давление рабочей жидкости (до 500 атмосфер). Оно позволяет создавать усилия в сотни и тысячи тонн при небольших размерах цилиндра. Почему же в пневмоприводе не применяют столь же высокие давления? Во-первых, его трудно создать в воздушном компрессоре, а во-вторых, опасно использовать. При разрыве трубопровода сжатый воздух разнесёт осколки, словно шрапнель. Итак, подводя итоги, можно утверждать, что, кроме тех случаев, когда требуются большие усилия и точность фиксации детали или рабочего инструмента, лучше всего использовать простой, дешёвый и надёжный пневмопривод.

В качестве пневматических двигателей используют самые различные механизмы: мембранные, поршневые, лопастные, турбинные... Но мало иметь двигатель, производящий механическую работу, нужно ещё управлять его движением, а для этого необходимо решать три основные задачи: изменять направление прямолинейного и вращательного движения, плавно изменять его скорость и плавно регулировать создаваемое рабочее усилие. Для этой цели созданы всевозможные пневмоаппараты.

image

Мембранный исполнительный механизм. Сдвоенный пневмоцилиндр.

Расскажем несколько подробнее об этих механизмах. Простейший пневмодвигатель - мембранный исполнительный механизм с возвратной пружиной, которая сжимается при прямом ходе. Основные его преимущества - простота конструкции, герметичность рабочей полости и всего одна командная пневматическая линия. А главный недостаток - сравнительно малый рабочий ход. Мембранный механизм нашёл широкое применение в нефтехимической и газовой промышленности, а также на транспорте. Он открывает двери автобусов, приводит в действие тормоза железнодорожных вагонов и грузовых автомобилей.

Ещё более популярен среди машиностроителей поршневой пневмоцилиндр. Цилиндры одностороннего действия похожи на мембранные двигатели и имеют те же преимущества и недостатки. Пневмоцилиндры двухстороннего действия обеспечивают значительно большие рабочие хода, а потому чаще используются. До недавнего времени выходным звеном в таких двигателях служил только шток. Когда в одну из полостей цилиндра подаётся сжатый воздух, другая полость соединяется с атмосферой. Поэтому в пневмоцилиндре двухстороннего действия поршень со штоком могут находиться только в двух крайних устойчивых положениях - либо шток полностью втянут, либо полностью выдвинут.

Когда диаметр цилиндра ограничен, используют сдвоенный или даже строенный пневмоцилиндр. Он представляет собой два или три последовательно соединённых между собой цилиндра, работающих на один общий шток. При этом усилия, действующие на поршни, складываются.

Если пневмоцилиндр установлен вертикально, то при прекращении подачи сжатого воздуха его шток под действием силы тяжести может опускаться. Для предотвращения этого явления фирма ФЕСТО (Австрия) разработала пневмоцилиндр, в котором шток надёжно фиксируется специальным механизмом, а при подаче сжатого воздуха снова освобождается.

Передача движения с помощью штока имеет целый ряд недостатков. Во-первых, шток нужно уплотнять. Во-вторых, при полном выдвижении штока общая длина пневмоцилиндра увеличивается почти вдвое. В-третьих, величина рабочего хода ограничена жёсткостью штока - при большой длине хода шток начнет изгибаться.

За последние годы рядом зарубежных фирм разработаны бесштоковые пневмоцилиндры, лишённые этих недостатков. Так, фирма ФЕСТО разработала конструкцию, в поршень и каретку которой встроены сильные постоянные кольцевые магниты. При движении поршня за счет действия магнитных сил наружная подвижная каретка также перемещается вдоль оси цилиндра. С ней скрепляется рабочий орган машины. Это даёт следующие преимущества. Во-первых, общая длине цилиндра при движении поршня не изменяется, а во-вторых, такой цилиндр может обеспечить значительно больший рабочий ход по сравнению с обычным - до 10 и более метров. Кроме того, уплотнение необходимо только между поршнем и цилиндром, а сам цилиндр с двумя подводами сжатого воздуха становится герметичной конструкцией.

В бес штоков ом пневмоцилиндре фирмы ОРИГА (Швеция) поршень жёстко связан с размещённой на наружной поверхности цилиндра подвижной кареткой через раздвижную продольную щель. Уплотняется эта щель с помощью двух гибких стальных лент (внутренней и наружной) и постоянных магнитов. Жёсткая связь поршня с кареткой обеспечивает зависимость передаваемого рабочего усилия от давления сжатого воздуха, что выгодно отличает эту конструкцию от предыдущей.

В пневмоцилиндре фирмы БОШ (ФРГ) есть штоки с двух сторон поршня, но они представляют собой гибкую стальную ленту. Эти ленты уплотнены относительно цилиндра и передают движение наружной подвижной каретке через два ролика. При движении поршня вправо каретка движется влево, и наоборот. Каретка снабжена пневматическим тормозом, позволяющим останавливать её не только в крайних положениях, но и в любом промежуточном. Однако точность такого позиционирования невелика.

Не имеет штока и шланговый пневмодвигатель - полый резиновый шланг, вдоль оси которого по его внешней поверхности может перемещаться каретка с двумя роликами.

В пневмоцилиндрах при больших скоростях движения поршень может создавать удары в концах хода. Для их предотвращения созданы пневмоцилиндры с торможением, которое можно плавно регулировать с помощью дросселей - отверстий переменного сечения.

Для приводе патронов, зажима заготовок и пруткового материале на токарно-винторезных станках широко применяются вращающиеся пневмоцилиндры. Подвод сжатого воздуха к ним осуществляется через специальную муфту. Корпус цилиндра может вращаться вокруг продольной оси, а муфта остаётся неподвижной.

Существует целый ряд ударных технологических операций, например, штамповка. Для них разработаны ударные пневмоцилиндры, в которых потенциальная энергия сжатого воздуха преобразуется в кинетическую энергию удара. Ещё один вид пневмодвигателей - камерные или баллонные. Они применяются в муфтах и тормозах прессов, используются в качестве автомобильных домкратов, «пневмоматов» для подъёма массивных конструкций, например, в самолетостроении, в пневматической подвеске шасси автомобилей. Такая подвеска позволяет регулировать дорожный просвет (клиренс) автомобиля.

Часто возникает необходимость вращать рабочий орган машины. Для этой цели применяются поворотные пневмодвигатели, чаще всего поршневые и шиберные (лопастные). В поршневом два поршня связаны общим штоком, на котором есть зубчатая рейка, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом. Вал последнего является выходным звеном пневмодвигателя. Под действием сжатого воздуха поршни со штоком совершают возвратно-поступательное движение, которое преобразуется во вращение выходного вала.

В шиберном пневмодвнгателе корпус выполнен в виде кольца с неподвижной перегородкой. Внутри этого корпуса под действием сжатого воздуха может поворачиваться уплотнённая лопасть (или шибер), также связанная с выходным валом.

В пневмомоторах потенциальная энергия сжатого воздуха преобразуется в многооборотное вращательное движение выходного вала. Существует много разновидностей пневмомоторов - шестерённые, пластинчатые, турбинные, винтовые. Наибольшее распространение получили пластинчатые и турбинные пневмомоторы, особенно для привода пневмоинструментов - сверлильных и шлифовальных машин, отвёрток, гайковёртов, ножниц, напильников и многих других. Главное их достоинство - полная электро- и взрывобезопасность.

Уже говорилось, что недостатков пневмопривода, связанных со сжимаемостью воздуха, лишён комбинированный привод - пневмогидравлический. В этом определении слово «пневмо» недаром стоит на первом месте. Источником энергии в нём служит сжатый воздух. Этот привод представляет собой два цилиндра - пневматический и гидравлический, поршни и штоки которых жёстко скреплены друг с другом, что обеспечивает высокую плавность хода. Скорость перемещения регулируется с помощью дросселя, установленного на перепускном трубопроводе.

Если сообщение между полостями гидроцилиндра перекрывать с помощью клапана, благодаря несжимаемости жидкости можно останавливать поршень со штоком в любом промежуточном положении, то есть осуществлять точное позиционирование. Такой комбинированный привод обладает всеми положительными свойствами своих «родителей», кроме одного: он не создаёт больших рабочих усилий. Это и понятно. Ведь источником энергии служит сжатый воздух небольшого (по сравнению с гидравлическим приводом) давления.

Большие усилия обеспечивает пневмогидроусилитель. В нем источником энергии служит сжатый воздух, давление которого через шток передаётся маслу. В гидроцилиндре давление в десятки раз больше, чем давление сжатого воздуха, - это зависит от соотношения площадей поршня и штока. Применение пневмогидроусилителей особенно удобно в зажимных устройствах станков. В них при перемещении зажимных губок до соприкосновения с изделием нужно низкое давление, а для обеспечения зажима изделия - высокое давление. Подобные усилители нашли также применение в тормозных устройствах различных машин и в приводе инструментов, например, свёрл, где они обеспечивают повышенный крутящий момент. Такие усилители фирмы МЕКМАН (Швеция) обеспечивают давление масла 250 атмосфер при давлении сжатого воздуха всего 10 атмосфер!

Остановимся более подробно на применении пневмопривода в промышленных роботах-манипуляторах. Развитие робототехники началось с создания наиболее простых и лёгких промышленных роботов, поэтому пневмопривод оказался очень кстати.

Обычно звенья манипулятора представляют собой жёсткие конструкции. Каждое звено снабжается своим приводом - подобно тому как плечо, предплечье и кисть руки человека имеют свои мышцы. Число звеньев (или их приводов) определяет число степеней подвижности робота. У большинства существующих роботов это число не превышает шести-семи. А ведь число степеней подвижности определяет маневренность манипулятора, в том числе способность обходить или огибать препятствия. Кисть руки человека имеет 22 степени подвижности.

Недавно в СССР разработан пневматический исполнительный механизм переменной жёсткости. Такой механизм, напоминающий змею, позволяет создать манипулятор с бесконечным числом степеней подвижности. Он представляет собой полую гибкую оболочку с несколькими продольными камерами. При подаче равных давлений во все камеры манипулятор занимает вертикальное положение, а при подаче различных - изгибается в сторону камер с меньшим давлением.

Во Франции разработан пневматический робот «Седром-3», который, подобно червю, передвигается перистальтическим способом - за счёт последовательных растяжений и сокращений его гибкого «тела». Оно состоит из трёх секций. Каждая из них представляет собой эластичную гофрированную трубку, похожую на шланг противогаза. Такой робот-«червь» может ползать по любому каналу, трубе, плоской, выпуклой или вогнутой поверхности, в горизонтальном или даже в вертикальном направлении. Он может делать повороты на угол до 90°, двигаться в рыхлой среде - в песке, зерне, снегу, мусоре.

В состоянии покоя этот робот имеет в длину 3 м и диаметр 120 мм. Вес его - 10 кг, сила тяги - 80 кг, скорость перемещения - более 1 м/мин. Он может «проползать» расстояния более 30 м и выдерживать температуру до 80° С.

В Японии для привода робота применены трубчатые эластичные камеры, наполняемые сжатым воздухом. Такой привод представляет собой отрезок резиновой трубки, заключённый в оплётку из синтетического материала. При подаче сжатого воздуха трубка начинает расширяться по диаметру и сокращаться по длине в осевом направлении - подобно мышце. Резиновая трубка с двух сторон оканчивается металлическими цоколями. Для управления каждой степенью подвижности робота применяют два таких резиновых привода. Один из металлических цоколей каждого привода укреплён неподвижно, а другие связаны между собой гибким тросом, перекинутым через шкив. Этот шкив связан с одним из звеньев руки робота. При увеличении давления в одном из приводов он «сокращается», а при одновременном уменьшении давления на ту же величину другой привод «расслабляется» (то есть удлиняется). В результате трос перемещается, вращает шкив и звено руки робота. Управляют таким роботом с помощью микроЭВМ. Малая масса и гибкость делают его неопасным для человека.

Благодаря своей простоте этот робот можно использовать для выполнения многих несложных операций, например, лакировки деталей. Главное, за счёт применения резиновых «мускулов», наполняемых сжатым воздухом, удалось достигнуть небывалого соотношения между массой робота (6 кг) и поднимаемого груза (2 кг) - 3:1. Ведь обычно это соотношение составляет 10 : 1 и более. Но до человека такому роботу ещё далеко. Вспомним, что штангисты поднимают вес, в 2-2,5 раза превышающий их собственный. Так что конструкторам роботов рано еще успокаиваться!

Каковы же перспективы развития пневмопривода? По данным известной фирмы ФЕСТО (Австрия), полный объём производства средств пневмопривода в Европе, США и Японии в 1986 году составил 6,5 миллиарда марок ФРГ. Этих средств достаточно для производства 200.000 комфортабельных автомобилей среднего класса!

В развитых капиталистических странах многие десятки крупных и мелких фирм производят оборудование пневматического привода самого широкого ассортимента. Наиболее крупные из этих фирм - ФЕСТО, Вабко-Вестингауз (ФРГ), Мартоиэр (ФРГ), Мекман (Швеция). Номенклатура элементов пневмопривода фирмы ФЕСТО составляет несколько тысяч единиц, в том числе пневмоцилиндры различных типов с диаметрами от 6 до 320 мм, рабочим ходом от нескольких миллиметров до нескольких метров, и управляющее ими оборудование всех размеров - с сечениями отверстий для прохода воздуха от 2,5 до 20 мм.

В странах СЭВ также производится оборудование пневмопривода - в НРБ, ГДР и прежде всего в ВНР (совместное производство с фирмой Мекман) - широкого ассортимента и высокого качества. Посмотрим, каково положение с производством и использованием пневмопривода в отечественной промышленности. Иначе как плачевным его назвать нельзя.

Централизованное производство оборудования пневмопривода и снабжение им всех отраслей машиностроения осуществляет Министерство станкоинструментальной промышленности. Производством пневмоаппаратуры в нём занимаются всего 4 предприятия, причём пневмоцилиндры для машиностроения всей страны делает Орджоникидзевский опытный (!?) завод пневмооборудования. Его номенклатуру составляют всего 58 моделей пневмоцилиндров.

Небольшое количество поворотных пневмодвигателей и длинноходовых пневмоцилиндров для промышленных роботов делает симферопольское производственное объединение «Пневматика». Миниатюрных пневмоцилиндров и пневмоцилиндров с торможением не делает ни одно предприятие Минстанкопрома. Всего выпускается 150 моделей пневмоцилиндров без торможения, а требуется - 1000. Пневмоцилиндров с торможением требуется 1200 моделей. Поворотных пневмодвигателей выпускается всего 4 модели, а требуется 24 (все приведённые цифры - по данным ВНИИгидропривод, г. Харьков).

Некоторые отрасли машиностроения организовали собственное производство пневмоприводов. Так, Мытищинский завод вагонов электропоездов и метро выпускает пневмоцилиндры для привода дверей этих вагонов. Автомобильная промышленность выпускает мембранные пневмоприводы для тормозных систем автомобилей и привода дверей автобусов. Однако эти отдельные примеры не меняют общей картины.

Качество трущихся поверхностей и резиновых уплотнений пневмооборудования, выпускаемого Орджоникидзевским опытным заводом и симферопольским ПО «Пневматика», очень плохое. Это приводит к низкой надёжности и недостаточному сроку службы оборудования. И это в то время, как выпускаемые в ВНР пневмоцилиндры обеспечивают 50 миллионов двойных ходов, чего хватает на весь срок службы практически любой машины!

Не лучше и положение с выпуском распределительной и регулирующей аппаратуры, а также аппаратуры подготовки сжатого воздуха. Номенклатура её очень узка, а качество и надёжность (за исключением аппаратуры московского ПО «Пневмоаппарат») низкие. Всё это привело к очень малому использованию пневмопривода в отечественном машиностроении. Особенно не хватает миниатюрной аппаратуры пневмопривода.

При освоении производства новых машин по лицензиям зарубежных фирм необходим перевод на отечественные комплектующие изделия, в том числе и для пневмопривода. При этом каждый раз камнем преткновения является отсутствие необходимой отечественной аппаратуры пневмопривода, и её приходится за валюту покупать за рубежом.

Ускоренное развитие отечественного машиностроения и создание техники высокого уровня невозможно без создания современной базы для производства всех видов привода, в том числе и пневматического. Без быстрого и оперативного решения этой важнейшей задачи наше машиностроение не сможет двинуться вперёд и стать конкурентоспособным на мировом рынке.

Кандидат технических наук В. ЛЕВИН.

Линейные пневмодвигатели

Пневмоцилиндр двухстороннего действия

Linear two-stroke pneumatic motor

Пневмоцилиндр одностороннего действия

One-stroke pneumatic motor

Бесштоковый пневмомагнитный цилиндр

image

Бесштоковый пневмоцилиндр

image

Канатный пневмоцилиндр

image

Шланговый пневмодвигатель

image

Пневмоцилиндр с торможением

image

Вращающийся пневмоцилиндр

image

Ударный пневмоцилиндр

image

Камерный пневмодвигатель

image

Поворотные пневмодвигатели

Поршневой с реечной передачей

image

Шиберный (лопастной)

Schieber pneumatic motor

Пневмороторы

Шестерённый

image

Роторно-пластинчатый

image

Турбинный

image

Пневмогидравлический привод

image

Пневмогидравлический усилитель

image

Пневматический двигатель "Змея"

Pneumatic motor Snake

Пневматические "мышцы"

image

BACKHOME