機器選定 #18：エアシリンダ — 力とストロークによる内径と取付
エアシリンダは、不利な条件で機構に必要な力を計算し、その後、ストローク、横荷重、速度、取付形式、緩衝を確認して選びます。大きな内径は理論的な力を増すだけで、偏心負荷、曲がったロッド、ストローク終端の衝撃、空気喪失時に機構が落下するリスクを自ら扱いはしません。正しい選択は、通常の運動と、停電・圧力喪失・保守時の状態の両方を記述する必要があります。
早見比較
| シリンダ・機構の形式 | 適するとき | 先に確認すべき点 | 誤選定のリスク |
|---|
| ロッド付き標準シリンダ | 一軸の押し・引き、単純な取付 | 前進・後退の力、ストローク、ロッド荷重、取付形式 | ロッドの横荷重、ストローク終端の衝撃 |
| コンパクトシリンダ | 垂直空間が短い、限られたストローク | 取付空間、外部案内、センサ | 案内の代わりにコンパクト本体でモーメントを受ける |
| ガイド付きシリンダ | スライドテーブルやモーメントのある負荷 | 荷重、質量中心、許容モーメント | シリンダの力が十分でも案内が過負荷 |
| ロッドレス・スライダシリンダ | 長いストローク、総長を短くしたい | シール、案内、荷重、保護 | 偏心負荷や検出しにくい空気漏れ |
| 単動シリンダ | 一方向の作動、ばね・負荷で戻す | 作動方向の力、戻し力、空気喪失時の状態 | 戻りが不完全、または不安全な停止状態 |
機構での運動から始める
動かす対象、力の作用点、運動方向、有効ストローク、重力の方向、案内点を描きます。機構がクランプするなら、必要な力はロッド端だけでなくクランプ爪にあります。スライドテーブルなら、負荷は案内中心に対して偏心して位置し得ます。昇降機構なら、シリンダが停止していても、可搬荷重は常に落下方向に存在します。この図は、選んだあとの図示の段階ではなく、シリンダを選ぶための入力です。
サイクルを明確に記録します。どこで始まり、どこまで前進・後退し、加減速の時間、保持時間、毎分の回数、同時に走るステーションの数です。これらの数値が、流量、弁のサイズ、空気消費、消音器を通じて生じる熱を決めます。材質・環境も記録します。溶接の粉塵、切削油、水洗、熱、薬品、食品区域、清浄の要求です。シール、ロッド材質、グリス、センサは、その同じ条件で選ぶ必要があります。
力の計算：理論的な力と有用な力を区別する
ロッドのない側の理論的な力は、加えた圧力にピストン面積を掛けて計算します。ロッド側では、ロッドの断面積を引く必要があるため、有効面積が小さくなります。したがって同じ圧力で、複動シリンダの引く力は通常、押す力より小さくなります。式は内径を比べる出発点です。正確な系列のカタログだけが、モデルを確定するための力、圧力範囲、適用条件を与えます。
設計の力は、案内の摩擦、ばね力、運動方向に沿う重力成分、圧入や分離のような加工の力、加速の影響を含む必要があります。スライドレールのある水平運動では、摩擦は案内形式、潤滑、清浄度、荷重に依存します。垂直運動では、加速、カウンタバランス、力伝達機構があるなら、質量に重力を掛けるだけでは不十分です。SMCも、シリンダの数値はモデル選定の指針であり、抵抗力は作動圧力で変わると記します。したがって表の最大の力の値で計算を置き換えないこと。
安全率は、すべての機械に固定の数値を持ちません。摩擦、荷重、空気漏れ、最低圧力、取付誤差、力に達しなかったときの結果の変動を反映する必要があります。計算シートに仮定を明確に示します。シリンダポートでの圧力、計算した抵抗力、水平・垂直・傾斜の運動、案内機構、不利な条件です。仮定が変わるとき、例えばより重い治具を加えるとき、計算を見直す必要があります。
内径とストローク：常に一緒に行く二つのパラメータ
最小の力を得たあと、カタログ範囲内で内径を選び、最低作動圧力で力を再確認します。コンプレッサの圧力や主レギュレータの値を、シリンダでの圧力として取らないこと。圧力は、FRL、弁、チューブ、継手を通じて、また多くの機構が同時に動作するときに下がり得ます。FRLのエア処理の選定の記事は、この上流の部分の確認に役立ちます。
公称ストロークは、必要な運動と妥当な調整を覆う必要がありますが、「念のため」だけで延ばすべきではありません。長いストロークは、本体長、サイクルあたりの空気量、応答時間、圧縮下でのロッドのたわみ・座屈のリスクを増します。中間位置や複数の停止点が必要なら、長ストロークのシリンダが位置決めを自ら解決すると期待するのではなく、伝達機構、案内、センサを見直します。機械的なエンドストップ、調整シム、治具の公差は、レイアウトに示す必要があります。
長いストロークでは、正確なカタログに従ってロッドの座屈限界も確認します。圧縮力、ロッド径、自由長、両端の取付形式が、座屈能力を変えます。十分な力を与える内径のシリンダでも、ロッドが細い、または取付が自由長を大きくするために、不適なことがあります。別の系列の数値で結論しないこと。メーカーは、構造、案内、具体的な取付で限界を決めます。
取付形式が力の経路を決める
取付形式は、付いてくる付属品ではありません。前フランジ、後フランジ、フット取付、クレビス、トラニオン、直接取付は、力とモーメントがシリンダから機械フレームへどう伝わるかを変えます。問います。シリンダはどこで保持されるか、ロッド端はどの継手でつながるか、機構は継手まわりに回るか、フレームは十分に剛か、取付誤差はシールへ、またはどの案内へ蓄積するか。
剛な両端取付は、運動軸がよく調整されているときに適します。クレビスやロッドエンド継手は、回転機構で角度誤差の一部を補償できますが、シリンダを横荷重の要素にはしません。トラニオンは、シリンダが機構とともに回ることを許し、掃引空間と重力方向の確認を要します。すべての形式で、ピン、ナット、センサバンド、エアポートの保守接近を図面に残す必要があります。
よくある誤りは、ロッド端に外部負荷を吊り、ピストン・ロッドにモーメントを受けさせることです。ロッドは軸方向の力の伝達を優先して設計されており、横荷重とモーメントは、リニアガイド、スライドテーブル、別の案内機構を通るべきです。空間が負荷をロッド端の近くに強いるなら、案内から力点と質量中心までの距離を計算に入れる必要があります。「軽負荷」とだけ書かないこと。
ガイド付きシリンダが必要なとき
ガイド付きシリンダやスライドテーブルは、負荷が方向を保つ必要があるとき、軸外の加工力があるとき、治具がモーメントを作るときに適します。SMCのガイド付きシリンダのカタログは、荷重、質量中心、許容モーメントの確認を要求します。例えば傾いたスライドテーブルは、軸方向の力だけでなく負荷からのモーメントを計算する必要があります。これはすべてのメーカーに良い原則です。許される案内形式と取付で、正確なモデルの荷重・モーメント図を読みます。
シリンダ内径だけでなく、荷重で案内を選びます。軸まわりの三つのモーメント、全ストロークでの質量中心位置、押し・圧入のような外力、加速を見ます。アームや治具がてこの腕を変え得るため、開閉の状態も確認します。負荷がストローク終端で揺れるなら、内径を増しても案内の部分は直りません。機構がより大きな力と速度を持つため、衝撃をさらに悪くさえし得ます。
速度、緩衝、空気消費
シリンダの速度は、流量、室容積、負荷、圧力、排気・給気の調整の結果です。方向切替弁、スピードコントローラ、チューブ、継手、フィルタ、消音器が、いずれも関わります。回路が適切な流量能力を持ったあとに、速度の調整にスピードコントローラを使います。小さすぎる弁・チューブを覆い隠すために絞りを締めすぎると、通常、不安定な運動と再現しにくいサイクル時間を生みます。方向切替の回路の部分を確定するには、2/3/5ポート電磁弁の選定の記事を参照してください。
ストローク終端は、運動エネルギー、運動する質量、頻度を見るべき箇所です。一体形のエア緩衝は、カタログが許す荷重・速度の範囲内で適し得ます。大きな負荷、高速、正確な停止の要求には、ショックアブソーバや適切なストッパ機構を使い、フレームへ伝わる反力を確認します。主要な変数を固定する前に緩衝を調整しないこと。メーカーの指針に従い出発点を設定し、遅い状態から目標条件まで試験し、設定を記録します。
空気消費は、源のサイズ、FRL、運転費用に影響します。必要より大きな内径を選ぶと、各サイクルでより多くの空気を給排し、弁・チューブも大きくする必要があり得ます。シリンダのデータは、総需要を見積もるために、作動圧力、ストローク、サイクル数、同時に走るアクチュエータ数とともに使う必要があります。目標は十分な力と安定したサイクルであり、最大の内径ではありません。
位置センサと取付隙間
多くのシリンダは、磁石ピストンと溝・バンド取付のセンサを使い、ストロークの両端近くで検出します。このセンサは機械的なエンドストップの代わりにならず、遊びがあるなら、スライドテーブルや治具が正しい位置に達したことを自ら証明しません。シリンダ形式、溝形式、PNP/NPN出力、電源、コネクタ、温度範囲、環境でセンサを選びます。シリンダ位置センサの選定の記事は、センサの選び方をより詳しく示します。
レイアウトで、センサ、ケーブルの曲げ半径、ケーブルクランプ、調整の扱いのための空間を残します。センサのラベルは、I/O図と機械位置に合うべきです。立ち上げでは、実際の負荷を取り付けた状態でも、低圧と定格圧でストロークの両端を確認します。サイクル時間がセンサ信号を次工程の条件に使うなら、PLC・フィルタのばたつき防止の時間と、センサがONになったばかりのときに機械部がまだ落ち着いていない可能性を考慮します。
空気喪失、停電、垂直負荷
圧縮空気は、機械停止、ロックアウト、源圧の低下、チューブの破損により失われ得ます。昇降シリンダでは、負荷が下がってよいか、保持すべきか、別の機構で支えるべきかを決める必要があります。5/3中間閉の弁は、漏れ、空気の圧縮性、負荷の構成、安全の要求が残るため、一般的な答えではありません。機械ブレーキ、ロッドロック、カウンタバランス、機械的なピン、ストップブロック、またはリスク評価を通った安全の解が要ることがあります。
望む状況を仕様に記録します。24 VDCの喪失、エア源の喪失、E-stop、リセット、保守です。また、保守がシリンダ内に残る圧力に頼らないよう、圧力排出・ロックアウトの点を設計します。この作業は機械全体のリスク評価に関わります。インテグレータは、シリンダのモデルを受け入れる前に、安全アーキテクチャを確定する必要があります。
再確認できる選定手順
- 機構、荷重、ストローク、サイクル、重力方向、環境の図を作る。
- 低圧と不利な荷重・摩擦で必要な力を計算し、前進と後退の力を区別する。
- 正確な系列のカタログから内径、ロッド、ストロークを選び、力、座屈、圧力範囲、温度を確認する。
- 力の経路で取付形式と継手を選び、横荷重やモーメントがあるとき案内を加える。
- 速度、弁、チューブ、スピードコントローラ、緩衝・ショックアブソーバ、空気消費を確認する。
- センサ・ケーブルを選び、取付空間を残し、停電・空気喪失の状態を確認する。
- 実際の負荷、最低圧力、最高サイクルで試験し、結果を機械の記録に保存する。
避けるべき失敗
- 手元のリストから内径を選び、あとから力を説明しようとする。
- ピストンの押す力で、ロッド側の引く方向まで結論する。
- リニアガイドの代わりにロッドに横荷重・モーメントを受けさせる。
- 静的荷重だけを見て、加速とストローク終端の衝撃を落とす。
- 小ささのためにコンパクトシリンダを選ぶが、センサ、ポート、継手の空間を確認しない。
- 緩衝を非常停止のブレーキとみなす、または弁を空気喪失時の負荷保持の解とみなす。
BOMを確定する前のチェックリスト
- [ ] 前進・後退方向の必要な力、最低圧力、不利な荷重条件を得たか。
- [ ] 内径、ロッド、ストローク、座屈限界を正確な系列のカタログと照合したか。
- [ ] 取付形式、ロッドエンド継手、荷重経路は、ロッドへの横荷重を避けているか。
- [ ] 荷重、質量中心、モーメントを、必要なとき案内・スライドとともに確認したか。
- [ ] 弁、チューブ、絞り、緩衝、ショックアブソーバは、要求される速度・サイクルに達するか。
- [ ] センサ、ケーブル、保守空間はレイアウトにあるか。
- [ ] 停電、空気喪失、E-stop、ロックアウトは、評価された挙動を持つか。
MINATAは、BOMを確定する前に、機械チームとともに計算シート、機械レイアウト、エア回路、実負荷試験を見直せます。技術・製造チームに相談する。
参考
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