機械設計 #12：機械設計におけるエアシリンダの使い方 – 見落としやすい点

自動機において、エアシリンダは最も多く使われる機構の一つです。

ワークを押し出す。機械ユニットを引き戻す。製品を止める。軽く昇降する。一時的にクランプする。カバーを開閉する。部品を軽く位置へ押し込む。

こうした動作は一見単純です。シリンダ径を選び、ストロークを選び、電磁弁を付け、スピードコントローラを調整し、ストロークセンサを足せば、機械は動きます。

しかし実際の設計に入ると、エアシリンダには注意すべき点がかなりあります。

最初は見えない不具合があります。試運転は通ります。しかし数か月後、工場のエア圧が不安定になり、クッションが弱り始め、ロッドが横荷重を受け、エアチューブが想定より長く、あるいは作業者がスピードコントローラを違うふうに調整した——そのとき不具合が現れます。

本稿は、機械設計で エアシリンダ を使うときの基本的な点を書き留めたものです。

問題を複雑にするためではありません。空気圧機構を設計するときによくある誤りを避けるためです。

エアと電動で迷っているなら、こちらも読めます：エアシリンダを電動シリンダに置き換える – 選ぶ前に確認すべき点。

1. 都合の良すぎる圧力で推力を選ばない

エアシリンダを選ぶとき、多くの人は工場のエア圧を見て推力を計算します。

基本式は：

力 = 圧力 × ピストン面積

工場が 0.5〜0.7 MPa 程度で運転しているなら、カタログではかなり良い推力に見えます。

しかし機械設計は、良い条件のときだけを見るべきではありません。

実際の工場では、エア圧はさまざまな理由で下がりえます。

複数ラインが同時に稼働
どこかで漏れがある
作業者が余分にエアブローを使う
供給配管が長い
フィルタや弁が詰まっている
コンプレッサが当初ほど安定していない

そのため重要な機構を設計するときは、0.5 や 0.6 MPa ぎりぎりで力を選ばないことです。

より安全なやり方は、0.3 MPa 程度でも機構が十分な力を持つか確認することです。

必ず 0.3 MPa で設計する必要はありませんが、少なくとも確認すべきです。少し低い圧で既に動かないなら、後で現場不具合が起きる可能性が高いのです。

この点は非常に実務的です。

試験工場で組んだばかりの機械はうまく動くかもしれません。しかし顧客の工場に入ると、エア系が違い、配管が違い、エアの使い方が違い、結果が変わりえます。

2. 押し側の力と引き側の力は同じではない

見落としやすい点として、シリンダの押し側の力と引き側の力は同じではありません。

理由は、ロッド側はロッドが場所を取るぶん面積の一部を失うからです。

簡単に言えば：

押し側はたいてい有効面積が大きい
引き側はたいてい有効面積が小さい

そのため同じ圧力でも、押し側と引き側で力が異なりえます。

機構が軽く押すだけなら問題ありません。しかし両方向に負荷がかかる、あるいは引き側にも大きな力が必要なら、両側の力を確認しなければなりません。

カタログの一つの力の数値だけを見て、両方向が同じだと思い込まないことです。

さらに、同じシリンダ径・同じ圧力でも、実際の力はメーカーによって、構造、摩擦、効率、カタログの書き方でわずかに異なることがあります。実際の生産機を設計するときは、選んでいるメーカーのカタログデータを使うのが最善です。

3. 押付や当て押しに使うとき、全ストロークを使い切らない

エアシリンダを当て押し、軽い押付、部品を位置へ押し込む動作に使うなら、シリンダの全ストロークを使い切らないことです。

たとえば約 100 mm 押したいとします。

100 ストロークのシリンダを選び、ちょうど 100 mm を使い切ると、ストローク端でシリンダ内部の機械部が当てになりえます。そのときシリンダは、望むように力を出し続ける余裕ストロークがもうありません。

設計では余裕ストロークを残すべきです。

たとえば：

実際に必要な押しは 100 mm
100 ストロークを選んで使い切らない
125 ストロークか、少し大きいストロークを選ぶ
約 100 mm を使い、残りは押付機構／公差／調整のために残す

覚えやすい経験則は、当て押しにシリンダを使うとき、数 mm、機構にもよりますがおおむね 5 mm 以上 の余裕を残すことです。

5 mm という数字が全ての場合に使えるわけではありませんが、考え方は正しいのです。まだ作業力が必要なら、ストローク端でシリンダを固く止めきらない。

4. ストロークが小さすぎるとセンサも問題になりうる

エアシリンダは、たいてい本体に付けたセンサで出／入の位置を確認します。

十分なストロークがあれば大きな問題はありません。

しかし動作が小さすぎる、たとえば数 mm だけの場合、センサがまだ ON 領域にある、あるいは動作前後の状態がはっきり分けられない場合があります。

これはよく次で起こります。

短ストロークのシリンダ
エアチャックによるクランプ機構
位置決めのために軽く動くだけの機構
組立公差でセンサ調整が難しい機構
センサ位置が近すぎる

そのとき PLC は状態をはっきり読めないことがあります。機械は動いたと思う、あるいはまだ動いていないと思う——実際の機構はごくわずかしか動いていないのに。

そのため設計では、「シリンダがそのストロークを動けるか」だけでなく、「センサがその動作を安定して確認できるか」も見なければなりません。

ストロークが小さすぎる場合、外部センサ、専用ストッパ、あるいは別の位置確認方法を使う方が良いことがあります。

5. 緩衝：クッションがあれば終わりと考えない

エアシリンダは高速で走る、または負荷を持つと、ストローク端で衝撃が出ます。

処理法はたいていいくつかあります。

外部の機械式ストッパを使う
機械式ストッパとショックアブソーバを併用する
シリンダのオプションストッパを使う
ラバークッションやエアクッションなど、シリンダ内部のクッションを使う

しかし一点、はっきり理解すべきことがあります。

機構がシリンダの全ストロークを使わない、または停止点が外部ストッパにある場合、シリンダ内部のクッションは必ずしも効かないことがあります。

実際の多くの機構は専用ストッパで止まります。そのとき衝撃を主に受けるのは外部のショックアブソーバです。

そしてショックアブソーバにも寿命があります。

付けたら忘れてよい部品ではありません。

ショックアブソーバを選ぶときは、次を見る必要があります。

負荷質量
衝突速度
吸収エネルギー
衝突頻度
環境温度
取付姿勢
油、粉塵、水、金属くず
想定寿命
保全時の交換性

試運転では非常に滑らかなのに、しばらくするとショックアブソーバが弱り、機械が強く当たり始め、位置ずれ、ボルトの緩み、樹脂部品の割れを起こす機構があります。

これは初めは設計が正しく見えるだけに、なかなか厄介な不具合です。

6. 横荷重はシリンダを壊す非常に多い原因

エアシリンダは横荷重を受けるのを好みません。

その主な役目はロッドの軸方向に押す／引くことです。ロッドが横力を多く受けると、長期的に問題が出やすくなります。

起こりうる不具合：

ロッドが曲がる
シールが早く摩耗する
シリンダがエアを漏らす
動作が重くなる
機構が詰まる
ロッドに傷がつく
最悪の場合、座屈が起こりうる

とくに長ストロークのシリンダでは、横荷重のリスクはさらに大きくなります。

ロッド端がガイドの良くない機械ユニットを引く、またはワークが偏心力を加えると、ロッドは非常に横押しされやすくなります。

横荷重があるとき、シリンダに単独で受けさせないことです。

使うべきは：

リニアガイド
ガイドシャフト
ガイド付きシリンダ
スライドテーブル
専用の案内機構
小さなずれを吸収するならフローティングジョイント

単純な原則：

シリンダは力を出す。ガイドが横荷重を受ける。

とくに長ストロークや偏心負荷では、シリンダのロッドに主案内の役目まで負わせないことです。

7. 単動シリンダと2段ストロークシリンダには注意

用途によっては、ばね戻しの単動シリンダにも使い所があります。しかし連続稼働の生産機では、明確な理由がなければ、私はふつうこのタイプを優先しません。

理由は、戻し力がばねに依存するからです。長期的には、戻り状態が当初ほど安定しなくなることがあります。さらに、粉塵、摩擦の増加、機構が重くなるなどがあると、戻り動作は不具合を起こしやすくなります。

2段ストロークのシリンダも同様です。

便利に聞こえますが、機械設計に持ち込むと、機構が分かりにくくなり、入手しにくくなり、納期が長くなり、保全が難しくなることがあります。

本当に2つの中間位置が必要なら、多くの場合は2本の別シリンダを使うか、電動アクチュエータに切り替える方が制御しやすいです。

2段ストロークが使えないわけではありません。しかし「見た目がコンパクトそう」というだけで選ばないことです。

購入納期、交換部品、そして数年後に保全担当がその機構を理解できるかまで見る必要があります。

8. 詰まったスライド機構はシリンダを非常に危険に動かしうる

かなり危険な実務上の不具合として、スライド機構が軽く詰まることがあります。

シリンダが動いているときに摺動部が引っかかると、シリンダ室内の圧力が上がりえます。詰まり点が急に外れると、機構は非常に速く飛び出し、強く当たりえます。

簡単に言えば、「力を溜め込んで」から弾け出るのです。

これは人にも機械にも良くありません。

原因は次から来ることがあります。

ガイドの取付ずれ
摺動面の汚れ
金属くずの存在
機械ユニットの締めすぎ
偏心負荷
フローティングジョイントがない
組立公差でロッドが横押しされる
潤滑不足
ワークが可動域に噛み込む

空気圧機構では、シリンダの力が足りるかだけを見ないことです。摺動路が滑らかかを見なければなりません。

手で試運転するときは、エアを入れる前に機構を感じることです。手で引いて既に重いなら、エアを入れても自然に良い機構にはなりません。

9. 昇降シリンダは上げ側と下げ側の両方を確認する

エアシリンダを昇降機構に使うとき、多くの人は上げの力が足りるかだけを見ます。

しかし下げ側も重要です。

縦負荷では、下げ側は重力に引かれることがあります。スピードコントローラだけで調整すると、下げ動作を速く・滑らかに・安定して同時に成立させるのは、ときに非常に難しいのです。

見るべき点：

負荷はどれだけ重いか
エアが失われたら負荷は落ちるか
下げ側は自由落下しないか
スピードコントローラは安定して調整できるか
カウンターバランスが要るか
ロックシリンダが要るか
負荷保持弁が要るか
機械式ストッパが要るか
手を挟む、製品を落とす恐れはないか

とくに、下げ動作を滑らかにするため下げ側に低圧を供給したい場合、その調整は単純ではありません。空気圧は、縦動作で常に滑らかに制御しやすいわけではないのです。

落下リスクのある縦軸については、こちらも参照：エアシリンダ縦軸の落下防止設計。

10. 人が操作する機構は安全を最優先に考える

シリンダが人の作業する区域で動くなら、「ボタンを押せば動く」とだけ考えることはできません。

とくに半自動機、手操作の治具、単純な押付機構では、作業者が危険域に手を入れることがあります。

片手の押しボタン一つだけでシリンダを起動すると、手を挟むリスクは非常に大きいのです。

危険度に応じて検討します。

両手押しボタン
安全カバー
エリアセンサ
ライトカーテン
インターロック
ガードカバー
扉を開けたときの圧抜き弁
段取り時の安全速度
保全用の別マニュアルモード

これは初心者が軽視しやすい設計領域です。

機械が動くだけでは足りません。機械は実際の使用条件で動き、なお安全でなければなりません。

作業者が手で製品を置いてからボタンを押してシリンダを押し下げるなら、少なくとも手を挟むリスク、危険域、手がまだその域にある間に機械が動くのを防ぐ方法を見直さなければなりません。

11. エアシリンダで重量物を吊るなら、エア喪失を考える

エアシリンダで重いユニットを昇降させるときは、最悪の場合——エア喪失、圧力低下、停電、弁の不具合、チューブの外れ——を考える必要があります。

負荷が吊られたまま圧力が下がると、保持力が足りなくなることがあります。そのとき機械ユニットやワークは落下しえます。

これは機械の不具合にとどまりません。安全の問題です。

よくある処理法：

ロックシリンダを使う
機械式ストッパ機構を使う
負荷保持弁を使う
適切なパーフェクトブロックや落下防止弁を使う
補助の引きばねで落下リスクを減らす
機構が適すればカウンターウェイトを使う
安全なホーム位置を設計する
作業者の頭上で負荷を自由に吊らない

重要なのは、次の前提で設計することです。エアが失われたら何が起こるか。

答えが「ユニットが落ちる」なら、その機構はまだ十分ではありません。

12. 精密な動作が必要なら、2本のエアシリンダで同期させない

一見、2本のエアシリンダを並列で走らせて設計するのがとても簡単そうな機構があります。

たとえば、長いプレートを両側の2本のシリンダで持ち上げる。

しかし実際には、2本のエアシリンダは精密な同期を保証できません。

理由は、各シリンダに固有の摩擦があり、両側の負荷が異なりえて、エアチューブ長が異なり、弁が異なり、スピードコントローラの調整が異なり、圧力と流量も時間で変わるからです。

最初はかなり近く調整できても、時間が経つとやはりずれることがあります。

機構が相対的な押しだけを必要とし、精密な並行を要求しないなら、なお使えるかもしれません。しかし平面を持ち上げる、均等に押す、平行を保つ、ガイドの詰まりを避ける必要があるなら、注意が必要です。

より良い選択肢は：

1本のシリンダで機械リンクを介して引く
同期軸を使う
ラックアンドピニオンを使う
十分に硬いガイドを使う
位置制御が必要なら電動アクチュエータを使う
目的に応じてカムやリンク機構を使う

この件については別稿にまとめました：エアシリンダで2軸を同期させる – なぜ注意が必要か。

13. エア配管と空気圧調整ユニットも大きく影響する

空気圧機構が安定して動くかは、シリンダだけに依りません。

エアの経路も非常に重要です。

設計時に留意すべきは：

適切なエアフィルタがあるか
調整が要る各ユニットにレギュレータがあるか
ルブリケータが要るか
主配管は十分に大きいか
シリンダへの供給チューブが長すぎないか
細い管から太い管、また細い管へと通っていないか
弁がシリンダから遠すぎないか
高速が必要なとき急速排気があるか
機械ユニットで圧力を確認しやすいか

単純な原則は、エアの経路は理にかなった向きで流すことです。

太い主配管 → 細い分岐 → 弁／空気圧ユニット → シリンダ

エア経路を継ぎはぎで設計すると、最初は動くかもしれません。しかし機械が多くの機構を同時に動かすと、速度が不安定になりえます。

多ユニットの機械では、エアをグループに明確に分けるべきです。重要な各グループには、エアコンビネーション、少なくとも適切なフィルタ／レギュレータを設け、保全を容易にすべきです。

14. 保全：後の人が見ても分かるように設計する

空気圧設計は、機器を選んで回路を描くだけではありません。

後の保全担当のことも考えなければなりません。

小さいがとても役立つ点：

圧力計を見やすい位置にまとめる
エアチューブに明確にラベルを付ける
必要ならチューブを色分けする
設定圧を注記する
可能ならシリンダ／弁を同一メーカーにする
センサ交換のスペースを空ける
スピードコントローラ調整のスペースを空ける
ショックアブソーバ交換のスペースを空ける
継手を外しにくすぎる位置に置かない
ユニット可動時にエアチューブを折ったり張りつめたりしない

多くの機械は、設計原理が誤っているから壊れるのではなく、保全が難しすぎるから壊れます。

機械の奥深くに置かれたスピードコントローラは、調整にカバーや配線や治具を外す必要があるため、後で省かれたり誤調整されたりしやすいのです。

良い設計とは、最初に設計した人だけでなく、他の人も保全できるものです。

15. いつエアを残し、いつ他の案を見るか

エアシリンダは、機構が次なら依然として非常に良いです。

2点だけ走る
多点で止める必要がない
精密な力制御が要らない
データ記録が要らない
負荷が重すぎない
速度が敏感すぎない
高い位置決め要求がない
保全が単純である必要がある
コストを低くする必要がある

しかし機構が次なら案を見直すべきです。

複数位置が必要
機種ごとに位置を変える必要
押付力の制御が必要
OK／NG データの記録が必要
複数軸の同期が必要
危険な縦負荷がある
横荷重が大きい
ストローク端の衝撃が多い
非常に安定したタクトタイムが必要
頻繁に現場調整が必要

すべての機械に固定の答えはありません。

エアが悪いわけではありません。電動が常に良いわけでもありません。

重要なのは、その機構が何をしているか、要求がどこまでか、実運用後のリスクがどこにあるかです。

まとめ

エアシリンダは非常に使いやすい機構ですが、あまりに単純に設計すべきではありません。

エアシリンダを使うときは、少なくとも次の点を確認する必要があります。

工場の実際のエア圧
押し側の力と引き側の力
圧力低下時の安全率
押付／当て押しに使うときの余裕ストローク
センサが小さいストロークを確認できるか
ストローク端の衝撃とショックアブソーバの寿命
ロッドに作用する横荷重
スライド機構のガイド
機構が詰まって急に弾け出るリスク
縦動作と負荷落下のリスク
作業者が可動域の近くにいるときの安全
複数シリンダを使う場合の同期能力
エア配管、レギュレータ、フィルタ、保全位置

これらの点を最初から入念に見れば、エアシリンダは自動機設計において依然として非常に実用的な選択です。

安く、入手しやすく、交換しやすく、分かりやすい。

しかし横荷重、余裕ストローク、落下防止、緩衝、実際の圧力、操作安全を見落とせば、空気圧機構は機械が稼働に入った後、非常に不具合の元になりやすいのです。

機械設計は、試験のあいだ機構を動かせるようにするだけではありません。

良い設計とは、数年後、実際の工場、実際の作業者、実際のエア条件、実際の保全のもとで機械が動くとき、その機構がなお分かりやすく、調整しやすく、十分に安全であることです。

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