単動シリンダと複動シリンダ: 主な違い

単動シリンダと複動シリンダ: 簡単な答え

迅速な判断が必要な場合: 複動シリンダは両方向に動力を与えて動きますが、単動シリンダは 1 回のストロークに圧縮空気のみを使用し、戻りにはバネまたは重力を利用します。 この 1 つの違いが、実際の空気圧システムにおけるエア シリンダの選択、設置、保守方法のあらゆる側面を決定します。

クランプ治具、プレス工具、リニアトランスファーシステムなど、正確な制御、両方向の高い力出力、伸長時と収縮時の安定した速度が重要となる用途では、複動式エアシリンダがほぼ常に正しい選択となります。スプリングリターンクランプ、バルブ作動、または 1 回の動力ストロークで十分な作業などの単純な作業の場合、単動シリンダによりコスト、複雑さ、空気消費量が大幅に削減されます。

以下のセクションでは、各タイプが機械レベルでどのように機能するか、実際のパフォーマンスの違いが実際に現れる場所、および特定のシステムに適切な選択を行う方法について詳しく説明します。

一人芝居のやり方 エアシリンダー 作品

単動シリンダには加圧ポートが 1 つあります。圧縮空気が入ると、ピストンを一方向 (通常は伸長ストローク) に押します。戻りストロークは、シリンダー本体内に収容された圧縮コイルスプリングによって、または一部の構成では負荷自体の重量によって駆動されます。

スプリングは工場で特定の力値にプリロードされています。標準的な単動シリンダは、およそ次の範囲のばね力を使用します。 8N～60N ボアサイズとストローク長さによって異なります。そのバネ力はパワーストローク中に空気圧に逆らって働きます。これは、ロッドエンドでの実効出力が空気圧のみで生成される力よりも低いことを意味します。

6 bar (87 psi) で動作するボア 50 mm の単動シリンダの場合、理論上の力は約 1,178 N です。典型的なバネ力 25 N を差し引き、シールの摩擦 (通常は理論上の力の 5 ～ 10%) を考慮すると、作業に利用できる実際のロッド力は約 1,178 N に低下します。 1,030～1,050N 。この控除は、利用可能な総力のうちばねの力が占める割合が大きくなる、ボア サイズが小さいほど顕著になります。

主要な内部コンポーネント

• 単一エアポート（通常、プッシュタイプシリンダのキャップエンドにあります）
• ピストン面とロッドエンドキャップの間に配置されたリターンスプリング
• 圧力の上昇を防ぐためのスプリング側のブリーザーポートまたは通気口
• シングル ピストン シール (1 つのダイナミック シール位置)
• シリンダーヘッドのロッドシール

ブリーザーポートは取り付け時に見落とされがちですが、非常に重要です。汚れによって詰まったり、誤って詰まったりすると、スプリング側に閉じ込められた空気によって背圧が発生し、伸長力が低下し、ストローク速度が予期せず遅くなります。

複動式エアシリンダの仕組み

複動シリンダには 2 つのエアポートがあり、キャップエンドに 1 つ、ロッドエンドに 1 つあります。ロッドを伸ばすには、圧縮空気がキャップエンドポートに流入し、ロッドエンドポートから排出されます。後退するには、供給が切り替わります。空気がロッドエンドに入り、キャップエンドから排出されます。方向制御バルブ (通常は 5/2 または 4/2 ソレノイド バルブ) がこの切り替えを管理します。

リターンスプリングの吸収力がないため、 両方の方向で完全な空気圧を利用できます 。ただし、理解しておくべき重要な非対称性があります。ロッドエンドのボア面積は、ピストンロッドがキャップエンドのボア面積を通過するため、キャップエンドのボア面積よりも小さくなります。これは、同じ供給圧力では、収縮力が常に伸長力よりわずかに小さいことを意味します。

6 bar で動作する、内径 63 mm、ロッド直径 20 mm の複動シリンダの場合:

• 伸張力（キャップエンド）： π/4 × 63² × 6 = 約 1,871 N
• 引込力（ロッドエンド）： π/4 × (63² – 20²) × 6 = 約 1,682 N

伸長時と収縮時の力の差はおよそ 10 ～ 12% であり、どのボア サイズでも一定であり、複動シリンダのサイジング計算における標準係数となります。後退ストロークに大きな負荷がかかる場合は、伸張力ではなく後退力に基づいてシリンダーのサイズを決定する必要があります。

主要な内部コンポーネント

• 2つのエアポート（キャップエンドとロッドエンド）
• ピストンの両側にダブルリップまたは U カップピストンシール
• シリンダーヘッドのロッドシールとワイパー
• スプリングなし - ストロークに利用可能な全長の内部ボア長
• 両端位置にオプションの内部クッション

並べて比較: 単動シリンダと複動シリンダ

力の出力: 数値が実際に発散する場所

力の計算は、エンジニアがこれら 2 つのシリンダー タイプを比較する際に最も多くの場合、損害の大きい間違いを犯す箇所です。表面上は式は同じように見えますが、単動シリンダのスプリングの減算により、ストローク位置に応じて変化する変数が導入されます。

コイル スプリングの力はフックの法則に従います。つまり、力は圧縮されると直線的に増加します。これはつまり、 単動シリンダの実効出力はストローク全体にわたって変化します。 。伸長の開始時、スプリングは自由長に近く、最小限の抵抗しかかかりません。完全に伸長すると、完全に圧縮され、最大の抵抗が発揮され、ロッドがワークピースに接触するまさにその瞬間に、出力から最も大きな力が減算されます。

供給圧力 5 bar でストローク 100 mm のボア 40 mm の単動シリンダを考えてみましょう。

• 理論上の空気力: ~628 N
• 伸張開始時のバネ力: ~10 N (自由長に近い)
• 完全伸張時のバネ力: ~35 N (完全圧縮)
• 有効力範囲：約 580–615N ストローク全体にわたって

5 bar で同じ内径 40 mm の複動シリンダの場合、伸長力はストローク全体を通じて一貫して約 628 N です (シール摩擦を除くと、ほぼ一定です)。この一貫性は、ストローク終了時の力が重要な設計パラメータであるプレス、成形、クランプなどの用途において非常に重要です。

単動シリンダの戻りストロークは完全にスプリングによって制御されます。シールの摩擦と適度な負荷に抗してピストンを戻すように設計されたスプリングにより、 正味力 15 ～ 50 N シリンダーのサイズによります。これを複動シリンダの戻り力の数百ニュートンと比較すると、単動シリンダが後退時に大きな抵抗に打ち勝ったり、負荷を素早く移動させたりする必要がある用途になぜ不向きであるかが明らかになります。

2 つのタイプの速度制御の違い

空気圧システムの速度制御は、流量制御バルブを使用してシリンダからの排気流量を制限する (メータアウト構成) か、供給空気流量を制限する (メータイン構成) ことによって実現されます。 一般的にはメータアウト制御が好まれます なぜなら、より安定した、負荷に依存しない速度調整を提供できるからです。

複動式エアシリンダの場合、両ポートに流量制御弁を取り付けます。これにより、伸長と収縮の速度を独立して調整できます。たとえば、簡単なバルブ調整で伸長を 200 mm/s、収縮を 500 mm/s で実行できます。この独立した制御は、サイクルタイムの最適化が重要なハイサイクルオートメーションにおいて価値があります。

単動シリンダーの場合、加圧側での空気の出入りを計測して伸長速度を制御できます。ただし、 戻り速度はバネ力と荷重により一定 。スプリングが硬くて荷重が軽い場合、ピストンは急速にスナップバックし、エンドキャップに衝撃荷重が生じます。スプリングが柔らかく荷重が大きい場合、戻りが遅すぎたり、戻りが不完全になる場合があります。バルブを回すだけでスプリングリターンシリンダーの戻りを遅らせることはできません。そのためにはスプリング自体を交換するか、専用のクッションを追加する必要があります。

実際には、このため単動シリンダは戻りストロークでの負荷が変動する用途や、プロセスに合わせて戻り速度を調整する必要がある用途にはあまり適していません。包装ライン、ロボットのエンド・オブ・アーム・ツール、および搬送コンベアでは、通常、両方のストローク速度を個別にダイヤルインする必要があり、そのため、これらのアプリケーションのほとんどが複動の領域にしっかりと押し込まれています。

空気消費量: 圧縮空気コストの比較

圧縮空気は、製造工場で最も高価なユーティリティの 1 つです。米国エネルギー省などの組織による研究では、次のように推定されています。 圧縮空気システムは産業用電力消費量の 20 ～ 30% を占めています 、および空気圧アクチュエータは、これらのシステム内の主な消費者です。したがって、単動シリンダと複動シリンダの空気消費量の違いを理解することは学術的な作業ではなく、運用コストに直接影響します。

単動シリンダはパワーストローク時にのみ加圧空気を消費します。戻り行程はスプリングによって駆動され、動力行程側からの空気は単に大気中に排出されます。 1 つの完全なサイクルで消費される空気量は、供給圧力での圧縮比を調整したボア面積にストローク長を乗じたものに等しくなります。

複動シリンダは両ストロークで空気を消費します。ただし、ロッドエンドのボア面積がキャップエンドよりも小さいため、後退ストロークで消費される体積は伸長ストロークよりもわずかに少なくなります。 1サイクルあたりに消費される空気の総量はおおよそ次のとおりです。 1.7～1.9倍 ロッドの直径に応じて、同等の単動シリンダによって消費される空気。

具体的な例としては、内径 50 mm、ストローク 100 mm の複動シリンダを 6 bar で動作させ、1 分あたり 60 回のサイクルで消費するものは次のとおりです。

• ストロークあたりのキャップエンド: (π/4 × 0.05²) × 0.1 × (6 1) = ストロークあたり約 1.37 リットル (自由空気)
• 1ストロークあたりのロッドエンド（20mmロッドを想定）：1ストロークあたり約1.09リットル
• 60 サイクルでの 1 分あたりの合計: ~146 リットル/分の自由空気

同等の単動シリンダーは約 82 リットル/分を消費します。このようなシリンダーを 20 個搭載した機械を 2 シフトで稼働させると、年間の電気代の差は目に見えて大きくなります。多数のシリンダを配置する場合、またはシリンダが長いストロークまたは高いサイクルレートで動作する場合、たとえ複動シリンダが技術的に優れていたとしても、空気消費量の違いは動作の経済性に大きな影響を与えます。

ストローク長の制限: 単動シリンダが早期にトップアウトしてしまう理由

単動シリンダの内部リターン スプリングにより、ストロークの長さが物理的に制限されます。ストローク長が増加すると、より長いスプリングが必要になり、それにはより長いシリンダーボディが必要になります。そして、長いスプリングは安定した状態を維持し、ボア内で適切にガイドすることが難しくなります。また、格納位置でもシリンダー全体の長さが長くなります。

ほとんどのメーカーは、最大ストローク 25 mm ～ 200 mm の単動シリンダを提供しています。 いくつかの特殊なデザインでは 300 mm に達します。それを超えると、スプリングは実用的ではなくなります。アプリケーションで 400 mm、600 mm、または 1,000 mm のストロークが必要な場合、標準エア シリンダ製品範囲では複動シリンダが唯一の実行可能なオプションです。

この制限は力とも相互作用します。ストロークが増加すると、完全に伸びた状態でのスプリングの圧縮も増加します。これは、ストロークの終わりでスプリングを超えてより多くの力が消費されることを意味します。単動設計でストロークが約 100 ～ 150 mm を超える場合、特にボア サイズが小さい場合、バネ力の減算が利用可能な空気圧の総力のかなりの割合になり始めます。

フェールセーフ動作: 安全性に関する重要な考慮事項

これら 2 つのシリンダー タイプの実際上最も重要な違いの 1 つは、コンプレッサーの故障、緊急停止、ラインの破断などによって空気の供給が失われたときに何が起こるかということです。

単動スプリングリターンシリンダは、圧力が低下すると自動的にスプリング側の位置に戻ります。シリンダが動力ストローク（伸長）でワークをクランプするように構成されている場合、空気が失われるとワークが解放されます。スプリングエクステンド (一部の設計では安全なクランプのために提供されています) で構成されている場合、空気の損失によりクランプが発生します。この決定論的な動作は、安全アプリケーション向けに意図的に設計されています。

機械の保護、ブレーキ解除機構、および緊急停止には単動シリンダが頻繁に使用されます。 それはまさに、フェイルセーフ動作が電気信号やバルブの位置ではなく、スプリングによって予測可能かつ保証されているからです。

対照的に、複動シリンダは、方向制御弁が戻り止めまたは両方のポートをブロックするスプリング センター タイプの場合、空気が失われたときに最後の位置を保持します。これは望ましい場合もありますが (負荷がかかった軸が落下することを望まない場合)、シリンダがクランプまたはプレス動作の途中でエアが停止した場合には危険な場合もあります。

ISO 13849 や IEC 62061 などの安全規格では、機械設計者は障害状態におけるすべてのアクチュエータの動作を分析し、文書化することが求められています。単動シリンダと複動シリンダのどちらを選択するかは、この分析に直接関係します。単動タイプのフェールセーフ特性により、制御性を高めるために複動シリンダが使用される場合でも、安全定格回路に単動タイプが採用されることがよくあります。

各シリンダータイプの代表的な適用分野

単動シリンダが優れているところ

• 空気圧バルブアクチュエーター: 1/4 回転ボール バルブおよびゲート バルブでは、多くの場合、スプリング リターン単動シリンダが使用されるため、空気圧が低下するとバルブが既知の安全な位置 (開または閉) にならないようになります。
• ショートストロークのクランプ治具: 加工力が常に一方向にあり、低負荷時にクランプを解放（後退）するだけで済む加工の際にワークを保持します。
• ドアとハッチの制御: 停電時にスプリングリターンにより確実に閉じることができます。
• ゲートの並べ替えと迂回: コンベア上の単純なフリップ ゲートでは、一方の方向が常にデフォルトであり、もう一方の方向が動力で作動します。
• ブレーキとクラッチの接続: 緊急停止用のスプリング作動ブレーキ - 空気が失われるとブレーキが作動します。

複動シリンダが必要な場合

• ピックアンドプレイスの自動化: 伸長と収縮の両方に動力が供給され、速度が制御され、可変の部品重量に対応できる必要があります。
• プレスおよび成形作業: 両方向に大きな力がかかります。戻りはワークピースのスプリングバックまたはエジェクタの抵抗を克服する必要があります。
• ロングストロークリニアトランスファー： 200mmを超えるストロークには複動式エアシリンダが必要です。
• ロッドレスシリンダの用途： ロッドレス空気圧シリンダは本質的に複動式であり、従来のロッドシリンダでは実用的でない長さの長距離水平移動に使用されます。
• テーブルの傾斜と回転: テーブルを傾けるときも戻すときも、制御可能な力が必要です。
• 60 サイクル/分を超えるハイサイクル アプリケーション: 衝撃負荷なしでサイクルタイムを維持するために、後退速度を正確に調整する必要がある場合。

コントロールバルブ要件: 3/2 vs 5/2

単動シリンダと複動シリンダのエアポートの違いにより、必要な制御バルブが直接決まり、配線、マニホールドの設計、コストに影響します。

A 3/2バルブ（3ポート2ポジション） 単動シリンダには十分です。 1 つの位置では、電源をシリンダーポートに接続します。他の位置では、シリンダーポートを排気に接続します。残りはスプリングが処理し​​ます。 3/2 バルブは物理的に小さく、通常 5/2 バルブよりも 20 ～ 40% 安価です。また、多数のバルブを連結する場合には、より単純なマニホールド ブロックが必要になります。

A 5/2バルブ（5ポート2ポジション） 複動シリンダの規格です。 1 つの位置では、供給はキャップ端に送られ、ロッド端から排気されます。他の位置では、供給はロッドエンドに送られ、キャップエンドから排気されます。通常、2 つの排気ポートには、速度調整のために流量制御バルブが取り付けられます。

多くの軸を備えたシステム (たとえば、20 ステーションの組立機械) では、20 3/2 バルブと 20 5/2 バルブの間の累積コストの差が重要になる可能性があります。単純な用途の小型シリンダの場合、複動シリンダの方がわずかに優れた性能を発揮する場合でも、このコスト差により単動シリンダを指定することが正当化されることがよくあります。

以下の点にも注意してください 5/2 バルブは、スプリング リターン、戻り止め (メモリ)、またはデュアル ソレノイド作動で利用可能です 、それぞれが異なる故障状態の動作を提供します。バルブ タイプの選択は、シリンダ タイプと相互作用して、システム レベルの安全動作を決定します。これは、後から改造するのではなく、設計段階で分析する必要があります。

実際のメンテナンスの違い

シール数の観点から見ると、単動シリンダの動的シール面は複動シリンダよりも少なくなります。一般にシールの数が少ないと、漏れ経路が少なくなり、シールの交換頻度がわずかに低くなります。ただし、単動シリンダのスプリングは、複動設計には存在しない追加の摩耗コンポーネントです。

空気圧シリンダーのスプリングは数百万サイクルの耐久性がありますが、疲労が生じます。スプリングの張力が失われると、シリンダーがゆっくりと戻るか、不完全に戻るか、まったく戻らなくなります。毎分 60 サイクルで 24 時間稼働する機械では、シリンダーは 1 回の作業で完了します。 年間8,600万サイクル 。そのサイクル速度でのスプリングの疲労は、特にサイクルあたりのスプリングの圧縮がスプリングの総移動量の大きな部分を占めるストロークの短いシリンダでは、実際のメンテナンス上の考慮事項となります。

複動シリンダの場合、シールの摩耗がメンテナンスの最大の懸念事項です。最新のポリウレタンおよび PTFE ベースのピストン シールは通常耐久性があります。 5000～10000万サイクル 清浄な潤滑またはオイルフリーの乾燥空気を使用した通常の動作条件下で。どちらのタイプのシリンダーでも、シールが早期に故障する最も一般的な原因は、汚染された空気供給です。

単動シリンダのブリーザポートは特に言及する価値があります。予防保守の一環として、定期的に検査および清掃する必要があります。ブリーザーの詰まりは徐々に性能を低下させるため、シリンダーが誤動作し始めるまで気付かない可能性があり、事後対応の修理よりも計画的な検査が重要になります。

どちらのタイプでも適切なボアサイズを選択する

正しいボアサイジングは、エアシリンダを指定する際の最も基本的な手順です。ボアのサイズを小さくすると、力が不十分になります。サイズを大きくしすぎると空気とお金が無駄になります。シリンダーの種類ごとにプロセスが若干異なります。

単動シリンダ用

1. ストロークの終わり（スプリングの圧縮が最大になる場所）で必要な力を決定します。
2. 選択したストロークの最大バネ力を必要な出力力に加算します。
3. シールの摩擦を追加します (通常、安全マージンとして理論上の力の 10%)。
4. 必要なボア面積を計算します: 面積 = 総力 ÷ 供給圧力。
5. 計算された面積から1つ上の標準穴サイズを選択します。
6. スプリング力が戻りストロークで負荷に抗してピストンを戻すのに十分であることを確認します。

複動シリンダ用

1. 伸長ストロークと収縮ストロークの両方に必要な力を個別に決定します。
2. 収縮計算におけるロッドエンド面積の減少を考慮して、利用可能な供給圧力で各ストロークに必要なボアを計算します。
3. 摩擦、位置ずれ、圧力変動を考慮して、1.25 ～ 1.5 倍の安全係数を追加します。
4. 両方のストローク要件を満たすボア (通常は 2 つの計算値のうち大きい方) を選択します。
5. ロッドが圧縮状態にあり、その直径に比べて長い場合は、ロッドの直径を座屈限界に対してチェックしてください。

両方のシリンダタイプの標準ボアサイズは ISO 15552 の規則に従っています。 12、16、20、25、32、40、50、63、80、100、125、160、200 mm が最も一般的です。標準的なボアサイズを指定することで、メーカー間での互換性が保証され、スペアパーツの管理が簡素化されます。

使用圧力範囲とその選択への影響

単動エアシリンダと複動エアシリンダの両方の定格作動圧力は次のとおりです。 1 ～ 10 bar (14.5 ～ 145 psi) 、最も一般的な工業用供給圧力は 6 bar (87 psi) です。ただし、より低い圧力での動作は、各タイプに異なる影響を与えます。

単動シリンダの場合、スプリングの予圧とシールの摩擦を克服するには、最小作動圧力が必要です。たとえば、定格 6 bar のシステムで供給圧力が 3 bar に低下すると、有効出力は約 50% 低下します。しかし、ばねの力は変化しません。つまり、同じ減圧下では、単動シリンダの力の減少は複動タイプと比較して不釣り合いです。

さらに、単動シリンダには製造元によって指定された最低動作圧力があり、それを下回るとシリンダがばねに抗して完全に伸長できなくなる場合があります。このしきい値は通常、製品データシートに記載されており、公称供給圧力ではなく、システムの最低保証供給圧力と比較する必要があります。

複動シリンダは、どちらのストロークにも摩擦を超える固定の機械抵抗がないため、この点で圧力変動の影響を受けにくくなります。圧力が低くなると、力の出力は両方のストロークで比例して減少し、利用できる力が少なくなるだけでシステムは機能し続けます。

知っておくべき複動シリンダのバリエーション

複動カテゴリ内では、いくつかの特殊な設計が特定のアプリケーション要件に対応しています。

• 両ロッド複動シリンダ： ピストンロッドはシリンダーの両端から伸びています。両側のボア面積は同じであるため、伸長力と収縮力は同じです。対称的な力の出力が重要な場合、または両側の機械的接続または測定基準にスルーロッドが必要な場合に使用されます。
• タンデムシリンダー： 2 つの複動シリンダが同じピストン ロッドに直列に取り付けられています。 2 つのピストンは同時に動作し、所定のボア直径から得られる力をおよそ 2 倍にします。穴のスペースは限られているが、大きな力が必要な場合に使用されます。
• ロッドレス複動シリンダ： 負荷は、シリンダ壁のスロットまたは磁気カップリングを介して外部からピストンに接続されます。コンパクトなパッケージで非常に長いストロークを実現します。ストローク6000mm以上まで対応可能です。
• ガイド付複動シリンダ： リニアガイドをシリンダ本体に直接統合し、ロッドにかかる回転トルクと横荷重を排除します。外部ガイドなしで正確な直線運動と角度精度が要求されるアプリケーションに不可欠です。

まとめ: 単動式と複動式の選択

アプリケーションの要件を主要な差別化要因と照らし合わせてマッピングすると、決定は簡単になります。次のフレームワークを使用します。

• 単動を選択してください いつ: アプリケーションがフェイルセーフにホームポジションに戻る必要がある。ストロークが短い (150 ～ 200 mm 未満)。必要な戻り力は最小限です。空気の消費量は最小限に抑える必要があります。より単純なバルブ回路が好まれます。バルブや配管のコスト削減は、規模が大きくなるほど意味があります。
• 複動式を選択してください 場合: 両方のストロークが意味のある力を伝達する必要がある。ストローク長が200mmを超える。両方のストロークの独立した速度制御が必要です。サイクル率が高く、戻り速度を調整する必要がある。戻りストロークの負荷は変動するか、または大きくなります。または、アプリケーションがプレス、トランスファー、またはピックアンドプレース機構である場合。

産業オートメーションアプリケーションの大部分では、 複動式エアシリンダーがデフォルトの主力製品です — 柔軟性があり、強力で、完全に制御可能です。単動シリンダは、その固有のスプリングリターン動作が制限ではなく機能である、よりシンプルで安全性が重視される設計、またはコスト重視の設計でその役割を果たします。両方のタイプをこの詳細レベルで理解すると、慣例ではなくエンジニアリング要件に基づいて、意図的に選択を行うことができます。