エアシリンダの種類: 完全ガイド

エアシリンダにはどんな種類があるの？

エアシリンダー — 空気圧シリンダーとも呼ばれる — は、圧縮空気のエネルギーを機械的な直線運動または回転運動に変換します。あります エアシリンダの主な6種類 単動シリンダ、複動シリンダ、伸縮シリンダ、ロッドレスシリンダ、ロータリーシリンダ、コンパクト/ガイド付きシリンダなど、産業、自動車、製造用途にわたって使用されます。それぞれのタイプは異なる機械的目的を果たしており、間違ったタイプを選択すると、早期の摩耗、エネルギーの浪費、または完全なシステム障害につながる可能性があります。

これらのカテゴリーを理解することは単なる学術的なものではありません。世界の空気圧シリンダー市場はおよそ 2023年には142億ドル そして、包装、食品加工、自動車組立における自動化需要によって、2030 年まで着実に成長すると予測されています。適切なシリンダの選択は、サイクル タイム、エネルギー消費、およびメンテナンス間隔に直接影響します。

単動式エアシリンダ

単動シリンダは、圧縮空気を使用してピストンを一方向にのみ動かします。戻りストロークは、内部バネまたは重力などの外部機械力によって達成されます。これらは、入手可能な空気圧シリンダの中で最もシンプルで最もコスト効率の高いものの 1 つです。

単動シリンダの仕組み

圧縮空気は 1 つのポートから入り、ピストンを前方に押します。空気圧が解放されると、内部のスプリングがピストンを元の位置に押し戻します。ばねが仕事の半分を行っているため、実効的な出力力はばねの抵抗によって減少します。通常は次のとおりです。 10％と20％ スプリングの硬さとシリンダーのサイズによって異なります。

一般的なアプリケーション

• 加工中のワークのクランプと保持
• 戻りストロークに力を必要としないスタンピングおよびパンチング作業
• 重力が戻りを助けるドアとゲートのアクチュエータ
• ブレーキ機構と安全ロック装置
• 播種機や植付機構などの農業機械

単動シリンダは、空気が作動ストロークでのみ消費されるため、空気消費量を最小限に抑える必要がある場合に最適です。毎分 50 ～ 100 サイクルで実行されるハイサイクル アプリケーションでは、これは生産シフトの過程で圧縮空気を大幅に節約することになります。

考慮すべき制限事項

単動シリンダのストローク長には制限があります。これは、ストロークが長くなるにはより長いスプリングが必要となり、ボアスペースが占有され、使用可能なシリンダ面積が減少するためです。実際には、ほとんどのメーカーはスプリングリターンシリンダーを次のストロークに制限しています。 100mm（約4インチ） それ以下。それを超えると、複動設計がより実用的になります。

複動式エアシリンダ

複動シリンダは、産業オートメーションで最も広く使用されているタイプの空気圧シリンダです。圧縮空気を使用して伸縮ストロークの両方に動力を供給するため、オペレータは両方向の力と速度を完全に制御できます。

構造と動作原理

複動シリンダには、ピストンの両側に 1 つずつ、計 2 つのエア ポートがあります。空気がキャップエンドポートに入ると、ピストンが伸びます。空気がロッドエンドポートに送られると、ピストンが後退します。方向制御バルブ (通常は 4/2 または 5/2 ソレノイド バルブ) により、2 つのポート間の空気の流れが切り替わります。スプリングが入っていないので、 フルボアエリアが力の拡張に貢献 これにより、これらのシリンダは、同じボア径の単動式シリンダよりもかなり強力になります。

ストローク間の力計算の違い

重要な違いの 1 つは、伸長力と収縮力が等しくないことです。伸長ストロークでは、全ボア領域を使用して力が計算されます。後退ストロークでは、ピストンロッドがボアの一部を占めるため、有効面積、つまり後退力がわずかに小さくなります。 6 bar で 50 mm のボアと 20 mm のロッドを備えたシリンダーの場合、伸張力は約 1,178N リトラクト力がおおよそ まで低下する間、 990N 。リトラクト力が重要な設計では、この非対称性を考慮する必要があります。

典型的な使用例

• 組立ラインにおけるピックアンドプレイスの自動化
• コンベヤーダイバーターと仕分けシステム
• 射出成形機のクランプとエジェクター
• ロボットアーム先端ツール
• 自動車車体の溶接・プレス治具

複動式エアシリンダは、以下の範囲のボアサイズで入手可能です。 8mm～320mm以上 、数ニュートンから数十キロニュートンまでの力出力をカバーします。この幅広い範囲により、ほぼすべての産業用途に適応できます。

伸縮式エアシリンダ

伸縮シリンダは、長いストロークが必要だが、収縮 (収縮) 長さは短く保つ必要がある用途向けに設計されています。これは、ステージまたはスリーブと呼ばれる複数の入れ子になったチューブを使用することによって実現されます。チューブは、一方の内側からもう一方の内側に順番に伸びます。

単動式と複動式のテレスコープ設計

伸縮シリンダは、単動構成と複動構成の両方で使用できます。単動バージョンはよりシンプルで安価ですが、後退は重力または負荷重量に依存するため、主に垂直吊り上げに適しています。複動式伸縮シリンダは動力を加えて伸縮できるため、水平または逆さの取り付けが可能ですが、構造が大幅に複雑になり、コストも大幅に高くなります。

主な用途

• 3 ～ 5 ステージシリンダーを必要とするダンプトラックおよびダンプカーボディ
• シザーリフトおよび高所作業車
• 劇場舞台機械およびエンターテイメント装置
• 消防車のはしごの延長

縮長長さ3段の伸縮シリンダーです。 600mm を超える完全に拡張されたストロークを達成できます 1,700mm — 縮んだ長さのほぼ 3 倍。この空間効率は従来の片ロッドシリンダでは達成できません。

段階にわたる力の軽減

エンジニアリング上の重要な考慮事項の 1 つは、伸縮シリンダー内の連続する各ステージのボアが前のステージよりも小さいことです。 シリンダーがさらに伸びると出力が減少します 。設計者は、最悪の場合の荷重位置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。これは通常、力が最小になったときに完全に伸びた状態、またはそれに近い状態で発生します。

ロッドレスエアシリンダ

ロッドレス空気圧シリンダは従来のピストン ロッドを完全に排除し、代わりにスロットや磁気カップリングを介してピストンの動きを外部のキャリッジまたはスライドに伝達します。このデザイン 所定の取り付け長さに対する有効ストロークが2倍になります 従来のロッドシリンダと比較して、スペースに制約のある環境で非常に価値があります。

メカニカルスロットロッドレスシリンダ

機械的スロット (またはバンド) 設計では、シリンダー本体に縦方向のスロットがあります。内部ピストンは、このスロットを介して外部キャリッジに接続されます。柔軟な金属またはプラスチックのバンドが接続ポイントの両側のスロットを密閉し、空気漏れを防ぎます。これらのシリンダは直接的な側面荷重に耐えることができ、高い案内精度が要求される用途に適しています。

磁気結合式ロッドレスシリンダ

磁気的に結合されたロッドレスシリンダは、強力な永久磁石が取り付けられた密封された内部ピストンを使用します。対向する磁石が取り付けられた外部キャリッジは、物理的なスロットなしでシリンダー壁を通るピストンの動きに従います。この完全密閉設計は次の用途に最適です。 クリーンルーム、食品グレード、洗浄環境 汚染物が侵入したり、潤滑剤が逃げたりする隙間がないからです。その代償として、スロット付きバージョンと比較して最大側面荷重容量が低くなります。

ロッドレスシリンダの優れた点

• 包装機およびラベル貼付機のリニアトランスファーユニット
• CNCマシニングセンターの水平シャトルシステム
• 汚染が懸念される医療機器の製造
• ガントリーシステムと多軸位置決めステージ

標準ロッドレスシリンダは、ストローク長が以下のものを用意しています。 50mm～10,000mm以上 。非常に長いストロークの場合は、バレルのたるみやキャリッジのドリフトを防ぐために、回転防止ガイドとセンターサポートを使用することをお勧めします。

ロータリエアシリンダ

ほとんどの空気圧シリンダは直線運動を生成しますが、回転空気シリンダは圧縮空気エネルギーを角 (回転) 運動に変換します。これらは、空気圧ロータリー アクチュエータと呼ばれることがよくあります。これらはエアモーターとは異なります - ロータリーシリンダーは 限られた角度の回転 連続回転ではなく、（通常は 90°、180°、または 270°）回転します。

ラックアンドピニオンロータリアクチュエータ

最も一般的なロータリー シリンダーの設計では、ピニオン シャフトを駆動するラック ギアに接続された 1 つまたは 2 つのリニア ピストンが使用されます。空気がピストンを押し、ラックがピニオンを回転させ、トルクが出力シャフトに伝達されます。デュアルラック設計により負荷のバランスが取れ、 出力トルクがほぼ2倍に 特定のボアサイズの場合。回転角度は外部ストップを介して調整可能で、通常は 0° ～ 270° の間で調整できます。

ベーン型ロータリアクチュエータ

ベーン アクチュエータは、円形ハウジング内の出力シャフトに取り付けられたパドル (ベーン) を使用します。ベーンの片側にかかる空気圧によってシャフトが回転します。反対側の空気が回転させて元に戻します。シングルベーン設計により、最大 280°回転 、一方、二重羽根の設計は約 100° よりコンパクトなボディでより高いトルクを提供します。

代表的な用途

• プロセス配管内のバルブ作動（1/4 回転ボールバルブ、バタフライバルブ）
• 組立自動化におけるインデックステーブルと回転位置決め
• ロボットの手首と肘の関節
• 搬送ラインでの部品の反転と方向付け
• 産業機器のドアおよびハッチのアクチュエーター

コンパクトなガイド付きエアシリンダ

コンパクトなガイド付きシリンダは、非常に狭い設置スペースと、外部ガイド システムに依存せずにピストン ロッドが回転や横方向の荷重に耐える必要がある用途という 2 つの非常に特殊な課題に対処する特殊なバリエーションです。

ショートストローク薄形シリンダ

パンケーキ シリンダーまたはフラット シリンダーとも呼ばれるこれらのユニットは、ボアに対して最小の本体長を持っています。通常、ストロークは次のように制限されます。 1mm～50mm 。フラットな形状により、標準的なシリンダ本体では適合しない狭い領域にも取り付けることができます。一般的な使用例には、PCB プレス、ラベル塗布、半導体装置での微細位置決めなどがあります。

ガイド付き（ツインロッド）シリンダ

ガイド付きシリンダーには、共通のフロント プレートに接続された 2 つの平行なピストン ロッドが組み込まれています。この構成により、ロッドの回転が防止され、モーメント荷重 (偏心力) に対して高い耐性が得られます。ガイド付きシリンダは側面荷重に対応可能 4～10倍 同じボアの標準的なシングルロッドシリンダよりも優れているため、多くの用途で別個の外部リニアガイドが不要になります。

スライドユニットシリンダ

スライドユニットシリンダは、シリンダ本体にガイドキャリッジを直接一体化したものです。キャリッジはリニア ベアリングまたは再循環ボール レール上に乗り、ツーリングやワークピースの固定具に平らな取り付け面を提供します。これらのオールインワン ユニットにより、カスタム オートメーション プロジェクトにおける設計と組み立ての時間が大幅に短縮されます。 Festo、SMC、Parker はいずれも、交換可能なストローク長とベアリング構成を備えたモジュラー スライド ユニットを提供しています。

エアシリンダの種類を一目で比較

シリンダーの取り付けスタイルとそのパフォーマンスへの影響

シリンダのタイプに関係なく、取り付け構成は性能、寿命、負荷管理に直接影響します。標準 ISO 15552 および NFPA T3.6.7 シリンダーは交換可能な取り付けインターフェースを備えているため、さまざまなメーカー間での交換が簡単になります。

• フットマウント(MS1/MS2)： 固定ベース取り付け;適切に位置合わせされた荷重によるインラインのプッシュ/プルに最適です。アライメントのずれにより、ロッドとシールに曲げ応力が伝わります。
• フランジマウント (MF1/MF2): フロントまたはリアのフランジをマシンプレートに直接ボルトで固定します。剛性のインライン荷重を伴うアプリケーションに最適です。
• クレビス マウント (MP1/MP3): 荷重が円弧を描くように移動すると、シリンダが回転できます。ドアオープナー、リンク機構、チルトシステムなどに幅広く使用されています。完全に関節動作させるには、ロッドエンドクレビス (MP5) をロッド側で使用する必要があります。
• トラニオンマウント（MT1/MT4）： シリンダー本体が一平面内でスイングできるようにします。ピボット運動が必要な産業用プレスやマテリアルハンドリングで一般的です。

不適切な取り付けは、シールの早期破損やロッドの傷の最も一般的な原因の 1 つです。大手空気圧シリンダメーカーの研究によると、 現場でのシリンダー故障の 30% 以上 材料や製造上の欠陥ではなく、位置ずれや不適切な取り付けが原因です。

エアシリンダを選ぶ際に理解すべき主な仕様

エアシリンダの選定はただ種類を選ぶだけではありません。シリンダがその意図された耐用年数にわたって確実に機能することを保証するには、いくつかの技術パラメータを一緒に評価する必要があります。

ボア径と出力力

出力力は式 F = P × A で決まります。ここで、P は供給圧力、A は有効ピストン面積です。標準供給圧力の場合 6 バール (87 psi) 、ボア 50 mm のシリンダは伸長ストロークで約 1,178 N を生成しますが、ボア 80 mm のシリンダは約 3,016 N を生成します。ボア サイズは、サイジングの計算と調達を簡素化するために ISO 6432 および ISO 15552 に従って標準化されています。

ストローク長と座屈の危険性

圧縮荷重がかかるロングストロークシリンダの場合、ロッドの直径が小さすぎるとピストンロッドが座屈（コラム破損）する可能性があります。エンジニアはオイラーの柱式を使用して座屈限界をチェックし、ほとんどのメーカーは自動的に座屈限界を組み込んだ荷重ストローク グラフを提供しています。 安全率 3:1 ～ 5:1 。標準ロッド径では不十分な場合は、オーバーサイズロッドオプションまたは外部ガイドシステムを指定する必要があります。

使用温度とシール材質

標準の NBR (ニトリル) シールは、次の動作温度をカバーします。 -20℃～80℃ 。 200°C までの高温では、シリコンまたは PTFE シールが使用されます。低温環境 (-40°C の寒さ) には、特別に配合されたポリウレタンまたは低温ニトリル化合物が利用可能です。シール材質の選択は、媒体の適合性にも影響されます。たとえば、腐食性洗浄剤を使用して定期的に洗浄する食品加工環境でシリンダーが使用される場合、EPDM シールとステンレス鋼ボディが正しい仕様です。

ストロークエンドのクッション性

高いサイクル速度では、ピストンがクッションなしでストロークの終わりに達すると、重大な機械的衝撃が発生し、騒音が発生し、内部コンポーネントの摩耗が加速します。調整可能な空気圧クッションがストロークの終わり近くで少量の空気を閉じ込め、段階的な減速を生み出します。クッションを適切に調整すると、衝撃力を軽減できます。 80% ～ 95% 同じ速度と負荷で動作するクッションなしのシリンダーと比較して。

エアシリンダの寿命を延ばすメンテナンス要素

最高品質の空気圧シリンダであっても、それが動作するシステムが適切に保守されていない場合、早期に故障します。以下の要素が最も重要です。

空気の質と濾過

圧縮空気中の水分や粒子による汚染は、内部腐食やシール劣化の主な原因です。 ISO 8573-1 クラス 3 の空気品質 (粒子 ≤ 5 µm、圧力露点 ≤ 3°C、油濃度 ≤ 1 mg/m3) は、空気圧シリンダの最低基準として一般に受け入れられています。各回路で適切な FRL (フィルター レギュレーター ルブリケータ) ユニットを使用すると、シールの寿命が延長されます。 2～3回 フィルターなし、潤滑剤なしのシステムと比較して。

潤滑の実践

最新の空気圧シリンダは、長寿命グリースがあらかじめ潤滑されて供給されることが多く、無潤滑エア システム用に設計されています。このようなシリンダーにオイルミスト潤滑を追加すると、工場で塗布されたグリースが流れ出てしまい、耐用年数が短くなる可能性があります。特定のシリンダモデルに対してエアライン潤滑が推奨されるか禁忌であるかについては、必ずメーカーに確認してください。

ロッドワイパーと外部汚染

埃や汚れの多い環境では、ピストンロッドに付着した破片が後退ストロークごとにシリンダー内に引き戻され、ロッドシールの研磨剤として作用します。ロッド ワイパー シール (スクレーパー リングとも呼ばれる) は、ほとんどの工業用シリンダーの標準機能ですが、予防保守スケジュールの一環として、通常は定期的に検査および交換する必要があります。 6～12ヶ月 高汚染環境。

適切なタイプの空気圧シリンダの選択方法

特定の用途に適したシリンダー タイプを絞り込むには、機能要件に基づいた簡単な決定プロセスを実行する必要があります。

1. モーション タイプを定義します。 必要な動きは直線的、角度的、または回転的ですか?直線運動は、標準、ロッドレス、コンパクト、またはガイド付きシリンダを指します。角運動はロータリーアクチュエータを指します。
2. 力の要件を決定します。 摩擦、慣性、垂直重力成分を含む荷重を計算します。 1.5倍以上の安全率を考慮し、メーカー力表より内径を選定してください。
3. ストロークを確立します。 ストロークが短くスペースが狭い場合にはコンパクトシリンダが適しています。ストロークが長くても取付長さに制限がある場合には、ロッドレスシリンダや伸縮シリンダをご検討ください。
4. 環境条件を評価します。 極端な温度、化学物質への曝露、洗浄要件、および粉塵レベルはすべて、ボディの材質、シールの選択、および表面仕上げの仕様に影響を与えます。
5. サイクル レートとデューティ サイクルを確認します。 高速、ハイサイクルのアプリケーションには、適切なクッション、適切なポート サイズ、および繰り返しの圧縮によって発生する熱に対処する潜在的に熱に強いシール コンパウンドが必要です。
6. 横荷重とモーメント荷重の要件を評価します。 シリンダが軸外の力を受ける場合、ロッドシールとブッシュの早期摩耗を防ぐために、ガイド付きシリンダまたは外部リニアガイドが不可欠です。

この構造化されたアプローチに従うことで、ほとんどのエンジニアは、最初の試行で自信を持って適切な空気圧シリンダのタイプとサイズを指定でき、プロジェクト後半でのコストのかかる再設計や交換サイクルを回避できます。