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Kapitel 8: Der Pneumatikzylinder – Teil 2

Im vorherigen Kapitel 7 haben wir uns mit den grundlegenden Eigenschaften von Pneumatikzylindern befasst. Diese waren: 

  1. Aufbau des Zylinders
  2. Durchmesser und Hublänge
  3. Zylinderbewegungen
  4. Stabile Stellungen des Zylinders
  5. Schaltsymbole


In diesem Kapitel werden wir die untenstehenden Punkte näher betrachten:

  1. Endlagendämpfung
  2. Magnetische Positionserkennung
  3. Geschwindigkeitsregulierung 
  4. Internationale Normen

6. Die Endlagendämpfung

In die Zylinderkammer einströmende Druckluft kann den Antriebskolben mit hoher Geschwindigkeit gegen den Zylinderdeckel/Zylinderkopf stoßen. Dies kann zu Beschädigungen im Zylinder führen.

Um dies zu verhindern werden die meisten Zylinder mit einer Endlagendämpfung ausgestattet. Die Endlagendämpfung reduziert die Geschwindigkeit des Antriebskolbens, kurz bevor dieser den Deckel/Kopf erreicht.

Es gibt zwei Arten von Endlagendämpfungen:

  • flexible Endlagendämpfung
  • einstellbare Endlagendämpfung

     

Die flexible Endlagendämpfung

Die einfachste Form der flexiblen Endlagendämpfung ist der sogenannte Dämpfungsring. Dieser ist an der Innenseite des Zylinderdeckels – zwischen Zylinderdeckel und Antriebskolben – montiert.

Der Dämpfungsring ist im Normalfall aus Polyurethan und besitzt daher sehr gute energieabsorbierende Eigenschaften. Der sich bewegende Kolben stößt in der Endlage an den entsprechenden Dämpfungsring.

Die flexible Endlagendämpfung wird in der Regel bei Zylindern mit kleineren Kolbendurchmessern verwendet. Hier treten in der Regel nur niedrigere Belastungen auf. Auch bei den Kompaktzylindern wird  diese Dämpfungsmethode verwendet, da der kleinere Innenaufbau den Einbau einer einstellbaren pneumatischen Endlagendämpfung nicht ermöglicht.


Bei der untenstehenden Abbildung ist der Dämpfungsring mit einem roten Pfeil markiert. Dieser ist zwischen Zylinderdeckel und Antriebskolben sowie Zylinderkopf und Antriebskolben montiert.


Die einstellbare pneumatische Endlagendämpfung

Die einstellbare pneumatische Endlagendämpfung wird bei größeren Geschwindigkeiten und Kräften verwendet.

Diese Form ist effizienter als die flexible Dämpfung, da bei dieser Lösung der Antriebskolben mit Hilfe eines „Luftpolsters“ abgedämpft wird. Die Kolbengeschwindigkeit wird auf den letzten  10...50 mm der vollen Hublänge des Zylinders reduziert. Dieser Wert hängt vom Aufbau des Zylinders ab und erhöht sich bei größeren Zylinderdurchmessern.

Die Dämpfung ist jeweils im Zylinderdeckel und Zylinderkopf eingebaut. Der Dämpfungsgrad kann mit der Einstellschraube am Deckel eingestellt werden. 

Einstellbare Endlagendämpfungen sind gemäß  ISO 15552 bei jedem Profil- und Zugstangenzylinder vorgesehen. Außerdem wird die einstellbare Endlagendämpfung auch bei vielen kolbenstangenlosen Zylindern sowie manchen Rund-und Sonderzylindern, bei denen dieser Art der Dämpfung aufgrund der hohen Belastung notwendig ist, verwendet.


Untenstehend ist die pneumatische Endlagendämpfung im Zylinderkopf und Zylinderdeckel rot markiert.


Bei der untenstehenden schematischen Abbildung ist die Funktion der einstellbaren pneumatischen Endlagendämpfung erklärt.

 

1. Zylinderdeckel

2. Drosselschraube

3. Zylinderrohr

4. Bremskolben

5. Antriebskolben

6. Kolbenstange

7. Bremskammer

8. Luftanschluss


Funktion:

Wenn der Antriebskolben (5) des Zylinders in die Grundstellung fährt, wird die eingesperrte Luft durch Luftanschluss (8)  entlüftet  (Abbildung 1). 

Vor dem Erreichen der Endlage blockiert der Bremskolben (4) –  als Teil  des Antriebskolbens  (5)  - die freie Entlüftung der Zylinderkammer über den Luftanschluss (8)  (Abbildung 2). Die Luft in der Zylinderkammer kann nun nur durch einen kleineren Querschnitt, welcher über die einstellbare Drosselschraube eingestellt werden kann, entweichen.

In der Bremskammer (7)  erhöht sich anschließend der Druck und erzeugt eine Luftfeder, welche die Kolbenstange abbremst. Diese Bremskraft ist solang vorhanden, bis der Kolben die Endlage erreicht. Die Entlüftung kann über die Drosselschraube  (2) eingestellt werden, sodass eine gleichbleibende Bremsbewegung erreicht werden kann.


WICHTIG! Mit der Stellschraube kann man nur den Dämpfungsgrad der letzten 10...50 mm des Zylinderhubs einstellen.

Die Geschwindigkeit über die volle Hublänge kann über Drosselrückschlagventile oder Drosselschalldämpfer eingestellt werden. Hierauf gehen wir in den nachfolgenden Abschnitten genauer ein. 


7. Magnetische Positionserkennung

Sensoren sind unentbehrliche Elemente der Industrieautomatisierung. Sensoren steuern Abläufe und leiten Informationen in leicht auswertbarer Form zur Signalbearbeitung weiter.

Zur Positionserkennung des  Antriebskolbens in einem pneumatischen Zylinder werden Positionssensoren, die nach dem magnetischen Prinzip arbeiten, verwendet.

Im Antriebskolben ist ein Dauermagnet eingebaut. Dieser kann vom Näherungsschalter/Sensor  ohne mechanischen Kontakt erkannt werden. Bei der Positionserkennung wird also eigentlich die Kolbenposition festgestellt.


Im Zylinderrohr muss der Sensor an der Stelle montiert werden, wo er die Information weiterleitet muss.

 


Einige Zylinder haben ein Profilrohr mit Nut, in die der Sensor direkt montiert werden kann.


Es gibt zwei Arten von Positionssensoren, die bei Pneumatikzylindern verwendet werden: 

  • REED Schalter
  • Induktiver, PNP Schalter 

  

REED Schalter 

REED Schalter bestehen aus zwei Schaltzungen, die hermetisch dicht verschlossen und in ein Glasröhrchen eingeschmolzen sind. Hier sind die Bauteile gut vor Verschmutzung, Korrosion und Feuchtigkeit geschützt. Die Schaltzungen sind aus ferromagnetischem Material.


Infolge der Wirkung des Magnetfeldes, erzeugt vom Dauermagnet im Antriebskolben, werden die Schaltzungen magnetisiert und bewegen sich zueinander.

Die Schaltzungen schließen den Stromkreis und leiten ein entsprechendes Signal weiter.

Die REED Schalter haben zwei Drähte  und funktionieren in der Regel in einem Spannungsbereich von 3...230 V AC/DC.

Eine LED zeigt den Schaltzustand an.


Symbol


Induktiver Näherungsschalter, PNP Schalter

Beim PNP Schalter handelt es sich um einen induktiven Transistorschalter. Dieser kann in der Regel sowohl normal offen als auch normal geschlossen verwendet werden.Durch das vom Magnetkolben induzierte Magnetfeld wird der PNP Schalter angeregt und gibt ein entsprechendes Ausgangssignal weiter.

Die Näherungsschalter besitzen eine LED, die den Schaltzustand anzeigt.

Die Näherungsschalter haben in der Regel  drei Drähte und funktionieren in einem Spannungsbereich

von 5...30 V DC.


Symbol



Vorteile eines induktiven PNP Näherungsschalters gegenüber einem REED Schalter: 

  • keine beweglichen Kontakte
  • Höhere Schaltfrequenz
  • längere Lebensdauer

8. Die Geschwindigkeitsregulierung

Zur Geschwindigkeitsregulierung über die gesamt Hublänge, können Drosselrückschlagventile oder Drosselschalldämpfer verwendet werden.


Bei der Positivbewegung des Zylinders lassen wir Druckluft in die Plus Kammer einströmen. Gleichzeitig wird die Minus Kammer entlüftet.

(Steuerung über 5/2-Wegeventil)

Am Entlüftungsanschluss kann die Kolbengeschwindigkeit des Zylinders durch Drosselung der ausströmenden Luft eingestellt werden.


Zur Regulierung der Kolbengeschwindigkeit wird am Entlüftungsanschluss des Zylinders gedrosselt, welche eine sofortige Entlüftung des Zylinderraumes verhindert. Die Druckluft ist in beiden Kammern solange vorhanden, bis der Kolben des Zylinders die Endlage erreicht hat. Die Kolbenbewegung ist dadurch sehr gleichmäßig.

Wichtig: Zur Einstellung der Zylindergeschwindigkeit wird immer die vom Zylinderraum ausströmende Luft gedrosselt, nicht die einströmende.

Zur Geschwindigkeitsregulierung sind verschiedene Funktionsverschraubungen geeignet

  • Drossel-Rückschlagventil             - in den Zylinder einschraubbar
  • Drossel-Rückschlagventil             - in das Steuerventil einschraubbar
  • Drossel-Rückschlagventil             - als Blockdrossel
  • Drossel-Schalldämpfer

Das Drossel-Rückschlagventil

Drossel-Rückschlagventile ermöglichen es, die durchströmende Luft in eine Richtung zu drosseln. In die andere Richtung kann die Luft ungedrosselt strömen. Daher eignen sich Drossel-Rückschlagventile zur Geschwindigkeitsregulierung von Zylindern. Die ausströmende Luft wird gedrosselt, wodurch sich die Kolbengeschwindigkeit verlangsamt.

 


Gedrosselte Strömungsrichtung:

Hier erfolgt die Luftströmung durch ein Drosselventil, da das Rückschlagventil die freie Strömung verhindert. In diese Richtung kann der Durchfluss reguliert werden.


Ungedrosselte Strömungsrichtung:

In die andere Strömungsrichtung erfolgt die Strömung durch das Rückschlagventil mit vollem Querschnitt. Die Luft strömt ungedrosselt durch das Drossel-Rückschlagventil.


Die positive und negative Bewegung des Zylinders können wir daher separat mit jeweils einem Drossel-Rückschlagventil regulieren.

 


Bei positiver Bewegung des Zylinders wird die Druckluft in die Plus Kammer geleitet. Hierbei fließt die Druckluft durch das Rückschlagventil ohne Querschnittreduzierung = mit vollem Durchfluss.

 

Gleichzeitig entlüftet die Minus Kammer über ein weiteres Drossel-Rückschlagventil. In diesem Fall verhindert das integrierte Rückschlagventil die freie Entlüftung. Die ausströmende Luft muss durch eine Drossel. Somit kann die Geschwindigkeit der ausfahrenden Kolbenstange reguliert werden.

Die Geschwindigkeit der negativen Bewegung kann wiederrum am Drossel-Rückschlagventil der Plus Kammer eingestellt werden.

Es sind verschiedene Ausführungen von Drossel-Rückschlagventilen verbreitet. Diese können herstellerabhängig  verschieden Ausführungen und Maße haben.

Eine mögliche Ausführung sind Funktionsverschraubungen, die entweder in den Zylinder oder das Wegeventil eingeschraubt werden: 

  • In den Zylinder eingeschraubt: Es wird die aus dem Zylinder ausströmende Luft gedrosselt à vom Gewindeanschluss in Richtung Steckanschluss. 
  • In den Arbeitsanschluss des Wegeventils eingeschraubt: Es wird ebenfalls die aus dem Zylinder ausströmende Luft gedrosselt, jedoch genau in die andere Richtung à vom Steckanschluss in Richtung Gewindeanschluss.


Bei manuell einstellbaren Drosseln kann die Geschwindigkeitsregulierung entweder über Schraubenzieher oder eine Rändelschraube erfolgen.


Winkelverschraubung Drossel-Rückschlagventil zur Montage im Zylinder


Winkelverschraubung Drossel-Rückschlagventil zur Montage im Wegeventil


Drossel-Rückschlagventil mit Steckanschluss


Drossel-Rückschlagventil mit Gewindeanschluss


Beispiele zur Geschwindigkeitsregulierung eines Zylinders

Untenstehend können wir drei exemplarische Zylindersteuerungen sehen. Die Luftversorgung kommt von einer gemeinsamen Luftaufbereitungseinheit.

 



1. Steuerung

Ein doppeltwirkender Zylinder C1 wird über ein 5/2-Wege elektrisch betätigtes (monostabiles) Ventil S1 gesteuert. Sobald das Ventil S1  betätigt wird, strömt die Druckluft mit vollem Querschnitt durch das Drossel-Drückschlagventil F1.1  in den Zylinder C1. Die Luft strömt gleichzeitig aus der Minus Kammer des Zylinders durch das Drossel-Drückschlagventil F1.2, wodurch eine Drosselung erzielt wird. Die ausströmende Luft entlüftet über das  Ventil S1 ins Freie.

Sobald das Wegeventil S1 nicht mehr elektrisch betätigt wird, schaltet das Ventil zurück und der Zylinder C1 stellt sich in die Grundstellung zurück. Hierbei erfolgt die Geschwindigkeitsregulierung über die ausströmende Luft durch das Drossel-Rückschlagventil F1.1.

Die positive Bewegung des Zylinders wurde über das F1.2 Drossel-Rückschlagventil geregelt, die negative Bewegung des Zylinders über das  F1.1 Drossel-Rückschlagventil.

2. Steuerung

Ein doppeltwirkender Zylinder C2 wird über ein 5/2-Wege elektrisch betätigtes (monostabiles) Ventil S2 gesteuert. Steuerung identisch zu dem vorigen Beispiel.

Die Geschwindigkeit des Zylinders wird mit Drossel-Schalldämpfer eingestellt. Die Geschwindigkeitsregulierung des Zylinders sollte immer über die vom Zylinder ausströmende Luft erfolgen. Hierzu kann auch die aus dem Ventil über Anschluss 3 und 5 entlüftende Luft gedrosselt werden.

Sobald das Ventil S2 betätigt wird, strömt die Druckluft in die Plus Kammer des Zylinders und lässt die Kolbenstange ausfahren. Die Luft aus der Minus Kammer des Zylinders entlüftet über das Ventil S2 und strömt durch den Drossel-Schalldämpfer F2.2, welcher die Geschwindigkeit reguliert.

Sobald das Wegeventil S2 nicht mehr betätigt wird,  schaltet das Ventil zurück und die Luft wird von der Plus Kammer des Zylinders C2 durch das Ventil S2 und somit durch den Drossel-Schalldämpfer F2.1 entlüftet. Der Zylinder fährt  in gedrosselter Geschwindigkeit in die Grundstellung zurück.

Die positive Bewegung des Zylinders wurde über den F2.2 Drossel-Schalldämpfer geregelt, die negative Bewegung des Zylinders über den F2.1 Drossel-Schalldämpfer.


3. Steuerung

Ein doppeltwirkender Zylinder C3 wird über ein 5/2-Wege elektrisch betätigtes (monostabiles) Ventil S3 gesteuert. Steuerung identisch zu dem vorigen Beispielen.

In diesem Beispiel soll die positive Bewegung des Zylinders sehr schnell erfolgen, weshalb ein Schnellentlüftungsventil  F3.2 verwendet wird.  Die Rückstellung in Grundstellung erfolgt über ein Drossel-Rückschlag Ventil F3.1.

Das Schnellentlüftungsventil  wird  immer dann eingesetzt, wenn ein Zylinder schnell öffnen oder schließen soll. Es ermöglicht eine schnelle Entlüftung der eingesperrten Luft. Die vom C3 Zylinder ausströmende Luft wird nicht durch das Steuerventil S3, sondern durch das Schnellentlüftungsventil F3.2 über Anschluss 3 entlüftet.

Die positive Bewegung des Zylinders erfolgt mit hoher Geschwindigkeit aufgrund des Schnellentlüftungsventils F3.2. Die Geschwindigkeit der negativen Bewegung kann über das Drossel-Rückschlagventil F3.1 eingestellt werden.


9. Internationale Normen

Die in der Pneumatik am weitesten verbreiteten Zylinder wurden mit dem Ziel Kompatibilität / Austauschbarkeit standardisiert.

Dank der Normung sind die Anbau- und Zubehörteile der Zylinder herstellerunabhängig austauschbar.

Folgend gehen wir auf die am weitest verbreiteten Zylinderstandards ein:

Die nachstehende Auflistung erhebt kein Anspruch auf Vollständigkeit. Es sind weitere Ausführungen am Markt erhältlich.


ISO 15552 | DIN ISO 6431 (alte Norm) | Profil- und Zugstangenzylinder


DIN ISO 6432 | Rundzylinder


ISO 21287 | Kompaktzylinder


UNITOP | Kompaktzylinder



Der JOYNER ISO 15552 Zylinder

  • Dieinternationale Norm ISO 15552 besitzt seit 2004 Gültigkeit.
  • Die alte Norm war als  ISO 6431  bekannt (1992 - 2004).

Die Norm bestimmt  den Durchmesser (ø32...ø320 mm), den Maximaldruck (10 bar), bestimmte weitere Zylinderparameter, Maße und das Norm-Zubehör.

Aufgrund der Normung sind die Anbauteile (Norm-Zubehör) von verschiedenen Herstellern untereinander austauschbar.


Die ISO 15552 Zylinder heißen bei  JOYNER DI, DIP und DVP in Abhängigkeit des Rohres. 

 


DI Zylinder (Zugstangenzylinder)

Standard ab Kolbendurchmesser 125 mm.


DIP Zylinder  („Mickey-Mouse -Zylinder“)

Im Profilrohr gibt es keine inneren Winkel oder Spalten. Somit ist die Reinigung des Zylinders sehr einfach.
Die Montage des Positionssensors erfolgt an den Profilschultern mit Fixierelementen.


DVP Zylinder (Profilrohrzylinder)
Fixierung des Positionssensors in der Nut des Profilrohres. Es sind keine weiteren Fixierelemente notwendig, daher sehr einfache Montage möglich.


Bei unseren ISO 15552 Zylindern der D-Serie verwenden wir die folgenden Materialien:

 

#

Bezeichnung

Material

1.

Zylinderdeckel

Aluminium Druckguss, eloxiert

2.

Kolben-Fixiermutter

Stahl, vernickelt

3.

O-Ring (Dichtung zwischen Kolben und Kolbenstange )

NBR

4.

Magnet

Ferromagnetikum

5.

Kolbendichtung

Polyurethan

6.

Kolben

techn. Polymer (oder Aluminium)

7.

Profilrohr

eloxiertes  Aluminiumprofil

8.

Kolbenführung

techn. Polymer

9.

O-Ring (Dichtung Stellschraube)

NBR

10.

Stellschraube  (zur einstellbaren Endlagendämpfung )

Stahl, vernickelt

11.

Bewegliche Dichtung Endlagendämpfung

Polyurethan

12.

Zylinderkopf

Druckguss, eloxiertes Aluminium

13.

Deckel-Fixierschraube

Stahl, vernickelt

14.

Dichtung Kolbenstange

Polyurethan

15.

Kolbenstange

hartverchromter Stahl  (oder gewalzter rostfreier Stahl)

16.

O-Ring  (Dichtung zwischen Deckel und Zylinderrohr)

NBR

17.

Deckel Verkleidung

Kunststoff

18.

Kolbenstangen Führungsbuchse

Sinterbronze

19.

Kolbenstangenmutter

Stahl, vernickelt


Die ISO 15552 Norm bestimmt auch die Anbauteile der Zylinder.  Dementsprechend sind die Anbauteile verschiedener Hersteller miteinander kompatibel.

 

Position

Befestigungselement/Zubehör

Typ

1

Fußbefestigung - paarweise

MS1

2

Flanschbefestigung

MF1/2

3

Schwenklager

MT5

4

Gabelbefestigung

MP2

5

Bolzen mit Sicherung

AA4

6

Gegenlager

MP4

7

Lagerbock mit starrem Lager

AB7

8

Gabelbefestigung

AB6

9

Bolzen mit Sicherung

AA6

10

Lagerbock mit Gelenklager

US

11

Schwenkflansch sphärisch

MP6

12

Doppelschwenkgelenk - 3-teilig

MP2/4

13

Gabelbefestigung mit Lagerbock - 3-teilig

MZ

14

Gabelbefestigung sphärisch  - 3-teilig

UL

15

Doppelschwenkgelenk sphärisch - 3-teilig

AB/MP6

16

Befestigungsmutter Kolbenstange

DS

17

Gabelgelenk

GF

18

Gelenkkopf sphärisch

GS

19

Flexible Kupplung

FK

20

Lagerbock Gabelgelenk

 

21

Lagerbock für Schwenkzapfenbefestigung

AT4

22

Schwenkzapfenbefestigung

MT4A/MT4B/MT4P

23

Nährungsschalter

M60

24

Befestigung Nährungsschalter

BZ/BS/BD

25

Linearführung

LFH


Bei hoher Beanspruchung bzw. Laufleistung können die Dichtungen des Zylinders schneller verschleißen als andere Bauteile. Daher wird für die Zylindern ein Reparaturset angeboten, bei dem alle Dichtungen inbegriffen sind und somit der Zylinder wieder instand gesetzt werden kann.

Reparatursets für die DI, DIP und DVP Zylinder haben bei JOYNER folgende Typenbezeichnungen:

ET-DIP/DVP-32 ( z. B. für Zylinder Ø32 mm) für Zylinder  32 bis 100 mm

ET-DIM/DVPM-32 ( z. B. für Zylinder  32 mm) für Zylinder mit Magnetkolben Ø32 bis 100 mm

ET-DI/DP-125 für Zylinder Ø125 mm

ET-DIM/DIPM-125 für Zylinder mit Magnetkolben Ø125 mm

ET-DI-160 ( z. B. für Zylinder 160 mm) für Zylinder Ø160 und 200 mm

ET-DIM-160 ( z. B. für Zylinder 160 mm) für Zylinder mit Magnetkolben Ø160 und 200 mm

ET-DI/DIM-250 ( z. B. für Zylinder Ø250 mm) für Zylinder  250 und 320 mm


Weitere Detailinformation finden Sie online unter https://www.joyner.de/downloads/  in unserem Zylinder Katalog.