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어린이 과학 실험실
공기에서 근육. 어린이과학실
약간의 확장을 통해 기계의 공압 드라이브가 가장 오래된 것 중 하나라고 가정할 수 있습니다. 결국 바람은 배의 돛과 밀의 칼날 모두에서 오랫동안 인간에게 봉사했습니다. 보다 엄격한 접근 방식을 사용하는 공압 액추에이터는 아마도 가장 젊고 따라서 매우 유망한 것 중 하나일 것입니다. 부품의 파워 클램핑, 공구 이동, 직선 및 원형의 스테핑 및 간헐적 공급에 사용되며 절단, 압착, 조립 및 기타 여러 기술 작업에 사용됩니다. 산업용 로봇의 약 절반이 공압식으로 구동된다고 말하면 충분합니다. 기본 아이디어는 매우 간단합니다. 압축기는 공기를 압축합니다. 이 가스 "스프링"은 공기가 공기 모터에 공급될 때까지 저장된 위치 에너지를 저장합니다. 팽창할 때 위치 에너지는 예를 들어 막대가 있는 피스톤과 같은 출력 링크의 운동 에너지로 바뀌어 기계의 작동 본체를 움직이게 합니다. 공압 액추에이터는 디자인의 단순성 외에도 많은 장점이 있습니다. 우선, 작동 유체는 항상 가까이에 있으며 문자 그대로 "희박한 공기에서"제거됩니다. 또한 사용 후에는 거기에 버려지며 거의 환경 문제가 없습니다. 또한 공기는 다른 작동 유체에 비해 위생적이기 때문에 공압 드라이브는 식품, 전자, 제약 산업 및 정밀 기기 분야에서 널리 사용됩니다. 공압 드라이브를 사용한 설치는 다른 조건이 동일하고 더 저렴하고 안정적이며 더위와 추위에서 잘 작동하고 높은 습도와 먼지를 두려워하지 않으며 완전한 화재, 전기 및 폭발 안전을 보장합니다. 공압 액추에이터의 수명은 최대 20000시간에 달하고 작동력은 수 톤에 달하며 작동 속도는 유압 액추에이터보다 5배 더 빠르며 매우 간단한 장치를 사용하여 힘과 속도를 모두 원활하게 조정할 수 있습니다. 대부분의 경우 공압 드라이브는 기계의 작동 본체에 직접 연결될 수 있으므로 복잡한 기계식 변속기 없이 구동됩니다. 전기 드라이브와 비교할 때 다른 중요한 이점은 무제한 시간 동안 부하 상태에서 정지 상태로 제동하는 기능과 과부하 보호 장치 없이 수행할 수 있는 기능입니다. 따라서 많은 장점이 있으며 공압 드라이브는 물론 똑같이 많은 단점이 없다면 경쟁에서 벗어날 것입니다. 이러한 단점은 장점의 유기적 연속이기 때문에 제거하기가 어렵습니다. 그것들은 작동 유체가 압축성 기체인 공기라는 사실 때문입니다. 이 특성으로 인해 부하 변동 중에 기계의 작업 몸체를 원활하게 움직일 수 없으며 엄격하게 정의된 지점에서 공구를 정지하기 어렵고 파이프라인을 통한 공압 명령은 다음에서만 전송될 수 있습니다. 소리의 속도. 따라서 경우에 따라 공압식(높은 부드러움 또는 정지 정확도가 필요한 경우) 및 전기 공압식(속도를 보장해야 하는 경우) 하이브리드 시스템이 편리합니다. 유압 드라이브의 장점은 작동 유체의 고압(최대 500기압)을 사용할 수 있다는 것입니다. 작은 실린더 크기로 수백, 수천 톤의 힘을 생성할 수 있습니다. 공압 액추에이터에서 동일한 고압을 사용하지 않는 이유는 무엇입니까? 첫째, 공기 압축기에서 생성하기 어렵고 둘째, 사용하기에 위험합니다. 파이프라인이 파손되면 압축 공기가 조각을 파편처럼 날려 버립니다. 따라서 요약하면 부품이나 작업 도구를 고정하는 데 많은 노력과 정확성이 필요한 경우를 제외하고는 간단하고 저렴하며 안정적인 공압 액추에이터를 사용하는 것이 가장 좋습니다. 멤브레인, 피스톤, 베인, 터빈과 같은 다양한 메커니즘이 공압 엔진으로 사용됩니다. 그러나 기계 작업을 수행하는 엔진을 갖는 것만으로는 충분하지 않으며 움직임을 제어해야 하며 이를 위해 세 가지를 해결해야 합니다 주요 작업: 직선 및 회전 운동의 방향을 변경하고 속도를 부드럽게 변경하고 생성된 작업력을 부드럽게 조절합니다. 이를 위해 다양한 공압 장치가 만들어졌습니다.
이러한 메커니즘에 대해 조금 더 이야기해 봅시다. 가장 간단한 에어 모터는 전진 이동 중에 압축되는 리턴 스프링이 있는 다이어프램 액추에이터입니다. 주요 장점은 설계의 단순성, 작업 캐비티의 견고성 및 단 하나의 명령 공압 라인입니다. 그리고 가장 큰 단점은 상대적으로 작은 작동 스트로크입니다. 멤브레인 메커니즘은 석유 화학 및 가스 산업뿐만 아니라 운송 분야에서도 폭넓게 응용되고 있습니다. 버스의 문을 열고 철도 차량과 트럭의 브레이크를 작동시킵니다. 피스톤 공압 실린더는 기계 제작자 사이에서 더욱 인기가 있습니다. 단동 실린더는 다이어프램 모터와 유사하며 장점과 단점이 동일합니다. 복동 공압 실린더는 훨씬 더 큰 스트로크를 제공하므로 더 자주 사용됩니다. 최근까지 이러한 엔진에서는 막대만 출력 링크 역할을 했습니다. 압축 공기가 실린더의 공동 중 하나에 공급되면 다른 공동은 대기와 연결됩니다. 따라서 복동 공압 실린더에서 로드가 있는 피스톤은 로드가 완전히 수축되거나 완전히 확장된 두 가지 극단적으로 안정적인 위치에만 있을 수 있습니다. 실린더 직경이 제한되면 이중 또는 삼중 공압 실린더가 사용됩니다. 하나의 공통 로드에서 작동하는 서로 직렬로 연결된 XNUMX개 또는 XNUMX개의 실린더로 구성됩니다. 이 경우 피스톤에 작용하는 힘이 합산됩니다. 공압 실린더를 수직으로 설치하면 압축 공기 공급이 중단되면 스템이 중력의 영향을 받아 떨어질 수 있습니다. 이러한 현상을 방지하기 위해 FESTO(오스트리아)에서는 로드가 특수 메커니즘으로 단단히 고정되었다가 압축 공기가 공급되면 다시 해제되는 공압 실린더를 개발했습니다. 막대를 사용한 운동 전달에는 여러 가지 단점이 있습니다. 먼저 스템을 밀봉해야 합니다. 둘째, 로드가 완전히 확장되면 공압 실린더의 전체 길이가 거의 두 배가 됩니다. 셋째, 스트로크의 크기는 막대의 강성에 의해 제한됩니다. 스트로크가 길면 막대가 구부러지기 시작합니다. 최근 몇 년 동안 많은 외국 회사에서 이러한 단점이 없는 로드리스 공압 실린더를 개발했습니다. 따라서 FESTO 회사는 강력한 영구 링 자석이 피스톤과 캐리지에 내장된 디자인을 개발했습니다. 자기력의 작용으로 피스톤이 움직이면 외부 이동 캐리지도 실린더 축을 따라 움직입니다. 기계의 작동 몸체가 고정되어 있습니다. 이는 다음과 같은 이점을 제공합니다. 첫째, 피스톤이 움직일 때 실린더의 전체 길이는 변하지 않으며 둘째, 이러한 실린더는 기존 실린더에 비해 최대 10m 이상의 훨씬 더 큰 스트로크를 제공할 수 있습니다. 또한 피스톤과 실린더 사이에만 씰이 필요하며 XNUMX개의 압축 공기 흡입구가 있는 실린더 자체가 밀폐된 구조가 됩니다. ORIGA(스웨덴)에서 제조한 로드리스 공압 실린더에서 피스톤은 슬라이딩 세로 슬롯을 통해 실린더 외부 표면에 배치된 이동식 캐리지에 견고하게 연결됩니다. 이 간격은 두 개의 유연한 강철 테이프(내부 및 외부)와 영구 자석으로 밀봉됩니다. 피스톤과 캐리지의 견고한 연결은 압축 공기의 압력에 대한 전달된 작동력의 의존성을 보장하여 이 디자인을 이전 디자인과 구별합니다. BOSCH(독일) 회사의 공압 실린더에는 피스톤 양쪽에 막대가 있지만 유연한 강철 테이프입니다. 이 벨트는 실린더에 밀봉되어 있으며 두 개의 롤러를 통해 이동을 외부 이동식 캐리지로 전달합니다. 피스톤이 오른쪽으로 이동하면 캐리지가 왼쪽으로 이동하고 그 반대도 마찬가지입니다. 캐리지에는 극한 위치뿐만 아니라 모든 중간 위치에서도 정지할 수 있는 공압식 브레이크가 장착되어 있습니다. 그러나 이러한 포지셔닝의 정확도는 낮습니다. 호스 공기 모터에는 두 개의 롤러가 있는 캐리지가 외부 표면을 따라 이동할 수 있는 축을 따라 속이 빈 고무 호스인 로드가 없습니다. 고속의 공압 실린더에서 피스톤은 스트로크 끝에서 충격을 생성할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 가변 단면의 구멍 인 스로틀을 사용하여 부드럽게 조정할 수있는 제동 기능이있는 공압 실린더가 만들어졌습니다. 회전 공압 실린더는 나사 절삭 선반에서 척, 공작물 고정 및 바 재료를 구동하는 데 널리 사용됩니다. 압축 공기 공급은 특수 커플 링을 통해 수행됩니다. 클러치가 정지 상태를 유지하는 동안 실린더 본체는 종축을 중심으로 회전할 수 있습니다. 예를 들어 스탬핑과 같은 여러 가지 충격 기술 작업이 있습니다. 압축 공기의 위치 에너지가 충격의 운동 에너지로 변환되는 충격 공압 실린더가 개발되었습니다. 공압 모터의 또 다른 유형은 챔버 또는 풍선입니다. 그들은 예를 들어 항공기 건설, 자동차 섀시의 에어 서스펜션에서 거대한 구조물을 들어 올리는 데 사용되는 자동차 잭, "공압 장치"로 사용되는 프레스의 클러치 및 브레이크에 사용됩니다. 이 서스펜션을 사용하면 차량의 지상고(간격)를 조정할 수 있습니다. 종종 기계의 작동 본체를 회전시킬 필요가 있습니다. 이를 위해 회전식 공기 모터가 사용되며 대부분 피스톤 및 슬라이딩(블레이드)입니다. 피스톤 피스톤에서 두 개의 피스톤은 기어 휠과 맞물리는 기어 랙이 있는 공통 로드로 연결됩니다. 후자의 샤프트는 공기 모터의 출력 링크입니다. 압축 공기의 작용으로 로드가 있는 피스톤이 왕복 운동을 수행하여 출력 샤프트의 회전으로 변환됩니다. 베인 공압 모터에서 본체는 고정된 칸막이가 있는 링 형태로 만들어집니다. 이 하우징 내부에서 압축 공기의 작용으로 역시 출력 샤프트와 연결된 밀봉된 블레이드(또는 게이트)가 회전할 수 있습니다. 공압 모터에서 압축 공기의 위치 에너지는 출력 샤프트의 다회전 회전 운동으로 변환됩니다. 공압 모터에는 기어, 라멜라, 터빈, 나사 등 다양한 유형이 있습니다. 가장 널리 퍼진 것은 베인 및 터빈 공압 모터이며 특히 드릴링 및 연삭기, 스크루 드라이버, 렌치, 가위, 파일 및 기타 여러 공압 공구를 구동하는 데 사용됩니다. 그들의 주요 장점은 완전한 전기 및 폭발 안전입니다. 공기의 압축성과 관련된 공압식 구동 장치의 단점은 결합 된 구동 장치 인 유공압 장치가 없다고 이미 말했습니다. 이 정의에서 "폐렴"이라는 단어는 애초에 헛된 것이 아닙니다. 그것의 에너지 원은 압축 공기입니다. 이 드라이브는 공압식과 유압식의 두 실린더로 구성되어 있으며 피스톤과 막대는 서로 단단히 고정되어있어 높은 움직임의 부드러움을 보장합니다. 이동 속도는 바이패스 파이프라인에 장착된 스로틀에 의해 제어됩니다. 유체의 비압축성으로 인해 유압 실린더의 캐비티 사이의 연통이 밸브로 닫히면 로드가 중간 위치에 있는 상태에서 피스톤을 멈출 수 있습니다. 즉, 정확한 위치 지정을 수행할 수 있습니다. 이러한 결합 드라이브는 하나를 제외하고 "부모"의 모든 긍정적 속성을 가지고 있습니다. 큰 작업력을 생성하지 않습니다. 이것은 이해할 수 있습니다. 결국 에너지원은 (유압 드라이브에 비해) 압력이 낮은 압축 공기입니다. 큰 노력은 유공압 부스터를 제공합니다. 그것에서 에너지 원은 압축 공기이며 그 압력은 막대를 통해 오일로 전달됩니다. 유압 실린더에서 압력은 압축 공기의 압력보다 250배 더 큽니다. 이는 피스톤과 로드의 면적 비율에 따라 다릅니다. 공압 유압 부스터의 사용은 공작 기계의 클램핑 장치에서 특히 편리합니다. 그 안에서 클램핑 턱을 움직여 제품과 접촉할 때 낮은 압력이 필요하고 제품의 클램핑을 보장하기 위해 높은 압력이 필요합니다. 이러한 증폭기는 또한 다양한 기계의 제동 장치와 예를 들어 증가된 토크를 제공하는 드릴과 같은 도구의 구동에 적용됩니다. MEKMAN(스웨덴)의 이러한 증폭기는 10기압의 압축 공기압으로 XNUMX기압의 오일 압력을 제공합니다! 산업용 로봇 조작기에서 공압 액추에이터를 사용하는 방법에 대해 자세히 살펴보겠습니다. 로봇 공학의 발전은 가장 단순하고 가벼운 산업용 로봇의 제작으로 시작되었으므로 공압 드라이브가 매우 유용하다는 것이 밝혀졌습니다. 일반적으로 매니퓰레이터의 링크는 견고한 구조입니다. 각 링크에는 자체 드라이브가 제공됩니다. 사람의 어깨, 팔뚝 및 손에 자체 근육이 있는 것과 같습니다. 링크(또는 해당 드라이브)의 수는 로봇의 자유도를 결정합니다. 대부분의 기존 로봇의 경우 이 숫자는 22~XNUMX개를 초과하지 않습니다. 그러나 이동성 정도는 장애물을 우회하거나 우회하는 능력을 포함하여 매니퓰레이터의 기동성을 결정합니다. 인간의 손에는 XNUMX도의 이동성이 있습니다. 최근 소련에서는 강성이 가변적인 공압 액추에이터가 개발되었습니다. 뱀과 유사한 이러한 메커니즘을 통해 무한한 자유도를 가진 매니퓰레이터를 만들 수 있습니다. 여러 개의 세로 챔버가 있는 속이 빈 유연한 쉘입니다. 모든 챔버에 동일한 압력이 가해지면 매니퓰레이터는 수직 위치를 차지하고 다른 압력이 가해지면 압력이 낮은 챔버 쪽으로 구부러집니다. 프랑스에서는 유연한 "몸체"의 연속적인 스트레칭과 수축으로 인해 벌레처럼 연동 방식으로 움직이는 공압 로봇 "Cedrom-3"이 개발되었습니다. 세 부분으로 구성되어 있습니다. 그들 각각은 방독면 호스와 유사한 탄성 주름관입니다. 이러한 로봇 "웜"은 수평 또는 수직 방향으로 모든 채널, 파이프, 평면, 볼록 또는 오목 표면을 따라 기어갈 수 있습니다. 모래, 곡물, 눈, 파편과 같은 느슨한 환경에서 최대 90 °의 각도로 회전 할 수 있습니다. 정지 상태에서 이 로봇은 길이 3m, 직경 120mm입니다. 무게는 10kg, 견인력은 80kg, 이동 속도는 1m/min 이상입니다. 그것은 30m 이상의 거리를 "크리프"할 수 있고 최대 80 ° C의 온도를 견딜 수 있습니다. 일본에서는 압축 공기로 채워진 관형 탄성 챔버를 사용하여 로봇을 구동합니다. 이러한 드라이브는 합성 재료로 묶인 고무 튜브 조각입니다. 압축 공기가 공급되면 튜브는 근육처럼 직경이 확장되고 축 방향으로 길이가 수축하기 시작합니다. 고무 튜브는 양쪽에 금속 주각으로 끝납니다. 로봇의 각 이동도를 제어하기 위해 이러한 두 개의 고무 액추에이터가 사용됩니다. 각 드라이브의 금속 베이스 중 하나는 고정식으로 고정되어 있고 나머지는 도르래 위로 던져진 유연한 케이블로 상호 연결되어 있습니다. 이 도르래는 로봇 팔의 링크 중 하나에 연결됩니다. 액추에이터 중 하나의 압력이 증가하면 "수축"되고 압력이 같은 양만큼 감소하면 다른 액추에이터가 "이완"(즉, 길어짐)됩니다. 결과적으로 케이블이 움직이고 풀리와 로봇의 암 링크가 회전합니다. 이러한 로봇은 마이크로컴퓨터에 의해 제어됩니다. 가벼운 무게와 유연성으로 인해 인체에 무해합니다. 단순성으로 인해 이 로봇은 광택 부품과 같은 많은 간단한 작업을 수행하는 데 사용할 수 있습니다. 가장 중요한 것은 압축 공기로 채워진 고무 "근육"을 사용하여 로봇의 질량(6kg)과 리프팅 하중(2kg) 사이의 전례 없는 비율인 3:1을 달성할 수 있었다는 것입니다. 결국 이 비율은 보통 10:1 이상입니다. 그러나 그러한 로봇은 여전히 사람과는 거리가 멀다. 역도 선수들은 자신의 2~2,5배의 무게를 든다는 사실을 상기하십시오. 따라서 로봇 디자이너가 진정하기에는 너무 이르다! 공압 드라이브 개발에 대한 전망은 무엇입니까? 잘 알려진 회사인 FESTO(오스트리아)에 따르면 1986년 유럽, 미국 및 일본의 공압 액추에이터 총 생산량은 6,5억 독일 마르크에 달했습니다. 이 자금은 200.000대의 안락한 중산층 자동차를 생산하기에 충분합니다! 선진 자본주의 국가에서는 수십 개의 크고 작은 회사가 가장 광범위한 공압 구동 장비를 생산합니다. 이들 회사 중 가장 큰 회사는 FESTO, Wabco-Westinghouse(독일), Martoier(독일), Mekman(스웨덴)입니다. FESTO 공압 액추에이터 요소의 범위는 직경이 6 ~ 320mm인 다양한 유형의 공압 실린더, 수 밀리미터에서 수 미터에 이르는 작동 행정 및 공기 통로용 단면이 있는 모든 크기의 제어 장비를 포함하여 수천 단위입니다. 2,5에서 20mm까지. CMEA 국가는 또한 벨로루시 인민 공화국, GDR, 그리고 무엇보다도 헝가리(Mekman 회사와의 공동 생산)에서 다양한 제품과 고품질의 공압 드라이브 장비를 생산합니다. 국내 산업에서 공압 드라이브의 생산 및 사용 상황은 어떤지 살펴 보겠습니다. 그것은 개탄스러운 것 외에는 아무 것도 부를 수 없습니다. 공압 구동 장비의 중앙 집중식 생산 및 모든 기계 공학 분야의 공급은 공작 기계 산업부에 의해 수행됩니다. 공압 장비 생산에는 4 개의 기업 만이 참여하고 있으며 Ordzhonikidze Experimental (!?) Pneumatic Equipment Plant는 전국의 기계 공학용 공압 실린더를 제조합니다. 명명법은 공압 실린더의 58개 모델로만 구성됩니다. Simferopol Production Association Pnevmatika는 소수의 산업용 로봇용 회전식 공압 모터와 롱 스트로크 공압 실린더를 제작합니다. 미니어처 공압 실린더 및 제동 기능이 있는 공압 실린더는 Minstankoprom의 어떤 기업에서도 만들지 않습니다. 제동이 없는 공압 실린더는 총 150개 모델이 생산되며 1000개가 필요하고 제동이 있는 공압 실린더는 1200개 모델이 필요합니다. 로터리 에어 모터 모델은 4개뿐이며 24개 모델이 필요합니다(제공된 모든 수치는 VNIIgidroprivod, Kharkov에 따름). 일부 기계 공학 분야에서는 공압 액추에이터 자체 생산을 조직했습니다. 따라서 전기 열차 및 지하철 차량의 Mytishchi 공장은 이러한 차량의 문을 구동하기 위한 공압 실린더를 생산합니다. 자동차 산업에서는 자동차 브레이크 시스템 및 버스 도어 드라이브용 다이어프램 공압 액추에이터를 생산합니다. 그러나 이러한 개별 사례는 전체 그림을 변경하지 않습니다. Ordzhonikidzevsky Experimental Plant와 Simferopol Production Association "Pnevmatika"에서 생산한 공압 장비의 마찰 표면과 고무 씰의 품질은 매우 나쁩니다. 이는 낮은 신뢰성과 불충분한 장비 수명으로 이어집니다. 그리고 이것은 VNR에서 생산된 공압 실린더가 거의 모든 기계의 전체 서비스 수명에 충분한 50천만 더블 스트로크를 제공하는 동안입니다! 분배 및 제어 장비와 압축 공기 준비 장비의 생산 상황은 더 나을 것이 없습니다. 그것의 명명법은 매우 좁고 품질과 신뢰성 (모스크바 Pnevmoapparat 장비 제외)이 낮습니다. 이 모든 것이 국내 엔지니어링 산업에서 공압 드라이브를 아주 적게 사용하도록 이끌었습니다. 소형 공압 구동 장비는 특히 부족합니다. 외국 회사의 라이센스에 따라 새로운 기계 생산을 마스터할 때 공압 드라이브용 부품을 포함한 국내 부품으로 이전해야 합니다. 동시에 매번 걸림돌은 필요한 국내 공압 구동 장비가 부족하고 외화를 위해 해외에서 구입해야한다는 것입니다. 공압 드라이브를 포함한 모든 유형의 드라이브 생산을 위한 현대적인 기반을 만들지 않고는 국내 기계 공학의 가속화된 개발과 높은 수준의 기술 창출이 불가능합니다. 이 가장 중요한 작업에 대한 신속하고 신속한 솔루션 없이는 우리의 기계 공학은 앞으로 나아갈 수 없으며 세계 시장에서 경쟁력을 가질 수 없습니다. 선형 공기 모터 복동 공압 실린더
단동 공압 실린더
로드리스 공압 실린더
로드리스 공압 실린더
로프 공압 실린더
호스 에어 모터
제동 기능이 있는 공압 실린더
회전하는 공압 실린더
임팩트 공압 실린더
챔버 에어 모터
로터리 에어 모터 랙 및 피니언이 있는 피스톤
게이트(베인)
에어 모터 기어
로터리 베인
터빈
공압 드라이브
공압 부스터
공압 엔진 "뱀"
공압 "근육"
저자: V.Levin
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