Nozioni di base per la selezione dei cilindri pneumatici

I cilindri pneumatici sono componenti importanti nei sistemi pneumatici che generano movimenti meccanici utilizzando aria compressa. Vengono utilizzati in una varietà di applicazioni, come nell’industria manifatturiera, nella costruzione di impianti o di macchine personalizzate.

Che cos’è un cilindro pneumatico?

Un cilindro pneumatico, o cilindro ad aria compressa, è un attuatore che utilizza aria compressa per convertire una forza in movimento lineare. Nei sistemi pneumatici, l’aria compressa viene fornita attraverso le tubazioni dal compressore ai consumatori. Qui viene convertito in movimento meccanico mediante elementi di azionamento, come i cilindri. Questi cilindri generalmente eseguono movimenti lineari, ma possono anche eseguire movimenti di rotazione utilizzando componenti di trasmissione. Di solito sono costituiti da un alloggiamento cilindrico, un pistone e un’asta del pistone e sono utilizzati in varie applicazioni per trasferire forze o per sollevare e spostare oggetti. La selezione del cilindro pneumatico corretto dipende dai requisiti della rispettiva applicazione. Fattori importanti sono, ad esempio, la lunghezza della corsa, la forza, la pressione di esercizio e la temperatura.

Costruzione di cilindri pneumatici

I cilindri pneumatici sono generalmente costituiti dai seguenti componenti principali:

• Alloggiamento cilindrico: L’alloggiamento cilindrico ha una forma simile a un tubo flessibile o un "tamburo" ed è solitamente realizzato in acciaio. Contiene altri componenti come il pistone, l’asta del pistone e gli elementi di tenuta.
• Collegamenti: I collegamenti si trovano alle estremità del cilindro pneumatico. L’aria compressa può entrare o uscire attraverso di essa.
• Pistone: Il pistone si trova all’interno del cilindro ed è spostato da aria compressa.
• Asta del pistone: L’asta del pistone si trova nel tubo flessibile del cilindro ed è collegata al pistone di trasmissione. Il movimento lineare del pistone viene trasferito ad altre parti della macchina con l’asta del pistone.
• Elementi di tenuta: Gli elementi di tenuta assicurano che la pressione nel cilindro sia mantenuta o compensata.

(1) Asta del pistone (2) Alloggiamento cilindrico (3) Collegamenti (4) Pistone (5) Elementi di tenuta

Differenziazione dei cilindri pneumatici in base al principio di funzionamento

Il principio di funzionamento dei cilindri pneumatici si basa sul principio della variazione di pressione e volume. L’aria compressa diretta nel cilindro sposta il pistone. A seconda del principio di funzionamento e dell’applicazione della forza, si distingue tra cilindri pneumatici ad azione singola e cilindri pneumatici a doppia azione.

Un cilindro pneumatico ad azione singola ha un collegamento singolo. L’aria compressa entra attraverso questo collegamento, estendendo l’asta del pistone. A causa del principio di funzionamento dei cilindri pneumatici ad azione singola, la forza può essere esercitata solo in una direzione. Se l’aria compressa viene rilasciata tramite lo stesso collegamento, l’asta viene riportata nella sua posizione originale. La retrazione dell’asta può essere controllata utilizzando una molla di ritorno o una forza esterna.

Un cilindro pneumatico a doppia azione funziona in entrambe le direzioni. È dotato di due collegamenti dell’aria compressa, che pressurizzano alternativamente il cilindro pneumatico da entrambi i lati. In questo modo, l’asta del pistone viene spostata avanti e indietro. A seconda del lato in cui viene fornita aria compressa, il cilindro pneumatico controlla la direzione del movimento e sviluppa la sua forza completa in entrambe le direzioni.

Versioni diverse di cilindri pneumatici

Esistono diverse versioni di cilindri pneumatici. Le spiegazioni elencate di seguito sono tra le varianti più comuni e/o ben note e fungono da esempio. Oltre a queste, esistono altre varianti per varie applicazioni speciali.

Cilindro pneumatico con smorzamento della posizione finale

I cilindri ad aria compressa con smorzamento della posizione finale sono dotati di buffer elastici o acceleratore regolabile per decelerare leggermente il movimento dell’asta del pistone prima che raggiunga la sua posizione finale. Questo smorzamento protegge dagli urti e aumenta la durata del sistema impedendo al pistone di impattare sul fondo del cilindro a velocità eccessive.

Cilindro senza stelo

I cilindri ad aria compressa senza stelo sono una forma speciale di cilindri pneumatici che si differenziano dai cilindri convenzionali a causa dell’assenza di un’asta del pistone di proiezione. Il pistone si muove all’interno del cilindro e trasmette la sua forza attraverso una guida esterna, una cinghia o attraverso il collegamento laterale di un attuatore lineare. Questo tipo di costruzione consente lunghezze della corsa più lunghe in una forma più compatta, rendendole particolarmente adatte per applicazioni precise e restrizioni spaziali.

Cilindro pneumatico sincrono

In un cilindro ad aria compressa sincrona, i cilindri sono progettati per funzionare in modo sincrono tra loro. Ciò consente a tutti i cilindri di muoversi contemporaneamente e alla stessa velocità. Ciò consente di ottimizzare i processi di lavorazione perché il movimento sincrono consente movimenti oltre l’intensità di un singolo cilindro. I cilindri pneumatici sincroni sono spesso utilizzati in applicazioni dove sono necessari movimenti precisi e uniformi, come nella tecnologia di assemblaggio o nella tecnologia di imballaggio.

Cilindri multiposizione

Questo tipo di cilindro è costituito anche da diversi cilindri ad aria compressa a doppia azione collegati direttamente tra loro. A seconda dell’applicazione dell’aria compressa, i singoli pistoni dei cilindri si estendono in direzioni diverse. Ad esempio, quando sono collegati due cilindri di diverse lunghezze di corsa, la divisione di azionamento e corsa determina quattro posizioni che il cilindro può assumere. I cilindri multiposizione sono generalmente utilizzati quando sono necessarie diverse posizioni target, come nella tecnologia di imballaggio o nella tecnologia di montaggio.

Cilindri a membrana

Anche i cilindri a membrana appartengono alla classe dei cilindri pneumatici e, a differenza del cilindro ad aria compressa, hanno una membrana flessibile o un soffietto invece di un pistone. La membrana si espande in risposta all’alimentazione dell’aria compressa, creando movimento e forza. Un vantaggio dei cilindri a membrana è la capacità di lavorare in ambienti dove i rischi di perdite o contaminazione devono essere evitati eliminando la necessità di aste o guarnizioni del pistone che sporgono dal cilindro. Sono quindi ideali per applicazioni pulite o sterili.

Selezione dei cilindri pneumatici

Quando si seleziona un cilindro pneumatico, la forza necessaria per spostare il carico a una certa velocità gioca un ruolo chiave. La forza del cilindro deve essere leggermente superiore alla forza richiesta per spostare il carico. La forza generata dipende da vari fattori, tra cui la pressione di esercizio e il diametro effettivo del pistone. La formula di base per calcolare la forza F del cilindro pneumatico è:

Dove p è la pressione esercitata sul pistone e a è la superficie effettiva che entra in contatto con l’aria. Il diametro del pistone d viene utilizzato per calcolare l’area di superficie effettiva a:

Utilizzando la pressione di esercizio p e la superficie determinata a, è ora possibile determinare la forza massima potenziale e quindi l’uscita massima del cilindro. Tuttavia, la forza generata in realtà può essere leggermente inferiore a causa di aspetti come l’attrito o il calo di pressione in linee e valvole. Si deve inoltre menzionare che le formule sopra menzionate e il calcolo della forza si riferiscono a cilindri pneumatici ad azione singola. Per i cilindri pneumatici a doppia azione, il calcolo deve tenere conto anche della corsa di ritorno oltre alla corsa di rilascio.

Vantaggi e svantaggi dei cilindri pneumatici

I cilindri pneumatici sono caratterizzati da una varietà di vantaggi. Un fattore importante è la loro struttura robusta. Possono resistere a varie influenze ambientali e sollecitazioni meccaniche. Grazie al loro design semplice, i cilindri ad aria compressa sono in primo luogo più economici perché non richiedono componenti elettronici o controlli complessi e, in secondo luogo, anche la loro manutenzione e riparazione sono più facili, ad esempio, rispetto ai sistemi elettronici o idraulici. Inoltre, occorre menzionare che i cilindri pneumatici funzionano in modo molto pulito, in quanto funzionano solo con aria compressa. Anche se l’aria fuoriesce da una perdita, non vi è contaminazione. Inoltre, il montaggio è molto semplice, poiché l’aria di scarico può uscire direttamente nell’ambiente e quindi non sono necessarie linee di ritorno complesse.

Uno degli svantaggi è che i cilindri pneumatici richiedono aria pulita e asciutta per funzionare in modo ottimale. La contaminazione o l’umidità nell’aria possono causare usura o condensa prematura nel sistema, che a sua volta comprometterebbe l’efficienza e la durata dei cilindri. Un altro aspetto da considerare è il cosiddetto effetto stick-slip. Questo effetto si riferisce allo scorrimento di corpi solidi mobili l’uno contro l’altro e si verifica quando l’attrito statico è significativamente maggiore dell’attrito di scorrimento. Poiché le forze dell’attrito statico nei cilindri pneumatici sono circa due volte superiori a quelle dell’attrito scorrevole, l’effetto stick-slip può talvolta verificarsi molto rapidamente.

Aree di applicazione dei cilindri pneumatici

I cilindri pneumatici sono utilizzati in una varietà di settori e applicazioni. Vengono spesso utilizzati nell’ingegneria meccanica e nell’ingegneria degli impianti per eseguire movimenti ripetitivi, come le linee di produzione automatizzate. I cilindri ad aria compressa vengono utilizzati per eseguire attività come il bloccaggio, la tornitura o il sollevamento. Tuttavia, i cilindri pneumatici sono usati anche nei sistemi trasportatori per aprire o chiudere i cursori, ad esempio, o per spostare i materiali da un nastro all’altro.

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