Siłowniki miniaturowe

Siłowniki miniaturowe to kompaktowe napędy pneumatyczne o bardzo małych wymiarach, przeznaczone do dokładnych, krótkich ruchów roboczych. Zaprojektowane z myślą o ograniczonej przestrzeni montażowej, znajdują zastosowanie w precyzyjnych mechanizmach automatyki, układach laboratoryjnych i manipulatorach mikroelementów.

Model CJP-Z to siłownik jednostronnego działania, w którym ruch roboczy odbywa się pod wpływem ciśnienia powietrza, a powrót tłoczyska realizowany jest przez sprężynę cofającą. Tłoczysko o małej średnicy przypomina igłę, co umożliwia montaż w bardzo wąskich przestrzeniach lub w głowicach precyzyjnych narzędzi.

Seria CJP-Z obejmuje średnice od 4 do 10 mm, co pozwala uzyskać siły robocze rzędu kilku do kilkudziesięciu niutonów. Dzięki temu możliwe jest precyzyjne manipulowanie niewielkimi częściami, np. w montażu komponentów elektronicznych lub w systemach dozowania.

Dostępne skoki wynoszą od 5 do 30 mm, zależnie od średnicy. Krótkie skoki zapewniają dużą powtarzalność pozycjonowania, a w wersjach specjalnych SMC oferuje również skoki niestandardowe, dopasowane do konkretnej aplikacji klienta.

Choć oba modele są jednostronnego działania, różnią się konstrukcją:

• CJP-Z to nowoczesny model o udoskonalonej sprężynie powrotnej i kompaktowej budowie,
• CJ1 to klasyczny siłownik igłowy o cylindrycznym korpusie, często stosowany w aplikacjach medycznych i laboratoryjnych.

CJP-Z ma mniejszy ciężar i większą odporność na wibracje.

Zakres ciśnienia wynosi od 0,1 do 0,7 MPa. Przy niższych wartościach (0,1–0,2 MPa) siłownik nadaje się do delikatnych manipulacji, natomiast przy 0,6–0,7 MPa osiąga pełną siłę roboczą. Maksymalne ciśnienie dopuszczalne nie powinno być przekraczane ze względu na cienkościenny korpus.

Seria CJP2/CDJP2 to siłowniki, w których tłok napędzany jest sprężonym powietrzem zarówno w kierunku wysuwu, jak i powrotu. Konstrukcja ta eliminuje konieczność stosowania sprężyny, dzięki czemu siłownik ma równą siłę w obu kierunkach i lepszą kontrolę pozycji końcowych.

Seria obejmuje średnice 6, 10, 16 i 20 mm oraz skoki od 5 do 30 mm. Wersje o większych średnicach zapewniają wyższe siły robocze, zachowując kompaktową formę i lekką konstrukcję aluminiową.

Litera „D” oznacza wyposażenie siłownika w magnes tłokowy, umożliwiający współpracę z czujnikami położenia SMC serii D-M9, D-A93 itp. Dzięki temu można wykrywać pozycję tłoka bezkontaktowo, co jest niezbędne w automatyce precyzyjnej i kontroli procesów.

Siłowniki jednostronne (CJP-Z, CJ1) charakteryzują się:

• prostą budową,
• niską masą,
• krótkim czasem reakcji,
• samoczynnym powrotem tłoczyska.

Dzięki temu są idealne do prostych cykli typu „pchnij–wróć” lub „otwórz–zamknij”.

Model CJP2 doskonale nadaje się do:

• pozycjonowania miniaturowych elementów,
• napędzania suwaków, zaworów,
• przesuwania mikrodetali w liniach montażowych,
• kontroli siły w układach testowych.

Dzięki dużej powtarzalności położenia zapewnia precyzyjną kontrolę mikroruchów.

• Korpus: aluminium anodowane lub stal nierdzewna (dla CJ1),
• Tłoczysko: stal nierdzewna SUS304,
• Uszczelnienia: NBR lub FKM,
• Sprężyna powrotna: stal fosforanowana.

Dobór materiałów zapewnia niskie tarcie i wysoką odporność na korozję.

CJP-Z to siłownik jednostronny, natomiast CJP2 – dwustronny. Wersja Z ma sprężynę powrotną i kompaktową igłową budowę, CJP2 z kolei posiada dwa porty zasilające, dzięki czemu umożliwia precyzyjne sterowanie kierunkiem ruchu.

CJ1, dzięki stalowemu korpusowi i igłowemu tłoczysku, oferuje większą odporność na ciśnienie i jest odporny na wysokie temperatury. Stosowany jest tam, gdzie wymagana jest długotrwała stabilność wymiarowa, np. w urządzeniach pomiarowych lub w przyrządach medycznych.

Od –10°C do +70°C, przy braku kondensacji. Wersje z uszczelnieniami FKM mogą pracować do 100°C, co umożliwia ich wykorzystanie w procesach lutowania i montażu elektronicznego.

SMC oferuje kilka opcji:

• montaż czołowy (front mount),
• z tyłu (rear mount),
• z nakrętką centralną,
• w tulei zaciskowej.

Dzięki temu można instalować je w dowolnym kierunku, nawet pionowo lub pod kątem, bez utraty funkcjonalności.

Przy ciśnieniu 0,5 MPa:

• CJP2 Ø10 mm – ok. 39 N,
• CJP2 Ø16 mm – ok. 125 N,
• CJ1 Ø6 mm – ok. 14 N.

Siła ta zależy od średnicy tłoka i kierunku działania (wysuw/powrót).

Sprężyna umożliwia automatyczny powrót tłoczyska po zaniku ciśnienia, co zwiększa bezpieczeństwo w aplikacjach montażowych. Pozwala też ograniczyć zużycie powietrza, ponieważ zasilanie wymaga tylko jednej komory.

Tak – ich gładka powierzchnia i brak smarowania olejowego (konstrukcja non-lube) pozwalają na stosowanie w pomieszczeniach typu cleanroom klasy ISO 6–7, typowych dla przemysłu elektronicznego i medycznego.

• montaż precyzyjny komponentów,
• mikromanipulatory,
• chwytaki pneumatyczne,
• systemy dozowania,
• urządzenia testujące,
• automatyka laboratoryjna,
• maszyny do pakowania małych produktów.

Dla serii CJP2 i CJP-Z stosuje się złącza M5 lub Rc1/8, a dla CJ1 – mikrozłącza φ2 lub φ3 mm. Często używa się elastycznych przewodów poliuretanowych, które minimalizują naprężenia i umożliwiają ruchy z małym promieniem gięcia.

Nie wszystkie – modele CJP-Z i CJ1 mogą pracować w lekkiej próżni do –0,05 MPa, natomiast wersje CJP2 wymagają minimalnego ciśnienia dodatniego, ponieważ ich uszczelnienia nie są przystosowane do ssania.

CJ1 to starsza seria igłowa, natomiast CJ2 to wersja o zwiększonej średnicy tłoka i skróconej długości całkowitej. CJ2 oferuje lepszą dynamikę ruchu i jest często używany w robotach pick&place.

W modelach z magnesem (CDJP2) stosuje się czujniki indukcyjne lub magnetyczne. Wersje bez magnesu kontrolowane są pośrednio – przez czasy cyklu lub dodatkowe czujniki zewnętrzne.

Czujnik D-M9 umożliwia detekcję położenia tłoka z rozdzielczością <0,1 mm. Dzięki temu system sterowania PLC może z dużą precyzją określić moment dotknięcia detalu, zatrzymania lub końca ruchu.

Dla średnicy Ø10 mm dopuszczalna siła boczna wynosi 15 N, natomiast dla Ø16 mm – 25 N. Siłowniki te nie są projektowane do przenoszenia dużych momentów zginających, dlatego zaleca się stosowanie prowadnic zewnętrznych.

Niska masa (od 10 do 80 g) umożliwia montaż na ruchomych elementach manipulatorów bez obciążania układów napędowych. Minimalizuje też bezwładność, co zwiększa częstotliwość pracy i skraca cykl roboczy.

SMC oferuje wersje:

• ze smarem do niskich temperatur (–40°C),
• do pracy w środowiskach próżniowych,
• ze zredukowanym luzem tłoczyska (high precision),
• ze stali nierdzewnej (dla aplikacji spożywczych).

• czystość powietrza,
• częstotliwość pracy,
• obciążenie boczne,
• ciśnienie robocze,
• temperatura otoczenia.

Przy zachowaniu zalecanych warunków żywotność wynosi ponad 20 milionów cykli.

Przy montażu kilku siłowników w zespole należy zapewnić równoległość tłoczysk, zachować odstęp min. 5 mm między korpusami i unikać naprężeń w przewodach zasilających.

Siłowniki miniaturowe SMC są szczególnie wrażliwe na zanieczyszczenia, dlatego wymagają stosowania filtrów powietrza o dokładności co najmniej 5 µm. W aplikacjach precyzyjnych (montaż SMT, mikromechanika) zaleca się filtrację do 1 µm oraz osuszacz membranowy. Obecność cząstek stałych może prowadzić do przyspieszonego zużycia uszczelnień i blokowania tłoka.

Nie – wszystkie modele CJP-Z, CDJP2, CJ1 są konstrukcjami non-lube, co oznacza, że są fabrycznie nasmarowane specjalnym smarem fluorowym lub silikonowym o długotrwałej trwałości. Dodatkowe smarowanie jest niewskazane, ponieważ może pogorszyć szczelność i zwiększyć tarcie dynamiczne.

Tolerancja położenia końcowego tłoczyska wynosi ±0,1 mm dla większości modeli, a dla wersji z ogranicznikiem mechanicznym – ±0,05 mm. Wysoka powtarzalność czyni te siłowniki odpowiednimi do zastosowań pomiarowych i montażu elementów elektronicznych o małych wymiarach.

Dzięki małej masie ruchomej siłowniki te mogą pracować z częstotliwością nawet do 10 Hz (10 cykli na sekundę). W praktyce oznacza to możliwość wykonania ponad 800 tysięcy cykli dziennie bez przerwy, przy zachowaniu stabilnych parametrów pracy.

Ze względu na igłowy charakter tłoczyska, dopuszczalne obciążenie boczne jest niewielkie – dla CJ1 (Ø6 mm) wynosi ok. 5 N, a dla CJP-Z (Ø4 mm) – ok. 2 N. W przypadku przekroczenia tych wartości zaleca się stosowanie zewnętrznej prowadnicy lub łożysk ślizgowych.

• NBR (kauczuk nitrylowy) – standardowy materiał o dobrej odporności na oleje i zużycie,
• FKM (Viton) – do wysokich temperatur i chemikaliów,
• EPDM – do środowisk spożywczych i farmaceutycznych.

Wersje specjalne mogą mieć uszczelnienia niskotarciowe PTFE do aplikacji pomiarowych.

Dobór skoku powinien wynikać z rzeczywistego przesunięcia elementu roboczego plus margines bezpieczeństwa 1–2 mm. Zbyt długi skok zwiększa ryzyko ugięcia tłoczyska i wydłuża czas cyklu, natomiast zbyt krótki może uniemożliwić pełne wykonanie zadania.

W standardowych siłownikach miniaturowych nie stosuje się amortyzacji pneumatycznej ze względu na małe skoki. Tłumienie realizowane jest poprzez miękkie uszczelnienia lub mikroszczelinę upustową w zaworze sterującym. W aplikacjach o dużej prędkości zaleca się zastosowanie tłumików przepływu.

Zmiana ciśnienia o ±0,1 MPa powoduje proporcjonalną zmianę siły roboczej tłoka. W systemach precyzyjnych należy więc stosować regulatory precyzyjne serii IR lub ARP, które utrzymują stabilne ciśnienie z dokładnością ±0,005 MPa. W przeciwnym razie może dojść do odchyleń pozycjonowania.

Ruch może być sterowany:

• zaworami 3/2 (dla jednostronnych),
• zaworami 5/2 (dla dwustronnych),
• zaworami proporcjonalnymi (dla regulacji prędkości).

Często wykorzystuje się także zawory szybkiego spustu i dławiące w celu precyzyjnego ustawienia dynamiki ruchu.

Tak, zwłaszcza seria CJP2 ze względu na swoją sztywność i precyzję. Siłowniki te stosowane są jako miniaturowe napędy pomocnicze do unoszenia lub pozycjonowania elementów w ramionach SCARA, a także w przenośnikach laboratoryjnych.

Dla CJP2 Ø10 mm moment skręcający wynosi ok. 0,05 N·m, natomiast dla CJP2 Ø16 mm – 0,15 N·m. Przekroczenie tej wartości może prowadzić do zużycia tulei prowadzących i uszczelnień.

Seria CJP2 to miniaturowy siłownik o cylindrycznym korpusie, natomiast CQS ma korpus kwadratowy, przeznaczony do montażu panelowego. CQS oferuje większy moment odporny na skręcanie, ale jest większy. CJP2 jest preferowany w aplikacjach o ograniczonej przestrzeni.

Największy wpływ mają:

• ciśnienie zasilania,
• prędkość ruchu,
• sztywność konstrukcji montażowej,
• dokładność zaworu sterującego.

W aplikacjach o wysokiej dokładności stosuje się siłowniki CJP2 z czujnikami położenia i zaworami proporcjonalnymi.

• Co 6 miesięcy: kontrola szczelności i stanu przewodów,
• Co 12 miesięcy: czyszczenie powierzchni tłoczyska,
• Co 24 miesiące: wymiana uszczelnień.

W środowiskach czystych (cleanroom) konserwacja ogranicza się do kontroli wizualnej i okresowego przedmuchania sprężonym powietrzem.

• Spadek siły wysuwu,
• Nieszczelność (syczenie),
• Nieregularna prędkość ruchu,
• Trudności z powrotem tłoczyska (w jednostronnych).

Zużycie zwykle dotyczy uszczelnień lub sprężyny cofającej – wymiana zestawu naprawczego przywraca pełną sprawność.

Dobór powinien uwzględniać:

• wymaganą siłę roboczą,
• dostępną przestrzeń,
• kierunek działania,
• częstotliwość cyklu,
• wymaganą precyzję.

Dla ruchów szybkich i powtarzalnych zaleca się CJP2, a dla prostych impulsowych – CJP-Z lub CJ1.

Stal nierdzewna zapewnia odporność na korozję i umożliwia pracę w środowiskach o podwyższonej wilgotności, w laboratoriach chemicznych oraz w przemyśle spożywczym. Tłoczysko zachowuje gładkość powierzchni nawet po milionach cykli, co gwarantuje stałe parametry uszczelnienia.

• automatyczne linie montażowe mikroelementów,
• systemy dozowania w urządzeniach medycznych,
• mechanizmy blokujące w drukarkach i skanerach,
• napędy suwaków i rygli,
• urządzenia testujące szczelność,
• roboty montażowe pick&place.

Ich niewielkie rozmiary pozwalają na integrację z modułami elektronicznymi i czujnikami optycznymi.

Siłowniki miniaturowe SMC łączą kompaktowość, powtarzalność i trwałość z niezwykle niskim tarciem dynamicznym. Oferują szeroki zakres średnic i konfiguracji, a jednocześnie zapewniają precyzyjne, stabilne i bezawaryjne działanie w aplikacjach, gdzie margines błędu liczony jest w dziesiątych częściach milimetra. Dzięki zastosowaniu wysokiej jakości materiałów, opatentowanych membran i łożysk ślizgowych, siłowniki te stanowią podstawowy element napędowy nowoczesnej mikropneumatyki przemysłowej.