Сейчас трудно найти область промышленности, где бы не использовался сжатый воздух:
- автоматические линии по упаковке и дозированию сухих, жидких и пастообразных продуктов; металлообрабатывающие, деревообрабатывающие и ткацкие станки; линии по сборке автомобилей, электронных плат, часов; оборудование для тестирования, кузнечно прессовое оборудование; строительная техника, металлургические прокатные станы; химические производства и многое другое. В подавляющем большинстве исполнительных механизмов линейного перемещения, приводящих в движение рабочие органы машин, используются именно пневматические цилиндры.

Пневматические цилиндры предназначены для преобразования энергии сжатого воздуха в механическое линейное перемещение. Пневмоцилиндры бывают одностороннего и двухстороннего действия, с односторонним или двухсторонним (проходным) штоком. В пневмоцилиндрах одностороннего действия (рис.1) поршень может перемещаться под действием воздуха только в одну сторону (воздух подается только с одной стороны от поршня), а возврат осуществляется пружиной или внешними силами, при этом воздух, поданный в цилиндр, должен быть сброшен. Следует учитывать, что возвратная пружина снижает усилие, развиваемое цилиндром под действием сжатого воздуха, а усилие при возврате в исходное положение определяется жесткостью и степенью сжатия пружины. Односторонние пневмоцилиндры бывают двух модификаций: с пружиной в штоковой полости цилиндра (шток пневмоцилиндра нормально втянут, при подаче воздуха 5 выдвигается); и с пружиной в бесштоковой полости (шток нормально выдвинут). В пневмоцилиндрах двухстороннего действия перемещение поршня под действием сжатого воздуха происходит в прямом и обратном направлениях.

Изображенные на рис.1 и рис.2 цилиндры имеют односторонний шток, цилиндры с двухсторонним (проходным) штоком показаны на рис.3.

В конструкции большинства пневматических цилиндров предусмотрены специальные устройства демпферы, предотвращающие удар в конце хода поршня по крышке. В самом простейшем случае демпферы представляют собой резиновые шайбы, закрепленные на поршне или на крышке внутри цилиндра. Такие демпферы используются в цилиндрах небольших диаметров, а также в короткоходовых цилиндрах, где сила удара невелика. В более крупных цилиндрах для торможения, а, следовательно, и для исключения удара, используется дросселирование (создание сопротивления) воздуха, сбрасываемого из полости цилиндра. Это дросселирование происходит только в конце хода штока, включается автоматически, а интенсивность торможения определяется степенью открытия дросселя и регулируется винтом.

Также пневмоцилиндры можно разделить на магнитные и немагнитные. Магнитные цилиндры имеют закрепленный на штоке магнит, с помощью которого можно определять местоположение поршня цилиндра. Для этого на корпус пневмоцилиндра устанавливается чувствительный элемент, реагирующий на приближение магнита поршня, который при попадании в магнитное поле замыкает электрическую цепь. Также существуют датчики, непрерывно по всей длине хода поршня определяющие его координату. Такие датчики используются для пневмоприводов с обратной связью (следящие приводы) и имеют относительно высокую стоимость.

Помимо вышеперечисленных типов существуют цилиндры поворотного действия, в которых прямолинейное движение поршня преобразуется в поворотное движение выходного вала. Обычно угол поворота выходного вала не превышает 360°.

При выборе пневмоцилиндра помимо его типа необходимо определить его размер. Для этого можно воспользоваться расчетным методом, специализированными компьютерными программами, графическими методами и таблицами, изложенными в специальной литературе.

При расчетном методе, оценив необходимое усилие на штоке и зная давление в пневмосистеме, определяем площадь поршня S [см2], которая равна отношению усилия F [кг] к давлению сжатого воздуха Р [атм]: S=F/P

Зная площадь поршня, получаем диаметр поршня D[мм]=20*(S)1/2/P. Далее из ряда стандартных значений диаметров выбираем ближайший больший. Для обеспечения более равномерного хода штока, особенно при переменной нагрузке, усилие выбранного цилиндра должно превышать потребное на ~30%. Следует учитывать, что усилие на обратном ходе (втягивание штока) несколько ниже, чем на прямом ходе (шток выдвигается) из за разницы в эффективной площади поршня (при обратном ходе давление воздуха действует на площадь поршня за вычетом площади поперечного сечения поршня). В этом случае площадь поршня определяется как
S=P*(D2-d2)/4, где d – диаметр штока.

До этого момента речь шла только об осевой нагрузке на цилиндр (нагрузка приложена к штоку и направлена вдоль оси цилиндра), и действительно пневмоцилиндры предназначены для восприятия только осевой нагрузки, но часто возникает необходимость приложения к штоку цилиндра поперечной (радиальной, перпендикулярной оси штока) нагрузки. В этом случае должны применяться цилиндры с внешними или встроенными направляющими. Эти направляющие могут быть на основе шарикоподшипников или бронзовых втулок. В правильно спроектированном приводе шток пневмоцилиндра не несет сколько нибудь значимую радиальную нагрузку.

После выбора типоразмера цилиндра встает вопрос, как им управлять, как осуществлять переключение подача воздуха сброс. Для этих целей служат пневмораспределители. Пневмораспределители предназначены для изменения направления, пуска или остановки потоков сжатого воздуха в трубопроводах пневмосистемы. Пневмораспределители классифицируются по количеству подводящих и отводящих магистралей (линий) за исключением каналов управления и по количеству фиксированных положений распределительного элемента (например, золотника). Наиболее распространенными являются 2/2 (двухлинейный двухпозиционный), 3/2 (трехлинейный двухпозиционный), 5/2 (пятилинейный двухпозиционный) и 5/3 (пятилинейные трехпозиционные) распределители. Схемы коммутации каналов обычно изображаются на корпусе распределителя (см. рис. 4).

Каждый квадрат на схеме обозначает возможную позицию распределительного элемента и коммутацию каналов в ней.

По способу управления эти распределители можно разделить на распределители с электромагнитным (прямого действия электромагнит непосредственно перемещает распределительный элемент), электропневматическим, пневматическим (переключение распределителя осуществляется воздухом, поданным в управляющую линию), ручным и механическим (концевые выключатели и т.п.) управлением. При электропневматическом управлении электромагнитное поле преобразуется в давление воздуха, переключающее распределительный элемент. В конструкции всех электропневматических распределителей фирмы «Camozzi» предусмотрено ручное дублирование управления, позволяющее переключить распределитель без подачи электрического управляющего сигнала. Это свойство очень полезно при наладке пневмосхемы и выявлении причин возможных неисправностей.

Также управление распределителем делится на одностороннее (распределитель находится в переключенном состоянии до тех пор, пока есть управляющий сигнал, а возврат в исходное состояние осуществляется механической или пневматической (возврат происходит воздухом, автоматически отобранным по каналу в конструкции распределителя из магистрали) пружиной) и двухстороннее (для переключения в одно из крайних положений необходимо подать соответствующий управляющий сигнал) управление. Причем для двухпозиционных распределителей управляющие сигналы могут иметь импульсный характер, и при снятии управляющего сигнала распределительный элемент не меняет своего положения и для переключения его необходимо подать противоположный сигнал.

В итоге для управления цилиндром необходим:
- для цилиндра одностороннего действия 3/2 распределитель, который в одной из позиций сбрасывает воздух из полости цилиндра в атмосферу, а при переключении в другую позицию наоборот подает сжатый воздух в цилиндр;
- для цилиндра двухстороннего действия 5/2 распределитель, который в одной из позиций подает сжатый воздух в одну полость цилиндра, например, в бесштоковую, при этом шток цилиндра выдвигается, а из другой сбрасывает в атмосферу; при переключении же распределителя в другую позицию все наоборот. При применении распределителя 5/3 к вышеперечисленным позициям добавляется третья (средняя позиция, занимаемая распределительным элементом под действием центрирующих пружин, при отсутствии управляющих сигналов), в которой полости цилиндра могут быть соединены с атмосферой, то есть воздух сбрасывается в атмосферу и шток цилиндра может свободно перемещаться под действием внешних сил, либо закрыты и воздух, находящийся в полостях цилиндра, герметично заперт. Возможность запереть воздух в полостях цилиндра позволяет останавливать шток цилиндра в любом положении.

Помимо типа пневмораспределителя определяют еще его размер так, чтобы количество воздуха, которое он может пропускать, было равно или превышало потребное. В случае питания распределителем пневмоцилиндра потребное количество воздуха (расход) Q [Нл/мин] приблизительно определяется, как
Q=6*P*S/V, где
S – эффективная площадь штока, на которую . действует давление сжатого воздуха, [см2],
P – давление сжатого воздуха [атм],
V – максимальная скорость штока цилиндра, [м/с].

Потребление воздуха для цилиндров и расходные характеристики распределителей обычно приводятся в каталогах.

Помимо управления направлением движения потоков воздуха (и исполнительных механизмов в частности) для полноценной работы пневмосистемы необходимо управлять и расходными (количественными) характеристиками потоков. Устройствами, позволяющими это сделать, являются дроссели, обратные клапаны, клапаны быстрого выхлопа.

Дроссель устройство позволяющее регулировать сечение трубопровода, а, следовательно, и количество (расход) воздуха проходящего через него.

Обратный клапан пропускает воздух в одном направлении и полностью перекрывает в другом. Объединение этих двух устройств дроссель с обратным клапаном позволяет регулировать поток воздуха в одну сторону, а в обратную оставлять неизменным (воздух идет через обратный клапан, минуя дроссель). Дроссель с обратным клапаном часто используют для регулировки скорости цилиндра, при этом производится дросселирование воздуха на выходе (воздуха сбрасываемого из цилиндра), причем давление воздуха при обратном ходе штока попадает в полость цилиндра, минуя дроссель через обратный клапан. Установка дросселя с обратным клапаном на каждую полость цилиндра позволяет независимо друг от друга регулировать скорости прямого и обратного хода штока цилиндра.

Упомянутый выше клапан быстрого выхлопа предназначен для быстрого опустошения каких либо емкостей, в том числе и полостей цилиндра, от сжатого воздуха. В отношении цилиндра клапан быстрого выхлопа позволяет добиться более высокой скорости поршня.

За работу исполнительных механизмов в определенной последовательности (по определенной циклограмме) отвечает система управления, которая может быть электронная (на основе контроллера или командоаппарата, выдающая электрические сигналы на управление распределителями); механическая (на основе конечных выключателей или кулачков); и пневматическая. В основе пневматической системы управления лежат ряд простейших логических элементов: И, ИЛИ, НЕТ, ПАМЯТЬ, позволяющих реализовать достаточно сложные циклограммы. Простота реализации таких функций, как определение остановки штока цилиндра, отсчет времени (реле времени), триггер и многое другое, обеспечила широкое распространение пневматических систем управления, особенно в условиях пожаро и взрывобезопасности, больших электромагнитных полей, запыленности и в несложном оборудовании, где установка контроллера не целесообразна.