Napędy pneumatyczne

Autor mechanika-obrobka.pl


Napisane 2017-12-19 10:05:11


Napędy pneumatyczne

Napędy pneumatyczne

Struktury napędów pneumatycznych są bardzo zbliżone do napędów hydraulicznych. W każdej lub prawie każdej firmie jest pneumatyka. Może spełniać zasadniczo różną rolę – od transportowej np. granulatów po całej fabryce do dużych elementów na całej lini produkcyjnej. Bardzo chętnie wykorzystywane są ze względu na prostote i bardzo dużą dostępność elementów pneumatycznych. Są wykorzystywane w wielu firmach przemysłowych, szczególnie w automatycznych systemach produkcyjnych. Możliwość wykorzystania powietrza do pracy i sterowania jest bardzo ważne np. w górnictwie – gdzie wykorzystywane narzędzia nie mogą być zasilane elektrycznie (ze względu na możliwość iskrzenia). Aktualnie, jeżeli chcemy projektować układy oparte na pneumatyce, wystarczy że wejdziemy na stronę producenta, dobierzemy odpowiednie komponenty i klikniemy ‘kup teraz’.

Czynnikiem roboczym w napędach pneumatycznych jest sprężony gaz lub jego mieszanina, najczęsciej jest to powietrze atmosferyczne. Pod względem funkcjonalnym rola sprężonego powietrza jest zbliżona do tej jaką spełnia ciecz w hydraulice.

Można wyszczególnić dwa główne zastosowania sprężonego powietrza. Są to napędy pneumatyczne i sterowanie pneumatyczne. Różnica pomiędzy tymi dwoma pojęciami wynika z różnych możliwości stosowania sprężonego powietrza. Może pełnić role nośnika energii (napęd) jak również nośnika informacji (sterowanie). 

napędy pneuamtyczne Pneumatyka jest bardzo szeroko stosowana w przemyśle

Zalety napędów pneumatycznych:

  • ogólna dostępność powietrza,
  • możliwość uzyskania dużego zakresu ciśnień,
  • prosta instalacja, brak przewodów powrotnych jak w hydraulice (stosuje się odpowietrzenie),
  • bezpieczeństwo i czystość,
  • duża szybkość działania,
  • wysoki poziom znormalizowania elementów pneumatycznych na rynku,
  • łatwość kontrolowania i zabezpieczenia układów,
  • łatwość uzyskania ruchu prostoliniowo-zwrotnego,
  • uzyskanie bardzo dużych prędkości ruchu,
  • bardzo duże możliwości sterujące.

Wady napędów pneumatycznych to:

  • ograniczenia długości skoków siłowników (tak jak w hydraulice)
  • obciążenia zewnętrzne w pewnym stopniu wpływają na prędkości ruchów członów pneumatycznych,
  • trudności z synchronizacją ruchów (tak samo jak w przypadku hydrauliki)

Zastosowanie napędów pneumatycznych:

  • transport np. granulatu w fabryce,
  • elementy zautomatyzowanych linii produkcyjnych,
  • obrabiarkach CNC,
  • manipulatory pneumatyczne,
  • chwytaki,
  • maszyny pakujące i transportowe,
  • prasy,
  • narzędzia i urządzenia zasilane sprężonym powietrzem (młoty pneumatyczne, wiertarki pneumatyczne)
  • podnośniki, automaty, maszyny wspołrzędnościowe i wiele innych.

klucz pneumatyczny
Zastoswanie pneumatyki - klucze pneumatyczne do odkręcania śrub

 schemat pneumatyczny
Schemat układu pneumatycznego 1 – elementy przygotowania sprężonego powietrza, 2 – zawór 3/2 (sterowanie), 3 – zawór rozdzielający 5/2, 4 – zawór dławiąco zwrotny (dławik), 5 – zawór 3/2 (krańcówka)

Widzimy powyżej przykładowy układ pneumatyczny złożony z podstawowych elementów, które znajdziemy w każdym bardziej rozbudowanym układzie pneumatycznym. Na podstawie tego schematu możemy opisać podstawowe elementy w pneumatyce. Elementem wejściowym każdego układu pneumatycznego jest urządzenie wytwarzające sprężone powietrze.

Sprężarki (kompresory) - urządzenia przekształcające mechaniczną energię silnika spalinowego lub elektrycznego w energię sprężonego powietrza. Przy wyborze sprężarki decydująca jest wymagana ilość dostarczonego powietrza o żądanym ciśnieniu, najczęściej pracuje się z ciśnieniem do 0,8 MPa (8 barów) ze względu bezpieczeństwo i wystarczalność takiego ciśnienia do generowania sporych sił. Możemy wyróżnić sprężarki:

  • wyporowe (ruch posuwisto-zwrotny lub obrotowy [śrubowe])
  • przepływowe (o bardzo dużych wydajnościach)

sprężarka kompresor pneumatyczny
Sprężarka pneumatyczna – jej zadaniem jest dostarczenie do układu odpowiedniej ilości powietrza o określonym ciśnieniu

Kolejnym ważnym elementem każdego układu jest układ przygotowania sprężonego powietrza - aby móc korzystać z powietrza atmosferycznego do zasilania urządzeń pneumatycznych, konieczne jest ich odpowiednie przygotowanie. Zasysane powietrze atmosferyczne przez sprężarkę zawiera zanieczyszczenia mechaniczne oraz wilgoć. Woda połączona z olejem z sprężarki powoduje powstanie kleistej emulsji która może osadzać się np. w zaworach i psuć elementy pneumatyczne. Zanieczyszczenia mechaniczne mogą uszkodzić uszczelki czy zwiększać korozję. Przyczyną prawie 90% nieprawidłowości w układach pneumatycznych jest źle filtrowane sprężone powietrze. W celu oczyszczenia powietrza korzysta się z filtrów ale to przygotowanie to także regulacja ciśnienia sprężonego powietrza czy smarownice, które wprowadzają określoną ilość oleju do przepływającego powietrza.

Sterowanie pneumatyką czyli zawory pneumatyczne, które wpływają na nasz nośnik, czyli sprężone powietrze. Zmieniają kierunek przepływu, decydują o jego rozdziale lub zamykają jego odpływ. Aby spełnić te rozmaite wymagania, potrzebujemy zaworów o złożonych konstrukcjach.

Rodzaje zaworów pneumatycznych:

  • do sterowania kierunkiem strumienia powietrza (np. rozdzielające)
  • do odcinania przepływu powietrza (np. logiczne)
  • do sterowania ciśnieniem powietrza (np. bezpieczeństwa)
  • do sterowania wielkością przepływu powietrza (np. dławiące)

Każdy zawór jest odpowiednio opisany - najważniejszym jest jego przeznaczenie (np. zawór rozdzielający, zawór logiczny itd.) ale każdy posiada też mnóstwo innych parametrów. Należą do nich: liczba kanałów wejściowych i wyjściowych, ilość możliwych do uzyskania położeń, sposób sterowania (mechanicznie, wzrostem ciśnienia, cewką itd.) wielkość, maksymalny strumień objętości powietrza w danych warunkach i wiele innych.

Jak czytać schematy pneumatyczne? Przykładowe schematy zaworów pneumatycznych razem z ich opisem pokazano poniżej:

  • Zawór sterujący kierunkiem przepływu 2/2 (dwu drogowy, dwu położeniowy) sterowany mechanicznie za pomocą dźwigni

zawór pneumatyczny 3/2

  • sterujący kierunkiem przepływu 3/2 (trzy drogowy, dwu położeniowy), sterowany mechanicznie za pomocą rolki, powrót wymuszony sprężyną

zawór pneumatyczny

  • rozdzielający 5/3 (pięć dróg przepływu, trzy położenia), sterowany za pomocą elektromagnesów i wzrostu ciśnienia, położenie środkowe wymuszone sprężynkami

zawór pneumatyczny

  • dławiąco-zwrotny jednokierunkowy z możliwością nastawienia dławienia, swobodny przepływ w jednym kierunku – w drugim kierunku przepływ dławiony

zawór dławiący

Jak to wygląda wewnątrz zaworu? Działanie zaworu pneumatycznego pokazano poniżej:

zawór pneumatyczny 3/2

Widzimy powyżej zawór 3/2 – trzy drogowy, dwu położeniowy, sterowany przyciskiem powrót wymuszony sprężyną. Kwadraty w schemacie określają liczbę jego pozycji (2), a element po jego prawej i lewej sposób w jaki danę pozycję się uzyskuje. Przy lewym kwadraciku mamy prostokąt, który świadczy o mechanicznym sterowaniu w celu uzyskania tej pozycji. W tym przypadku jest to przycisk, ale może to być też rolka, dźwignia itd. Z prawej widzimy sprężynę, która po zwolnieniu przycisku powoduje powrót zaworu do pozycji początkowej. 1, 2 i 3 to drogi zaworu – widzimy, że są trzy drogi.

Jak wygląda wnętrze takiego elementu pneumatyki? W środku zaworu widzimy tłoczek, który jest przesuwany przyciskiem lub sprężynką. Tłoczek otwiera lub zamyka odpowiednie kanały powodując przepływ sprężonego powietrza. Tłoczki np. w zaworach 5/2 czy 5/3 są bardziej skomplikowane niż ten widoczny powyżej. Zawory logiczne np. logiczny AND w środku posiada kuleczkę, która po dostaniu z jednego i drugiego wejścia powietrza o tym samym ciśnieniu ustawia się w pozycji pozwalającej na przepływ powietrza dalej.

zawory pneumatyczne 
Zawory pneumatyczne

Ostatnim elementem naszego schematu jest siłownik pneumatyczny. Ze względu na bardzo dużą prostotę wykonania ruchu prostoliniowo – zwrotnego siłowniki jedno lub dwustronnego działania są najczęściej wykorzystywane.

Budowa najczęściej stosowanego siłownika pneumatycznego tłokowego:

budowa siłownika pneumatycznego

1 – pierścień uszczelniający, 2 – tuleja prowadząca, 3 – pierścień zgarniający, 4 – tłok, 5 – pokrywa tylna, 6 – pokrywa przednia, 7 – tuleja cylindra

Działanie siłownika pneumatycznego pokazano poniżej:

działanie siłownika pneumatycznego

Można wyróżnić kilka podziałów siłowników pneumatycznych – rodzaje siłowników pneumatycznych:

  • podział konstrukcyjny:
    •    tłokowe,
    •    nurnikowe.
    •    mieszkowe,
    •    membranowe,
  • podział ze względu na ilość możliwych do uzyskania położeń:
    •    krokowe,
    •    dwupołożeniowe,
    •    wielopołożeniowe,
  • ze względu na charakter pracy:
    •    o działaniu łagodnym,
    •    z małym uderzeniem,
    •    o charakterze uderzeniowym,

i wiele innych podziałów.

Elementem wykonującym pracę w pneumatyce nie musi prosty siłownik, istnieją również silniki pneumatyczne o ruchu wahadłowym lub obrotowym. Ich budowa i działanie są bardzo zbliżone do sprężarek – jednak ich cel jest zupełnie odwrotny – zamieniają energię sprężonego powietrza w energie mechaniczną.