Obwody pneumatyczne i schematy obwodów pneumatycznych - podstawy inżynierii płynów

Ten artykuł obejmuje podstawy pneumatyki, obwodów pneumatycznych i schematów obwodów pneumatycznych. Pneumatyka to obszar inżynierii płynów, który zajmuje się sprężonym powietrzem i jego zastosowaniem w różnych systemach. Technologia sterowania pneumatycznego jest stosowana w wielu branżach i sektorach, takich jak transport materiałów, robotyka lub transport.

Czym jest pneumatyka?

Pneumatyka to podobszar mechaniki, który zajmuje się zachowaniem gazów. W szczególności to inżynieria płynów wykorzystuje sprężone powietrze lub systemy pneumatyczne do generowania ruchu i mocy napędowej.

W typowych systemach sprężonego powietrza powietrze ma ciśnienie dodatnie 6 barów. Poziom ciśnienia wynosi do 18 barów w zastosowaniach wysokociśnieniowych, takich jak zastosowania pneumatyczne o wysokich wymaganiach wejściowych mocy. W szczególnych przypadkach ciśnienie może wynosić nawet do 40 barów.

Jest wiele zastosowań sprężonego powietrza, które mogą być używane w razie potrzeby i wymogów. Na przykład może działać jako aktywne powietrze do przenoszenia substancji i materiałów. Jest również używany jako powietrze procesowe i wspiera procesy suszenia i inne procesy. Ponadto sprężone powietrze może być używane w miejscach potencjalnie wybuchowych lub mokrych, na przykład do obsługi silników lub tym podobnych. Typowym przykładem zastosowania jest sprężone powietrze, mimośrodowa szlifierka orbitalna w kabinie malarskiej.

Zastosowania sterowania pneumatycznego

Sterowanie pneumatyczne i systemy znajdują szeroki zakres zastosowań w inżynierii mechanicznej, niestandardowej konstrukcji maszyn i masowej produkcji. Oprócz prostoty i niezawodności, zalety systemów pneumatycznych obejmują również szybki czas reakcji i stosunkowo opłacalną realizację.

Typowe przykłady zastosowania pneumatycznych elementów sterujących to:

• Maszyny spawalnicze: Sterowanie głowicami spawalniczymi i urządzeniami zaciskowymi.
• Obrabiarki: Do mocowania lub luzowania oraz do wymiany narzędzi.
• Maszyny odlewnicze: Do otwierania lub zamykania form i usuwania odlewów - na przykład w maszynach do formowania wtryskowego.
• Przenośniki i podnośniki: Do przenoszenia, podnoszenia i pozycjonowania materiałów.
• Maszyny do drukowania i papieru: Kontrola procesów drukowania i pozycjonowania papieru.

Jakie są zalety pneumatyki?

Systemy pneumatyczne mają wiele zalet. Użyty materiał, czyli powietrze, ma nieskończoną podaż, jest dostępny praktycznie wszędzie i może być transportowany na duże odległości.

• Możliwość przechowywania: Możliwe jest przechowywanie sprężonego powietrza w odpowiednich zbiornikach sprężonego powietrza. Te zbiorniki sprężonego powietrza mogą być również transportowane.
• Odporność na temperaturę: Sprężone powietrze jest zasadniczo nienaruszone przez wahania temperatury. Dlatego nadaje się do pracy w bardziej ekstremalnych warunkach w porównaniu z płynami, takimi jak płyn hydrauliczny.
• Kompatybilność ze środowiskiem: Nieszczelne sprężone powietrze nie powoduje zanieczyszczenia ani uszkodzeń.
• Prostota: Elementy pneumatyczne są łatwe do montażu. Mogą one przesuwać lub kontrolować prędkości i siły cylindrów w sposób ciągły regulowany.
• Duża prędkość: Sprężone powietrze jest szybkim medium procesowym, dzięki czemu można osiągnąć stosunkowo wysokie prędkości i krótki czas przełączania.
• Przenośność: Sprężone powietrze można łatwo transportować w liniach na duże odległości. Sprężone powietrze musi być zatem generalnie tylko klimatyzowane.
• Zabezpieczenie przed przeciążeniem: Obwody i elementy pneumatyczne mogą pochłaniać obciążenia nawet w spoczynku, a tym samym są odporne na przeciążenia przed szczytami sprężonego powietrza.

Różne procesy mechaniczne mogą być efektywnie obsługiwane poprzez wykorzystanie sprężonego powietrza jako źródła zasilania, co czyni go ekonomiczną alternatywą dla innych systemów zasilania.

Projektowanie i zasady działania elementów sterowania pneumatycznego

Sprężone powietrze jest dostarczane do żądanego miejsca za pomocą zaworów. Energia zgromadzona w sprężonym powietrzu jest wykorzystywana do wytwarzania energii ruchu. Przykładem tego jest użycie sprężonego powietrza do sterowania tłokiem cylindra w określonym kierunku.

Każdy pneumatyczny system sterowania składa się zasadniczo z następujących podzespołów:

• Wytwarzanie sprężonego powietrza (sprężarki)
• Klimatyzacja przy użyciu sprężonego powietrza (filtr pneumatyczny / filtr powietrza)
• Akumulator sprężonego powietrza (zbiornik powietrza)
• Regulacja sprężonego powietrza (regulator ciśnienia)
• Zawory główne (zawory drogowe)
• Elementy procesowe (siłowniki)
• Czujniki i przełączniki (zawory elektromagnetyczne, przyciski)
• Węże i złączki

Wytwarzanie sprężonego powietrza w układach sterowania pneumatycznego

Do wytworzenia wymaganego ciśnienia procesowego używana jest jedna lub więcej sprężarek. Wciągają i sprężają powietrze w razie potrzeby do ciśnienia od 6 do 40 barów.

Mechaniczne i termodynamiczne procesy stosowane do sprężania powietrza generują dużą ilość ciepła, które musi być odprowadzone ze sprężonego powietrza. W związku z tym sprężone powietrze jest kierowane przez agregat chłodniczy w celu obniżenia temperatury.

Klimatyzacja przy użyciu sprężonego powietrza

Jednak chłodzenie powietrza zmniejsza również zdolność powietrza do wchłaniania wody. Gdy powietrze chłodzi, często uwalnia wodę, która może uszkodzić system. Powietrze jest przepuszczane przez suszarkę, aby temu zapobiec. Istnieje kilka rodzajów osuszaczy powietrza, takich jak suszarki chłodnicze i suszarki adsorpcyjne, które usuwają wilgoć z powietrza. Równie ważne jest usuwanie zanieczyszczeń ze sprężonego powietrza, aby zapewnić optymalną jakość sprężonego powietrza i długą żywotność systemów sprężonego powietrza. Osiąga się to poprzez przepuszczanie powietrza przez filtry w celu usunięcia zanieczyszczeń, takich jak kurz, cząstki i olej. Jednakże, ponieważ olej jest wymagany do smarowania napędów, sprężone powietrze jest wzbogacane olejem za pomocą specjalistycznych olejarek.

Przechowywanie sprężonego powietrza

Sprężone powietrze jest przechowywane w zbiornikach sprężonego powietrza. Zbiorniki te jednocześnie kompensują wahania ciśnienia po usunięciu sprężonego powietrza z układu. Akumulator powietrza jest uzupełniany, gdy ciśnienie spadnie poniżej określonej wartości.

Regulacja i dystrybucja sprężonego powietrza

Ciśnienie powietrza jest regulowane za pomocą regulatora ciśnienia przed użyciem sprężonego powietrza w obwodzie pneumatycznym. Powietrze jest następnie rozprowadzane w systemie przez sieć przewodów rurowych i węży. Układ sprężonego powietrza musi być zaplanowany z uwzględnieniem różnych wymagań, takich jak średnica przewodów. Im mniejsza średnica rury, tym większy opór przepływu. Średnica musi być wybrana tak, aby opór przepływu pozostawał jak najmniejszy.

Wycieki to kolejne ryzyko w systemach sprężonego powietrza. Są one powszechne w związkach lub rozmaitościach. Takie wycieki prowadzą do ciągłej utraty sprężonego powietrza, co skutkuje zwiększonym zużyciem energii i zmniejszoną wydajnością systemu. Oprócz takich bezpośrednich strat system może również wykazywać straty pośrednie. Zbyt duże sprężarki, nadmiernie restrykcyjne lub nadmiernie długie linie, niekorzystne rozmieszczenie zbiorników - wszystko to prowadzi do pogorszenia wydajności i nieefektywności systemu. Celowe planowanie dystrybucji sprężonego powietrza jest zatem warunkiem optymalizacji systemu sprężonego powietrza pod kątem trwałości i wydajności.

Przenoszenie ruchu i mocy

Różne komponenty w obwodach pneumatycznych wok razem, aby utworzyć ruch i przenieść siłę. Zawory kontrolują kierunek, ciśnienie i przepływ sprężonego powietrza. Napędy pneumatyczne, takie jak siłowniki lub silniki pneumatyczne, wykonują rzeczywistą pracę w obwodzie pneumatycznym. Zamieniają energię zawartą w sprężonym powietrzu w ruch mechaniczny. Sprężone powietrze przemieszcza tłok wewnątrz cylindra, przenosząc siłę, zwykle w kierunku liniowym.

Prace mechaniczne wykonywane są przez wyspecjalizowane elementy robocze, które występują głównie w postaci siłowników pneumatycznych - na przykład jako chwytaki pneumatyczne.

Przenośniki przemysłowe przenoszą lub transportują materiały do różnych miejsc w hali produkcyjnej lub magazynach. Przenośniki pneumatyczne wykorzystują sprężone powietrze do transportu materiałów lub komponentów, takich jak granulki, proszki lub materiały sypkie przez rurociągi w celu dalszego przetwarzania lub utylizacji. Systemy te są stosowane na różnych etapach produkcji, ponieważ upraszczają i ułatwiają obsługę materiałów.

Ogólna struktura schematu obwodu pneumatycznego

Schematy obwodów pneumatycznych są graficznymi reprezentacjami pneumatycznych elementów sterujących. Przedstawiają one funkcję i połączenie poszczególnych elementów układu pneumatycznego.

Schematy obwodów pneumatycznych obejmują elementy zasilające, siłowniki i elementy procesowe. Elementy zasilające są odpowiedzialne za dostarczanie sprężonego powietrza oraz za przetwarzanie, przechowywanie i dystrybucję sprężonego powietrza. Siłowniki są elementami sterującymi na schemacie obwodu pneumatycznego. Obejmują one na przykład zawory kierunkowe, zawory ciśnieniowe lub zawory zwrotne. Określają one przepływ i kierunek sprężonego powietrza. Elementy procesu to komponenty, które wykonują fizyczną pracę w obwodzie. Przekształcają energię zgromadzoną w sprężonym powietrzu w ruch mechaniczny. Cylindry, silniki lub siłowniki są elementami procesu.

Ogólnie, obwody są rozmieszczone tak, że moc przepływa od dołu do góry, tj. ze źródła zasilania źródła sprężonego powietrza do elementu procesu. Źródło sprężonego powietrza jest zatem pierwszym lub najniższym elementem, a element zasilania jest najwyższym lub ostatnim elementem.

Przykład zastosowania ze schematem obwodów pneumatycznych

Poniższy przykład zastosowania praktycznego przedstawia tłoczysko, które ma być wysunięte (położenie całkowicie rozłożone) i wsunięte po określonym czasie (położenie początkowe). Ze względów bezpieczeństwa technicy zazwyczaj używają dwóch przycisków ręcznych, aby zapobiec niezamierzonemu rozprężeniu tłoka.

Urządzenie to składa się zasadniczo z następujących komponentów:

• 1 x siłownik pneumatyczny o podwójnym działaniu z tłoczyskiem (1 A)
• 2 przyciski ręczne z kierunkowymi zaworami sterującymi (1S1 i 1S2)
• 1 x akumulator z zaworem opóźnienia czasowego (1V3) z zaworem przepustnicy
• 1 x podwójny zawór ciśnieniowy (1V1)
• 1 x zawór trójdrogowy (1V2)
• Zawory impulsowe i kierunkowe

• Zawór dwuciśnieniowy 1V1 działa jak logiczny operator „AND”: sprężone powietrze może przejść do zaworu impulsowego 1V4 tylko wtedy, gdy oba przyciski ręczne 1S1 i 1S2 są uruchamiane jednocześnie.
• Zawór impulsowy 1V4 jest zasilany przez napływające powietrze i jest pod ciśnieniem sprężonego powietrza.
• Zawór impulsowy 1V4 uruchamia zawór kierunkowy 1V5.
• Ze względu na położenie przełączające zaworu kierunkowego 1V5 sprężone powietrze wchodzi teraz do siłownika pneumatycznego o podwójnym działaniu 1 A i umożliwia wysunięcie tłoczyska (położenie całkowicie wysunięte). Początkowo tłoczysko pozostaje całkowicie rozłożone.

Zasada działania planowanego obwodu powoduje, że kilka rzeczy dzieje się w tym samym czasie podczas działania przełączania.

• Poprzez początkowe naciśnięcie przycisków ręcznych sprężone powietrze jednocześnie wchodzi do zaworu trójdrogowego 1V2 - zawór trójdrogowy działa jednocześnie jako zawór zwrotny.
• Sprężone powietrze napełnia akumulator 1V3 - akumulator ma zawór opóźnienia czasowego.
• Gdy tylko akumulator ciśnienia 1V3 zostanie napełniony, uwolnione sprężone powietrze uruchamia zawór impulsowy 1V4, powodując powrót zaworu kierunkowego 1V5 do jego pozycji wyjściowej.
• Ze względu na położenie przełączania zaworu kierunkowego 1V5 sprężone powietrze wchodzi teraz do siłownika o podwójnym działaniu 1 A i umożliwia wsunięcie tłoczyska (pozycja wyjściowa).
• Aby ponownie wysunąć tłok, oba przyciski ręczne muszą zostać „zwolnione” i ponownie uruchomione.

Elementy schematu obwodów są oznaczone zgodnie z kluczem do etykiet określonym w normie DIN ISO 1219-2. W zależności od zastosowania, symbole zawarte w tej normie mogą być odpowiednio łączone. Poniższy przegląd zawiera kilka przykładów.

Konwencje nazewnictwa dla zaworów kierunkowych

Opis zaworów kierunkowych odnosi się do liczby portów, liczby pozycji przełączników i ścieżki przepływu. Zawory kierunkowe mają przypisane dwie liczby. Pierwsza wskazuje, ile portów ma zawór, a druga wskazuje liczbę pozycji przełącznika. Na przykład zawór 3/2-drogowy ma trzy przyłącza i dwie pozycje przełącznika. W praktyce najczęściej stosuje się zawory kierunkowe 2/2, 3/2, 5/2 i 5/3.

Grupowanie i projektowanie kierunkowych zaworów sterujących

Siłowniki pneumatyczne (na przykład cylindry itp.) są sterowane zaworami pneumatycznymi. Zadaniem zaworów jest sterowanie kierunkiem działania, prędkością (poprzez natężenie przepływu) i siłą.

Zawory kierunkowe są jednym z najważniejszych elementów sterowania pneumatycznego. Są one używane do określania kierunku przepływu i otwierania lub blokowania ścieżki dla medium. Na przykład są one używane do uruchamiania i sterowania siłownikami, zaworami lub narzędziami pneumatycznymi. Zawory kierunkowe można pogrupować według różnych kryteriów:

• Według podstawowej konstrukcji: Według konstrukcji rozróżnia się zawory tłokowe suwakowe i zawory grzybkowe.

• Według rodzaju obsługi: Zawory kierunkowe mogą być obsługiwane mechanicznie, ręcznie, pneumatycznie lub elektrycznie.

• Według liczby pozycji: Zawory dzielą się na monostabilne, bistabilne, trój- lub wielopozycyjne. Zgodnie z nazwą zawór ma jedną stabilną pozycję dla monostabilnych konstrukcji i dwie stabilne pozycje dla bistabilnej konstrukcji (pozycja wyjściowa zaworu).

• Według liczby portów i położeń: Pod względem liczby portów i położeń rozróżnia się zawory 2/2, 3/2, 3/3, 4/2, 5/2, 4/3 i 5/3 way

• Według pozycji w stanie wyjściowym: W zależności od liczby przyłączy i położeń zawory kierunkowe 2/2 i 3/2 są zróżnicowane w zależności od tego, czy są otwarte, czy zamknięte w stanie wyjściowym. Zawory kierunkowe 3/3, 4/3 i 5/3 dzielą się na zawory w pozycjach zamkniętych, otwartych i odpowietrzanych w położeniu środkowym.

Jakie są Twoje wymagania dotyczące sterowania pneumatycznego?

MISUMI jest silnym partnerem, jeśli chodzi o oferowanie wysokiej jakości, niezawodnych produktów pneumatycznych. Poznaj naszą gamę wysoce konfigurowalnych elementów pneumatycznych.

Na przykład:

• Siłowniki pneumatyczne, napędy obrotowe i chwytaki
• Pneumatyczne zawory elektromagnetyczne i pneumatyczne zawory ciśnieniowe
• Pneumatyczne złącza rur
• Zespoły konserwacyjne, filtry, regulatory i smarownice do monitorowania i preparowania powietrza