Struktura układów pneumatycznych – podstawy
W tym miejscu możesz zapoznać się z podstawami struktury układów pneumatycznych w dziedzinie techniki, jaką jest pneumatyka.
Medium układów pneumatycznych jest sprężone powietrze, a kosztem, jaki należy włożyć, aby to właśnie powietrze wykonywało pracę dla nas to proces jego sprężania, który jest stosunkowo tani.
Jeśli masz problem z projektem w tej dziedzinie, to ten wpis jest skierowany do Ciebie. Dowiesz się w tym artykule, z czego składają się układy pneumatyki, jakie są metody sterowania tymi układami oraz poznasz ich ogólną i niezmienną strukturę. Informacje te w szczególności są przydatne, jeśli jesteś w trakcie projektowania układu pneumatycznego i nie masz pojęcia, jak się za to zabrać lub jesteś amatorem, bądź studentem mechaniki.
Pamiętaj, że wszelkie prace (projekty, obliczenia, dokumentacje itp.) możesz zlecić nam! Napisz do nas, a nasz zespół specjalistów pomoże Ci w projekcie takiego układu pneumatycznego lub rozwiąże inny Twój problem – napisz na: kontakt@wynalazca.tv.
Czym właściwie jest pneumatyka?
Czym jest pneumatyka? Pneumatyka jest dziedziną techniki i nauki, zajmującą się przepływem sprężonego powietrza, Ściślej mówiąc – uzyskiwaniem z tego przepływu sił i momentów obrotowych wykonujących pracę oraz sterowaniem tych układów. Pneumatyka jest bardzo ważnym narzędziem w dzisiejszym przemyśle i jego automatyce.
Zalety i wady pneumatyki
Oprócz niskich kosztów kolejną zaletą pneumatyki, na którą należy zwrócić uwagę, jest brak jakichkolwiek zabrudzeń pochodzących od medium. Obsługując układy pneumatyczne, nie jesteś narażony na pobrudzenie olejami, chłodziwami, czy innymi substancjami.
Przekłada się to na bezpieczniejszą i bardziej komfortową pracę i obsługę tego typu systemów.
Przy wykorzystaniu odpowiednich układów tłumiących, pneumatyka potrafi być też cicha, co również jest korzystniejsze dla pracowników obsługujących maszyny.
Dzisiejsze rozwiązania również prowadzą do tego, że pneumatyka daje nam naprawdę precyzyjne ruchy, które również jest łatwo „ujarzmić” przez proste sterowanie – oczywiście, jeśli zna się podstawy.
Podstawowe elementy techniki pneumatycznej
Co wchodzi w skład układu pneumatycznego? No… odpowiedź na to pytanie jest prosta i zarazem rozbudowana – są to zintegrowane ze sobą elementy techniki pneumatycznej o zróżnicowanych funkcjach. Ja to traktuję podobnie do „budowania z klocków lego”.
Jeśli wszystko dobrze połączę ze sobą, to wówczas uzyskam układ, który spełnia zadanie, jakie przed nim postawiłem. Jest mnóstwo elementów, tak samo, jak mnóstwo jest klocków lego. Aby wprowadzić Was odpowiednio w tematykę sterowania i struktury układu pneumatycznego przytoczę kilka podstawowych elementów wykorzystywanych w projektowaniu systemów pneumatyki.
Napędy pneumatyczne
Napędy pneumatyczne to elementy, które zamieniają energię sprężonego powietrza na energię mechaniczną w postaci ruchu prostoliniowego, bądź obrotowego. Najlepszym przykładem takiego napędu jest siłownik pneumatyczny, którego budowę zaprezentowałem na poniższym rysunku.
Wspomnę jeszcze, że jeśli czytaliście artykuł o doborze siłownika hydraulicznego, to na pewno kojarzycie poniższą ilustrację. Pneumatyka jest bardzo podobna do hydrauliki, różni się m.in. medium roboczym, co wprowadza niewielkie różnice pomiędzy elementami, dlatego zachęcam Cię do przeczytania przytoczonego artykułu.
Siłowniki dwustronnego działania – zasada działania
Na rysunku został przedstawiony siłownik tłoczyskowy dwustronnego działania, składający się z 3 podstawowych i bazowych elementów: 1 – cylindra, 2 – tłoka, 3 – tłoczyska.
Jak działa siłownik dwustronnego działania? Możecie zauważyć, że do cylindra są doprowadzone dwa wloty powietrza: A oraz B. Teraz wyobraźcie sobie, co powoduje podłączenie do sieci sprężonego powietrza wejścia A…
Mianowicie ciśnienie powietrza będzie pchać tłoczysko w prawo – tak jak strzałki pokazują na ilustracji. Natomiast w tym czasie będzie opróżniane powietrze po drugiej stronie tłoka i będzie ono wylatywało przez komorę B.
W tym momencie jest wykonywana praca mechaniczna przez tłoczysko, które przesuwa się liniowo. Tłoczysko to należy zintegrować z narzędziem roboczym, które chcemy przesuwać i tak właśnie pracuje siłownik. Siłownik dwustronnego działania cechuje się tym, że ruch tłoczyska możemy sterować z dwóch stron: ruchu w lewo i w prawo dzięki komorom A i B, do których można odpowiednio doprowadzać lub odprowadzać powietrze.
Siłowniki jednostronnego działania – zasada działania
Są również siłowniki jednostronnego działania, których schemat prezentuje się tak:
Tutaj ruch powrotny jest gwarantowany przez sprężynę, która „odbija” tłok, gdy odłączymy ciśnienie sprężonego powietrza w komorze A.
Na tej zasadzie działają praktycznie wszystkie napędy pneumatyczne. Różnią się jedynie konstrukcją i członem, który wykonuje pracę. Nie zawsze jest to tłoczysko. Pracę może wykonywać np. zmieniająca swój kształt membrana albo teleskop.
Napędy pneumatyczne obrotowe
Jeśli chodzi o ruch obrotowy są dostępne siłowniki obrotowe, jak również silniki obrotowe. Bardzo często mają w sobie wbudowany siłownik, którego ruch liniowy tłoczyska jest przekładany na ruch obrotowy (np. przez zastosowanie przekładni z listwą zębatą i kołem zębatym).
Napędy obrotowe możemy skonfigurować tak, aby pracowały w zakresie pełnych obrotów (co jest najczęściej obecne w silnikach pneumatycznych), bądź w zakresie ograniczonym tzw. wahadłowym (np. o kąt 180 stopni).
Napędy pneumatyczne są podzespołami, znajdującymi się na samym końcu struktury układu sterowania pneumatycznego. Układy te buduje się tak, aby napędy wykonywały pracę, jaką chcemy i oczywiście – na jak długi okres chcemy.
Zawory pneumatyczne
Jeśli chodzi o ruch obrotowy są dostępne siłowniki obrotowe, jak również silniki obrotowe. Bardzo często mają w sobie wbudowany siłownik, którego ruch liniowy tłoczyska jest przekładany na ruch obrotowy (np. przez zastosowanie przekładni z listwą zębatą i kołem zębatym).
Napędy obrotowe możemy skonfigurować tak, aby pracowały w zakresie pełnych obrotów (co jest najczęściej obecne w silnikach pneumatycznych), bądź w zakresie ograniczonym tzw. wahadłowym (np. o kąt 180 stopni).
Napędy pneumatyczne są podzespołami, znajdującymi się na samym końcu struktury układu sterowania pneumatycznego. Układy te buduje się tak, aby napędy wykonywały pracę, jaką chcemy i oczywiście – na jak długi okres chcemy.
Nie bez powodu rozpocząłem omawianie elementów pneumatyki od napędów. Wiedząc mniej więcej, jak one pracują, możemy przejść do przytoczenia kilku ważnych kwestii związanych z zaworami pneumatycznymi, czyli podzespołami, które pełnią funkcję sterowania przepływem sprężonego powietrza w pneumatyce. Wykorzystuje się je do bezpośredniego sterowania napędami pneumatycznymi, bądź sterowania wewnętrznego – np. innymi zaworami.
Główne rodzaje zaworów to:
- Zawory rozdzielające
- zwrotne
- szybkiego spustu
- logiczne
- odcinające
Najważniejsze na ten moment dla Ciebie będą zawory rozdzielające i zawory zwrotne.
Rozdzielające zawory – budowa i zasada działania
Zawory rozdzielające są elementami, które sterują kierunkiem przepływu sprężonego powietrza. Ich sposób działania można porównać do działania skrzyżowania z sygnalizacją świetlną, które w jednym momencie przepuszcza samochodowy w jedną stronę, a za chwilę w inną stronę.
W przypadku zaworu rozdzielającego to my, w sposób manualny bądź automatyczny, decydujemy „w którym momencie zapalamy zielone światło na różnych drogach”.
Popatrzcie na schemat poniżej:
Rysunek przedstawia bardzo prymitywny i najprostszy zawór rozdzielający. Składa się on z dwóch położeń, co jest symbolizowane przez „kwadraciki” a oraz b. Jak możecie również zauważyć, zawór ten ma dwie drogi 1 oraz 2.
W przypadku tego przykładu zawór posiada dwa stany i definiuje, czy dwie drogi będą połączone, czy nie. Wówczas taki element będziemy nazywać dwupołożeniowym dwudrogowym, co możemy również zapisać w skrócie: zawór rozdzielający 2/2.
Pamiętajcie, że lewa strona zaworu jest tą „priorytetową”, wówczas ten zawór jest normalnie otwarty (jeśli go nie przesterujemy, to medium będzie miało możliwość przepływu).
Oczywiście nie trudno jest się zorientować, że takich kombinacji zaworów rozdzielających jest mnóstwo np. 3/2, 5/2, 5/3 itp., dzięki czemu za ich pośrednictwem można realizować bardzo złożone kombinacje ruchów członów napędów pneumatycznych.
Zawory zwrotne – budowa i zasada działania
Zawory zwrotne sterują przepływem sprężonego powietrza tylko w jednym kierunku. Można je porównać do diody prostowniczej w elektronice. I to nie jedyne podobieństwo do elektroniki, ponieważ zawory logiczne, które również występują w układach techniki pneumatycznej, realizują funkcję z algebry Bool’a.
Wyróżnia się zawory podstawowych funkcji logicznych, czyli: koniunkcji AND oraz alternatywy OR. Kombinacja tych zaworów z innymi podzespołami pozwala na tzw. sterowanie z pamięcią, o czym powiemy sobie w dalszej części.
Rysunek przedstawia bardzo prymitywny i najprostszy zawór rozdzielający. Składa się on z dwóch położeń, co jest symbolizowane przez „kwadraciki” a oraz b. Jak możecie również zauważyć, zawór ten ma dwie drogi 1 oraz 2.
W przypadku tego przykładu zawór posiada dwa stany i definiuje, czy dwie drogi będą połączone, czy nie. Wówczas taki element będziemy nazywać dwupołożeniowym dwudrogowym, co możemy również zapisać w skrócie: zawór rozdzielający 2/2.
Pamiętajcie, że lewa strona zaworu jest tą „priorytetową”, wówczas ten zawór jest normalnie otwarty (jeśli go nie przesterujemy, to medium będzie miało możliwość przepływu).
Oczywiście nie trudno jest się zorientować, że takich kombinacji zaworów rozdzielających jest mnóstwo np. 3/2, 5/2, 5/3 itp., dzięki czemu za ich pośrednictwem można realizować bardzo złożone kombinacje ruchów członów napędów pneumatycznych.
Metody sterowania zaworami pneumatycznymi
Użyłem wcześniej zdania, z którego wynikało, że zawory pneumatyczne należy również czymś sterować. Można się zapytać: „Jak to?. Przecież zawory służą do sterowania napędami”. Otóż zawory są oczywiście elementem sterującym, ale wymagają odpowiedniego przesterowania. Powoduje ono zmianę kierunku przepływu sprężonego powietrza – zmianę drogi, którą ten czynnik ma się przemieszczać. Przesterowanie to może być wywoływane przez różne „bodźce”.
Manualne metody sterowania zaworami pneumatycznymi
Najprostszym przykładem może być sterowanie zaworu za pomocą manualnej dźwigni. Wówczas użytkownik ma wpływ na, to kiedy zostanie wykonana dana operacja. Przesunięcie, pociągnięcie dźwigni bądź naciśnięcie przycisku może spowodować zmianę kierunku biegu sprężonego powietrza w układzie, a co za tym idzie wykonanie pracy przez układ, bądź wywołanie innego pożądanego efektu.
Pod pojęciem efektu mam na myśli przesterowanie innego zaworu. Tak, zawory mogą sterować się wzajemnie! Wówczas ten sterujący – nazywany jest zaworem pomocniczym, a ten, który zostaje przesterowany – zaworem zasadniczym.
Pokaże to na schemacie:
Sygnałowe metody sterowania zaworami pneumatycznymi
Zawory mogą wzajemnie na siebie „oddziaływać” sygnałami sterującymi (takim pojęciem należy się posługiwać w technice pneumatycznej) pochodzącymi od różnych źródeł. Mogą być to sygnały pneumatyczne tak, jak na powyższym rysunku.
Przesterowanie zaworu pomocniczego powoduje dopływ sprężonego powietrza do zaworu zasadniczego, który pod tym wpływem zmienia swój stan.
Drugim sposobem, dzięki któremu zawory mogą sterować siebie nawzajem to sterowanie elektromagnesem. Wówczas układy takie są nazywane elektropneumatycznymi. W tym celu układ pneumatyczny jest wyposażony w drugi układ – elektryczny, w którym są najczęściej zawarte przyciski, przekaźniki i cewki. Więcej w dalszej części artykułu.
Co warto jeszcze powiedzieć to fakt, że zawory mogą być również wznawiane zwykłą sprężyną. Zanik sygnału sterującego tym zaworem może spowodować, że sprężyna będzie miała możliwość przesterowania zaworu tak, aby ten powrócił do stanu startowego normalnego. Tak jest w przypadku przytoczonego już zaworu 2/2.
Sterowanie elektryczne zaworów pneumatycznych
Elektromagnes zintegrowany z zaworem pneumatycznym reaguje na napięcie pojawiające się na przekaźniku. Zmiana napięcia będzie powodowała przesterowanie zaworu. Co więcej, dzięki takiemu rozwiązaniu uzyskujemy możliwość sterowania zaworem za pomocą wykrycia danej pozycji np. tłoczyska siłownika.
Pokażę taką sytuację na prostym przykładzie:
Wysuw tłoczyska siłownika A do maksymalnej pozycji jest wykrywany przez zwykły czujnik krańcowy S11. Sygnał z tego czujnika powoduje pojawienie się napięcia w układzie elektrycznym, a co za tym idzie przesterowanie zaworu, który jest sterowany właśnie elektromagnesem Y11 reagującym na napięcie na przekaźniku.
Sterowanie PLC zaworów pneumatycznych
Omawiając sterowanie układów elektropneumatycznych należy również powiedzieć, że obwód elektryczny może być również wyposażony w sterownik przemysłowy tzw. Sterownik PLC. Takie rozwiązanie jest najbardziej klasyczne i wygodne. Stosuje się je bardzo często w skomplikowanych układach automatyki wykorzystujących m.in. pneumatykę.
Sterownik PLC jest programowalny, dzięki czemu możemy z góry narzucić sposób działania naszego układu pneumatycznego i jego reakcji na dane zmiany. Poprzez napisanie programu można w pełni zautomatyzować dany proces, który może się cyklicznie powtarzać, bądź zautomatyzować go w połowie, tak aby każda kolejna czynność (cykl) był wznawiany przez użytkownika.
Może przytoczę klasyczny obwód elektryczny ze sterownikiem PLC.
Wejścia sterownika PLC są połączone najczęściej z czujnikami wykrywającymi położenia członów napędów, tak aby system był w stanie reagować na te informacje. Na ich podstawie jest realizowany program. Wyjścia sterownika są zintegrowane z przekaźnikami, które sterują pracą zaworów wyzwalanych elektromagnesem.
Struktura układu pneumatycznego
Znając już poszczególne grupy elementów pneumatycznych oraz jak one pracują i jak są sterowane, możemy przejść do omówienia struktury układu pneumatycznego. W każdym układzie pneumatycznym można wyłonić trzy podstawowe warstwy, obszaru czy też poziomy. Pozwoliłem sobie to zobrazować.
Mam nadzieje, że powyższy rysunek nie jest zbiorem „kresek i kropek” i jest on już dla Was w miarę czytelny. Jeśli jednak nie – to jest to dość typowy układ pneumatyczny, który steruję pracą dwóch siłowników dwustronnego działania. Jak widzicie, oznaczyłem trzy obszary, na rysunku powyżej.
Trzeci Obszar – Poziom zaworów pomocniczych
Obszar trzeci to poziom, w którym są zawarte zawory rozdzielające pomocnicze. Sterują one pracą innych zaworów. Najczęściej właśnie te zawory są wyzwalane przez elektromagnesy bądź dźwignie manualne, a ich powrót do stanu normalnego realizuje sprężyna bądź inny sygnał, który np. pochodzi od położenia tłoczyska siłownika.
Można powiedzieć, że struktura układu pneumatycznego rozpoczyna się właśnie na tym poziomie, ponieważ przygotowane sprężone powietrze praktycznie zawsze najpierw przepływa przez odpowiednio skonfigurowane zawory pomocnicze.
Drugi Obszar – Poziom zaworów zasadniczych
Obszar drugi to poziom, w którym są wyróżnione zawory zasadnicze, czyli jak pamiętamy – te, które sterują bezpośrednio pracą napędów. Najczęściej te zawory są elementami z pamięcią. Spokojnie – już tłumaczę :).
Przesterowanie danego zaworu zasadniczego powoduję zmianę jego stanu pod wpływem jakiegoś zdarzenia. Jeśli to zdarzenie już przeminie, to zawór ten nie powróci do swojego poprzedniego stanu.
Może powrócić do oryginalnego stanu, jeśli nastąpi inne wydarzenie. Dzięki temu mówi się, że zawór, bądź układ jest wyposażony w pamięć. Zawory z obszaru drugiego najczęściej są właśnie wznawiane z obu stron sygnałami pneumatycznymi, co pozwala na zachowanie właśnie tej pamięci.
Pierwszy Obszar – Poziom elementów wykonawczych
Obszar trzeci to poziom, w którym są zawarte zawory rozdzielające pomocnicze. Sterują one pracą innych zaworów. Najczęściej właśnie te zawory są wyzwalane przez elektromagnesy bądź dźwignie manualne, a ich powrót do stanu normalnego realizuje sprężyna bądź inny sygnał, który np. pochodzi od położenia tłoczyska siłownika.
Można powiedzieć, że struktura układu pneumatycznego rozpoczyna się właśnie na tym poziomie, ponieważ przygotowane sprężone powietrze praktycznie zawsze najpierw przepływa przez odpowiednio skonfigurowane zawory pomocnicze.
Obszar pierwszy, mam nadzieje, że już wiecie, co w nim zostało wyróżnione. Są to elementy wykonawcze techniki pneumatycznej, czyli napędy. To współpraca wszystkich niższych poziomów prowadzi do tego, aby uzyskać odpowiedni ruch napędów pneumatycznych.
Napędy te możemy zintegrować z czujnikami wykrywającymi pozycję bądź nawet wykrywających dane informacje na temat ruchu, np. prędkość obrotową. Te dane można wykorzystać do sterowania pracą układu pneumatycznego.
Podsumowanie dla struktury układu pneumatycznego
Można więc wywnioskować, że wszystkie poziomy układu pneumatycznego są tak samo ważne i ze sobą współpracują. I to jest właśnie według mnie istota odpowiedniego projektowania układów pneumatycznych. Układy powinny stanowić taki właśnie mechanizm, który jest w stanie sam wykryć informacje o tym, co robi, gdzie się znajduję i te informacje przetworzyć w taki sposób, by realizować dalej narzucone mu zadania.
Podsumowanie – Struktura układów pneumatycznych – podstawy
Mam nadzieję, że ten artykuł pomógł Wam zrozumieć podstawy struktury układów pneumatycznych. Wiecie już jakimi prawami rządzą się układy pneumatyczne, jakie wyróżniamy elementy układów pneumatycznych (szczególnie napędy i zawory).
Jeśli chcecie się dowiedzieć, jak takie układu projektować i co należy zrobić krok po kroku, zapraszam na kolejny artykuł, który pojawi się niedługo i właśnie o tym Wam opowie.
Pamiętaj, że wszelkie prace (projekty, obliczenia, dokumentacje itp.) możesz zlecić nam! Napisz do nas, a nasz zespół specjalistów pomoże Ci w projekcie takiego układu pneumatycznego lub rozwiąże inny Twój problem – napisz na: kontakt@wynalazca.tv
Redagował: mgr inż. Dawid Pjanka
Naszym celem jest ułatwienie procesu komercjalizacji innowacyjnych rozwiązań, dlatego oferujemy kompleksowe wsparcie, w tym konsultacje, badania patentowe, tworzenie prototypów oraz pomoc w ochronie wzorów przemysłowych i patentów.
Dzielimy się wiedzą poprzez wykłady, prelekcje, ebooki, kursy online i treści w social media. W przystępny sposób edukujemy o ochronie własności intelektualnej i pokazujemy, jak skutecznie realizować innowacyjne projekty. Wynalazca TV to miejsce, gdzie innowacja spotyka się z wiedzą i wsparciem na każdym kroku.
- Poradnik dla wynalazców: Jak sprawdzić swój pomysł na produkt – analiza prawna - 8 października 2024
- Jak sprawdzić swój pomysł na produkt? – analiza finansowa – Poradnik dla wynalazców - 10 września 2024
- Nowe procesory w 2023 roku – czym zaskoczy nas AMD i Intel? - 19 marca 2023
[1] Szenajch W.: Przyrządy, uchwyty i sterowanie pneumatyczne
[2] Szenajch W.: Napęd i sterowanie pneumatyczne
[3] Pneumatyczne przetworniki automatyki Lammel
[4] Automatyka. Napęd elektryczny
[5] Montaż elementów i podzespołów pneumatycznych i hydraulicznych