Pneumatické obvody a schémata pneumatických obvodů – základy kapalinového inženýrství

Tento článek se zabývá základy pneumaticky, pneumatických obvodů a schémat pneumatických obvodů. Pneumatika je oblast kapalinového inženýrství, která se zabývá stlačeným vzduchem a jeho aplikací v různých systémech. Pneumatická řídicí technologie se používá v mnoha průmyslových odvětvích a sektorech, jako je manipulace s materiálem, robotika nebo doprava.

Co je to pneumatika?

Pneumatika je podoblast mechaniky, která se zabývá chováním plynů. Zejména je to kapalinové inženýrství, které využívá stlačený vzduch nebo vzduchem ovládané systémy k vytváření pohybu a napájení pohonu.

V typických systémech stlačeného vzduchu má vzduch přetlak 6 barů. Hladina tlaku je až 18 barů u vysokotlakých aplikací, jako jsou pneumatické aplikace s vysokými požadavky na příkon. Ve zvláštních případech může být tlak dokonce až 40 barů.

Pro stlačený vzduch existuje mnoho použití, která lze použít podle potřeby a požadavků. Může například působit jako aktivní vzduch pro přepravu látek a materiálů. Používá se také jako procesní vzduch a podporuje procesy sušení a další procesy. Kromě toho může být stlačený vzduch používán v potenciálně výbušných nebo mokrých místech, například k provozu motorů apod. Typickým příkladem použití je stlačený vzduch v excentrické orbitální brusce v lakovací kabině.

Aplikace pro pneumatické ovládání

Pneumatické ovládací prvky a systémy mají široké použití ve strojírenství, konstrukci strojů na míru a velkokapacitní výrobě. Kromě jejich jednoduchosti a spolehlivosti zahrnují výhody pneumatických systémů také rychlou odezvu a relativně nákladově efektivní implementaci.

Typické příklady použití pneumatických ovládacích prvků zahrnují:

• Svařovací stroje: Ovládání svařovacích hlavic a upínacích zařízení.
• Obráběcí nástroje: Pro upnutí nebo uvolnění a pro výměnu nástrojů.
• Slévárny: Pro otevírání a zavírání forem a odstraňování odlitků – například ve vstřikovacích lisovacích strojích.
• Dopravníky a zvedáky: Pro pohyblivé, zvedací a polohovací materiály.
• Tiskárny a papírenské stroje: Slouží k řízení tiskových procesů a polohování papíru.

Jaké jsou výhody pneumatiky?

Pneumatické systémy mají mnoho výhod. Použitý materiál, tj. vzduch, má nekonečný přívod, je k dispozici prakticky kdekoli a může být přepravován na dlouhé vzdálenosti.

• Možnost uložení: Stlačený vzduch je možné skladovat v odpovídajících nádržích na stlačený vzduch. Tyto nádrže na stlačený vzduch lze také přepravovat.
• Teplotní odolnost: Stlačený vzduch není v podstatě ovlivněn kolísáním teploty. Je proto vhodný pro provoz v extrémnějších podmínkách ve srovnání s kapalinami, jako je hydraulická kapalina.
• Kompatibilita s životním prostředím: Únik stlačeného vzduchu nezpůsobuje znečištění ani poškození.
• Jednoduchost: Pneumatické součásti se snadno sestavují. Mohou plynule nastavitelným způsobem posouvat nebo řídit rychlosti a síly válců.
• Vysoká rychlost: Stlačený vzduch je rychlé procesní médium, které umožňuje dosáhnout relativně vysokých rychlostí a krátkých spínacích časů.
• Přenositelnost: Stlačený vzduch lze snadno přepravovat v potrubí na dlouhé vzdálenosti. Stlačený vzduch je proto obecně nutné pouze udržovat.
• Ochrana proti přetížení: Pneumatické obvody a prvky dokáží absorbovat zatížení i v klidu a jsou tak odolné proti přetížení proti špičkám stlačeného vzduchu.

Různé mechanické procesy lze efektivně provozovat pomocí stlačeného vzduchu jako zdroje energie, což z něj činí cenově výhodnou alternativu k jiným energetickým systémům.

Konstrukční a provozní principy pneumatických ovládacích prvků

Stlačený vzduch je přiváděn na požadované místo pomocí ventilů. Energie uložená ve stlačeném vzduchu se používá ke generování pohybové energie. Příkladem je použití stlačeného vzduchu k ovládání pístu válce v konkrétním směru.

Každý pneumatický řídicí systém se v podstatě skládá z následujících dílčích součástí:

• Generování stlačeného vzduchu (kompresory)
• Udržování stlačeného vzduchu (pneumatický filtr / vzduchový filtr)
• Akumulátor stlačeného vzduchu (vzduchová nádrž)
• Regulace stlačeného vzduchu (regulátor tlaku)
• Hlavní ventily (cestné ventily)
• Prvky procesu (válce)
• Snímače a spínače (solenoidní ventily, tlačítka)
• Hadice a armatury

Tvorba stlačeného vzduchu v pneumatických ovládacích prvcích

Jeden nebo více kompresorů se používá ke generování požadovaného procesního tlaku. Podle potřeby nasávají a stlačují vzduch na tlak mezi 6 a 40 bary.

Mechanické a termodynamické procesy používané ke stlačení vzduchu vytvářejí velké množství tepla, které musí být odváděno ze stlačeného vzduchu. Stlačený vzduch je proto veden přes vzduchový chladič, aby se snížila teplota.

Udržování stlačeného vzduchu

Chlazení vzduchu však také snižuje schopnost vzduchu absorbovat vodu. Při ochlazování vzduchu se často uvolňuje voda, která může poškodit systém. Vzduch prochází horkovzdušným sušákem, aby se tomu zabránilo. Existuje několik typů horkovzdušných sušáků, jako jsou chladicí sušičky a adsorpční sušičky, které odstraňují vlhkost ze vzduchu. Stejně tak je důležité odstranit nečistoty ze stlačeného vzduchu, aby byla zajištěna optimální kvalita stlačeného vzduchu a dlouhá životnost systémů stlačeného vzduchu. Toho je dosaženo průchodem vzduchu přes filtry, aby se odstranily nečistoty, jako je prach, částice a olej. Vzhledem k tomu, že je k mazání pohonů zapotřebí olej, je stlačený vzduch obohacen olejem pomocí specializovaných maznic.

Skladování stlačeného vzduchu

Udržovaný vzduch je uložen v nádržích na stlačený vzduch. Tyto nádrže současně kompenzují kolísání tlaku při odstraňování stlačeného vzduchu ze systému. Akumulátor vzduchu se doplní, když tlak klesne pod určitou hodnotu.

Regulace a distribuce stlačeného vzduchu

Tlak vzduchu se upravuje regulátorem tlaku před použitím stlačeného vzduchu v pneumatickém okruhu. Vzduch je pak v systému rozváděn po síti potrubí a hadic. Systém stlačeného vzduchu musí být naplánován tak, aby zohledňoval různé požadavky, například průměr vedení. Čím menší je průměr potrubí, tím vyšší je odpor průtoku. Průměr musí být zvolen tak, aby odpory průtoku zůstaly co nejnižší.

Úniky jsou dalším rizikem v systémech stlačeného vzduchu. Ty jsou běžné ve spojkách nebo rozvodných potrubích. Takové úniky vedou k trvalé ztrátě stlačeného vzduchu, což vede ke zvýšené spotřebě energie a snížení výkonu systému. Kromě takových přímých ztrát může systém vykazovat také nepřímé ztráty. Nadměrné kompresory, příliš restriktivní nebo příliš dlouhé potrubí, nepříznivé umístění nádrže – to vše vede ke snížení výkonu a neefektivitě systému. Aby bylo dosaženo trvanlivosti a výkonu, je podmínkou pro optimalizaci systému stlačeného vzduchu účelné plánování distribuce stlačeného vzduchu.

Přenos pohybu a energie

Různé součásti v pneumatických obvodech spolupracují, aby vytvořily pohyb a přenášely sílu. Ventily řídí směr, tlak a průtok stlačeného vzduchu. Pneumatické pohony, jako jsou válce nebo vzduchové motory, provádějí skutečnou práci v pneumatickém obvodu. Převádějí energii obsaženou ve stlačeném vzduchu na mechanický pohyb. Stlačený vzduch pohybuje pístem uvnitř válce a přenáší sílu, obvykle v lineárním směru.

Mechanické práce jsou prováděny specializovanými pracovními prvky, které jsou převážně ve formě pneumatických válců – například pneumatických unášečů.

Průmyslové dopravníky přemísťují nebo přepravují materiál do různých míst v dílnách nebo skladech. Pneumatické dopravníky používají stlačený vzduch k přepravě materiálů nebo komponent, jako jsou granule, prášky nebo sypké materiály prostřednictvím potrubí pro další zpracování nebo likvidaci. Tyto systémy se používají v různých fázích výroby, protože zjednodušují a usnadňují manipulaci s materiálem.

Obecná struktura schématu pneumatických obvodů

Schémata pneumatických okruhů jsou grafické znázornění pneumatických ovládacích prvků. Ukazují funkci a připojení jednotlivých součástí pneumatického systému.

Schémata pneumatických okruhů zahrnují napájecí prvky, regulátory a procesní prvky. Přívodní součásti jsou odpovědné za přívod stlačeného vzduchu a za zpracování, skladování a distribuci stlačeného vzduchu. Regulátory jsou ovládací prvky ve schématu pneumatických obvodů. Patří sem například směrové ventily, tlakové ventily nebo kontrolní ventily. Stanovují průtok a směr stlačeného vzduchu. Procesní prvky jsou součásti, které provádějí fyzickou práci v obvodu. Převádějí energii uloženou ve stlačeném vzduchu na mechanický pohyb. Válce, motory nebo regulátory jsou procesní prvky.

Obecně jsou obvody uspořádány tak, že energie proudí zespoda nahoru, tj. ze zdroje energie zdroje stlačeného vzduchu do procesního prvku. Zdrojem stlačeného vzduchu je tedy první nebo nejnižší prvek a napájecím prvkem je nejvyšší nebo poslední prvek.

Příklad použití s pneumatickým schématem okruhu

Následující příklad praktického použití ukazuje pístní tyč, která má být vysunuta (plně rozvinutá poloha) a zatažena po definované době (výchozí poloha). Z bezpečnostních důvodů provozovatelé obvykle používají 2 ruční tlačítka, aby zabránili neúmyslnému rozvinutí pístu.

Aplikace se v podstatě skládá z následujících součástí:

• 1 x dvojitý pneumatický válec s pístní tyčí (1 A)
• 2 x ruční tlačítko se směrovými ovládacími ventily (1S1 a 1S2)
• 1 x akumulátor s ventilem časového zpoždění (1V3) s ventilem škrticí klapky
• 1 x dvojitý tlakový ventil (1V1)
• 1 x šoupátkový ventil (1V2)
• Pulzní ventily a směrové ventily

• Duální tlakový ventil 1V1 funguje jako logický „a“ obvodový: stlačený vzduch může procházet do pulzního ventilu 1V4 pouze tehdy, když jsou současně spuštěna obě ruční tlačítka 1S1 a 1S2.
• Pulzní ventil 1V4 je napájen vstupním vzduchem a je natlakován stlačeným vzduchem.
• Pulzní ventil 1V4 aktivuje směrový regulační ventil 1V5.
• Vzhledem k poloze posunu směrového řídicího ventilu 1V5 nyní stlačený vzduch vstupuje do pneumatického válce 1 A s dvojím působením a umožňuje, aby se tam roztáhla pístní tyč (plně rozvinutá poloha). Pístová tyč zpočátku zůstává v plně rozvinuté poloze.

Princip fungování plánovaného okruhu způsobuje, že během spínací akce dojde k několika věcem současně.

• Úvodní aktivací ručních tlačítek stlačený vzduch současně vstupuje do šoupatkového ventilu 1V2 – šoupátkový ventil současně funguje jako zpětný ventil.
• Stlačený vzduch plní akumulátor 1V3 – akumulátor má ventil časové prodlevy.
• Jakmile je akumulátor tlaku 1V3 naplněn, uvolněný stlačený vzduch aktivuje pulzní ventil 1V4, čímž způsobí návrat směrového řídicího ventilu 1V5 do výchozí polohy.
• Vzhledem k poloze posunu směrového ventilu 1V5 nyní stlačený vzduch vstupuje do válce s dvojím působením1 A a umožňuje, aby se tam pístní tyč zasunula (výchozí poloha).
• Chcete-li píst znovu vysunout, musí být obě ruční tlačítka „uvolněna“ a znovu aktivována.

Prvky schématu zapojení jsou označeny podle štítkovacího klíče specifikovaného v DIN ISO 1219-2. V závislosti na aplikaci lze symboly obsažené ve standardu odpovídajícím způsobem kombinovat. Následující přehled ukazuje několik příkladů.

Konvence pojmenování směrových ventilů

Popis směrových ventilů je založen na počtu portů, počtu poloh spínačů a dráze průtoku. Směrové ventily mají dvě čísla. První označuje, kolik portů má ventil, a druhé číslo označuje počet poloh spínače. Např ventil 3/2 má tři porty a dvě polohy spínače. V praxi se nejčastěji používají 2/2, 3/2, 5/2 a 5/3 směrové ventily.

Seskupení a konstrukce směrových řídicích ventilů

Pneumatické pohony (například válce atd.) jsou řízeny pneumatickými ventily. Funkcí ventilů je řídit směr působení, rychlost (prostřednictvím rychlosti průtoku) a sílu.

Směrové ventily jsou jedním z nejdůležitějších prvků pneumatického ovládání. Používají se k určení směru průtoku a k otevření nebo zablokování dráhy média. Používají se například k ovládání válců, ventilů nebo pneumatických nástrojů. Směrové ventily lze seskupit podle různých kritérií:

• Podle základní struktury: Na základě jejich konstrukce se rozlišuje mezi ventily pístové cívky a ventily sedla.

• Podle typu provozu: Směrové ventily lze ovládat mechanicky, ručně, pneumaticky nebo elektricky.

• Podle počtu pozic: Existují monostabilní, bistabilní, tří- nebo vícepolohové ventily. Jak již tento termín napovídá, ventil má jednu stabilní polohu pro monostabilní konstrukce a dvě stabilní polohy pro bistabilní konstrukci (výchozí poloha ventilu).

• Na základě počtu portů a pozic: Co se týče portů a poloh, rozlišuje se mezi 2/2, 3/2, 3/3, 4/2, 5/2, 4/3 a 5/3cestnými ventily

• Podle pozice posunu ve výchozí poloze: V závislosti na počtu portů a poloh se 2/2 a 3/2cestné ventily rozlišují podle toho, zda jsou otevřené nebo zavřené ve výchozí poloze. 3/3, 4/3 a 5/3cesté ventily se rozlišují dle uzavřených, otevřených a odvětrávaných středových poloh.

Jaké jsou vaše požadavky na pneumatické ovládání?

Společnost MISUMI je silným partnerem, pokud jde o nabídku vysoce kvalitních a spolehlivých pneumatických produktů. Prozkoumejte naši řadu vysoce konfigurovatelných pneumatických prvků.

Například:

• Pneumatické válce, rotační pohony a unášeče
• Elektromagnetické pneumatické ventily a pneumatické tlakové ventily
• Spojky pneumatického potrubí
• Jednotky pro údržbu, filtry, regulátory a maziva pro monitorování a úpravu vzduchu