Pneumatiska kretsar och pneumatiska kopplingsscheman – grunderna för vätsketeknik

Denna artikel täcker grunderna i pneumatik, pneumatiska kretsar och pneumatiska kretsscheman. Pneumatik är ett område inom vätsketeknik som behandlar tryckluft och dess tillämpning i olika system. Pneumatisk styrteknik används i många branscher och sektorer, såsom materialhantering, robotik eller transport.

Vad är pneumatik?

Pneumatik är ett delområde av mekanik som behandlar gasers beteende. I synnerhet är det vätsketeknik som använder tryckluft eller luftdrivna system för att generera rörelse och drivkraft.

I typiska tryckluftssystem har luften ett positivt tryck på 6 bar. Trycknivån är upp till 18 bar i högtryckstillämpningar, t.ex. pneumatiska tillämpningar med höga effektingångskrav. I speciella fall kan trycket till och med vara upp till 40 bar.

Det finns många användningsområden för tryckluft som kan användas vid behov och behov. Det kan till exempel fungera som aktiv luft för att transportera ämnen och material. Den används också som processluft och stöder torkprocesser och andra processer. Dessutom kan tryckluft användas på potentiellt explosiva eller våta platser, till exempel för att driva motorer eller liknande. Ett typiskt applikationsexempel är en tryckluft en excentrisk orbitalslipare i en målningsbås.

Tillämpningar för pneumatiska kontroller

Pneumatiska styrsystem och system hittar ett brett utbud av tillämpningar inom maskinteknik, anpassad maskinkonstruktion och massproduktion. Förutom deras enkelhet och tillförlitlighet inkluderar fördelarna med pneumatiska system också snabba svarstider och relativt kostnadseffektiv implementering.

Typiska tillämpningsexempel på pneumatiska kontroller inkluderar:

• Svetsmaskiner: Styrning av svetshuvuden och klämanordningar.
• Maskinverktyg: För fastspänning eller lossning och för verktygsbyten.
• Gjuterimaskiner: För att öppna eller stänga formar och ta bort gjutgods - till exempel i formsprutningsmaskiner.
• Transportörer och hissar: För att flytta, lyfta och positionera material.
• Utskrifts- och pappersmaskiner: För att styra utskriftsprocesser och papperspositionering.

Vilka är fördelarna med pneumatik?

Pneumatiska system har många fördelar. Det material som används, det vill säga luft, har en oändlig tillförsel, finns tillgängligt nästan var som helst och kan transporteras över långa avstånd.

• Förmåga att lagras: Det är möjligt att lagra tryckluft i motsvarande tryckluftstankar. Dessa tryckluftstankar kan också transporteras.
• Temperaturbeständighet: Tryckluften påverkas i allt väsentligt inte av temperaturfluktuationer. Den är därför lämplig för drift under mer extrema förhållanden jämfört med vätskor, såsom hydraulvätska.
• Miljökompatibilitet: Läckande tryckluft orsakar inte föroreningar eller skador.
• Enkelhet: De pneumatiska komponenterna är lätta att montera. De kan skifta eller styra cylindrarnas hastigheter och krafter på ett kontinuerligt justerbart sätt.
• Hög hastighet: Komprimerad luft är ett snabbt processmedium, vilket möjliggör relativt höga hastigheter och korta omkopplingstider.
• Portabilitet: Komprimerad luft kan enkelt transporteras i linjer över långa avstånd. Komprimerad luft behöver därför i allmänhet bara konditioneras.
• Överbelastningsskydd: Pneumatiska kretsar och element kan absorbera belastning även i vila och är därmed överbelastningssäkra mot tryckluftstopp.

Olika mekaniska processer kan drivas effektivt genom att använda tryckluft som strömkälla, vilket gör det till ett kostnadseffektivt alternativ till andra kraftsystem.

Principer för konstruktion och drift av pneumatiska reglage

Tryckluft tillförs till önskad plats med hjälp av ventiler. Energin som lagras i tryckluften används för att generera rörelseenergi. Ett exempel på detta är användning av tryckluft för att styra en cylinderkolv i en viss riktning.

Varje pneumatiskt styrsystem består i princip av följande delkomponenter:

• Produktion av tryckluft (kompressorer)
• Komprimerad luftkonditionering (pneumatiskt filter/luftfilter)
• Ackumulator för tryckluft (lufttank)
• Reglering av tryckluft (tryckregulator)
• Huvudventiler (vägventiler)
• Processelement (cylindrar)
• Givare och brytare (solenoidventiler, tryckknappar)
• Slangar och kopplingar

Tryckluftsgenerering i pneumatiska reglage

En eller flera kompressorer används för att generera det processtryck som krävs. De drar in och komprimerar luften efter behov till ett tryck mellan 6 och 40 bar.

De mekaniska och termodynamiska processer som används för att komprimera luften genererar en stor mängd värme som måste evakueras från tryckluften. Tryckluften leds därför genom en luftkylare för att sänka temperaturen.

Komprimerad luftkonditionering

Men att kyla ner luften minskar också luftens förmåga att absorbera vatten. När luften svalnar släpper den ofta ut vatten, vilket kan skada systemet. Luften passerar genom en lufttorkare för att förhindra detta. Det finns flera typer av lufttorkar, såsom kyltorkar och absorptionstorkar, som avlägsnar fukt från luften. Det är lika viktigt att avlägsna föroreningar från tryckluft för att säkerställa optimal tryckluftskvalitet och lång livslängd för tryckluftssystem. Detta åstadkoms genom att luften passerar genom filter för att avlägsna föroreningar, såsom damm, partiklar och olja. Men eftersom olja krävs för att smörja drivenheter berikas tryckluft med olja med hjälp av specialiserade smörjade.

Förvaring av tryckluft

Den konditionerade luften förvaras i tryckluftstankar. Dessa tankar kompenserar samtidigt för tryckfluktuationer när tryckluft avlägsnas från systemet. Luftackumulatorn fylls på när trycket sjunker under ett visst värde.

Reglering och fördelning av tryckluft

Lufttrycket justeras med en tryckregulator innan tryckluften används i den pneumatiska kretsen. Luften distribueras sedan i systemet över ett nätverk av rör och slangar. Tryckluftssystemet måste planeras med hänsyn till olika krav, såsom ledningarnas diameter. Ju mindre diameter på ett rör, desto högre flödesmotstånd. Diametern måste väljas så att flödesmotstånden förblir så låga som möjligt.

Läckor är ännu en risk i tryckluftssystem. Dessa är vanliga i fackföreningar eller förgreningar. Sådana läckor leder till kontinuerlig förlust av tryckluft, vilket leder till ökad energiförbrukning och minskad systemprestanda. Förutom sådana direkta förluster kan systemet också uppvisa indirekta förluster. Överdimensionerade kompressorer, alltför restriktiva eller alltför långa ledningar, ogynnsam tankplacering – som alla leder till försämrad prestanda och ineffektivitet i systemet. En ändamålsenlig planering av tryckluftsfördelningen är därför ett villkor för att optimera tryckluftssystemet för hållbarhet och prestanda.

Rörelse och kraftöverföring

Olika komponenter i pneumatiska kretsar vaknade tillsammans för att skapa rörelse och överföra kraft. Ventiler styr tryckluftens riktning, tryck och flöde. Pneumatiska drivenheter, såsom cylindrar eller luftmotorer, utför själva arbetet i en pneumatisk krets. De omvandlar den energi som finns i tryckluften till mekanisk rörelse. Tryckluft flyttar kolven inuti cylindern och överför kraft, vanligtvis i linjär riktning.

Det mekaniska arbetet utförs av specialiserade arbetselement, som huvudsakligen kommer i form av pneumatiska cylindrar - till exempel som pneumatiska gripdon.

Industritransportörer flyttar eller transporterar material till olika destinationer i butiksgolv eller lager. Pneumatiska transportörer använder tryckluft för att transportera material eller komponenter, såsom granulat, pulver eller bulkmaterial genom rörledningar för vidare bearbetning eller kassering. Dessa system används i olika produktionsstadier eftersom de förenklar och underlättar materialhantering.

Allmän struktur för ett pneumatiskt kretsschema

Pneumatiska kopplingsscheman är grafiska representationer av pneumatiska kontroller. De visar funktionen och anslutningen av de enskilda komponenterna i ett pneumatiskt system.

Pneumatiska kopplingsscheman inkluderar matningselement, ställdon och processelement. Matningselementen ansvarar för att tillföra tryckluft och för bearbetning, förvaring och distribution av tryckluft. Manöverdon är styrelementen i ett pneumatiskt kretsschema. Dessa inkluderar exempelvis riktningsventiler, tryckventiler eller backventiler. De bestämmer tryckluftens flöde och riktning. Processelement är de komponenter som utför det fysiska arbetet i kretsen. De omvandlar den energi som lagras i tryckluften till mekanisk rörelse. Cylindrar, motorer eller ställdon är processelement.

I allmänhet är kretsarna anordnade så att effekten flödar från botten till toppen, dvs. från tryckluftskällans strömförsörjning till processelementet. Tryckluftskällan är därför det första eller lägsta elementet och kraftelementet är det översta eller sista elementet.

Exempel på tillämpning med pneumatiskt kretsschema

Följande praktiska tillämpningsexempel visar en kolvstång som ska förlängas (helt utplacerad position) och dras tillbaka efter en definierad tid (hemposition). Av säkerhetsskäl använder utövare vanligtvis två handknappar för att förhindra oavsiktlig kolvutplacering.

Tillämpningen består i princip av följande komponenter:

• 1 x pneumatisk dubbelverkande cylinder med kolvstång (1 A)
• 2 x manuella tryckknappar med styrventiler (1S1 och 1S2)
• 1 x ackumulator med tidsfördröjningsventil (1V3) med gasspjäll
• 1 x dubbel tryckventil (1V1)
• 1 x skyttelventil (1V2)
• Pulsventiler och riktningsventiler

• Den dubbla tryckventilen 1V1 fungerar som en logisk ”Och”-krets: tryckluft kan endast passera till pulsventilen 1V4 om båda manuella knapparna 1S1 och 1S2 aktiveras samtidigt.
• 1V4-pulsventilen strömsätts av den inkommande luften och trycksätts med tryckluft.
• 1V4-pulsventilen strömsätter 1V5-riktningsregleringsventilen.
• På grund av riktningsstyrventilens 1V5 skiftläge kommer tryckluften nu in i den pneumatiska dubbelverkande cylindern 1 A och låter kolvstången sträcka sig dit (fullt utskjuten position). Kolvstången förblir inledningsvis i fullt utplacerat läge.

Driftsprincipen för den planerade kretsen gör att flera saker händer samtidigt under omkopplingsförloppet.

• Genom att initialt aktivera handknapparna kommer tryckluft samtidigt in i skyttelventilen 1V2 - skyttelventilen fungerar samtidigt som backventil.
• Tryckluft fyller ackumulatorn 1V3 - ackumulatorn har en tidsfördröjningsventil.
• Så snart tryckackumulatorn 1V3 är fylld, strömsätter den frigjorda tryckluften pulsventilen 1V4, vilket gör att riktningsstyrventilen 1V5 återgår till sitt utgångsläge.
• På grund av riktningsventilens 1V5 skiftläge kommer tryckluften nu in i dubbelverkande cylinder 1 A och låter kolvstången dras tillbaka dit (hemposition).
• För att förlänga kolven igen måste båda handknapparna ”släppas” och aktiveras igen.

Kretsschemats element är märkta enligt märkningsnyckeln som anges i DIN ISO 1219-2. Beroende på tillämpningen kan symbolerna i standarden kombineras i enlighet med detta. Följande översikt visar några exempel.

Namngivningskonventioner för riktningsventiler

Beskrivningen av riktningsventilerna baseras på antalet portar, antalet brytarlägen och flödesbanan. Riktningsventiler tilldelas två nummer. Den första anger hur många portar ventilen har och den andra siffran anger antalet omkopplarlägen. En 3/2-vägsventil har till exempel tre portar och två brytarlägen. I praktiken används 2/2, 3/2, 5/2 och 5/3 riktningsventiler oftast.

Gruppering och utformning av riktningsstyrventiler

Pneumatiska ställdon (t.ex. cylindrar osv.) styrs av pneumatiska ventiler. Ventilernas funktion är att styra verkningsriktningen, hastigheten (via flödeshastigheten) och kraften.

Riktningsventiler är en av de viktigaste delarna av pneumatiska kontroller. De används för att bestämma flödesriktningen och för att öppna eller blockera banan för mediet. De används till exempel för att aktivera och styra cylindrar, ventiler eller pneumatiska verktyg. Riktningsventiler kan grupperas enligt olika kriterier:

• Efter grundläggande struktur: Baserat på deras design skiljer man mellan kolvspolventiler och sätesventiler.

• Efter typ av operation: Riktningsventiler kan manövreras mekaniskt, manuellt, pneumatiskt eller elektriskt.

• Efter antal positioner: Det finns monostabila, bistabila, tre- eller flerpositionsventiler. Som begreppet antyder har ventilen en stabil position för monostabila konstruktioner och två stabila positioner för bistabil design (ventilens hemposition).

• Baserat på antalet portar och positioner: När det gäller portar och positioner skiljer man mellan 2/2, 3/2, 3/3, 4/2, 5/2, 4/3 och 5/3-vägsventiler

• Genom att växla position i hempositionen: Beroende på antalet portar och positioner differentieras 2/2 och 3/2 riktningsventiler baserat på om de är öppna eller stängda i utgångsläget. 3/3, 4/3 och 5/3 riktningsventiler särskiljs i stängda, öppna och ventilerade mittlägen.

Vilka är dina krav för en pneumatisk styrning?

MISUMI är en pålitlig partner när det gäller att erbjuda högkvalitativa, pålitliga pneumatiska produkter. Utforska vårt sortiment av mycket konfigurerbara pneumatiska element.

Till exempel:

• Pneumatiska cylindrar, roterande drivenheter och gripdon
• Elektromagnetiska pneumatiska ventiler och pneumatiska tryckventiler
• Pneumatiska rörkopplingar
• Underhållsenheter, filter, regulatorer och smörjdon för övervakning och konditionering av luft