Aktuální vydání

celé číslo

02

2024

Amper 2024

celé číslo

Vývoj pneumatických prvků a mechanismů

Automa 10/2000

prof. Ing. Jaroslav Talácko, CSc.,
Fakulta strojní ČVUT v Praze

Vývoj pneumatických prvků a mechanismů

Pneumatické mechanismy tvoří spolu s hydraulickými mechanismy kategorii tekutinových mechanismů. Jejich úloha se v závislosti na vývoji koncepcí struktur strojů, jejich parametrech, ale i v závislosti na vývoji vlastních tekutinových prvků mění. Počáteční období využívání hydraulických mechanismů je spojeno především s konstrukcemi hydraulických lisů. Pneumatické mechanismy mají poněkud kratší historii a jejich významnější rozvoj lze zachytit až v 60. letech, kdy byl vyvolán především explozivním zájmem o automatizaci činnosti výrobních zařízení. Konstrukce automatizačních prostředků a realizace pomocných ovládacích funkcí jsou dosud hlavním prostorem aplikací pneumatických prvků.

Obr. 1.

Prvky pneumatických mechanismů vždy přitahovaly pozornost svými výjimečnými vlastnostmi, a to především konstrukční, a tím i technologickou jednoduchostí, jejímž důsledkem je vysoká provozní spolehlivost a nenáročnost na údržbu. Výhodnou vlastností pneumatických mechanismů je rovněž jednoduchá realizace přímočarých pohybů, a to i s velkými pohybovými rychlostmi, a možnost přetížit motor až do zastavení, aniž by byl poškozen. Významnou předností v mnoha aplikacích je i jednoduchost rozvodu pracovního média bez nutnosti vracet jej z motoru do zásobníku a možnost provozu v prostředích s nebezpečím vznícení nebo výbuchu. Mezi nevýhody patří problémy s nastavováním menších rychlostí pohybu s vyššími nároky na rovnoměrnost pohybu, omezené možnosti nastavování polohy zastavení motoru, dosti nízká úroveň výkonu a vysoká cena energie stlačeného vzduchu.

V 60. letech byly s velkým nadšením vyvíjeny miniaturizované pneumatické prvky s pohyblivými částmi i prvky bez pohyblivých částí – tzv. proudové prvky – s ohledem na stavbu logických řídicích systémů, které v mnoha aplikacích disponovaly příznivějšími vlastnostmi v porovnání s klasickými kontaktními elektrickými prvky a v té době mohly úspěšně soupeřit s probouzející se elektronikou.

Pohledem do historie tohoto období je připomenutí univerzálních membránových prvků systému Dreloba (Reglerwerk Drážďany), které byly na vrcholu svého vývoje k dispozici v několika základních blocích a umožňovaly vytvářet integrované obvody. Základní bloky byly v rámci integrovaných obvodů propojovány mezikusy s předvrtanými kanály, jejichž stěny se prorážely podle dispozice požadovaných propojení.

Rozvoj elektroniky ovšem rychle vytlačil pneumatické prvky z konstrukcí řídicích systémů a naopak byl později příčinou recese zájmu o pneumatické mechanismy a poklesu jejich odbytu.

Struktura pneumatického mechanismu
Struktura pneumatického mechanismu je tvořena třemi hlavními částmi. První částí je vstupní blok, který je sestaven z prvků pro úpravu vzduchu a obecně obsahuje tři standardní prvky: čistič vzduchu s odlučovačem vody, redukční ventil pro nastavení pracovního tlaku v pneumatickém mechanismu a pro jeho stabilizaci v určitém rozmezí kolísání napájecího tlaku a v určitém rozsahu změn spotřeby vzduchu v mechanismu a prvek pro obohacování vzduchu olejovou mlhou s ohledem na mazání pohyblivých částí.

Druhou část tvoří rozváděcí blok, ve kterém jsou soustředěny především prvky pro řízení činnosti motoru, tzn. prvky pro řízení smyslu pohybu motoru, prvky pro řízení rychlosti pohybu motoru, popř. prvky pro řízení dalších provozních parametrů mechanismu, jako např. řízení velikosti tlaku, tlumení hluku apod. Výstupním blokem struktury pneumatického mechanismu je motor.

Koncepce a technická úroveň moderních prvků všech uvedených tří bloků struktury pneumatického mechanismu jsou silně ovlivněny možnostmi moderních technologií a současnými požadavky, vyplývajícími z charakteru funkcí v konstrukcích strojů a celých systémů, pro jejichž realizaci se využívají. Typickou vlastností soudobých prvků pneumatických mechanismů je efektivní symbióza s elektrotechnikou a elektronikou. Významnou vlastností je široký sortiment standardních prvků a zejména husté řady různých typů motorů, kde dominantní postavení mají přímočaré motory, vyráběné ve velkém počtu provedení.

Nejvýraznější verzí pneumatického motoru je konstrukce s klasickým principem pístového motoru.

Kromě možnosti nabídnout typové řady, odstupňované podle průměru pístu a zdvihu, je samozřejmostí pro každého výrobce schopnost dodat speciální motor se zdvihem podle zadání zákazníka. Do konstrukce přímočarých motorů výrazně zasáhly tažené prizmatické profily z lehkých slitin. Zcela běžné je provedení motorů s možností bezkontaktně sledovat polohu pístu miniaturními spínači, přestavitelně montovanými na tělese válce motoru. Funkční integrace se v konstrukcích přímočarých motorů projevuje kompaktními posuvovými jednotkami, přičemž součástí jednotky kromě motoru je i vedení posuvné výstupní části. Univerzální provedení těchto jednotek umožňuje jednoduchou stavbu např. modulárních konfigurací manipulačních zařízení.

Obr. 2.

Vzhledem k časté aplikaci pneumatických mechanismů v konstrukcích manipulátorů jsou ve výrobním programu mnoha firem obsaženy i standardní typy mechanických úchopných hlavic s ovládáním čelistí přímočarými motory.

Výrazně progresivní konstrukcí přímočarého motoru je bezpístnicové provedení. Pohyb plovoucího pístu je na výstupní jezdec motoru přenášen buď magneticky prostřednictvím permanentního magnetu umístěného v pístu nebo prostřednictvím mechanického spojení pístu s jezdcem. V druhém případě je podélný výřez v tělese motoru pro pohyb spojovací části utěsněn speciálně řešenou lištou. Pohyblivý jezdec je na povrchu tělesa motoru uložen v kluzném nebo valivém vedení. Koncepce bezpístnicového motoru a použití přesných tažených profilů z lehkých slitin napomáhají dosáhnout extrémně dlouhých zdvihů (až 8 m) při malém průměru pístu. Zatím zcela neobvyklým provedením bezpístnicového motoru je konstrukce s výstupním pohybem jezdce po dráze ve tvaru oblouku. Možnosti aplikace bezpístnicového motoru nebyly zatím plně využity.

Centrálním prvkem rozváděcího bloku je rozváděč (ventil), nyní nejčastěji s elektromagnetickým ovládáním. Konstrukce rozváděčů je optimalizována s ohledem na minimalizaci sil pro přestavení rozváděče a tím dosažení minimálního příkonu magnetů, umožňujících přímé spojení s výstupy elektronických řídicích obvodů bez zesilovačů.

Součástí provedení rozváděče většinou je světelná indikace funkčního stavu a možnost ručního přestavení. Tělesa prvků jsou buď vytvořena jako přesné tlakové odlitky z lehkých slitin a nebo jsou sestavena z desek s uplatněním kombinace kovů a plastů. Zpřesňováním vnějšího tvaru a vnitřních kanálů se dosahuje zmenšování rozměrů ventilů a snižování průtokových ztrát. Trvající snahy o větší miniaturizaci ventilů jsou omezovány současnými možnostmi konstrukcí elektromagnetů. Výrazným znakem nynějšího vývoje je integrace ventilů do kompaktních sestav s centrálním přívodem vzduchu a společným kanálem pro odvádění vzduchu. Integrované ventilové bloky jsou koncipovány stavebnicově s možností soustředit počet ventilů v určitém rozsahu. Integrace v rámci ventilových bloků se týká rovněž ovládací části. V jednodušším případě tohoto stavu jde o soustředění vodičů pro přívod proudu do elektromagnetů do společného konektoru, vyšší úroveň představuje tzv. dvoudrátové ovládání, kde distribuce ovládacích signálů do jednotlivých elektromagnetů je řízena elektronickým dekodérem. Do prostoru integrovaných ventilových bloků dále pronikají elektronické moduly pro přímé řízení pracovních cyklů motorů přiřazených k příslušnému ventilovému bloku. Součástí integrace pneumatické a elektronické části bloku je i soustředění informačních signálů ze senzorů umístěných na motorech.

Jednotlivé funkční prvky vstupního bloku, tj. filtrační jednotka s odlučovačem vody, redukční ventil a jednotka pro mazání vzduchu, jsou v současné době obvykle vyráběny v odděleném provedení, které ovšem umožňuje vytvořit kompaktní blok s komplexním zajištěním potřebných parametrů pracovního média na vstupu mechanismu. Vývoj v této kategorii prvků směřuje k jemnější filtraci, účinnějšímu odlučování vody, přesnějšímu udržování úrovně pracovního tlaku v závislosti na dynamických změnách napájecího tlaku a spotřeby v mechanismu a k přesnějšímu dávkování mazacího oleje na minimální úrovni potřeby pohyblivých částí prvků s ohledem na přísné ekologické požadavky.

Významným doplňkem se stává elektronický modul pro sledování stavu filtračních dílů a funkce jednotky pro mazání vzduchu. Zřejmým důvodem je zvýšení předpokladů pro spolehlivost a delší životnost celého mechanismu.

Pneumatické mechanismy se v současné době provozují s pracovním tlakem 0,5 až 0,6 MPa s přednostním využíváním centrálních rozvodů stlačeného vzduchu v provozech.

Obr. 3.

K propojení prvků v obvodech pneumatických mechanismů se používají polyetylenové hadice opatřené rychlospojkami. Vnitřní strukturu mechanismu tvoří pneumatický obvod a elektronický řídicí systém. Podíl elektroniky na zajišťování funkce mechanismu roste a blíží se stavu, kdy ke každému motoru je přiřazen jeden rozváděč pro řízení smyslu pohybu a pro nastavení rychlosti pohybu jsou na výstupech z motoru umístěny škrticí ventily s konstantním seřízením průtočného odporu. Koordinace činnosti několika pneumatických motorů v rámci daného pracovního cyklu je zpravidla řízena jednoduchými PLC, které jsou svými parametry často přizpůsobeny této aplikaci.

Problémem pneumatických mechanismů, který značně omezuje rozsah jejich využití, je nastavování polohy výstupu motoru. S ohledem na stlačitelnost vzduchu proto všechna řešení vycházejí v podstatě z mechanického omezení pohybu. Existující konstrukce pneumatických servomechanismů se spojitým řízením polohy výstupu motoru mají vyhovující přesnost pro méně náročné aplikace, v každém případě je třeba počítat s malou tuhostí takového pohonu.

Méně frekventovanou verzí pneumatického motoru je motor s kývavým pohybem a rotační motor. Charakteristickou vlastností rotačních motorů jsou vysoké otáčky (řádově tisíce až desetitisíce) a měkká momentová charakteristika.

Závěr
Pneumatické mechanismy v současné době nacházejí uplatnění v konstrukcích mnoha strojů a zařízení. Velkou aplikační oblastí je automatizační technika. Jejich další perspektivní vývoj lze očekávat v těchto směrech:

  • zvyšování technických parametrů zpřesňováním konvenčních principů činnosti prvků,
  • zvyšování stupně funkční integrace s rozšiřováním účasti elektronických prvků a systémů – přibližování integrovaných rozváděcích bloků ke konstrukci motoru,
  • hledání nových funkčních principů činnosti prvků a aplikace nekonvenčních materiálů.

Možnosti využití kompozitních materiálů v konstrukci tekutinových prvků jsou např. sledovány v rámci výzkumného záměru J04/98: 212200008 v Ústavu výrobních strojů a mechanismům Fakulty strojní ČVUT v Praze. Kombinace kovových materiálů s kompozity vytváří příznivé předpoklady pro zvyšování stupně funkční integrace a otevírá nové možnosti prostorového vytváření prvků a zvyšování úrovně jejich parametrů. V rámci tohoto výzkumu je uvažována kombinace částicových a vláknových kompozitů ve válci motoru. Je zkoušen válec v provedení navinutého tělesa z uhlíkových vláken. Z částicového kompozitu je vytvořen tlakový odlitek zadního víka motoru, v kterém jsou soustředěny prvky rozvodu pro řízení funkce motoru. Tlakový odlitek víka motoru z částicového kompozitu, vyrobený za studena, je zajímavý i tím, že do něj lze již při výrobě umístit vinutí elektromagnetů ventilů, popř. i s řídicí elektronikou.

Výrazné zvětšování rozsahu aplikací pneumatických prvků, popř. celých mechanismů, v posledních letech potvrzují i statistické údaje ze SRN, kde v roce 1999 činil obrat v oboru pneumatických prvků asi 2,2 miliardy marek s meziročním nárůstem odbytu asi o 3 %. K upevnění postavení pneumatických mechanismů v konstrukcích automatických strojů a zařízení významně přispívají především výhodné přímočaré motory s možností vysokého stupně miniaturizace a perspektiva vzniku dalších nekonvenčních typů motorů na bázi tzv. umělých svalů.