PNEUMATIIKKA. Lappeenrannan teknillinen yliopisto Konetekniikan osasto Mekatroniikan ja virtuaalisuunnittelun laboratorio

Transkriptio

1 Lappeenrannan teknillinen yliopisto Konetekniikan osasto Mekatroniikan ja virtuaalisuunnittelun laboratorio Ko Mekatroniikan peruskurssi Kevät 2007 PNEUMATIIKKA SISÄLLYSLUETTELO PAINEILMAN PERUSTEET JA PNEUMAATTISET KOMPONENTIT Ilma ja sen ominaisuudet Paineilman tuottaminen Kompressorit Paineilman jälkikäsittely Ilman kuivaus Öljyn poisto Suodatus Venttiilit Toimilaitteet PNEUMATIIKAN OHJAUSTEKNIIKKA Kytkentäalgebra Loogiset perusfunktiot Kytkentäalgebran laskusääntöjä Kytkentäfunktioiden esitystavoista Kytkentäfunktioiden sieventäminen Kombinaatiopiirien suunnittelu JA-EI piirien suunnittelu TAI-EI-piirien suunnittelu Tulojen lukumäärä (fan-in) ja elimien kuormitettavuus (fan-out) Pneumaattinen sekvenssiohjaus

2 PAINEILMAN PERUSTEET JA PNEUMAATTISET KOMPONENTIT Paineilmaa on käytetty teollisuudessa jo 800-luvun loppupuolella. Nykyisin sen käyttö on hyvin laajaa. Paineilmaa voidaan käyttää monissa työkaluissa ja hienojakoisen aineen siirrossa (hiekkapuhallus). Teollisuusautomaatiossa paineilman tyypillisiä käyttökohteita ovat kuljettimet ja pakkauskoneet. Kuvassa. on esitetty muutamia esimerkkejä. Kuva.a Kappaleen kääntö rullaradalla pneumatiikan avulla // Kuva.b Työkappaleen kiinnitys, poraus ja siirto paineilmasylinterin avulla // Paineilman rajoituksina voidaan pitää turvallisuussyistä alhaisena pidettävää käyttöpainetta, kokoonpuristumisesta johtuvaa epätarkkuutta ja kokonaisjärjestelmän alhaista hyötysuhdetta. yleisesti paineilma soveltuu koneautomaatioon, kun - vaaditaan nopeita liikkeitä - käsitellään keveitä kappaleita - liikkeet tapahtuvat yleensä rajalta rajalle - edellytetään pehmeää tartuntaa ja siirtoa - vaaditaan hygieenisyyttä - toimitaan ympäristössä, jossa on palo- tai räjähdysvaara. Paineilman käyttö voidaan jakaa kolmeen ryhmään:. Sylinteripneumatiikka 2. Pyörivien liikkeiden aikaansaaminen 3. Paineilma itse suorittaa varsinaisen työn

3 . Ilma ja sen ominaisuudet Ilmalla on pneumatiikassa keskeinen merkitys. Se toimii väliaineena pneumaattisessa voimansiirrossa ja ohjauksessa. Ilma on kaasujen seos. Sen tilavuudesta noin 78% on typpeä, 2% happea, % argonia ja 0.03% hiilidioksidia. Lisäksi ilma sisältää pieniä määriä neonia, heliumia, kryptonia, vetyä, ksenonia ja radonia. Yksi litra normaalitilassa olevaa puhdasta kuivaa ilmaa,293g. Se sisältää 27*0 2 molekyyliä, joiden yhteenlaskettu tilavuus on hyvin pieni kokonaistilavuuteen verrattuna. Suurin osa ilmasta on siis tyhjiötä. Tämän vuoksi se on hyvin kokoonpuristuvaa. Kun ilmaa puristetaan, sen paine, tiheys ja lämpötila nousevat. Ilman sanotaan olevan normaalitilassa, kun sen paine on noin 0.MPa, eli vallitsee normaali ilmanpaine, ja lämpötila 273 K (0 o ). Ilmanpaine on likimain ilmassa olevien kaasujen osapaineiden summa. Paineen aiheuttaa kaasumolekyylien törmäily astian seinämiä vasten. Ilman ollessa normaalitilassa cm 2 :n alaan kohdistuu 3*0 23 iskua sekunnissa. Kun ilma puristetaan vakiolämpötilassa puoleen alkuperäisestä tilavuudesta, iskujen määrä ja paine lisääntyvät kaksinkertaisiksi. Kun ilma puristetaan yhteen neljäsosaan, iskujen määrä ja paine lisääntyvät nelinkertaisesti. Vakiolämpötilassa paine ja tilavuus ovat siis kääntäen verrannollisia, joten paineen ja tilavuuden tulo pysyy vakiona. Tätä kutsutaan Boylen laiksi. Se voidaan kirjoittaa: p V = p2v2 = p3v3 = vakio (.) Paineen ja tilavuuden muutosta vakiolämpötilassa nimitetään isotermiseksi tilanmuutokseksi. Koska kaasumolekyylit ovat jatkuvasti liikkeessä, niillä on myös liike-energiaa. Kun lämpötila nousee, liike-energia kasvaa. Tästä syystä lämpötilan täytyy tilavuuden noustessa suurentua, jos paine halutaan pitää vakiona. Tilavuuden suurentuminen tapahtuu Gay-Lussacin lain mukaisesti. Sen mukaan tilavuuden suureneminen on suoraan verrannollinen absoluuttisen lämpötilan nousuun, eli V T = (.2) V 2 T 2 Vakiopaineessa tapahtuvaa lämpötilan ja tilavuuden muutosta kutsutaan isobaariseksi tilanmuutokseksi. Mikäli lämpötilan noustessa ei suurenneta tilavuutta, paine nousee. Paineen muutos on suoraan verrannollinen absoluuttisen lämpötilan muutokseen eli p T = (.3) p 2 T 2 2

4 Vakiotilavuudessa tapahtuvaa lämpötilan ja paineen muutosta nimitetään isokooriseksi tilanmuutokseksi. Koska tilavuuden muutos on suoraan verrannollinen lämpötilan muutokseen, Boylen ja Gay Lussacin lait voidaan yhdistää. Tällöin päädytään ideaalikaasun tilayhtälöön: pv T = p2v T 2 2 = vakio (.4) Esimerkki. Paineilmasäiliön tilavuus on 2 m 3, paine 700 kpa ja lämpötila 298 K (25 o ). Kuinka suuri on säiliössä olevan ilman tilavuus normaalitilassa (paine 00 kpa ja lämpötila 273 K)? pv T = p2v T 2 2 T p V 273K 700kPa 2m V = = = 2, 8 pt2 00kPa 293K Ilman massa voidaan laskea kaavalla m pv = mrt (.5) 3 jossa m = kaasun (ilman) massa R = kaasuvakio, ilmalle R = 287 Nm/kgK Esimerkki.2 Kuinka suuri on edellisessä esimerkissä olevan ilman massa? pv = mrt pv 7 0 N / m 2m m = = = 6, 3kg RT 287Nm / kgk 298K Perinteisissä säätöteknisissä ratkaisuissa systeemi oletetaan täydellisesti lämpöeristetyksi, jolloin kyseessä on adiabaattinen muutos. Adiabaattisessa muutoksessa lämpöä ei siirry tapahtuman kohteena olevaan aineeseen tai pois siitä. Adiabaattisessa tapauksessa on voimassa: κ κ p V = p2v2 = vakio (.6) jossa κ = adiabaattivakio, joka kuvaa kaasun joustavuutta ja jonka arvo ilmalle on noin,4. 3

5 Käytännön mallinnustyössä lämpötila oletetaan yleensä vakioksi, mutta vakiolämpötilan oletukseen on syytä suhtautua varauksella. Eräissä mittauksissa on havaittu pneumatiikkapiirissä syntyvän jopa 00 asteen lämpötilamuutoksia työkierron aikana. Tilavuuksien välillä olevat venttiilit idealisoidaan kuristimiksi. Venttiilin tyypistä riippuen venttiilit voivat olla muuttuva- tai vakioaukkoisia. Kuristimen läpi virtaava massavirta voidaan jaotella alikriittiseen ja ylikriittiseen virtaukseen. Alikriittisessä virtauksessa ilma liikkuu pyörteettömästi ja tasaisesti tiettyyn suuntaan. Ylikriittisessä virtauksessa ilma pyörteilee ja ilmapartikkelit kulkevat ilman tarkkaa rataa. Ilman virtauslajit ovat siis analogisia nesteiden virtauslajeille laminaarinen ja turbulenttinen virtaus. Massavirran laatua voidaan arvioida laskemalla kriittinen painesuhde, joka saadaan adiabaattivakion avulla ja voidaan lausua muodossa: κ 2 κ b kr = = 0,53 kun κ =,4 (.7) κ Kriittistä painesuhdetta verrataan järjestelmän paineisiin seuraavasti: Alikriittinen: p p 2 bkr Ylikriittinen: p 2 < p bkr missä p = tulopuolen paine (korkeampi paine) p 2 = lähtöpuolen paine (matalampi paine) Siis kun tulopuolen ja lähtöpuolen paine-ero kasvaa, virtaus muuttuu ylikriittiseksi. Jo kaksinkertainen paine-ero aiheuttaa ylikriittisen virtauksen. Massavirta kuristuksessa voidaan laskea seuraavalla kaavalla: m = q Ap 2 ψ RT (.8) missä q = purkautumiskerroin (terävä reuna 0.8, viistetty reuna 0.9 ja pyöristetty reuna 0.95) ψ = painesuhteesta riippuva kerroin, jolle pätee seuraavat kaavat: ψ = 2 κ p κ 2 p κ p p 2 κ κ alikriittinen (.9) 4

6 2 κ ψ = κ κ 0,48 κ kun κ =,4 ylikriittinen (.0) Kun kriittinen painesuhde alitetaan, virtaus muuttuu alikriittisestä ylikriittiseksi eikä massavirta riipu vastapaineesta p 2. Massavirran sijasta voidaan käyttää ilmanpaineeseen p 0 redusoitua tilavuusvirtaa: p Q = 2 q A RTψ (.) p0 Putkistossa virtaavaan ilmaan syntyy painehäviö virtauksen kitkan aiheuttamana. Häviö riippuu virtausnopeudesta ja ilman viskositeetista. Karkeaan mitoitukseen soveltuu seuraava puoli-empiirinen kaava: 2 flq p = 5 (.2) d p m missä p = putkistossa syntyvä painehäviö L = putken pituus [m] f = kitkakerroin (teräsputkelle 500) Q = tilavuusvirta [l/s] d = putken sisähalkaisija [mm] p m = keskim. absoluuttinen paine putkessa [bar].2 Paineilman tuottaminen Toimivaan paineilmajärjestelmään kuuluu yleensä - kompressori - paineilman jälkikäsittelylaitteet - paineilmasäiliö - paineilmaverkosto - toimintaa ohjaavat venttiilit - toimilaitteet, kuten sylinterit ja moottorit. Kuvassa.2 on esitetty yksinkertainen paineilma-asema. 5

7 Kuva.2 Paineilma-asema /2/.2. Kompressorit Kompressori on yleisnimi laitteelle, jolla kaasun paine voidaan vähintään kaksinkertaistaa verrattuna imupaineeseen. Pienempiä paineita kehittäviä laitteita kutsutaan puhaltimiksi tai ahtimiksi. Puhaltimia käytetään kuljetustehtävissä ja ilmanvaihtolaitteissa. Ahtimilla parannetaan polttomoottorien hyötysuhteita. Kompressorien tuottomäärät vaihtelevat muutamasta litrasta tuhansiin kuutioihin minuutissa. Yleisimpiä kompressorityyppejä ovat ruuvi-, mäntä- ja lamellikompressorit. Mäntäkompressorit soveltuvat kohteisiin, joissa ilman tarve vaihtelee suuresti käytön aikana tai painevaatimukset ovat korkeat. Lamellikompressorit soveltuvat alhaisille paineille ja niiden tuotto on pienempää. Teollisuuden paineilmatarve katetaan nykyään pääasiassa ruuvikompressorien (ks. kuva.3) avulla. Se soveltuu keskialueen paineille ja tuotoille. Taulukossa on esitetty em. kompressorien tyypilliset toiminta-alueet. Taulukko. Kompressorien tyypillisiä toiminta-alueita Tyyppi Tuotettu paine (MPa) Tilavuusvirta (m 3 /min) Mäntäkompressorit 0, ,005-3 Ruuvikompressorit 0,08-3 0,25-0 Lamellikompressorit 0,02-0,8 0,08-2 Kuva.3 Ruuvikompressori /2/ 6

8 Ruuvikompressoreissa puristus tapahtuu ruuvi- ja luistiroottorin väliin jäävissä urissa. Roottorien ympärillä oleva pesä tiivistää roottoreiden ulko- ja päätypinnat. Jos roottorit koskettavat toisiaan, tarvitaan öljyvoitelu. Öljyttömissä ruuvikompressoreissa roottorit eivät ole kosketuksissa, vaan niitä käytetään hammaspyöräkäytöllä. Öljyttömissä koneissa painesuhde on välillä 3 5 ja öljytiivistetyissä 3 5. Ruuvikompressoreissa ei ole lainkaan jäännöstilavuutta, vaan roottorit tyhjentävät puristustilan täydellisesti. Ruuvikompressorien ominaisuuksia: - soveltuvat jatkuvaan raskaaseen käyttöön - melko äänetön ja tärinätön - helppo huoltaa - huomattavasti kalliimpia kuin mäntäkompressorit Kuvassa 4 on esitetty erään öljytiivistetyn ruuvikompressorin puristusperiaate. Siinä kaksi ruuvikierukkaa, joista toisessa on neljä liuskaa ja toisessa kuusi uraa, pyörivät vastatusten. Ensimmäinen ruuvi pyörii 50 prosenttia toista ruuvia nopeammin. Ilma puristuu roottorien ja roottorikotelon väliin. Suihkuava öljy tiivistää välykset ja voitelee roottorit, jolloin kuluminen vähenee. Kuva.4 Öljytiivistetyn ruuvikompressorin puristusperiaate /3/ Mäntäkompressorit ovat kalvo- tai mäntäperiaatteella toimivia. Mäntäkompressoreissa ilma imetään sylinteriin imuventtiilin kautta ja puristetaan paineventtiilin kautta painesäiliöön tai seuraavaan puristusvaiheeseen. Mäntä ei pysty tyhjentämään sylinteriä koskaan täydellisesti, vaan venttiilin koloihin, välyksiin ym. jää puristuksen loppuvaiheessa pieniä määriä paineenalaista ilmaa (3 0 % sylinterin iskutilavuudesta). Mäntäkompressorien rakenteet vaihtelevat suuresti. Ne voivat olla yksi- tai monivaiheisia ja yksi- tai kaksitoimisia. Kuvassa.5 on esitetty yksivaiheinen mäntäkompressori. 7

9 Kuva.5 Yksitoiminen mäntäkompressori Mäntäkompressorien ominaisuuksia: - laaja käyttöalue - yleensä ilma sisältää hieman öljyä - taloudellinen, hyvä hyötysuhde, pieni huollontarve - äänekäs - tuotettuun ilmamäärään nähden suurikokoisia Lamelli- eli siipikompressoreissa on sylinterimäinen pesä, johon roottori on laakeroitu epäkeskeisesti. Roottorin urissa on ohuet radiaalisesti liikkuvat siivet. Roottorin pyöriessä keskipakovoima painaa siivet pesän seinämää vasten. Siipien väliin jää tiloja, joiden tilavuus muuttuu roottorin pyöriessä. Ilman puristuminen tapahtuu näissä siipisolissa staattisesti. Kuva.6 Lamellikompressori 8

10 Lamellikompressorien ominaisuuksia: - pitkäikäisiä, helppoja huoltaa - lähes äänetön ja värinätön - tehoon verrattuna pienikokoisia.3 Paineilman jälkikäsittely Paineilman jälkikäsittelyn tarkoituksena on jalostaa paineilman laatu sen käyttökohteille sopivaksi. Jälkikäsittely kuluttaa aina energiaa, mutta toisaalta oikeaan asteeseen käsitelty paineilma aiheuttaa säästöjä esim. pidentyneinä laitteiden toiminta-aikoina. Jälkikäsittelyssä ilmasta poistetaan öljy ja muut epäpuhtaudet sekä vesihöyry, eli ilma kuivataan..3. Ilman kuivaus Ilma sisältää kosteutta, joka aiheuttaa ongelmia paineilmajärjestelmissä. Kun ilmakehän ilma jäähtyy, kuten kompressorin puristusvaiheen jälkeen tapahtuu, vesihöyry kondensoituu. Käyttöhäiriöiden ja vikojen estämiseksi vesi on poistettava järjestelmästä. Paineilmasäiliö (kuva.7) on oleellinen osa paineilmajärjestelmää. Paineilmasäiliön tehtäviä ovat: - tasoittaa kompressorin aikaansaamat ilmasysäykset - jäähdyttää ilmaa ja kerätä tiivistynyttä vettä - toimia painevarastona - toimia painelähteenä kompressorin pysäytys-käynnistys-automatiikalle - toimia varoventtiilin sijoituskohtana ja näin lisätä järjestelmän käyttöturvallisuutta. Kuva.7 Erikokoisia paineilmasäiliöitä /2/ Painesäiliö sijoitetaan mielellään ulos varjoisaan, viileään ja tasaiseen paikkaan. Kuten kompressoreille, painesäiliölle pätee samat säännöt viilentämisen suhteen. Viileä tila on vesiongelmien paras ennaltaehkäisykeino. 9

11 Syklonierotin (kuva.8) on mekaaninen erotin, joka erottaa lauhteen paineilmasta keskipakovoiman avulla. Hyvän tuloksen saavuttamiseksi yhteen syklonierottimeen tulee liittää vain yksi kompressori. Kuva.8 Syklonierotin /2/ Adsorptiokuivaus (kuva.9) perustuu huokoisen vesimolekyylejä sitovan, elvytettävissä olevan kuivausaineen (esim. silicageelin tai aktivoidun alumiinioksidin) käyttöön. Käytössä on kaksi kuivaustornia, joista toinen kuivaa paineilmaa ja toinen on elvytyksessä eli sen kuivausainetta kuivataan. Vaihto tapahtuu yleensä automaattisesti aikaan perustuvan arvion mukaan. Kuva.9 Adsorptiokuivaus /2/ 0

12 Absorptiokuivaus eli imeyttäminen perustuu säiliöön sijoitettuihin suojapelletteihin. Kuivaussuoloina käytetään natriumkloridi- ja natriumhydroksidipuristeita. Ilman sisältämä kosteus imeytyy käytettäviin suoloihin. Syntynyt liuos lasketaan pois säiliöstä. Absorptiokuivaus on halpa menetelmä, mutta ei enää useinkaan käytössä, koska ilmasta tulee helposti syövyttävää. Jäähdytyskuivaimessa ilman lämpötila jäähdytetään noin 2 o :een ja siitä poistetaan tiivistynyt vesi. Tämän jälkeen ilma lämmitetään takaisin huoneilman lämpötilaan. Paineilma sisältää edelleen vesihöyryä, mutta tiivistymistä nesteeksi ei tapahdu ennen kuin käyttölämpötila laskee alle 2 o..3.2 Öljyn poisto Kaikki öljytiivistetyt kompressorit tuottavat paineilmaan öljyjätöksiä. Öljy voi olla paineilmassa pisaroina, sumuna, höyrynä tai kiinteinä partikkeleina. Lauhdeveteen sekoittuneena öljy ei yleensä ole sopivaa voiteluun, joten se on poistettava. Suodatusmenetelminä käytetään. mekaanista suodatusta, jonka verkko- tai reikärakenteisesta patruunasta pääsee läpi vain suodatuskykyä pienemmät öljyhiukkaset. 2. yhdistymissuodatusta, jossa pienet öljypisarat yhdistyvät suuremmiksi ja painuvat pohjalle 3. adsorptiota, jossa käytetään yleensä aktiivihiiltä sitomaan kaasuuntuneita öljyjä..3.3 Suodatus Kompressori imee jokaisen ilmakuutiometrin mukana miljoonia epäpuhtaushiukkasia, kuten hiilivetyjä, bakteereita ja viruksia. Suurin osa näistä jää paineilmaan. Useimmissa käyttökohteissa vaaditaan kuitenkin puhdasta ilmaa, joten epäpuhtaudet on poistettava. Vaaditun puhtausasteen mukaan järjestelmässä voi olla esisuodattimia, jälkisuodattimia, mikrosuodattimia, mikrosuodattimen ja aktiivihiilisuodattimen yhdistelmiä sekä steriilisuodattimia. Sen lisäksi, että syklonierottimella voidaan poistaa kosteutta ilmasta, saadaan sillä myös muita epäpuhtauksia poistettua. Syklonin sisään virtaava paineilma pakotetaan pyörivään liikkeeseen. Keskipakovoiman vaikutuksesta kiinteät hiukkaset sinkoutuvat erottimen seiniin ja yhdessä nesteen kanssa valuvat erottimen pohjaosaan..4 Venttiilit Pneumaattinen venttiili on yleisnimitys komponenteille, joilla ohjataan ja säädetään pneumaattista järjestelmää. Kuvassa.0 on esitetty joitain venttiileitä. Venttiilit voidaan jakaa neljän ryhmään: - suuntaventtiilit - vastaventtiilit - paineventtiilit - virta- ja sulkuventtiilit

13 3/2-suuntaventtiili 5/2-suuntaventtiili vaihtovastaventtiili sulkuventtiili vastusvastaventtiili Kuva.0 Erilaisia venttiileitä /4/ Venttiilin valintaan vaikuttavia tekijöitä venttiilin tehtävän lisäksi ovat ohjaustapa, venttiilin koko ja ympäristötekijät (kosteus, lämpötila, jne.). Ohjaus voi olla suoraohjausta, jolloin kyseeseen tulevat lihas- ja mekaaninen ohjaus. Mekaanisessa ohjauksessa on monia vaihtoehtoja, kuten nappi, vipu, rulla, tappi ja poljin. Jos venttiiliä on voitava kauko-ohjata, vaihtoehtoina ovat paine- ja sähköohjaus. Paineohjausta voidaan käyttää palo- ja räjähdysalttiissa sekä kosteissa ja pölyisissä ympäristöissä. Sähköohjauksella saadaan nopeampi toiminta myös pitkillä ohjausetäisyyksillä, mutta sähkökatkon tapahtuessa ohjaus menee välittömästi toimintakyvyttömäksi. Venttiilin koko valitaan käyttöpaineen ja liikuteltavan kuorman perusteella. Venttiilin koko ilmoitetaan liitäntäaukon mittana. Yleensä venttiilivalmistajat ilmoittavat venttiilin läpivirtauskyvyn, eli sen tilavuusvirran, joka virtaa lähtöaukosta, kun tuloaukon puoli on paineistettu ja lähtöpuolella ei ole vastapainetta. Suuntaventtiileillä ohjataan paineilman virtaussuuntaa ja toimilaitteen liikesuuntaa. Suuntaventtiilit ovat joko luisti- tai istukkatyyppisiä (kuvat. ja.2). Luistiventtiileissä on vähän liikkuvia osia, ne ovat edullisia ja ne voidaan asentaa ryhmälaattaan. Toisaalta niiden 2

14 toiminta on hidasta ja läpivirtaus pientä. Lisäksi ne ovat herkkiä tukkeutumaan ja niiden käyttöaika on lyhyempi kuin istukkaventtiilien. Istukkaventtiileillä saadaan suuremmat läpivirtausarvot, nopeampi toiminta eivätkä ne ole yhtä herkkiä likaantumiselle. Myös istukkaventtiilit ovat ryhmäasennettavissa. Istukkaventtiilit ovat kalliimpia kuin luistiventtiilit, mutta vastaavasti niiden kestoikä on pidempi. Kuva. Pneumaattinen luistiventtiili /5/ Kuva.2 Pneumaattinen istukkaventtiili /5/ Pneumatiikan suuntaventtiilit ovat yleensä 3/2-, 5/2- ja 5/3-venttiileitä. 3/2-venttiilit ovat yleensä käsipainikkeellisia tai ns. impulssiventtiileitä, joissa on mekaaninen ohjaus tapilla, rullalla tai nivelrullalla. 5/2- ja 5/3-venttiilit voivat olla myös paine/jousi- tai paine/paine ohjattuja. Jousipalautteinen venttiili palautuu jousen määräämään asentoon ohjauspaineen poistuttua. Paine/paine ohjattu venttiili jää ohjauspaineen poistuttua vaikuttuneeseen asentoonsa. Sitä käytetäänkin ns. muistiventtiilinä. Seuraavassa kuvassa.3 on esitetty yleisimpien suuntaventtiilien toiminta-asennot ja ohjaukset. Kuvassa.4 on esitetty paineohjatun 5/2-suuntaventtiilin toiminta. 3

15 Kuva.3 Yleisimpien pneumaattisten suuntaventtiilien toiminta-asennot ja ohjaukset Kuva.4 Paineohjatun 5/2-suuntaventtiilin toiminta /5/ Vastaventtiilien tehtävänä on sallia virtaus vain yhteen suuntaan. Aikaisemmin näistä käytettiin nimitystä takaiskuventtiili. Pneumatiikassa tärkeimmät vastaventtiilit säätävät toimilaitteiden nopeutta tai välittävät useammasta paikasta tapahtuvia ohjausimpulsseja. Ne voivat myös toimia impulssien katkaisijoina tai sylinteriliikkeen nopeuttajina pikapoistoominaisuudella. Tavallinen vastaventtiili sallii virtauksen kulkea vapaasti toiseen suuntaan ja estää täysin toiseen suuntaan. Venttiilissä voi olla myös jousi, jonka avulla venttiili saadaan avautumaan tietyllä paineella. Jos vastaventtiili sallii virtauksen myös toiseen suuntaan, tosin kuristettuna, puhutaan vastusvasta-venttiilistä. Se on pneumatiikassa yleinen, kun säädetään esim. sylinterin toimintanopeutta. Vastusvastaventtiilit sijoitetaan lähelle sylinteriä niin, että säätö tapahtuu aina sylinteristä poistuvasta ilmasta. 4

16 Kuva.5 Vastusvastaventtiilin rakenne /5/ Ohjattua vastaventtiiliä (kuva.6) kutsutaan pneumatiikassa myös kaksipaineventtiiliksi. Jotta venttiili välittäisi viestin eteenpäin, on sen kaikkien tulokanavien oltava paineisia. Se on siis ns. JA-portti. TAI-portin, eli vaihtovastaventtiilin (kuva.6) avautumiseen taas riittää, kun yksi (yleensä toinen) tulokanava on paineinen. Vaihtovastaventtiilin käyttö on tarpeellista esim. silloin, kun laite halutaan käynnistää useammasta paikasta. Kuva.6 Ohjattu vastaventtiili ja vaihtovastaventtiili /5/ Pikapoistoventtiiliä käytetään sylinterien ja johtojen nopeaan tyhjentämiseen. Varsinkin suurten sylinterien männän nopeus voidaan moninkertaistaa tällä tavoin. Kuva.7 Pikapoistoventtiili ja sen piirrosmerkki /6/ 5

17 Paineventtiileillä säädetään pneumatiikassa painetta. Säätö vaikuttaa paineilmalla saatavaan voiman määrään esim. sylinteritoteutuksissa. Paineventtiilit voidaan jakaa kolmeen ryhmään: - paineenrajoitusventtiilit - paineenalennusventtiilit - paineenohjausventtiilit Paineenrajoitusventtiilin tehtävänä on suojata paineilmajärjestelmää ja se sijaitsee aina painesäiliöiden yhteydessä. Lisäksi sitä käytetään ylipaineen osoittamiseen. Venttiili avautuu, kun tulopaine ylittää venttiilin sulkuvoimaa vastaavan paineen. Tällöin venttiili päästää ylipaineen vapaaseen ilmaan. Paineenalennusventtiili (kuva.8) muuttaa korkean tulopaineen pienemmäksi käyttöpaineeksi. Tämä käyttöpaine on säädettävissä ja se voidaan pitää lähes vakiona, jolloin yliohjaus tasoittuu. Toiseen suuntaan venttiilissä on vapaa virtaus. Paineenalennusventtiiliä käytetään eripaineisten sylinterien, pneumaattisen lukituksen/puristuksen ja matalapainekäyttöisten sylinterien yhteydessä. Kuva.8 Paineenalennusventtiili ja sen piirrossymboli /6/ Paineenohjausventtiili avautuu, kun tulopaine ylittää sulkuvoimaa vastaavan paineen. Venttiiliä käytetään esim. järjestelmissä, joissa tarvitaan tietty paine ennen kuin laitetta voidaan käyttää. Esimerkkinä voidaan mainita raskaan kaluston jarrujärjestelmät, joissa liikkeellelähtö estyy, mikäli jarrupaine ei ole riittävä. Virtaventtiilien tehtävänä on säätää paineilman tilavuusvirtaa. Näistä yleisin on virtavastusventtiili, joka on myös osana jo edellä esiteltyä vastusvastaventtiiliä. Vastusvastaventtiilissä kuristuksen suuruus on säädettävissä, mutta yksinkertaisimmillaan virtavastusventtiilin virtaustiessä on vakiosuuruinen poikkipinnan muutos. Kuvassa.9 on esitetty vasta- ja vastusvastaventtiilien halkileikkauskuvat. 6

18 Yksi nopeasti yleistyvä virtaventtiili on ns. pehmeäkäynnistysventtiili, joka suojaa komponentteja laitteen käynnistyksessä. Laitteen käynnistyessä venttiili avautuu vähitellen säätäen näin paineilman virtausta. Kun laitteen normaali toimintavaihe on saavutettu, venttiili avautuu täysin ja pysyy avoimena muutaman barin painevaihteluista huolimatta. Kuva.9 Vastaventtiilin ja vastusvastaventtiilin halkileikkauskuvat /7/ 7

19 .5 Toimilaitteet Pneumatiikan yleisin toimilaite on paineilmasylinteri. Sillä saadaan aikaiseksi nopea liike, koska ilma väliaineena on herkkäliikkeistä. Sylintereillä voidaan kiinnittää ja siirtää kappaleita, kehittää voimaa jne. Paineilmasylinterin liikettä pidetään yleisesti epätarkkana ilman kokoonpuristuvuuden vuoksi. Tuotekehitys on kuitenkin mennyt eteenpäin ja tuonut markkinoille ns. älykkäitä sylintereitä, joilla päästään sadasosamillin paikoitustarkkuuksiin. Lisäämällä sylinteriin lukkolaite saadaan aikaan pitävä kiinnitys sylinterin väli- ja päätyasennoissa. Sylinterit voidaan jaotella yksitoimisiin, kaksitoimisiin sekä erikoissylintereihin (ks. kuva.20). Kuva.20 Paineilmasylintereitä /4/ Yksinkertaisin paineilmasylinteri on yksitoiminen sylinteri. Kun paineilma vaikuttaa sylinterikammioon, männän varsi liikkuu ulos. Paluuliikkeessä palautusjousi painaa männän 8

20 jälleen lähtöasentoon. Yksitoimisylinteriä voidaan käyttää vain työskenneltäessä yhteen suuntaan. Siten se soveltuu esim. puristamiseen ja heittämiseen. Kun halutaan kaksisuuntaista työskentelyä, käytetään kaksitoimista sylinteriä. Kun ilma virtaa sylinterin etukammioon ja poistuva ilma virtaa ulos takakammiosta, männänvarsi liikkuu ulos. Jos taas ilma vaikuttaa päinvastaiseen suuntaan, mäntä palautuu jälleen lähtöasemaan. Samalla paineella männän työntövoima on suurempi kuin vetovoima. Tämä johtuu siitä, että liikkeessä tehokas mäntäpinta on suurempi kuin palautusliikkeessä. Kun kaksitoimisella sylinterillä liikutellaan suuria massoja, se varustetaan päätyvaimennuksin. Sylinteriin kuuluu silloin lisäksi sylinterikannet kuristusventtiileineen sekä vaimennusmäntä. Ennen männän iskeytymistä päätyyn vaimennusmäntä estää ilman suoran ulosvirtauksen. Tästä aiheutuu ilmatyyny (ylipaine) jäljellä olevaan sylinteritilavuuteen. Ilma voi nyt virrata ulos vain pienestä säädettävästä aukosta. Suunnanmuutoksessa ilma kulkee esteettömästi kuristusventtiilin läpi sylinteriin. Näin mäntä voi kulkea eteenpäin täydellä nopeudella ja voimalla. Kaksitoimisessa sylinterissä voi olla myös kaksipuolinen männänvarsi. Se ottaa poikittaisvoimat ja taivutusmomentit vastaan varsin hyvin, sillä varsi on laakeroitu sylinteriputken molemmissa päissä. Kummatkin mäntäpinnat ovat yhtä suuret, joten myös voimat kumpaankin liikesuuntaan ovat samat. Toisen varrenpään ollessa aina vapaana voidaan tähän asentaa ohjausnokka rajakatkaisuventtiiliä varten ahtaassakin paikassa työskentelyä ajatellen. Tandemsylinteriin kuuluu kaksi kaksitoimista sylinteriä, jotka on rakennettu yhdeksi yksiköksi. Paineen vaikuttaessa yhtä aikaa kumpaankin mäntään samansuuntaisesti voidaan saavuttaa lähes kaksinkertainen voima normaalisylinteriin verrattuna. Tandemsylinteriä käytetään, kun tarvitaan suuria voimia eikä suuriläpimittaisen sylinterin käyttö asennus- tai muista syistä ole mahdollista. Tällöin tosin rakennepituus kaksinkertaistuu. Teleskooppisylinterissä on joko kaksi tai kolme sisäkkäistä mäntää. Esi-iskun ja vastaiskun vaikutuksesta lähtee ensin liikkeelle sisin mäntä ja sitten sisältä ulosmenevä seuraava männänvarsi tai putki. Teleskooppivarsi palautuu tavallisesti ulkoisen voiman vaikutuksesta. Maksimimäntävoima määräytyy pienimmän männän alan mukaan. Teleskooppisylinteriä käytetään, kun tarvitaan suurta iskunpituutta, mutta suhteellisen lyhyttä sylinterirakennetta (esim. nostolavat). Kiertosylintereillä lineaariliike muutetaan kiertoliikkeeksi. Kaksitoimisen sylinterin männänvarsi on rakennettu hammastangoksi, joka käyttää hammaspyörää. Kiertokulma riippuu iskunpituudesta, muuntoakselin vääntömomentti puolestaan männän alasta, paineesta ja hammaspyörän halkaisijasta. Kiertosylintereitä käytetään työkappaleiden kääntämiseen, metalliputkien taivuttamiseen, kuristusluukkujen ohjaukseen jne. Muihin erikoissylintereihin voidaan luokitella mm. kalvotoimiset painerasiat, muskelit ja moniasentosylinterit. Paineilmarasiassa kahden metallikopan väliin on jännitetty kumi-, muovitai metallikalvo. Männänvarsi on kiinnitetty keskeisesti kalvoon. Palautusiskun aiheuttaa 9

21 sisään asennettu palautusjousi, mitä kalvon sisäiset jännitykset tukevat. Liukukitkaa on vain laakereissa. Paineilma-rasioita käytetään mm. kuormituslaitteissa ja puristimissa. Paineilmatoimisia lihaksia eli muskeleita käytetään jonkin verran samantapaisissa kohteissa kuin painerasioita. Muskeli toimii paineilman verkkopaineella. Kun lihas paineistetaan, muuttaa verkkomainen rakenne muotoaan. Toimilaite lyhenee samalla kun sen halkaisija kasvaa. Pneumaattinen muskeli on 0 kertaa voimakkaampi kuin vastaavan halkaisijan omaava perussylinteri. Lihaksen toiminta on kitkatonta, mikä mahdollistaa hitaiden ja pehmeiden liikkeiden helpon toteutuksen. Tarkat säädöt saadaan aikaan asemaproportionaalitekniikalla. Muskelien rakenne on ympäristön olosuhteille lähes tunteeton, joten ne kestävät hyvin pölyä ja nesteitä. Moniasentosylinteri koostuu ainakin kahdesta kaksitoimisesta sylinteristä, jotka ovat vastakkain ja muodostavat näin yksikön. Toisen männän varsi on kiinnitetty kiinteästi koneeseen ja sylinteri liikkuu kiinteään mäntään nähden paineilman vaikutussuuntaa vasten. Kahdella sylinterillä saadaan neljä määrättyä asentoa. Moniasentosylintereitä käytetään mm. vipuohjauksessa ja lajittelulaitteissa. 20

22 2. PNEUMATIIKAN OHJAUSTEKNIIKKA Venttiilejä voidaan ohjata mekaanisesti, pneumaattisesti tai sähköisesti. Mekaanista ohjausta voidaan käyttää yksinkertaisissa järjestelmissä, joissa ei vaadita jatkuvia tai toisiinsa sidottuja nopeita liikkeitä. Tällöin venttiilejä ohjaa ihmisen käsi tai jalka tai toimilaitteiden mekaaniset liikkeet. Koska pneumaattisen järjestelmän asentaminen on hitaampaa kuin sähköisen järjestelmän ja siihen tarvitaan enemmän venttiilejä ja putkituksia, on täysin pneumaattisesti ohjattu järjestelmä usein kokonaisuudessaan kalliimpi ja häiriöherkempi kuin sähköinen järjestelmä. Pneumaattista ohjausta käytetäänkin lähinnä sellaisissa tapauksissa, joissa sähköä ei voida käyttää tai sitä ei ole saatavilla, kuten räjähdysvaarallisissa tai häiriösuojatuissa tiloissa. Sähköinen ohjaus toteutetaan tavallisesti rele- tai logiikkaohjauksena. Releohjausta käytetään kun tarvitaan vain yksittäisten toimilaitteiden ohjausta. Releohjaus tehdään kytkemällä venttiileitä, antureita ja releitä toisiinsa sähköjohtimilla. Jos ohjauksessa on suunnitteluvirhe tai sitä halutaan myöhemmin muuttaa, on aikaavievä johdotus tehtävä uudestaan. Releiden kestoikä jää usein ohjelmoitavan logiikan kestoikää pienemmäksi. Myös hankintakustannuksiltaan ohjelmoitava logiikka on yleensä edullisin. Ohjelmoitavat logiikat ovat ohjauslogiikan toteutukseen kehitettyjä laitteita. Niitä kutsutaan yleisesti PL-laitteiksi (programmable logig controller). Ohjelmointilaitteella ohjelmoidaan haluttu ohjelma, joka tallennetaan logiikan muistiin. Logiikkaan kytketään kaikki ohjattavat komponentit (venttiilit, moottorit jne.) sekä kaikki anturit, painonapit ja muut ohjaukseen vaikuttavat komponentit. Ohjelmoitavan logiikan yksi eduista on ohjelman muuttamisen helppous sekä tarjolla olevien erilaisten logiikoiden runsaus. Ohjelmoitavien logiikoiden suunnittelussa joudutaan valitsemaan väyläohjauksen ja erilliskaapeloinnin välillä. Erilliskaapeloinnissa anturit ja venttiiliohjaukset kytketään ohjelmoitavaan logiikkaan kukin omalla johdollaan. Väyläohjauksessa nämä johdot korvataan yhdellä väylällä. Väyläohjaus vähentää johdotustyötä ja johtokatkosten aiheuttamia vikoja. Lisäksi järjestelmään saadaan vikadiagnostiikka-ominaisuuksia ja sen laajentaminen on helpompaa. 2. Kytkentäalgebra 2.. Loogiset perusfunktiot Loogisia perusfunktioita ovat JA-, TAI-, ja EI-funktiot. Joskus pidetään myös JA-EI- ja TAI-EIfunktioita perusfunktioina, vaikka ne tosiasiallisesti ovat muodostuneet edellisten kombinaatioina. Kuvissa on esitetty edellä mainittujen funktioiden totuustaulut, logiikkasymbolit, Boolen algebran lausekkeet sekä pneumaattiset toteutustavat. 2