Kon-41.3023 Hydrauliikka ja pneumatiikka Pneumatiikan tutkimustehtävä 2016 RYHMÄTYÖNÄ RATKAISTAVA TUTKIMUSTEHTÄVÄ KOOSTUU LABORATORIOHAR- JOITUKSESTA SEKÄ TUTKIMUSKYSYMYSTEN RATKAISEMISESTA. Tämä dokumentti sisältää molempien osuuksien tehtävät ja lyhyen ohjeistuksen. Laajempi ohjeistus löytyy kurssin MyCourses-sivuilla olevasta Tutkimustehtävät-info -dokumentista. Tehtävää ratkaistaessa tietolähteinä käytetään oppikirjaa, muuta alan kirjallisuutta sekä laite-, komponentti- ja nestevalmistajien www-sivuja. HUOM: Kansilehdettömiä työselostuksia ei oteta vastaan! Kansilehti löytyy kurssin MyCourses-sivuilta. A. Laboratorioharjoitus Laboratorioharjoituksessa suoritettavista tehtävistä kaksi ensimmäistä ovat puhtaasti pneumaattisia ja kaksi jälkimmäistä puolestaan sähköpneumaattisia. Tehtävät on valittu Festo Didactic -harjoitusmateriaalista (540671) ja niiden esitystapaa on jonkin verran muokattu tätä kurssia varten. A.1 Hihnalla kulkevien juomakorien pysäyttäminen Pullottamon liukuhihnalla kulkee juomakoreja, jotka on varustettava etiketeillä. Tätä varten korit on pysäytettävä hetkeksi etiketöintilaitteen kohdalle. Pysäyttäminen tapahtuu mekaanisella luistilla, jota käyttää pneumaattinen sylinteri. Sitä taas ohjataan laitteiston käyttöpaneelista. Kuva A.1/1. Juomakorien pysäyttäminen etiketöintiä varten. 1
Osaamistavoitteet 1. Osaat selittää epäsuoran ohjauksen periaatteen ja rakentaa sellaisen. 2. Tunnet pneumaattisesti ohjatun 5/2-suuntaventtiilin rakenteen ja toimintatavan. 3. Tunnet signaali- ja ohjauselimen välisen eron. Vaadittavat toiminnot 1. Kun käyttöpaneelissa olevaa valintakytkintä käännetään, sylinteri tekee plusliikkeen ja työntää mekaanisen luistin hihnalla olevien korien eteen, jolloin korien liike pysähtyy. 2. Kun valintakytkin palautetaan alkuasentoonsa, sylinteri tekee miinusliikkeen ja vapauttaa korit lukituksesta. 3. Sylinteri pysyy tässä asennossa, kunnes valintakytkintä käännetään uudelleen. Tehtävät 1. Määritelkää vaatimukset, jotka kytkennälle asetetaan aktivointi- ja ohjauselinten osalta. 2. Täydentäkää alla oleva juomakorien pysäyttämislaitteen pneumatiikkakaavio. 3. Rakentakaa laitteisto. - Huom: Alla olevaan kuvaan ei ole merkitty jakotukkia eikä sulku- ja paineenalennusventtiilit sisältävää huoltoyksikköä, jotka molemmat tarvitaan kytkennässä. - Turvaohje: Rajoittakaa huoltoyksikön maksimipaine arvoon 350 kpa (3,5 bar). 4. Tarkistakaa kytkennän rakenne ja toiminnan kulku. Kuva A.1/2. Juomakorien pysäyttämislaitteen pneumatiikkakaavio. 2
A.2 Liukuoven ohjaus Pneumaattisesti käytettävän liukuoven tulee olla avattavissa ja suljettavissa sen kummaltakin puolelta painonapin avulla. Jotta hätätilanteissa sattuvat mahdolliset käyttövirheet saataisiin eliminoitua, kummallakin puolella ovea tulee olla vain yksi painonappi. Kuva A.2/1. Liukuovien käyttö. Osaamistavoitteet 1. Osaat selittää loogiset laskutoimitukset AND/OR/NOT (JA/TAI/EI) ja toteuttaa sellaiset. 2. Osaat tehdä logiikkaelinten yhdistelmiä. 3. Tunnet magneettisten lähestymiskytkinten rakenteen ja toimintatavan. 4. Osaat erottaa 5/2-suuntaventtiilit sekä valita sellaisen annettujen tietojen mukaisesti ja soveltaa venttiiliä käytännössä. Vaadittavat toiminnot 1. Kun liukuovi on jommassakummassa ääriasennossaan, se voidaan painonappia painamalla siirtää toiseen ääriasentoonsa. Täten se voidaan painonappia painamalla joko avata tai sulkea. 2. Silloin kuin ovi ei ole jommassakummassa ääriasennossaan, ei avaus-/sulkuvaihetta voida käynnistää. Tehtävät 1. Täydentäkää alla oleva liukuoven ohjausjärjestelmän pneumatiikkakaavio. 2. Rakentakaa laitteisto. - Huom: Kuvaan A.2/2 ei ole merkitty jakotukkia eikä sulku- ja paineenalennusventtiilit sisältävää huoltoyksikköä, jotka molemmat tarvitaan kytkennässä. - Turvaohje: Rajoittakaa huoltoyksikön maksimipaine arvoon 300 kpa (3 bar). 3. Tarkistakaa kytkennän rakenne ja toiminnan kulku. 3
Kuva A.2/2. Liukuovien käyttölaitteen pneumatiikkakaavio. Lisätehtävät 1. Mitä virheitä voi esiintyä kytkentää rakennettaessa ja johdotettaessa? 2. Miten nämä virheet vaikuttavat? 3. Mitä tapahtuu, jos paineilman syöttö katkeaa oven avaus- tai sulkemisliikkeen aikana? 4. Miten kytkentä voidaan ottaa uudelleen käyttöön, mitä on tehtävä sitä varten? 4
A.3 Pullonlajittelulaite Lajittelulaitteessa kulkee erikokoisia vesinäytepulloja, jotka tulee lajitella koon mukaan. Kuva A.3/1. Näytepullojen lajittelu. Osaamistavoitteet 1. Tunnet yksitoimisen sylinterin rakenteen ja toimintatavan. 2. Tunnet 3/2-magneettiventtiilin rakenteen ja toimintatavan. 3. Osaat tunnistaa suuntaventtiilien käyttötavat ja piirtää vastaavat piirrosmerkit. 4. Osaat selittää suoran ohjauksen periaatteen ja rakentaa sellaisen. Vaadittavat toiminnot 1. Kun ohjausjärjestelmässä olevaa sähköistä painikekytkintä painetaan, yksitoiminen sylinteri työntää kuljettimella olevat näytepullot syrjään. 2. Kun painike vapautetaan, männänvarsi palautuu lähtöasentoonsa (eli miinusasentoon). 3. Energian saannin katketessa sylinterin tulee asettua miinusasentoon. Tehtävät 1. Täydentäkää alla oleva pullonlajittelulaitteen pneumatiikkakaavio sekä sähkökytkentäkaavio. 2. Simuloikaa sähköpneumatiikkakaaviota ja tarkistakaa, että se toimii oikein. 3. Rakentakaa laitteisto (pneumaattiset ja sähköiset kytkennät). - Huom: Kuvaan A.3/2 ei ole merkitty jakotukkia eikä sulku- ja paineenalennusventtiilit sisältävää huoltoyksikköä, jotka molemmat tarvitaan kytkennässä. 4. Tarkistakaa kytkennän rakenne ja toiminnan kulku. 5
Kuva A.3/2. Pullonlajittelulaitteen pneumatiikkakaavio. Kuva A.3/3. Pullonlajittelulaitteen ohjauksen sähkökytkentäkaavio. 6
A.4 Pystymakasiinin tyhjennyslaite Pystymakasiiniin on varastoitu puulevyjä, jotka tulee purkaa makasiinista yksi kerrallaan. Kuva A.4/1. Pystymakasiinin tyhjennyslaite. Osaamistavoitteet 1. Osaat toteuttaa toimintoja kaksitoimisella sylinterillä. 2. Tunnet sähkö/sähkö-ohjatun magneettiventtiilin (impulssiventtiilin) rakenteen ja toimintatavan. 3. Tunnet yhden tavan selvittää, onko sylinterin ääriasennossaan. Vaadittavat toiminnot 1. Kun ohjausjärjestelmässä olevaa sähköistä painikekytkintä painetaan, kaksitoiminen sylinteri työntää pystymakasiinissa olevista laudoista yhden ulos. 2. Järjestelmän on tunnistettava plusasennon saavuttaminen. 3. Kun sylinteri on saavuttanut plusasentonsa, se palautuu takaisin miinusasentoon. Tehtävät 1. Täydentäkää alla oleva pystymakasiinin tyhjennyslaitteen pneumatiikkakaavio sekä sähkökytkentäkaavio. 2. Simuloikaa sähköpneumatiikkakaavion toimintaa ja tarkistakaa, että se toimii oikein. 3. Rakentakaa laitteisto (pneumaattiset ja sähköiset kytkennät). - Huom: Kuvaan A.4/2 ei ole merkitty jakotukkia eikä sulku- ja paineenalennusventtiilit sisältävää huoltoyksikköä, jotka molemmat tarvitaan kytkennässä. 4. Tarkistakaa kytkennän rakenne ja toiminnan kulku. 7
Kuva A.4/2. Pystymakasiinin tyhjennyslaitteen pneumatiikkakaavio. Kuva A.4/3. Pystymakasiinin tyhjennyslaitteen sähkökytkentäkaavio. 8
B. Tutkimuskysymykset B.1 Selvittäkää, mitkä ovat pneumatiikan tyypilliset sovellusalueet. Mainitkaa kolme erilaista sovelluskohdetta ja kertokaa, mihin ominaisuuksiin niissä pyritään pneumatiikan käytöllä. B.2 Selvittäkää paineilmaan liittyviä tekijöitä, jotka käytännössä rajoittavat pneumaattisten järjestelmien suoritusarvoja ja hyötysuhteita. Käyttäkää esimerkkinä kompressorin, säiliön, ilman puhdistusyksikön, ilman käsittely-yksikön, suuntaventtiilin ja ulkoisen kuormituksen alaisen sylinterin muodostamaa kokonaisuutta (vrt. oppikirjan kuva 1.1.). B.3 Hienomekaanisia laitteita valmistava Velaxicos Oy täydentää tehdaskompleksiansa uudella siipirakennuksella (30 m * 20 m), jonne sijoitetaan kolme hilavipstaakki-tuotteen valmistuksessa tarvittavaa erillistä paineilmakäyttöistä osakokoonpanolinjaa. Selvittäkää mitä seikkoja siipirakennukseen toteutettavassa paineilmaverkossa ja sen komponenteissa tulee ottaa huomioon, kun verkolle asetetaan seuraavat vaatimukset: - järjestelmässä on vain yksi kompressori, jolle on varattu tila rakennuksen yhdestä nurkasta - osakokoonpanolinjojen toiminta ei saa häiriintyä mahdollisista lyhytaikaisista kompressorin toimintakatkoksista - paineilman saatavuudessa ei saa esiintyä suuria vaihteluita - verkoston paineilman tulee olla kuivaa ja öljytöntä - kukin osakokoonpanolinja tulee voida tarvittaessa sulkea/irrottaa verkosta - kunkin osakokoonpanolinjan on saatava paineilmaa silloinkin, kun yksi linjoista on huollon tai muun syyn takia irrotettu paineilmaverkosta - osakokoonpanolinjassa 1 edellytetään hyvin vakiona pysyvää painetta, muissa sallitaan paineen pieni vaihtelu - osakokoonpanolinjassa 2 käytettävät valmistusmenetelmät edellyttävät paineilmalta muita linjoja suurempaa puhtautta Esittäkää paineilmaverkkosuunnitelmanne periaatekuvana kaikkine oleellisine komponentteineen ja perustelkaa tekemänne ratkaisut/valinnat. B.4 Selvittäkää millaista tekniikkaa/rakenteita/menetelmiä käytetään, kun pneumaattisia venttiileitä pakataan kompakteiksi kokonaisuuksiksi (venttiilisaarekkeet [valve islands], venttiiliterminaalit [valve terminals]). Mitä ominaisuuksia tai etuja niillä tavoitellaan pneumaattisten järjestelmien ominaisuuksien suhteen verrattuna erillisin venttiilein tai lohkoihin asennetuin venttiilein toteutettuun järjestelmään? Voiko venttiileiden kompaktista pakkaamisesta seurata joitain haittoja järjestelmien ominaisuuksien tai käytön kannalta? B.5 Selvittäkää, millaisia erityyppisiä pneumaattisia sylinteritoimilaitteita on olemassa. Miten niiden rakenteet ja ominaisuudet eroavat toisistaan ja miten nämä vaikuttavat siihen, millaisiin sovelluksiin/toimintoihin kukin rakennetyyppi soveltuu parhaiten? Mainitkaa kunkin toimilaitteen kohdalla jokin sovelluskohde, jossa kyseistä rakennetyyppiä tyypillisesti käytetään. 9
B.6 Mitoittakaa suuntaventtiilin, sylinterin ja niiden välisen putken sekä sylinterin liikenopeutta ohjaavan vastusventtiilin muodostaman järjestelmän komponentit, kun - suuntaventtiilin syöttöpaine on 7 bar - sylinteriltä vaaditaan plussuunnassa voima 1000 N, miinussuunnassa voima 0 N ja sen tulee tehdä 10 työiskua minuutissa, sylinterin iskunpituus on 100 mm - suuntaventtiilin ja sylinterin välisen putken pituus on 0,5 m Valitkaa suuntaventtiiliksi, vastusventtiiliksi ja sylinteriksi jonkin valmistajan todelliset komponentit. B.7 Suunnitelkaa pneumaattisesti toimivaan puristimeen kaksi vaihtoehtoista käyttöpiiriä, joista ensimmäinen on käsiohjattu (kuva B.7/1) ja toinen sähköohjattu (kuva B.7/2). Kummankin piirin tulee toteuttaa ns. kuolleen miehen kytkin -periaate, eli puristimen käyttäjän on painettava kahta toisistaan erillistä käyttökytkintä samanaikaisesti, jotta puristinsylinteri tekee työliikkeen (= plusliike kuvissa B.7/1 ja B.7/2). Mikäli jompikumpi tai molemmat kytkimet vapautetaan, sylinteri tekee miinusliikkeen eli vapauttaa puristuksen. Puristinsylinteriä ohjaa suuntaventtiili, jonka tulee käsiohjatussa piirissä olla pneumaattisesti ohjattu ja jousipalautteinen, ja sähköohjatussa piirissä puolestaan sähköisesti ohjattu ja rakenteeltaan esiohjattu venttiili. Jälkimmäisessä tapauksessa venttiiliä ohjataan releellä, jota taas ohjataan edellä mainituilla käyttökytkimillä. Puristinsylinterin liikenopeuden tulee olla aseteltavissa siten, että kummankin liikesuunnan nopeus voidaan asettaa erikseen. Täydentäkää suunnitelmanne oheisiin kuviin ja liittäkää sivut raporttiinne. Nimetkää käyttöpiireissä olevat komponentit ja numeroikaa liitännät sekä pneumatiikka- että sähkökaaviossa. 10
4 2 5 1 3 2 2 1 3 1 3 Kuva B.7/1. Pneumaattisen puristimen piirikaavio, manuaalinen ohjaus. 11
4 2 5 1 3 +24V 1 2 0V 3 4 Kuva B.7/2. Pneumaattisen puristimen piirikaavio, sähköinen ohjaus. 12
B.8 Suunnitelkaa kuvan B.8/1 komponentteja käyttäen piiri, joka toteuttaa sekvenssin A+ B- A- B+, kun kuvassa alimpana olevan 3/2-suuntaventtiilin kytkentäasento poikkeutetaan lepoasennostaan (eli painetaan venttiilin ohjausnappia). Sekvenssin tulee toistua, jos ohjausnappi pidetään painettuna. Täydentäkää suunnitelmanne oheiseen kuvaan ja liittäkää tämä sivu raporttiinne. Nimetkää piirissä olevat komponentit ja numeroikaa liitännät. Kuva B.8/1. Sekvenssipiiri. 13
B.9 Maailmantalouden kannalta oleellisten hilavipstaakkien tuotantoa ollaan käynnistämässä kovalla kiireellä, mutta muuten täysin automatisoidulta tuotantolinjalta puuttuu vielä yksi oleellisen tärkeä jakso, jossa tuotteen vipstaakki-osa liitetään hila-osaan. Tämä liittäminen edellyttää vipstaakki-osan nostamista liukuhihnalta 1, sen kääntämistä 90, osien liittämistä toisiinsa ja lopuksi kokonaisuuden laskemista liukuhihnalle 2, joka on rinnakkainen liukuhihnan 1 kanssa. Koska käsiteltävät osat ovat kevyitä ja koska tuotantolinja on muutenkin toteutettu pneumaattisesti, niin myös tämä puuttuva jakso tulee toteuttaa pneumatiikalla. a) Valitkaa pneumaattiset toimilaitteet (ja tarvittaessa niihin liitetty mekaniikka), joilla edellä esitetyt toiminnot saadaan toteutettua. Etsikää sopivat todelliset komponentit joko valmistajien www-sivuilta tai Suunnittelukonttorissa olevista tuoteluetteloista. b) Suunnitelkaa (ja piirtäkää) pneumaattinen piiri, joka ohjaa valitsemianne toimilaitteita. Etsikää sopivat todelliset sähkö-ohjatut/paineilmaohjatut venttiilit joko valmistajien wwwsivuilta tai Suunnittelukonttorissa olevista tuoteluetteloista. c) Suunnitelkaa käyttämienne venttiileiden ohjaus ja kuvailkaa sen toiminta. Komponentteja ei tarvitse mitoittaa suoritusarvojen mukaan, oleellista on toimintojen toteuttaminen ja ohjaus. B.10 Etsikää netistä jokin todellinen sovellus, jossa käytetään pneumatiikkaa ja analysoikaa se seuraavilta osin (Huom: valitun sovelluksen pneumaattisen järjestelmän tulee sisältää vähintään kaksi toimilaitetta sekä erityyppisiä venttiileitä. Jos ette löydä sopivan pientä järjestelmää, voitte valita kohteeksenne osakokonaisuuden jostain suuremmasta järjestelmästä): - Esittäkää valitsemanne sovelluksen kuva ja sen sisältämän pneumaattisen järjestelmän kaaviokuva. - Kuvailkaa lyhyesti mihin pneumatiikkaa sovelluksessa käytetään ja kuinka se toimii. - Kuvailkaa mitä komponentteja pneumaattinen järjestelmä sisältää, mitkä ovat niiden tehtävät ja miten niitä ohjataan. - Pohtikaa, mitkä tekijät vaikuttavat pneumaattisen järjestelmän ominaisuuksiin ja suoritusarvoihin? - Pohtikaa, mitä etuja pneumatiikan käytöllä saavutetaan kyseisessä sovelluksessa ja voitaisiinko pneumaattinen järjestelmä korvata jollakin toisella voiman-/tehonsiirtotavalla ja mitä siitä mahdollisesti seuraisi sovelluksen käytettävyyden ja ominaisuuksien kannalta. Liittyykö pneumatiikan käyttöön kyseisessä sovelluksessa mahdollisesti joitain heikkouksia? 14
C. Loppuraportti Ryhmä laatii vastauksistaan selkeän ja yksittäistehtävien ratkaisut numerojärjestyksessä esittelevän loppuraportin, johon liitetään kurssin MyCourses-sivuilta ( Harjoitukset / Hydrauliikan tutkimustehtävä -sivu) löytyvä kansilehti. Kansilehdelle kirjataan siinä pyydettävien tietojen lisäksi myös ryhmän kunkin jäsenen aktiivisuusluku (ks. seuraava sivu). Raportin loppuun ryhmä kirjaa arvionsa siitä, miten ryhmä suoriutui tutkimustehtävästä, miten ryhmän yhteistoiminta onnistui, sekä mitä hyvää/huonoa/kehitettävää tutkimustehtävässä on opetus- /oppimismenetelmänä. Loppuraportti on palautettava viimeistään 25.4.2016 klo 12:00. Lisätietoa loppuraporttiin liittyen löytyy tiivistettynä seuraavalta sivulta sekä laajempana kurssin MyCourses-sivujen Harjoitukset / Hydrauliikan tutkimustehtävä -sivulta löytyvästä Tutkimustehtävät-info-dokumentista. 15
Tietoa tutkimustehtävästä ja sen suorittamisesta Katso laajempi kuvaus Pneumatiikan tutkimustehtävä -info -dokumentista, joka löytyy samasta paikasta kuin tämä dokumentti. Ratkaistavat tehtävät ja pistemäärät - kaikki tehtävät ovat pakollisia, ja niiden kokonaispistemäärä on max. 100 (kunkin yksittäisen tehtävän max. pistemäärä on 10) - ryhmä saa työstään tietyn pistemäärän, ja kunkin jäsenen henkilökohtainen pistemäärä määräytyy ryhmäpistemäärän ja henkilökohtaisen aktiivisuusluvun perusteella seuraavasti: ryhmä arvioi kunkin jäsenensä panostusta tutkimustehtävässä ja ilmoittaa raportissaan kunkin jäsenen nimen kohdalla henkilön aktiivisuutta kuvaavan tunnusluvun (valittavina ovat arvot 1, 0.8, 0.6, 0.4, 0.2, 0). Esimerkiksi, jos kaikki ryhmän jäsenet ovat osallistuneet tutkimustehtävään yhtä suurella panostuksella, kaikille ilmoitetaan tunnusluku 1. Jos taas joku ryhmän jäsenistä on osallistunut tutkimustehtävään selvästi muita pienemmällä panostuksella, hänelle ilmoitetaan muita pienempi tunnusluku. HUOM: Harjoitustyön hyväksyminen kunkin henkilön kohdalla edellyttää sitä, että hän saa työstä vaaditun minimipistemäärän, joka on ilmoitettu kurssin MyCourses-sivujen Tulokset - sivulla olevissa ilmoittautumisvuosikohtaisissa suoritustaulukoissa. Vastausten riittävät pituudet (liitekuvineen) - kussakin tehtävässä noin 1 2 sivua Työhön tarjolla oleva opastus - tehtäviä voidaan käsitellä yleisellä tasolla kurssin luennoilla - kurssin opettajan vastaanottoajat ovat myös käytettävissä Työhön tarjolla oleva muu tuki - Microsoft Visio -ohjelmassa on vaatimaton valikoima pneumatiikan symboleita - kurssin MyCourses-sivujen Linkkilistoja -sivulta löytyy linkkejä muiden pneumatiikkakaavioiden piirtoon tarkoitettujen ohjelmien sivuille - Kaaviokuvat voi piirtää myös käsin (selkeästi!) Loppuraportti - vastaukset yksittäistehtäviin - ryhmän sisäinen arvio jäsenten panostuksesta (ks. info-dokumentti) - ryhmän palaute opetusmenetelmän hyvistä/huonoista/kehitettävistä puolista - kansilehti MyCourses-sivuilta ( Harjoitukset / Pneumatiikan tutkimustehtävä -sivu) - palautus 25.4.2016 klo 12:00 mennessä (ks. info-dokumentti) Ryhmälle tutkimustehtävästä annettava palaute - sähköpostilla 16