Osnovni pneumatski sklopovi

Direktno upravljanje jednoradnim cilindrom

Najjednostavniji pneumatski sklop sastoji se od izvora stlačenog zraka, jednog razvodnika i jednog cilindra. Kad razvodnik izravno, bez posrednika, propušta radni zrak u cilindar, govorimo o direktnom upravljanju. Razvodnik je tada istodobno signalni i upravljački element: ruka radnika daje signal, a isti ventil propušta i sav zrak koji cilindar treba.

Jednoradni cilindar ima samo jedan priključak. Zrak ga izvlači, a vraća ga opruga ili vanjska sila. Za njegovo upravljanje dovoljan je razvodnik 3/2 u mirovanju zatvoren (normalno zatvoren) s tipkalom i povratnom oprugom, prikazan na slici 3.6a. U mirovanju je priključak 1 zatvoren, a priključak 2 spojen s ispuhom 3, pa je prostor cilindra bez tlaka i opruga drži klipnjaču uvučenom. Pritiskom na tipkalo razvodnik se prebaci: 1 se spoji s 2, zrak ulazi u cilindar i klipnjača izlazi. Kad se tipkalo otpusti, opruga razvodnika vrati ga u mirovanje, zrak iz cilindra izlazi kroz 3 i opruga cilindra uvlači klipnjaču.

Takav sklop ima jednu važnu osobinu: klipnjača je izvučena samo dok se tipkalo drži. Ako radnik otpusti tipkalo prije kraja hoda, klipnjača se vraća odmah, s bilo kojeg mjesta. Za kratke radnje, primjerice za pridržavanje izratka ili za utiskivanje oznake, to je upravo željeno ponašanje. Ako klipnjača treba ostati izvučena i nakon otpuštanja, upotrijebit ćemo razvodnik s mehaničkim zadržavanjem (preklopku) ili bistabilni razvodnik.

Razvodnik u mirovanju otvoren (1 spojen s 2 bez aktiviranja) daje obrnuto ponašanje: klipnjača je izvučena dok se ne pritisne tipkalo. Koristi se kad sila cilindra treba djelovati i pri nestanku signala, npr. za kočnicu ili zadržač koji se otpušta samo namjernom radnjom.

Direktno upravljanje dvoradnim cilindrom

Dvoradni cilindar ima dva priključka i zrak ga i izvlači i uvlači. Zato mu treba razvodnik koji jedan prostor puni, a drugi istodobno prazni: razvodnik 5/2 ili, rjeđe, 4/2. Na slici 3.6b prikazan je razvodnik 5/2 s tipkalom i povratnom oprugom. U mirovanju je 1 spojen s 2 i zrak drži klipnjaču uvučenom, dok je prostor iza klipa preko 4 spojen s ispuhom 5. Pritiskom na tipkalo 1 se spaja s 4, a 2 s ispuhom 3, pa se klipnjača izvlači. Otpuštanjem tipkala klipnjača se vraća.

Razlika prema jednoradnom cilindru je u tome što se dvoradni cilindar vraća silom zraka, a ne oprugom. Povratni hod je stoga brz i snažan (za cilindar B naprave SL-3 teorijski 990 N pri 6 bar), a cijeli hod se može iskoristiti za rad u oba smjera. Nedostatak je dvostruka potrošnja zraka: cilindar B troši 1,36 Nl za izvlačenje i 1,14 Nl za uvlačenje, ukupno 2,50 Nl po ciklusu.

Uz razvodnik 5/2 postoje dva uobičajena načina rada:

• Monostabilni razvodnik (s povratnom oprugom) ima jedan stabilan položaj. Signal mora trajati cijelo vrijeme izvlačenja, a nestankom signala cilindar se vraća. To je siguran izbor: pri nestanku upravljačkog zraka naprava ide u poznati položaj.
• Bistabilni razvodnik (impulsni, s dva pilota ili dvije ručice) ima dva stabilna položaja i „pamti“ zadnji primljeni signal. Kratki impuls na 14 izvlači cilindar, kratki impuls na 12 ga vraća. Bistabilni razvodnik je osnovni memorijski element pneumatskog upravljanja.

Indirektno upravljanje

Kod indirektnog upravljanja signalni element ne propušta radni zrak, nego samo mali signal koji preko pilota prebacuje razvodnik snage. Razvodnik snage propušta velik protok i ugrađuje se uz cilindar, a signalni element može biti malen, lagan i daleko, na upravljačkoj ploči. Shema na slici 3.7 prikazuje indirektno upravljanje dvoradnim cilindrom: tipkalo 1S1 šalje signal na priključak 14 bistabilnog razvodnika 1V1, a upravljački vod crta se isprekidanom crtom.

Indirektno upravljanje primjenjuje se u pravilu uvijek kad je ispunjen barem jedan od sljedećih uvjeta:

• cilindar je velikog promjera ili dugog hoda, pa treba protok veći od onoga koji može propustiti mali ručni ili granični ventil;
• mjesto upravljanja udaljeno je od cilindra, pa bi duga cijev velikog promjera pri svakom hodu trošila mnogo zraka i usporavala odziv;
• signal treba obraditi, npr. spojiti s drugim signalom ventilom I ili ILI, zadržati vremenskim članom ili zapamtiti;
• sila na tipkalu ili valjčiću mora biti mala, a razvodnik snage velik i s velikom silom prebacivanja.

Razliku je lako pokazati brojevima. Ako se cilindar B naprave SL-3 upravlja direktno ručnim razvodnikom na udaljenosti 5 m preko cijevi 6/4 mm, pri svakom se hodu osim cilindra mora napuniti i cijev: to je oko 0,43 Nl uz 1,36 Nl za sam cilindar. Kod indirektnog upravljanja razvodnik snage stoji uz cilindar, a do upravljačke ploče vodi pilotski vod 4/2,5 mm, koji pri prebacivanju potroši oko 0,17 Nl, i to bez obzira na veličinu cilindra.

Upravljanje brzinom klipnjače

Brzina klipnjače ovisi o tome koliko brzo zrak može ući u jedan i izaći iz drugog prostora cilindra. Namješta se jednosmjernim prigušnim ventilom (prigušno-nepovratnim ventilom), koji u jednom smjeru prigušuje protok, a u drugom ga preko nepovratnog ventila propušta slobodno. Ovisno o tome kako je ventil okrenut, razlikujemo dva načina.

Prigušivanje dovoda: prigušnica ograničava zrak koji ulazi u cilindar, a ispuh je slobodan. Tlak u radnom prostoru raste polako, a suprotni prostor je gotovo bez tlaka. Klip tada nije „uklješten“ između dva zračna jastuka, pa i mala promjena trenja ili opterećenja uzrokuje trzajuće gibanje (tzv. stick-slip). Prigušivanje dovoda primjenjuje se kod jednoradnih cilindara, koji imaju samo jedan priključak, i kod vrlo malih cilindara.

Prigušivanje odvoda: zrak slobodno ulazi u radni prostor, a prigušnica ograničava zrak koji izlazi iz suprotnog prostora. U suprotnom prostoru nastaje protutlak, klip je napet između dva tlaka i gibanje je mirno i gotovo neovisno o promjenama opterećenja. To je preporučeni način za dvoradne cilindre, pa su na slici 3.7 oba ventila 1V2 i 1V3 okrenuta tako da zrak prema cilindru prolazi kroz nepovratni ventil, a iz cilindra kroz prigušnicu.

Prigušni ventili ugrađuju se što bliže cilindru, najbolje izravno u njegov priključak, jer volumen cijevi između prigušnice i klipa djeluje kao opruga i kvari jednolikost gibanja. Kad je povratni hod jednoradnog cilindra prespor, jer zrak mora izaći kroz cijev i razvodnik, uz cilindar se ugrađuje brzoispusni ventil, koji zrak ispušta izravno u okolinu.

Automatski povrat i oscilirajuće gibanje

U shemi na slici 3.7 cilindar se ne vraća na zapovijed radnika, nego sam, kad klipnjača stigne u prednji krajnji položaj. Tamo pritisne valjčić graničnog ventila 1S2 (oznake a1 u slovnom sustavu), koji šalje signal na priključak 12 i razvodnik 1V1 se prebacuje u položaj za uvlačenje. Takav sklop zove se automatski povrat i temelj je upravljanja ovisnog o putu: radnik daje samo kratki impuls, a naprava sama dovršava hod.

Ovaj sklop otkriva i prvi problem koji ćemo detaljno rješavati u jedinici 3.4. Ako radnik drži tipkalo 1S1 i kad klipnjača stigne do 1S2, na oba pilota bistabilnog razvodnika istodobno djeluje tlak. Budući da su površine pilota jednake, razvodnik ostaje u zatečenom položaju i klipnjača ostaje izvučena sve dok se tipkalo ne otpusti. Za jednostavan ručni sklop to je prihvatljivo, ali u automatskom ciklusu isti učinak, preklapajući ili blokirajući signal, zaustavlja cijelu napravu.

Oscilirajuće gibanje dobiva se kad se uz prednji granični ventil a1 doda i stražnji a0 te preklopka START s mehaničkim zadržavanjem. Signal a0 preko ventila I, zajedno s preklopkom, šalje se na 14, a signal a1 na 12. Dok je preklopka uključena, cilindar se neprekidno izvlači i uvlači: kad stigne naprijed, a1 ga vraća, a kad stigne natrag, a0 ga ponovno izvlači. Isključivanjem preklopke cilindar dovršava započeti hod, vraća se u a0 i ostaje u početnom položaju. Period titranja zbroj je vremena izvlačenja i uvlačenja, a namješta se prigušnim ventilima. Takav sklop koristi se npr. za vibracijsko doziranje sitnih dijelova, za miješanje ili za pokus trajnosti cilindra.

Upravljanje s više mjesta

Često isti cilindar treba pokretati s dva mjesta, primjerice s upravljačke ploče i s nožne pedale, ili s dvije strane dugog stola. Ako bismo izlaze dvaju tipkala jednostavno spojili T-komadom, zrak iz jednog tipkala izlazio bi kroz ispuh drugoga, koje je u mirovanju spojeno s okolinom, i cilindar se ne bi pomaknuo. Rješenje je naizmjenični ventil (ventil ILI): tlak s bilo kojeg ulaza potisne kuglicu prema suprotnom sjedištu, zatvori drugi ulaz i prolazi na izlaz. Sklop je prikazan na slici 3.8.

Na slici 3.8 tipkala 1S1 i 1S2 preko ventila ILI 1V2 djeluju na pilot razvodnika 3/2, koji upravlja jednoradnim cilindrom 1A1. Klipnjača je izvučena dok je pritisnuto bilo koje od dvaju tipkala. Za tri ili više mjesta ventili ILI spajaju se u niz: izlaz prvoga vodi se na ulaz drugoga. Kad cilindar smije krenuti tek ako su ispunjena dva uvjeta istodobno, primjerice ako je pritisnuto tipkalo i ako su vrata zaštite zatvorena, koristi se ventil dvostrukog tlaka (ventil I). Obje logičke funkcije detaljno obrađuje jedinica 3.3.

Sklopovi iz ove jedinice ponavljaju se u svakoj napravi. U SL-3 cilindar A radi kao indirektno upravljan dvoradni cilindar s prigušivanjem odvoda, cilindar B ima prigušivanje odvoda i vremenski član u prednjem položaju, a cilindar C je dvoradni izbacivač s automatskim povratom. Jednom kad sigurno prepoznajete te sklopove, složene sheme postaju spoj poznatih dijelova.

Računski prikaz: protok, brzina i izbor načina upravljanja

Prosječna brzina klipnjače je v = s / t. Pri svakom hodu treba napuniti radni prostor cilindra i cijev između razvodnika i cilindra. Volumen svedeno na normno stanje računamo omjerom apsolutnih tlakova:

V_n = (A · s + V_cijevi) · (p + 1,013) / 1,013

Potreban srednji protok je Q = V_n / t. Ako je Q veći od nazivnog protoka razvodnika koji bi služio za direktno upravljanje, cilindar ne može postići zadano vrijeme hoda i treba prijeći na indirektno upravljanje s razvodnikom snage uz cilindar. Računski prikaz uzima cijev unutarnjeg promjera 4 mm (cijev 6/4).

Za cilindar B (Ø50 mm, hod 100 mm) i vrijeme hoda 1,1 s prosječna brzina je oko 91 mm/s. Cilindar treba 1,36 Nl, a 5 m cijevi dodatnih 0,43 Nl, ukupno oko 1,79 Nl po hodu, pa je potreban srednji protok oko 98 Nl/min. To je više od 80 Nl/min, koliko uzimamo za mali ručni razvodnik, i direktno upravljanje ne može ostvariti zadano vrijeme. Skratite cijev na 0,5 m: potreban protok pada na oko 77 Nl/min i direktno upravljanje postaje granično moguće. Ako se hod produlji na 2 s, brzina pada na 50 mm/s, a protok na oko 54 Nl/min. Vidi se da duljina cijevi kod direktnog upravljanja nije sporedna: kod cilindra ovakve veličine ona povećava potrošnju zraka za gotovo trećinu.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.

Vježbe uz jedinicu

Gradivo ove jedinice priprema za sljedeće vježbe:

• V2 Direktno upravljanje jednoradnim cilindrom · 2 sata
• V3 Indirektno upravljanje jednoradnim cilindrom · 2 sata
• V4 Upravljanje brzinom klipnjače cilindra · 2 sata
• V5 Granični ventil — automatski povrat klipnjače · 2 sata