Transcript Pneumatikk
Pneumatikk VG2 Industriteknologi © Industriskolen Innhold 1 Innledning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 1.1 Mål . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 2 Kompressorer og trykkluftanlegg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 2.2 Stempelkompressoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 2.2 Skruekompressoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 2.3 Trykkluftanlegg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 3 Beregninger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 3.1 Trykk - volum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 3.2 Sylinderberegning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 4 Symboler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 5 Pneumatiske kretser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 5.1 Dokumentasjon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 5.2 Grafcet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 5.3 Pneumatikkskjemaet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 5.4 Flere pneumatiske kretser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 6 Elektropneumatikk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 6.1 Reléskjemaet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 6.2 Elektropneumatiske kretser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 361 Pneumatikk VG2 Industriteknologi 1 Innledning Dette læreheftet er basert på at stoffet fra VG1 er gjennomgått. Dersom det er behov for repetisjon, anbefales pneumatikkstoffet fra VG1. Symboler og skjemaer er tegnet i henhold til Norsk Standard, NS-ISO 1219-1:2006 og symbolene fra FluidSim. 1.1 Mål Etter at du har jobbet deg gjennom dette læreheftet skal følgende kompetansemål i læreplanen være dekket: Mål for opplæringen er at eleven skal kunne: • Kople opp og feilsøke på hydraulikk- og pneumatikksystemer etter skjema. Følgende kompetansemål vil også bli delvis dekket i dette heftet: Mål for opplæringen er at eleven skal kunne: • Montere, sette i drift og feilsøke på relèstyringer • Måle og vurdere trykk, temperatur og mengde i samsvar med arbeidsoppgaver • Bruke tekniske tegninger, skjemaer og arbeidsbeskrivelser i planlegging, produksjon og vedlikehold • Bruke digitale verktøy til å utarbeide 2- og 3-dimensjonale tegninger 2 Kompressorer og trykkluftanlegg Trykkluft er luft som blir presset sammen. Dette skjer i en kompressor. I hovedsak skiller vi mellom tre ulike kompressortyper: • Stempelkompressor • Vingekompressor • Skruekompressor 2.2 Stempelkompressoren Kompresjon av luft i en stempelkompressor foregår på denne måten: Figur 1: Innsugsfase Som vi ser av figur 1 blir luften sugd inn i den ene ventilen når stempelet er på vei ned. 362 © Industriskolen Figur 2: Kompresjonsfase På figur 2 ser vi hvordan komprimert luft slippes ut av utblåsningventilen. 2.2 Skruekompressoren I skruekompressoren blir luften komprimert ved at to eller tre skruer roterer mot hverandre og fortrenger luften. Luften presses da sammen fra atmosfæreluft inn i en trykkluftbeholder. Figur 3: 363 Prinsippskisse av en skruekompressor Pneumatikk VG2 Industriteknologi 2.3 Trykkluftanlegg Når luften er komprimert, blir den avkjølt og går gjennom en vannutskiller eller et tørkeanlegg, før den går videre ut til forbrukerne. I figuren under ser du eksempler på hvordan trykkluft blir benyttet i verkstedet. Figur 4: Eksempel på trykkluftanlegg i verkstedet 364 © Industriskolen 3 Beregninger 3.1 Trykk - volum Når luften komprimeres i kompressoren endres volumet, temperatur og trykk i en bestemt sammenheng. Dette kan uttrykkes i en formel som kalles tilstandslikningen: Der: P1 = trykk før kompresjon P2 = trykk etter kompresjon V1 = volum før kompresjon V2 = volum etter kompresjon T1 = temperatur før kompresjon T2 = tempetatur etter kompresjon I vårt eksempel antar vi som en forenkling at temperaturen er konstant, dvs. uendret. I praksis ville det bety at vi må kjøle ned luften til utgangstemperatur før vi kan fastslå det rette volumet og trykket. Dette gir oss likningen for BoyleMariottes lov for en ideell gass: Denne likningen kan forklares med følgende illustrasjon: Figur 5: Illustrasjon av Boyle-Mariottes lov Hvor F1 F2 er den påtrykte kraften som komprimerer lufta. Dersom vi setter inn i formelen ser vi at en halvering av volumet vi øke trykket i beholderen til det dobbelte. En ytterlig halvering av volumet vi øke trykket til fire ganger så mye som i utgangspunktet. 365 Pneumatikk VG2 Industriteknologi Eks: Hvordan vil trykket endres dersom vi trykker stempelet så hardt ned at volumet reduseres til ¼? Vi setter inn i likningen: Vi antar at volumet er 1 liter og trykket 1 bar i utgangsposisjon. Dette gir oss: 3.2 Sylinderberegning Dersom vi ser på eksempelet i forrige kapittel forstår vi at trykket i beholderen vil avhenge av hvor stor kraft vi bruker til å presse ned stempelet med. Dette kan uttrykkes i en likning som viser sammenhengen mellom trykk, volum og stempelets areal: Hvor: F=N A = areal målt i m2 p = pascal Dersom vi bytter ut A med formelen for areal og multipliserer med 10 på høyre side får vi likningen: Ved å benytte denne likningen kan vi beregne hvor stor skyvekraft en sylinder har ved et gitt trykk. Eks: Vi tenker oss en sylinder som har målene på skissen nedenfor. Vi antar at systemtrykket er 7 bar. 366 © Industriskolen Vi setter inn i likningen og får: Når vi skal beregne kraften i minusretning må vi ta hensyn til at arealet på minussiden av stempelet er mindre enn på plussiden. Dette kompenserer vi ved å trekke fra arealet av stempelstangen, som i dette tilfellet er 30 mm i diameter. Vi starter med å regne ut arealet på minussiden: Hvor Ass er stempelstangens areal. Nå kan vi sette arealet for minussiden inn i likningen og får: 367 Pneumatikk VG2 Industriteknologi 4 Symboler Trykkluftforsyning Trykkluftkilde, generelt symbol Kompressor Trykklufttank Luftfilter Manometer Styreorganer for retningsventiler Manuell spak Mekanisk rulle Trykkstyring Manuell trykknapp Fotpedal Manuell bryter, generelt symbol Manuell bryter med holdefunksjon Elektromagnetisk styring 368 © Industriskolen Ventiler Normalt lukket og manuelt styrt unistabil 2/2-ventil med trykknapp og fjærretur Normalt åpen og manuelt styrt unistabil 2/2-ventil med trykknapp og fjærretur. Normalt lukket og manuelt styrt unistabil 3/2-ventil med trykknapp og fjærretur Normalt åpen og manuelt styrt unistabil 3/2-ventil med trykknapp og fjærretur 5/ 2 bistabil trykkstyrt ventil. Tilbakeslagsventil Strupe- tilbakeslagsventil, struper i en retning. Eller-ventil Og-ventil Justerbar trykkbegrensningsventil Arbeidselementer Enkeltvirkende sylinder Dobbeltvirkende sylinder med justerbar demping 369 Pneumatikk VG2 Industriteknologi Sylinder uten stempelstang Vakuum suger Luftmotor med flyt i to retninger Elektriske komponenter Elektromagnetisk operert ventil Relè 24 volt spenningstilførsel Trykkbryter, normalt åpen Trykkbryter, normalt stengt Trykkbryter med holdekontakt Arbeidskontakt relè, normalt åpen Arbeidskontakt relè, normalt stengt Signallampe 370 © Industriskolen 5 Pneumatiske kretser På VG1 lærte du om ulike måter å styre en enkeltvirkende eller en dobbeltvirkende sylinder. I dette læreheftet skal vi utvide eksemplene til å styre to sylindre i en sekvens. I neste kapittel skal vi også se noen eksempler på hvordan vi kan styre sekvenser elektropneumatisk. 5.1 Dokumentasjon Når vi skal styre mer enn en sylinder melder behovet seg for mer utfyllende dokumentasjon enn bare pneumatikkskjemaet som vi kjenner fra VG1. Nedenfor skal vi følge et eksempel på hvordan vi setter opp dokumentasjonen for to sylindre (1A1 og 1A2) med følgende sekvens: Sekvens Trinn 1 1A1 Trinn 2 1A2 Trinn 3 1A1 Trinn 4 1A2 Følgende forutsetninger legges også til grunn: Den første bevegelsen skal starte ved at en manuell startbryter aktiveres, deretter skal resten av forløpet gå automatisk. Det skal ikke være mulig å starte sekvensen uten at det siste trinnet i sekvensen har skjedd, altså at sylinder 1A2 er kommet tilbake i minusstilling. Funksjonsdiagram Før vi tegner et pneumatikkskjema for en ny sekvens begynner vi med å sette sekvensen inn i et skjema som kalles «funksjonsdiagram”. Figur 6: Eksempel på funksjonsdiagram Funksjonsdiagrammet er et slags vei-tid diagram som viser sylindrenes bevegelser. I funksjonsdiagrammet er det også satt inn hvilke signalgivere som brukes til å styre sekvensen. I dette eksemplet består sekvensen av fire bevegelser, vi sier at den har fire trinn. 371 Pneumatikk VG2 Industriteknologi Funksjonsdiagrammet gir oss en grafisk fremstilling av hendelsesforløpet slik at det blir lettere å se for seg hva som skal skje i sekvensen. 5.2 Grafcet Når vi har satt opp sekvensen og funksjonsdiagrammet skal vi bruke informasjonen vi har til å sette opp et diagram som kalles ”grafcet”. Grafcet er et diagram som trinnvis forklarer hva som skjer i sekvensen, hvilke forutsetninger som ligger til grunn for en bevegelse, og hvilke signalgivere som aktiveres av bevegelsen og får neste bevegelse til å skje. Grafcet diagrammet for sekvensen i eksempelet over kan skrives på følgende måte: Figur 7: Eksempel på hvordan Grafcet kan settes opp Grafcet diagrammet gir en visuell oversikt over hva som skal skje i sekvensen. Vi ser at en ”og-funksjon” med startbryteren og 1B3 (den siste signalgiveren som blir påvirket i forrige sekvens) gir signal om at sekvensen skal starte. 5.3 Pneumatikkskjemaet Når vi har satt opp funksjonsdiagram og grafset, er det klart for å tegne selve pneumatikkskjemaet. 372 © Industriskolen Figur 8: Tomt pneumatikkskjema Ut fra at vi skal styre to sylindre i et automatisk forløp kan vi sette opp et skjema som ser ut som i figuren over. I tillegg til kravene til sekvensen, har vi også valgt å sette inn strupe-tilbakeslagsventiler slik at sylindrene kan hastighetsreguleres i både pluss og minusretning. Legg merke til at pneumatikkskjemaet er tegnet opp med en spesiell systematikk. Arbeidselementene (sylindrene) er tegnet inn øverst, arbeidsventilene under, og signalgivere under dette igjen. Vi ser at det er brukt en signalgiver for hver stilling sylindrene kan ha, altså to på hver sylinder. Det er nødvendig for at vi skal kunne automatisere forløpet. Vi vet også at det skal være en signalgiver (3/2 ventil) for å styre hver side på arbeidsventilene (5/2 ventilene), men ikke hvor de enkelte (1B1 – 1B4) skal stå. Det er nå klart for å bruke opplysningene fra dokumentasjonen vi lagde i kapittel 2.3 og 2.4 til å tegne resten av skjemaet og navngi de signalgiverne vi vet må til for å styre arbeidsventilene. Figur 9: Pneumatikkskjema for to dobbeltvirkende sylindre Her har vi koplet ferdig det som skal til for at sekvensen skal fungere. Vi har satt inn en start-bryter, og koplet trykkluft til port nr. 1 på alle retningsventiler. 373 Pneumatikk VG2 Industriteknologi Arbeidsventilene blir styrt av et trykkluftsignal, mens alle andre retningsventiler blir mekanisk styrt. Vi ser at ”start” og ”1S3” er koplet i serie. Dette gir oss en ”og-funksjon” som tilfredsstiller kravet om at 1A1 skal være i minus-stilling før en sekvens kan starte siden 1S3 blir aktivert som det siste som skjer i et forløp. 5.4 Flere pneumatiske kretser Eksempel på bruk av strupe-tilbakeslagsventiler I eksempelet under er to dobbeltvirkende sylindre arrangert i hver sine arbeidselementgrupper. Vi ser dette av at den ene gruppen har et 1-tall foran all benevning, mens den andre gruppen har et 2-tall foran A, V og S. Med dette forstår vi at sylindrene opererer uavhengig av hverandre, i motsetning til sylindrene i figur 7. I arbeidselementgruppe 1 ser vi at strupeventilen er plassert slik at tilførselluften til sylindreren blir strupet. Dette kan føre til en ujevn sylinderbevegelse, siden sylinderen vil starte bevegelsen straks trykket er høyt nok til å overvinne den friksjon og motkraft som måtte være mot stempelet. I arbeidselementgruppe 2 har vi isteden strupet returluften. Dette gir en jevnere bevegelse, siden trykket i sylinderen vil være like høyt som systemtrykket. Motkraft og friksjon i pakninger vil da bli relativt mindre i forhold til den skyvekraft stempelet får. Denne måten å regulere hastigheten er å foretrekke. Figur 10: To måter å plassere strupe-tilbakeslagsventiler Pluss og minusbevegelse med 5/2 ventil I eksempelet under ser vi hvordan vi kan styre en dobbeltvirkende sylinder med to 5/2 retningsventiler. I dette tilfellet er det brukt en sylinder uten stempelstang. Bevegelsen overføres da magnetisk til en sleide på utsiden av sylinderen. 374 © Industriskolen Figur 11: Eksempel på hvordan en dobbeltvirkende sylinder kan styres med to 5/2 ventiler To eksempler med og-ventil Figur 12: 375 Enkeltvirkende sylinder styrt med og-ventil Pneumatikk VG2 Industriteknologi Figur 13: Dobbeltvirkende sylinder med automatisk retur og og-ventil Eksempel med eller-ventil Figur 14: Eksempel på bruk av eller-ventil 376 © Industriskolen 6 Elektropneumatikk Rene pneumatiske styringer blir fort unødvendig kompliserte og dyre å lage. Det er ofte billigere og bedre å velge en elektrisk styring, selv om vi bruker pneumatiske arbeidselementer. Vi skal derfor ta for oss noen eksempler på hvordan dette kan gjøres. 6.1 Reléskjemaet I elektropneumatikken bruker vi elektrisk energi for å stille om de pneumatiske retningsventilene. Dette gjør at vi får behov for å sette opp et elektrisk koplingsskjema. Dette kaller vi for et reléskjema. Komponentene vi benytter oss av for å lage skjemaet ser du under kapittelet ”symboler”. 6.2 Elektropneumatiske kretser I dette kapittelet skal vi ta for oss fire ulike kretser som er styrt elektropneumatisk. Elektropneumatisk styring av enkeltvirkende sylinder Denne kretsen er kanskje den enkleste form for elektropneumatisk styring. Vi har en enkeltvirkende sylinder som styres av en 3/2 unistabil retningsventil. Magnetspolen Y1 direkte operert av en startbryter, ikke ved hjelp av et relè. Når startbryteren S1 trykkes inn gjør sylinderen en plussbevegelse. Fjærkraften i sylinderen sørger for at sylinderen returnerer til minusstilling når vi slipper knappen. Figur 15: Pneumatikkskjema for enkeltvirkende sylinder Figur 16: Relèskjema for enkeltvirkende sylinder 377 Pneumatikk VG2 Industriteknologi Elektropneumatisk styring av dobbeltvirkende sylinder Dette eksempelet er mye likt det første, men er noe utvidet. Vi har benyttet en dobbeltvirkende sylinder. Den går i plussretning når startknappen S1 aktiveres, og returnerer når vi slipper startknappen. I releskjemaet ser vi at magnetspolen Y1 blir styrt av et relé, K1. Figur 17: Pneumatikkskjema til dobbeltvirkende sylinder Figur 18: Relèskjema til dobbeltvirkende sylinder Elektropneumatisk styring av dobbeltvirkende sylinder Svakheten med de to foregående eksemplene er at de umiddelbart returnerer til minusstilling når vi slipper startbryteren. Ved å benytte en bilstabil retningsventil kan vi unngå dette. 378 © Industriskolen Figur 19: Dobbeltvirkende sylinder med bistabil retningsventil Figur 20: Relèskjema for dobbeltvirkende sylinder med bistabil retningsventil Dobbeltvirkende sylinder med automatisk retur I denne sekvensen vil sylinderen automatisk utføre pluss- og minusbevegelse så lenge startknappen (1S1) er aktivert. Som vi ser av relèskjemaet er startbryteren med holdekonkakt. Ved aktivering vil derfor sekvensen fortsette å gå helt til bryteren blir deaktivert. Figur 21: 379 Automatisk sekvens med dobbeltvirkende sylinder Pneumatikk VG2 Industriteknologi Figur 22: Relèskjema for automatisk sekvens 380