Pneumatické mechanismy - nezbytná součást moderních strojů

Podle toho, je-li nositel tuhý (ozubená kola, páky hřídele apod.), kapalný (nejčastěji minerální olej), elektrický (proud elektronů), hovoříme o mechanismech tuhých, hydraulických a elektrických. U pneumatických mechanismů je nositelem energie a informace vzdušina, nejčastěji stlačený vzduch. Často se vyskytují kombinace těchto mechanismů, což zastřešuje dnes progresivní obor mechatronika.

Na rozdíl od mechanismů hydraulických, se kterými mají pneumatické mechanismy často užívaný společný název tekutinové mechanismy, v mnoha případech společnou teorii, fyzikální princip činnosti a podobné konstrukční řešení silových a řídicích prvků i skladbu systému, jsou pneumatické mechanismy více využívány pro přenos řízení a informace a méně k přímému pohonu strojů. Jejich základní aplikační parametry se dají vyjádřit při silovém zatížení řádově do 103 N, výkonovém využití do několika kW a do rychlosti řádově m.s-1. Toto omezení je dáno zejména vlastnostmi nositele energie – stlačeného vzduchu a hlavně jeho použitým tlakem max. 1 MPa.

Pneumatické mechanismy se dále vyznačují velkým průnikem elektroniky do řízení pneumatických prvků a počítačovým řízením celých systémů. Pro aplikační možnosti je také velmi významný rozsáhlý sortiment vyráběných pneumatických prvků, který v různých provedeních dosahuje u světových výrobců (Festo, SMC, Norgren, atd.) několika desítek tisíc typorozměrů. Rozmanitost tohoto sortimentu se nejčastěji dokládá na nabídce přímočarých pneumomotorů, které se vyrábějí nejen s kruhovým průřezem pístu, ale i s průřezem oválným, obdélníkovým, s membránovým pístem, ve vakuovém provedení a v provedení bezpístnicovém.

S přihlédnutím k výše uvedené klasifikaci mechanismů se velmi často diskutuje srovnání jejich výhod a nevýhod pro danou aplikaci. Zde však je třeba zdůraznit, že zvolená kritéria musí především respektovat realizovanou technologii v konkrétním pracovním prostředí, pořizovací a provozní ekonomii a další.

Všeobecně lze zdůraznit tyto hlavní přednosti pneumatických mechanismů:

- možnost využití odběru stlačeného vzduchu z centrálního rozvodu, při
němž není třeba zpětného vedení a zvláštních pojistných prvků proti přetížení;
- velmi rychlou odezvu na vstupní řídicí signál a možnost dosažení
vysokých pohybových frekvencí pneumomotoru, což je dáno vysokou rychlostí proudění stlačeného vzduchu – až desítky m.s-1 a s minimální tlakovou ztrátou;
- možnost práce mechanismu ve výbušném a horkém prostředí, ve vlhku
a pod vodou.

Nevýhodou je hlavně energeticky drahý provoz při nízké celkové účinnosti a malá tuhost mechanismu, daná stlačitelností vzduchu.

Využívání pneumatických mechanismů má svou historii a pomineme-li vynálezy a aplikace řeckého učence Heróna Alexandrijského (asi 120 let př. n. l.), můžeme širší použití pneumatických mechanismů zaznamenat na počátku 20. století, zejména při ražení tunelů a při mechanizaci hlubinné těžby uhlí a rud. Šlo především o vrtání, dopravu a těžbu, nakládání, což je i v dnešní době nejčastější aplikace pohonu vrtaček, sbíječek, nakladačů, brusek apod.

Pro mechanizaci technologických operací u nejrůznějších strojů se v druhé polovině minulého století používala nejjednodušší skladba pneumatického mechanismu s jedním či dvěma přímočarými pneumomotory, řízenými ručně ovládanými rozváděči, později s elektromagnetickým ovládáním, které vykonávaly pouze přímočarý vratný pohyb bez mezipoloh a rychlostního řízení.

Z tohoto historického exkurzu skokem do dnešní doby můžeme konstatovat prudké rozšíření aplikací pneumatických mechanismů do oblastí výrobních, montážních a manipulačních strojů a zařízení, kde se pomocí nich řeší nejsložitější sofistikované technologie s plnou automatizací a počítačovým řízením. Jako příklad zde lze uvést automobilový průmysl, sklářský průmysl, balicí procesy v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. V uvedených aplikacích mají také nezastupitelné místo pneumatické mechanismy, pracující na vakuovém principu.

Jen orientačně můžeme zmínit nejprogresivnější průmyslová odvětví Japonska s procentním uplatněním pneumatických mechanismů: strojírenství 30 %, elektrotechnický průmysl 8 %, doprava 5 %, textilní průmysl 2,5 %, chemický průmysl 3,5 %, metalurgický průmysl 7,5 %.

Uvedené rozšíření pneumatických mechanismů a jejich aplikací je dáno intenzivním inovačním vývojem, kterému se u světových firem věnuje tisíce inženýrů a který se zaměřuje jak na konstrukci, tak i na výrobní technologie pneumatických prvků.

Tento permanentní inovační trend lze specifikovat do těchto oblastí:
- miniaturizace pneumatických prvků;
- stavebnicovost jejich řešení s kombinací pro různé funkce, např. pro řízení tlaku a rychlosti, velikosti a hrazení průtoku apod.;
- optimalizace výrobních technologií a použitých materiálů;
- optimalizaci systémového řešení řízení prvků a celých systémů, propojených sběrnicovými systémy (typ Bus-systém), pomocí programovatelných automatů.

Je samozřejmé, že uvedené široké aplikační možnosti pneumatických mechanismů v posledních dvaceti letech vedly i u nás ke zvýšenému zájmu o výuku tohoto oboru, nejdříve na strojních fakultách vysokých škol a později i na středních odborných školách.

Vedoucí postavení v této oblasti od počátku devadesátých let má katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení Fakulty strojní VŠB-TU Ostrava.
Ve studijním oboru Hydraulické a pneumatické stroje a zařízení je zajišťována výuka ve třech předmětech oboru pneumatických mechanismů, jak v bakalářském, tak i v magisterském studiu. Teoretická výuka o pneumatických prvcích, systémech, jejich řízení, simulaci a modelování s využitím softwarových programů PneuSim, FluidSym a dalších je ve velké míře doplněna prací v laboratoři pneumatických mechanismů (obr. 1). Laboratoř je vybavena trenažéry (obr. 2), které umožňují sestavení i těch nejsložitějších pneumatických obvodů, ověření jejich funkční schopnosti a provedení vizualizace a měření jejich statických a dynamických vlastností. Této laboratoře se plně využívá i pro vypracování diplomových prací i doktorských disertací a je k dispozici i pro řešení výzkumných úkolů zadávaných praxí. V uplynulých letech šlo zejména o teorii a výpočty pneumatických motorů lamelových a pístových, náročné experimentální ověřování vlastností membránových a měchových pneumomotorů na originálním zkušebním zařízení (obr. 3), výzkum a vývoj pneumatického zařízení pro nesmazatelné značení dlouhých kovových výrobků a rozmanitých modelových a simulačních ověření činnosti pneumatického systému s výsledkem podle grafického záznamu (obr. 4).

V obdobném provedení trenažérů a pod patronací a metodickým vedením zmíněné katedry se pak budovaly výukové laboratoře pneumatických mechanismů, zpravidla pro zaváděný předmět Mechatronika na středních odborných školách.

Je třeba připomenout, že významnou úlohu ve výchově „pneumatikářů“ v posledních letech sehrávají zahraniční firmy – výrobci pneumatik – prostřednictvím svých technicko-obchodních zastoupení, která pomohla vybudovat již zmíněné výukové laboratoře na středních odborných i vysokých školách významnými finančními příspěvky. Také tyto firmy provádějí vlastní školicí činnost, podporovanou jimi vydanými velmi kvalitními učebními pomůckami.

Závěrem se pokusíme v rámci rozšíření zájmu o rozvoj oboru pneumatických mechanismů formulovat jeho aktuální základní zaměření: optimalizace skladby pneumatických obvodů s maximálním využitím elektroniky a s maximální provozní spolehlivostí; využití fuzzy-regulace a její aplikací do řídicích systémů pneumatických obvodů; optimalizace parametrů a konstrukce pneumatických rotačních motorů jako nejpoužívanějšího pohonu ručních nástrojů do specifického prostředí; vytvoření vhodných zkušebních a diagnostických zařízení a metod pro verifikaci parametrů a charakteristik pneumatických prvků a systémů; modelování a simulace proudění v pneumatických prvcích.

Nezbytnou podmínkou uvedeného zaměření bude dostatek v oboru vychovaných odborníků a špičkové vybavení jejich pracovišť experimentální a výpočtovou technikou. A to nejen na školských pracovištích, ale i u projektantů a provozovatelů různých technologických zařízení využívajících pneumatické mechanismy.

Prof. Ing. Jaroslav Kopáček, CSc.

Katedra hydromechaniky a hydraulických zařízení, Fakulta strojní VŠB-TU Ostrava

jaroslav.kopacek@vsb.cz