Témata
Reklama

Pneumatické mechanismy - nezbytná součást moderních strojů

Pneumatické mechanismy patří do kategorie mechanismů, které definujeme jako systém pro přenos a transformaci energie a informace pomocí nositele energie.

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.

Reklama
Reklama

Přenos řízení

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.

Obr. 1. Laboratoř pneumatických mechanismů

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.

Výhody a nevýhody pneumatických systémů

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.

Historie pneumatických mechanismů

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.

Obr. 2. Trenažér pro skladbu pneumatického obvodu

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 %.

Inovační vývoj

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.

Obr. 3. Zkušební a měřicí zařízení pneumatických membránových a měchových motorů

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.

Obor pneumatiky na 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.

Výukové laboratoře

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.

Obr. 4 Záznam měření na přímočarém pneumomotoru

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

Reklama
Vydání #7,8
Kód článku: 140709
Datum: 25. 06. 2014
Rubrika: Monotematická příloha / Fluidní technika
Autor:
Firmy
Související články
Řízení pohybu

Díky ročnímu obratu přes 13 miliard dolarů je společnost Parker Hannifin velkým hráčem na poli technologií a systémů pro řízení pohybu, který poskytuje specializovaná řešení pro komerční, mobilní, průmyslové a letecké obory.

Tlakový vzduch na míru

Plynulá dodávka tlakového vzduchu je ve velké většině případů jednou ze základních podmínek zajištění plynulé výroby. Vyžaduje však vysoce efektivní kompresorovou techniku, což může být investičně nákladné. Společnost Kaeser Kompressoren proto přišla už před téměř 15 lety na český trh s výhodným řešením pod označením Sigma Air Utility, jež přesouvá takovéto investice do kategorie provozních nákladů. Služba Sigma Air Utility se osvědčila ve světě i u nás.

Aplikace systémů řízení vzduch/voda ve výrobních závodech

Automobilový průmysl patří mezi hlavní hnací motory naší ekonomiky. A nejen naší - celosvětově se ročně vyrobí přes 80 miliónů osobních a malých nákladních vozidel. Všechny tyto dopravní prostředky se vyrábějí na moderních automatizovaných linkách, kde část procesu zajišťují roboty a část lidská pracovní síla. Tato součinnost se využívá i při výrobě karosérii vozidel.

Související články
Hydraulika & pneumatika

Hydraulika je technická disciplína zaměřená na využití mechanických vlastností tekutin nejen pro technické účely. Pneumatika je technický obor zabývající se přeměnou stlačeného vzduchu na mechanický pohyb.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Hydropneumatické odpružení

Hydropneumatické odpružení je rychlejším a cenově příznivějším řešením díky stavebnicovým/modulárním regulačním systémům. Hydropneumatické systémy odpružení nápravy vozidla nebo kabiny vozidla zvyšují komfort a výkonnost vozidel.

Hydraulika a pneumatika. Quo vadis?

Vážení čtenáři, opět po roce se vám dostává do rukou letní vydání magazínu MM Průmyslové spektrum věnované hydraulice a pneumatice. Ve své úvaze se pokusím najít odpověď na úvodní otázku, tedy kam tyto tradiční obory směřují.

Proporcionální technika

Česká asociace pro hydrauliku a pneumatiku, sekce České strojnické společnosti, pořádá odborný seminář na téma Proporcionální technika. Půjde o proporcionální techniku v oboru hydrauliky. Představeny budou proporcionální ventily a servoventily pro řízení tlaku a průtoku pracovní kapaliny v hydraulických obvodech, včetně ukázek jejich aplikace v hydraulických mechanismech.

Optimální výkonnost pneumatických prvků

Parker Hannifin, přední celosvětový výrobce automatizačních přístrojů a technologií, uvedl do prodeje novou modulární řadu jednotek určených pro úpravu tlakového vzduchu k použití kdekoli ve světě.

Více propojujme vysoké školy s praxí

Profesor Jaroslav Kopáček patří zcela bez pochyb mezi nestory oboru hydrauliky a pneumatiky v naší zemi ve druhé polovině 20. století, a proto mu byla na Mezinárodním strojírenském veletrhu 2019 v Brně udělena po zásluze Zlatá medaile za celoživotní tvůrčí technickou práci a inovační činy. Při příležitosti ocenění práce pana profesora jsme připravili malý medailonek tohoto skromného a entuziastického člověka. Pan profesor nám při této příležitosti sdělil i několik svých zajímavých postřehů.

Aplikace moderních postupů a technologií v obrábění

Společnost Hofmeister pravidelně svým zákazníkům představuje novinky a inovace nejen vlastní, ale také svých obchodních partnerů. Účast na listopadových zákaznických dnech svědčí o velkém zájmu.

Formule Vector 03 připravena závodit

Ostravský studentský tým představil v pořadí již třetí prototyp formule Vector 03. Tentokrát se tým Formula TU Ostrava zaměřil na vývoj nového pneumatického řazení formule, zavěšení kol a telemetrii.

Italská automatizace nově zastoupena v ČR

Ve druhé polovině října nově otevřela italská firma Camozzi, působící v odvětví pneumatických součástek pro průmyslovou automatizaci, prodejní a servisní pobočku v Praze-Hostivaři. Slavnostního zahájení se ujal italský velvyslanec J. E. Aldo Amati.

Umělé svaly, část 2. Pneumatické svaly

V předchozím díle našeho seriálu jsme definovali oblast umělých svalů, dnes se věnujeme svalům pneumatickým. Některé konstrukce již patří do minulosti, některé jsou stále komerčně dostupné na trhu.

Regulační pohony hydraulických čerpadel

V posledních letech se hledají možnosti úspor energie i u hydraulických systémů. Tyto pohony jsou pomalu vytlačovány v oblasti menších sil a momentů elektromechanickými pohony. V oblasti vyšších výkonů - desítky a více kW - však hydraulické pohony stále představují hlavní možnost řešení, a to zpravidla ve spolupráci se stále se rozvíjející elektronikou. I tady však už existují čistě elektrická řešení. U vyšších výkonů i několik procent úspor dělá výrazné snížení spotřeby energie.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit