Pneumatik 1 Unter Pneumatik versteht man die technische Anwendung der Druckluft zur Durchführung von Bewegungsvorgängen an Maschinen und Anlagen.

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2 P N E U M AT I K. Schulstufe Pneumatik Unter Pneumatik versteht man die technische Anwendung der Druckluft zur Durchführung von Bewegungsvorgängen an Maschinen und Anlagen. EIGENSCHAFTEN DER DRUCKLUFT (Vor- und Nachteile gegenüber der Hydraulik): Vorteile: Luft steht praktisch überall in unbegrenzter Menge zur Verfügung. Druckluft ist in Leitungen auch über größere Entfernungen leicht zu transportieren. Druckluft kann in einem Behälter gespeichert werden. Druckluft ist unempfindlich gegen extreme hohe und niedrige Temperaturen und Temperaturschwankungen. Durch Druckluft entsteht keine Brand- und Explosionsgefahr. Druckluft ist sauber (keine Verschmutzungen durch austretende Druckluft). Einfache Arbeitselemente und Ventile, daher auch relativ preiswert. Druckluft ist ein sehr schnelles Arbeitsmedium. Daher hohe Arbeitsgeschwindigkeiten erreichbar. Geschwindigkeiten und Kräfte sind stufenlos regelbar. Nachteile (Negative Eigenschaften): Aufwendige Aufbereitung der Luft notwendig (Schmutz und Feuchtigkeit dürfen nicht mitgeführt werden). Mit Druckluft als Arbeitsmedium ist es nicht möglich gleichmäßige und konstante Kolbengeschwindigkeiten zu erzielen. Druckluft ist nur bis zu einem gewissen Kraftaufwand wirtschaftlich. (Bei ca. 6 bis 7 bar liegt die Grenze bei. bis.n.) ANWENDUNG DER PNEUMATIK: Die Pneumatik hat ihren festen Platz in der Automatisierungstechnik. Schnelle Realisierung kleiner Anwendungen. Die Pneumatik dient zur Steuerung schneller, ausreichend gleichmäßiger und auch exakter Bewegungen mit relativ geringem Kraftaufwand. DRUCKLUFTERZEUGUNG: Durch Verdichter (Kompressoren), welche die Luft ansaugen und auf den gewünschten Arbeitsdruck verdichten (7 bis 9 bar). Um Druckschwankungen (wenn gerade Druckluft benötigt wird) auszugleichen wird diese Druckluft in eigenen Druckluftbehältern (Speicher bzw. Druckkessel) gespeichert....symbol einer Energiequelle...Kompressor AUFBEREITUNG DER DRUCKLUFT: Zur Entfernung von Schmutz und Feuchtigkeit (Kondenswasser), sowie Regelung der Druckluft (inkl. Anzeige mittels Manometer) und Beimengung von geringsten Mengen feinzerstäubtem Öl werden in Pneumatikanlagen sogenannte Wartungseinheiten verwendet. Sie dienen gegen möglichen Verschleiss und zum Schutz vor Korrosion.

3 P N E U M AT I K. Schulstufe Wartungseinheit: Es handelt sich um eine Gerätekombination bestehend aus: Druckluftregler: Druckluftfilter: Druckluftöler: oder mit Wasserabscheider mit autom. Wasserabscheider Vereinfachtes Symbol: Eigentliche Symbolkombination: mit Druckluftöler ohne Druckluftöler BEEINFLUSSBARE GRÖSSEN IN PNEUMATISCHEN ANLAGEN: ) Druck: Kolbenkraft Druck = in N Kraft Fläche F A p= Kolbenfläche in m in N/m Da in der Pneumatik (Hydraulik) vom Athmosphärendruck ausgegangen wird, setzt man für p auch pe (e = excedens = überschreitend). SI- Einheit für den Druck: Pascal (Pa) Pa = N/m Übliche Einheit in der Pneumatik (Hydraulik): bar bar = Pa = N/m = N/dm = N/cm ) Durchflussmenge: Durchflussmenge = Kolbenfläche x Kolbengeschwindigkeit in m Q = A K. vk in m/s oder m/min Luftstrom in m /s oder m /min

4 P N E U M AT I K. Schulstufe PNEUMATISCHE ARBEITSELEMENTE (Aktuatoren): Die pneumatische Energie wird mittels Druckluftzylinder in geradlinige, hin- und hergehende, mittels Druckluftmotore in drehende und mittels Druckluft schwenkmotore in schwenkende Bewegungen umgewandelt. a) Zylinder (lineare Aktuatoren): Einfachwirkender Zylinder (EWZ): Er wird in Arbeitsrichtung einseitig mit Druckluft beaufschlagt. Die wirksame Kraft wird um den gegenwirkenden Federkraftanteil reduziert. Er hat nur an der mit Druckluft beaufschlagten Seite einen Anschluss. Die federseitige Entlüftung erfolgt meist nur durch eine einfache Bohrung. Begrenzte Einsatzmöglichkeit. Technische Daten: Geschwindigkeiten: ca. bis 5 mm/s Hublängen: ca. bis 5 mm Kräfte: ca. bis N Doppeltwirkender Zylinder (DWZ): Er wird in beiden Richtungen mit Druckluft beaufschlagt. Die Kolbenstange kann in Vorund Rückhub belastet werden. An diesem Zylinder befindet sich für jede Druckkammer ein Anschluss. Vor Umschaltung in die Gegenrichtung muss die entsprechende Druckkammer zuerst entlüftet werden. Universell einsetzbar und für ziehende und schiebende Bewegungen geeignet. Technische Daten: Geschwindigkeiten: ca. bis mm/s Hublängen: ca. bis mm Kräfte: ca. bis 8 N Weitere Zylinderarten: DWZ mit doppelt einstellbarer Endlagendämpfung b) Motore: Druckluftmotor mit einer Drehrichtung (Stromrichtung): DWZ mit zweiseitiger Kolbenstange Druckluftmotor mit zwei Drehrichtungen (Stromrichtungen): Druckluftmotor mit zwei Drehrichtungen (Stromrichtungen) und einem veränderlichen Verdrängungsvolumen (drehzahlgeregelt): c) Schwenkmotor: (in beide Drehrichtungen)

5 P N E U M AT I K. Schulstufe VENTILE (Stellglieder, Prozessoren und Sensoren): Dies sind Geräte zur Steuerung oder Regelung eines Druckmittels (z.b.: Druckluft). Die Benennung Ventil gilt als übergeordnet für alle Bauarten, wie Sitzventile, Schieberventile oder Hähne. Die Ventile werden nach ihrer Funktion in 5 Gruppen aufgeteilt: a) Wegeventile b) Sperrventile c) Druckventile d) Stromventile e) Absperrventil a) Wegeventile: Dies sind Ventile, welche den Weg eines Luftstromes beeinflussen. Das Konstruktionsprinzip eines Ventils ist mit ausschlaggebend für die Lebensdauer, die Betätigungskraft, die Betätigungsmöglichkeit, die Anschlussmöglichkeit, die Baugröße und natürlich auch für den Preis. Wir unterscheiden: Sitzventile: Kugelsitzventile Tellersitzventile Schieberventile: Längsschieberventile Flachschieberventile Längsflachschieberventile Dreh- oder Plattenschieberventile Darstellung von Wegeventilen: Dazu werden in Schaltplänen Sinnbilder verwendet, welche die Funktionen der Ventile zeigen. Zwei Kästchen für zwei Schaltstellungen Beispiel: /- Wegeventil in Sperrruhestellung Druckknopf im rechten Kästchen (Quadrat) sind Anschlüsse (, u.) Rückstellfeder (manuelle Betätigung) Wichtige Wegeventile: Weitere Ventilstellungen: Sperrruhestellung Durchflussruhestellung Sperrschaltstellung Durchflussschaltstellung / Wegeventil / Wegeventil / Wegeventil 5 5/ Wegeventil

6 P N E U M AT I K. Schulstufe Betätigungsarten: manuelle Betätigungen:... allgemein... Hebel... Druckknopf... Pedal... Druckknopf mit Feststellraste mechanische Betätigungen:... Taster...Kipprolle (Rolle mit Leerrücklauf)... Tastrolle...Federrückstellung elektrische Betätigungen: Y... Elektromagnet mittels Druckluft (Steuerluft) für indirekte Betätigung::... Druckbeaufschlagung öffnet von nach öffnet von nach sperrt von nach Um einen sicheren und richtigen Einbau der Ventile zu gewährleisten, sind die Anschlüsse mit Ziffern (ISO) oder nach der älteren Variante mit Buchstaben (ÖNORM) gekennzeichnet. ISO ÖNORM Energieanschluss (Druckluftanschluss) P ; Arbeitsanschlüsse A;B ;5 Entlüftungsanschlüsse R;S ;; Steueranschlüsse (Druckluftanschlüsse) Z;Y;X Weitere Symbolerklärung:... Arbeits- oder Druckleitung... Leitungskreuzung...Steuerleitung... Leitungsverbindung... Umrandung einer Gerätekombination 5

7 P N E U M AT I K. Schulstufe EINFACHE PNEUMATISCHE STEUERUNGEN: Übung : Direkte Ansteuerung: Es soll durch Betätigung eines Druckknopfes der Kolben ausfahren und nach Loslassen dieser Taste wieder einfahren. b) eines Doppeltwirkenden Zylinders: a) eines Einfachwirkenden Zylinders: 5 Übung : Indirekte Ansteuerung eines Doppeltwirkenden Zylinders: Es soll durch Betätigung eines Druckknopfes der Kolben ausfahren und nach Loslassen dieser Taste wieder einfahren. 5 6

8 P N E U M AT I K. Schulstufe EINFACHE PNEUMATISCHE STEUERUNGEN: Übung : Willensabhängige Steuerung eines Doppeltwirkenden Zylinders: Durch zwei Wegeventile mit Druckknopf und Hebel soll ein DWZ so angesteuert werden, dass der Kolben beim Betätigen des Druckknopfes ausfährt, auch beim Loslassen noch solange in der vorderen Endlage stehen bleibt, bis über das Wegeventil mit dem Hebel das Gegensignal für das Einfahren gegeben wird. 5 DER SYSTEMSCHALTPLAN (Struktur pneumatischer Systeme) : Dem Systemschaltplan liegt eine gewisse Ordnung zugrunde. Pneumatikelemente werden waagrecht gezeichnet (Kolbenstange nach rechts) und die Steuerung in einzelne Steuerketten gegliedert. An die Pneumatikelemente werden Ziffernbuchstabenbezeichnungen angebracht. Befehlsausführung A Arbeitselemente (Zylinder, Motore etc.) Signalausgabe V Stellelemente (Wegeventile) z.b. / oder 5/-Wegeventile Signalverarbeitung V Signaleingabe S S S Energieversorgung Z S Absperrventil 7 Verarbeitungselemente (Wegeventile, Wechselventile, Zweidruckventile, Druckventile) Eingabeelemente (Wegeventile mit Druckknopf oder Hebel, Kipprolle etc.) Versorgungselemente (Druckquelle, Wartungseinheit, Absperrventile etc.) Wartungseinheit

9 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung : Wegabhängige Steuerung eines Doppeltwirkenden Zylinders: Durch ein Wegeventil mit Druckknopf soll ein DWZ so angesteuert werden, dass der Kolben beim Betätigen des Druckknopfes ausfährt und nach Erreichen seiner vorderen Endlage automatisch und selbsttätig wieder einfährt. S A V 5 S S S Z S S A Übung 5: Kontinuierliche Hin- und Herbewegung eines DWZ mit der Möglichkeit einer Abschaltung: V S 8 5 S S

10 P N E U M AT I K. Schulstufe b) Sperrventile: Dies sind Ventile, welche den Druckluftdurchfluss vorzugsweise in einer Richtung sperren und in der entgegengesetzten Richtung mehr oder weniger freigeben. Wir unterscheiden: Rückschlagventil: c)stromventil: Drosselventil (oder einfach Drossel)... unbelastet... belastet (mit Federrückstellung)...regelbar (einstellbar) Drosselrückschlagventil (Kombination aus Rückschlagventil und Drossel): Geschwindigkeitsregulierung eines DWZ mittels Drosselrückschlagventilen (verlangsamen der Kolbengeschwindigkeit): Beispiel : Beispiel : Geschwindigkeitsregulierung im Vorhub (Abluftdrosselung). Diese Art ist Standard bei großvolumigen Zylindern. (Lastunabhängig) Geschwindigkeitsregulierung im Rückhub (Zuluftdrosselung). Diese Art wird höchstens bei kleineren Zylindern verwendet. Beispiel : Abluftdrosselung und damit Geschwindigkeitsregulierung im Vor- und Rückhub. Schnellentlüftungsventil: mittels kurzer Leitung zum Zylinder zum Stellglied (z.b.: 5/- Wegeventil) 9 Dieses Ventil dient ebenfalls, wie das Drosselventil und das Drosselrückschlagventil, der Geschwindigkeitsregulierung. Es wird zur Geschwindigkeitserhöhung der Kolbenstange an meist Doppeltwirkenden Zylindern eingesetzt. Der aus dem Zylinder ausströmende Luftstrom wird direkt am Anschluss (Filter und Schalldämpfer) dieses Ventils ins Freie geleitet.

11 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung 6: Der Kolben eines DWZ soll nach Betätigung eines Druckknopfes oder eines Hebels sehr langsam ausfahren und dann nach Erreichen seiner vorderen Endlage selbst tätig sehr schnell wieder einfahren. (Vereinfachte Darstellung der Versorgungsebene) S A Wechselventil (ODER- Ventil): Es wird eingesetzt, wenn eine Funktion wahlweise von zwei verschiedenen Stellen aus ausgeführt werden soll. V V V V S 5 S S Übung 7: Der Kolben eines DWZ soll nach Betätigung eines Druckknopfes und eines Hebels sehr langsam ausfahren und dann nach Erreichen seiner vorderen Endlage selbsttätig sehr schnell wieder einfahren. (Vereinfachte Darstellung der Versorgungsebene) V S Es wird eingesetzt, wenn mindestens zwei Signale zur Ausführung einer Funktion vorhanden sein müssen. S Zweidruckventil (UND- Ventil):

12 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung 8: Der Kolben eines DWZ soll nach Betätigung eines Druckknopfes und eines Hebels sehr langsam ausfahren und dann nach Erreichen seiner vorderen Endlage selbsttätig, oder vorzeitig durch Betätigung eines weiteren Druckknopfes, sehr schnell wieder einfahren. (Vereinfachte Darstellung der Versorgungsebene) S A V V5 V 5 V S V S S S

13 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung 8: Der Kolben eines DWZ soll nach Betätigung eines Druckknopfes und eines Hebels sehr langsam ausfahren und dann nach Erreichen seiner vorderen Endlage selbsttätig, oder vorzeitig durch Betätigung eines weiteren Druckknopfes, sehr schnell wieder einfahren. (Vereinfachte Darstellung der Versorgungsebene)

14 P N E U M AT I K. Schulstufe c) Druckventile: Dies sind Ventile, welche vorwiegend den Druck beeinflussen, bzw. durch die Größe des Druckes gesteuert werden. Wir unterscheiden: Druckregelventil (einstellbar Druckregelventil (einstellbar ohne Auslassöffnung): mit Auslassöffnung): Druckschaltventil (mit äußerer Zuleitung): Druckbegrenzungsventil (mit direkter Zuleitung): Druckschaltventil - Kombination: Zeitverzögerungsventil:

15 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung 9: Der Kolben eines DWZ soll nach Betätigung eines Druckknopfes sehr langsam ausfahren (ausnahmsweise zuluftgedrosselt) und nach Erreichen eines Drucks von ca.,5 bar selbsttätig wieder einfahren. (Vereinfachte Darstellung der Versorgungsebene) A Z V V 5 V S

16 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung 9: Der Kolben eines DWZ soll nach Betätigung eines Druckknopfes sehr langsam ausfahren (ausnahmsweise zuluftgedrosselt) und nach Erreichen eines Drucks von ca.,5 bar selbsttätig wieder einfahren. (Vereinfachte Darstellung der Versorgungsebene)

17 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung : Der Kolben eines DWZ soll nach Betätigung eines Druckknopfes sehr langsam ausfahren und nach eindeutigem Erreichen seiner vorderen Endlage, aber erst nach ca. s, selbsttätig wieder einfahren. (Vereinfachte Darstellung der Versorgungsebene) S A V V 5 V S S

18 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung : Der Kolben eines DWZ soll nach Betätigung eines Druckknopfes sehr langsam ausfahren und nach eindeutigem Erreichen seiner vorderen Endlage, aber erst nach ca. s, selbsttätig wieder einfahren. (Vereinfachte Darstellung der Versorgungsebene)

19 P N E U M AT I K. Schulstufe Darstellungsmöglichkeiten des Arbeitsablaufes: a) Aufschreiben in chronologischer Reihenfolge: Zylinder fährt aus und hebt ein Paket hoch. Zylinder fährt aus und schiebt dieses Paket auf ein Förderband Zylinder fährt ein Zylinder fährt ebenfalls ein. b) In Tabellenform: Bewegung Arbeitsschritt Zylinder Zylinder aus aus ein ein c) Als Zeigerdiagramm (Vektoren): Zylinder Zylinder Zylinder Zylinder Vereinfachte Darstellung für: Ausfahren (Vorhub): Einfahren (Rückhub): d) Kurzschreibweise: +;+;-;- Bezeichnung für: Ausfahren (Vorhub): + Einfahren (Rückhub): _ e) Bewegungsdiagramm: "WEG-SCHRIT-DIAGRAMM" Hier wird der Arbeitsablauf eines Arbeitselementes dargestellt, und zwar wird in Abhängigkeit von den jeweiligen Schritten der zurückgelegte Weg aufgetragen. Sind für eine Steuerung mehrere Arbeitsglieder vorhanden, so werden diese in derselben Weise dargestellt und untereinander gezeichnet. Der Zusammenhang wird durch die Schritte hergestellt. START S = Vorne S A S Hinten S A Weg S Schritte 5

20 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung (nach dem vorherigen Weg-Schritt-Diagramm): Durch ein Wegeventil mit Druckknopf soll ein DWZ so angesteuert werden, dass der Kolben beim Betätigen des Druckknopfes ausfährt und ein Paket nach oben bewegt. Danach soll der Kolben eines zweiten Zylinders dieses Paket auf ein Förderband schieben. Anschließend soll zuerst der Kolben des Zylinders und dann der Kolben des Zylinders einfahren. Weg-Schritt-Diagramm Lageplan START S = S A S S A S Schaltplan A S S A S V V V S S 6 V 5 V 5 S S S S

21 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung : Durch ein Wegeventil mit Druckknopf soll ein DWZ so angesteuert werden, dass der Kolben beim Betätigen des Druckknopfes langsam ausfährt und anschließend sofort wieder einfährt. Anschließend soll der Kolben des Zylinders ebenfalls langsam ausfahren und sofort wieder einfahren. Weg-Schritt-Diagramm START S = S A S S A S Schaltplan A S S S A V V V S S 7 V 5 V 5 S S S S

22 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung : Durch ein Wegeventil mit Druckknopf soll ein DWZ so angesteuert werden, dass der Kolben beim Betätigen des Druckknopfes langsam ausfährt und anschließend sofort wieder einfährt. Anschließend soll der Kolben des Zylinders ebenfalls langsam ausfahren und sofort wieder einfahren. Weg-Schritt-Diagramm START S = S A S S A S Schaltplan 7

23 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung : Durch ein Wegeventil mit Druckknopf soll ein DWZ so angesteuert werden, dass der Kolben des. Zylinders ausfährt. Wenn dieser die vordere Endlage erreicht hat, soll die Kolbenstange des. Zylinders ebenfalls ausfahren und sofort selbsttätig wieder einfahren. Dann soll die Kolbenstange des. Zylinders ebenfalls wieder in die Ausgangslage zurückkehren. Weg-Schritt-Diagramm START S = S A S S A S Schaltplan A S S A S V V V S S 8 V 5 V 5 S S S S

24 P N E U M AT I K. Schulstufe Übung : Durch ein Wegeventil mit Druckknopf soll ein DWZ so angesteuert werden, dass der Kolben des. Zylinders ausfährt. Wenn dieser die vordere Endlage erreicht hat, soll die Kolbenstange des. Zylinders ebenfalls ausfahren und sofort selbsttätig wieder einfahren. Dann soll die Kolbenstange des. Zylinders ebenfalls wieder in die Ausgangslage zurückkehren. Weg-Schritt-Diagramm START S S = A S S A S Schaltplan 8

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