3. Fluidische Aktoren

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1 3. Fluidische Aktoren Luft und Wasser sind neben der Sonne die Energiequellen, deren sich der Mensch während seiner Entwicklungsgeschichte bedient. In der Geschichte wird über druckluftbetriebene Maschinen und Wasserräder schon in der Zeit v. Chr. berichtet. Heute beträgt das Weltmarktvolumen in der Fluidtechnik (Hydraulik und Pneumatik zusammen) etwa 5 Mrd.. Nach Jahren mit guten Wachstumsraten glauben Studien von Marktforschungsinstituten zu erkennen, dass das Entwicklungspotenzial der Fluidtechnik in den kommenden Jahren sich erschöpfen könnte. In der Branche wird kontrovers der Vormarsch der elektrischen Antriebe in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik diskutiert. Dabei wird von den Vertretern der Fluidtechnik die gesamte Darstellung aller Kosten und Leistungsdaten systematisch betrieben. Nach wie vor ist bei gesamter Darstellung die Leistungsdichte der Hydraulik oder die Dynamik und Lebensdauer der Pneumatik elektrischen Antriebsleistungen für viele Bewegungen trotz signifikant höherer Energiekosten überlegen. Es ist davon auszugehen, dass in Zukunft stärker von den Herstellern versucht wird, für jede Bewegungsaufgabe die bestgeeignete Energieform aus einer Angebotspalette mit mehreren Alternativen anbieten zu können, und zwar idealerweise identisch bedienbar und einfach gegeneinander austauschbar. Die streckenweise dogmatisch anmutende Diskussion zwischen den verschiedenen Energieformen wird in diesem Prozess des Zusammenwachsens dem klassischen Wettbewerb zwischen den Herstellern weichen. Von den künftigen Ingenieuren wird verlangt werden, die spezifischen Eigenschaften aller Energieformen zu kennen, um optimale Lösungen systemunabhängig finden zu können. Gegenüberstellung verschiedener Energieformen Pneumatische Kraftund Energieübertragung Hydraulische Kraftund Energieübertragung Elektrische Kraft- und Energieübertragung ges. Wirkungsgrad niedrig niedrig mittel Leistungsbereich niedrig hoch hoch Leistungsdichte mittel hoch niedrig Flexibilität mittel mittel hoch Wärmeentwicklung niedrig mittel hoch Überbrückung von Entfernungen Sicherheit gut schlecht sehr gut Energiespeicherfähigkeit Umweltprobleme Gefahren des elektrischen Stroms Sauberkeit sehr gut schlecht sehr gut Taktraten hohe niedrige hohe Erzeugung von Linear- und Rotationsbewegungen einfach einfach aufwendig Anlagekosten niedrig mittel mittel Energiekosten hoch mittel niedrig Überlastschutz automatisch durch Systemdruck durch Druckbegrenzungsventile Sicherungen, Wärmeabschaltung Automatisierbarkeit mittel mittel sehr gut G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 30

2 Gegenüberstellung der Medien Luft und Öl Luft Kompressibilität hoch niedrig Viskosität niedrig hoch Energiespeicherfähigkeit hoch niedrig Laststeifigkeit niedrig hoch Strömungsgeschwindigkeiten hoch niedrig Medium Typische Anwendungen Motorenart unbegrenzt verfügbar, selbsterneuernd Leichtindustrie (Verpackung, Nahrungsmittel) Öl Kostenfaktor, Alterung, Rückführung Schwerindustrie (Baumaschinen) Vergleich von Leistungsdichte verschiedener Antriebsenergien Leistung / Masse Leistung / Volumen W / kg in % W / dm 3 in % Dieselmotoren Elektromotoren Druckluftkolbenmotoren Druckluftlamellenmotoren Hydraulikmotoren Physikalische Grundlagen der Pneumatik und Hydraulik Die überwiegende Zahl der Projektierungs- und Auslegungsrechnungen in der Fluidtechnik lassen sich mit einem Grundwerkzeug an Definitionen, Erhaltungsgleichungen und daraus abgeleiteten Strömungsgleichungen bewältigen. Analog zur Situation bei Festkörpern kann als Federkonstante von Gasen und Flüssigkeiten der sogenannte Volumenelastizitätsmodul als Faktor zwischen Druck- und Volumenänderung bei konstanter Querschnittsfläche A definiert werden: l V p (3.) l E V E Vol Als inkompressible Fluide bezeichnet man Stoffe, deren Dichte bei verschiedenen Drücken näherungsweise konstant bleibt. In der Technik fallen darunter typischerweise Wasser und Öl. Wasser besitzt einen Volumenelastizitätsmodul 000 N/mm. Um eine Wassersäule um % zusammenzupressen, muss der Druck um 00 bar erhöht werden. Im Vergleich zu Stahl ist Wasser etwa 00fach weicher. Mit dem Begriff kompressible Fluide bezeichnet man Stoffe, deren Dichte unter Druck veränderlich ist. In der Technik sind dies üblicherweise Gase (Druckluft, Prozessgase). Die Druck- und Temperaturänderungen des idealen Gases gehorchen Gl. 3.: p V Rs m T mit m V (3.) p = Druck des Gases V = Volumen des Gases R s = spezifische Gaskonstante m = Masse des Gases T = absolute Temperatur in K Für Luft bei Normaldruck beträgt der Volumenelastizitätsmodul 0, N/mm. Damit ist Luft rd. 0000fach weicher als Wasser. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 3

3 Ein System ist stationär, wenn es aus der Sicht des jeweiligen Betrachters keine Änderung über der Zeit erfährt. Beispiel: Ein Auto wird konstant im Windkanal angeströmt. Aus der Sicht des Fahrers stellt auch eine konstante Autobahnfahrt eine stationäre Strömung dar, aus der Sicht eines stehenden Beobachters ist ein vorbeifahrendes Auto dagegen instationär. Die Definition von offenen und geschlossenen Systemen ist eine wichtige Festlegung in der Thermodynamik. Bei offenen Systemen ist Massenaustausch mit der Umgebung möglich, bei geschlossenen Systemen soll gemäß dieser Definition nur Wärme oder Arbeit über die Systemgrenzen ausgetauscht werden können. Zustandsänderungen in der Strömungsmechanik/Thermodynamik Isotherme Zustandsänderung: Die Temperatur des Systems bleibt gleich. Dies bedeutet, dass beim Verdichten Wärme an die Umgebung abgegeben und beim Entspannen Wärme aus der Umgebung aufgenommen wird nur bei langsamen Vorgängen, die einen Temperaturausgleich zulassen. Isobare Zustandsänderung: Der Druck im System bleibt gleich. Bei Wärmezufuhr dehnt sich das Medium aus und leistet Arbeit gegen die Umgebung, bei Abkühlung entsprechend umgekehrt. Isochore Zustandsänderung: Das System besitzt feste Systemgrenzen, so dass keine Volumenänderungsarbeit anfällt. Alle zugeführte Energie geht in die innere Energie Temperatur des Systems. Adiabate Zustandsänderung: Das System sei ideal isoliert. Jede mechanische Arbeit am System wird vollständig in innere Energie umgewandelt und umgekehrt. In der Praxis wird diese Zustandsänderung bei sehr schnellen Vorgängen näherungsweise erfüllt, da die Zeit für einen Wärmeaustausch mit der Umgebung nicht ausreicht. Da ideale Gase als kompressible Fluide bei der Erwärmung ihre Dichte ändern, geben sich daraus gegenüber Festkörpern oder Flüssigkeiten Unterschiede in der sogenannten spezifischen Wärmekapazität. Wenn ein Gasvolumen als Randbedingung konstanten Druck hat, wird es sich bei Erwärmung ausdehnen, d.h. mechanische Arbeit an die Umgebung abgeben. Dies entspricht einer isobaren Zustandsänderung und führt zur spezifischen isobaren Wärmekapazität c p. Ist das Gasvolumen dagegen in einem festen Raum eingespannt, (isochore Zustandsänderung), so ist eine geringere Energiemenge nötig, um dieselbe Temperaturerhöhung zu erreichen, da keine mechanische Arbeit abgegeben werden muss. Mit dieser Zustandsänderung ergibt sich eine geringere spezifische isochore Wärmekapazität c v. Das Verhältnis der beiden Wärmekapazitäten wird mit dem Begriff Isentropenexponent (oder auch Adiabatenexponent) bezeichnet: cp (3.3) c v Die Differenz der beiden spezifischen Wärmekapazitäten entspricht der spezifischen Gaskonstante R s für das Fluid: R c - c (3.4) s p v Werte für Luft: c p = 004 J/(kg K) c v = 77 J/(kg K) =,4 R s = 87 J/(kg K) Für die Änderung vom Zustand in den Zustand gelten für das geschlossene System die nachfolgenden Gleichungen, wobei der Wärmestrom Q und die Arbeit W über die Systemgrenzen mit angegeben sind. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 3

4 Für isotherme Zustandänderungen (T = const.) gelten die Beziehungen nach Gl. 3.5: p V p V Q p p V ln p Für isobare Zustandänderungen (p = const.) gelten die Beziehungen nach Gl. 3.6: V T V T Q m c p (T - T ) W Für isochore Zustandänderungen (V = const.) gelten die Beziehungen nach Gl. 3.7: p p T T Q m c v (T - T ) W W Für adiabate Zustandänderungen (isoliert, dq = 0) gelten die Beziehungen nach Gl. 3.8: Q p V 0 p V W Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, der die Erhaltung der Energie formuliert, sagt, dass die Summe aller zu- bzw. abgeführter thermischer Energien (Wärme Q) und mechanischer Energien (Arbeit W) der Änderung der inneren Energie eines geschlossenen, ruhenden Systems zwischen dem Zustand und entspricht: Q W U - (3.9) U Der erste Hauptsatz der Thermodynamik muss für eines geschlossenes, bewegtes System um die kinetische Energie (E = 0,5 m v ) und die potentielle Energie (E = m g h) ergänzt werden. Q W (U - U ) (E - E ) (E - E ) (3.0) kin kin Bei Massenaustausch über die Systemgrenzen ergibt sich der. Hauptsatz der Thermodynamik zu: Q W ( m e p dv) (U - U ) (E - E ) (E - E ) (3.) Es wird hier zusätzlich die hinzukommende oder abgeführte Masse mit ihrer spezifischen Energie (m e m ) und die mit ihrer Masse in das System eingebrachte Verschiebearbeit (p dv) berücksichtigt. Die Richtungseigenschaft von Prozessen wird durch die Zustandsgröße Entropie S beschrieben. Verschiedene Energieformen können ineinander umgewandelt werden. Die meisten Umwandlungsprozesse erfolgen mit Wärmeübertragung; dieses hat eine Entropiezunahme zur Folge, so dass der Prozess nur bedingt reversibel ist. Prozesse ohne Entropiezunahme (ohne Wärmeübertragung) sind vollständig reversibel. - Q - p (V T V 0 - T - V ) V - p V V - V pot pot m kin kin T dq S T (3.) T - pot - pot (3.5) (3.6) (3.7) (3.8) G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 33

5 Strömungen in der Fluidtechnik können in verschiedenen Erscheinungsformen auftreten. Zur Ermittlung von Druckverlusten oder Rohrwiderstände ist die Unterscheidung von laminarer Strömung und turbulenter Strömung wichtig. Die Reynoldszahl ermöglicht eine Aussage über die Strömungsform in der Art, dass kleine Reynoldszahlen eine langsame, gleichmäßige Strömung beschreiben, in der das Fluid quasi in Schichten gleitet und in der keine Querbewegung der Strömungsteile stattfindet. Bei hohen Reynoldszahlen dagegen kommt es zu turbulenter Strömung, die mit dem "Flattern" einer Fahne verglichen werden kann. In turbulenter Strömung ist den Strömungsteilchen zur Längseine Querbewegung überlagert. Mathematisch charakterisiert die dimensionslose Reynoldszahl Re das Verhältnis von Trägheits- und Zähigkeitskräften und ist definiert als: v L v L R e mit (3.3) charakteristische Dichte v Betrag der charakteristischen Strömungsgeschwindigkeit L charakteristische Länge (z.b. Innendurchmesser bei Rohren) charakteristische dynamische Viskosität charakteristische kinematische Viskosität Damit wird Re dimensionslos. Allen Strömungen ist gemeinsam, dass bei einer Reynoldszahl von rd. 30 der Umschlag der Strömungsform von laminar in turbulent stattfindet. Der Umschlag laminar/turbulent ist sowohl für die Berechnung von Rohrströmungen als, auch z.b. für Tragflächenauslegungen von großer Bedeutung (Bei Tragflächen sind turbulente Grenzschichten erwünscht, da sie weniger anfällig gegen die gefürchteten Strömungsablösungen sind). In der Strömungslehre ist es oft erforderlich, Strömungsverhältnisse an Modellen nachzubilden. Da aus wirtschaftlichen Gründen in der Regel angestrebt wird, das Modell im Vergleich zum Original zu verkleinern, ist ein wichtiges Kriterium die Übertragbarkeit der Strömungsverhältnisse. Aus der Energiegleichung werden bei Strömungen inkompressibler Fluide, wie Öl, Wasser, aber auch Luft bis zu Geschwindigkeiten von /3 Schallgeschwindigkeit, in technischen Systemen nur die Druckenergie, die Höhenenergie und die Geschwindigkeitsenergie berücksichtigt. Die auftretende Reibung wird durch einen Druckverlustterm p v ausgedrückt. g h v p g h v p pv (3.4) Der Druckverlust wird für den einfachen Fall des geraden Rohrs folgendermaßen angegeben: l pv v (3.5) d Nach diesem Ansatz ist der Druckverlust: proportional zur Rohrlänge l und zur Rohrreibungszahl, umgekehrt proportional zum Rohrdurchmesser d, und proportional zum dynamischen Druck der Strömung. Zur Bestimmung der Rohrreibungszahl muss die Reynoldszahl der Strömung bekannt sein. Bei laminarer Strömung (Re < 30) ergibt sich die Rohrreibungszahl zu: 64 (3.6) Re Bei turbulenter Strömung (Re > 30) ist eine Funktion von der Reynoldszahl, vom Durchmesser und von der Rauhigkeit des Rohrs. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 34

6 3. Pneumatische Aktoren Pneumatik ist die Lehre vom Verhalten der Gase. In der Technik wird Druckluft verwendet, die durch Verdichten der Umgebungsluft in Kompressoren erzeugt wird. Sie kann zum Antrieb von Druckluftmotoren in Werkzeugen wie z. B. Drucklufthämmern zum Nieten und Druckluftschraubern verwendet werden. In der Steuerungstechnik werden hauptsächlich Linearantriebe in Form von Zylindern eingesetzt. Diese Pneumatikzylinder werden z. B. zum Einspannen und Zuführen von Werkstücken in Bearbeitungszentren oder zum Verschluss von Verpackungen verwendet. Jede pneumatische Anlage besteht aus 3 Teilsystemen: Drucklufterzeugung, Druckluftverteilung und Druckluftaufbereitung, Steuerung und Aktorik - der Teil der Anlage, der die Arbeit macht -. Die Drucklufterstellung und -bereitstellung erfolgt über Druckbehälter und Kompressoren, die man auch als Verdichter bezeichnet. Der Kompressor wird eingeschaltet, wenn im Druckbehälter ein minimaler Druck unterschritten wird, und er wird ausgeschaltet, wenn ein maximaler Druck überschritten wird. Mittels eines Rohr- und Leitungssystems wird dann die erstellte Druckluft zum Anwendungsort geliefert. Hier trifft sie, bevor sie in die Bauteile wie Wegeventile und Antriebe gelangt, in eine Aufbereitungseinheit, wo sie gereinigt wird. Das Leitungssystem wird meist als Ringleitung verlegt, um die Versorgung auch bei Reparatur- oder Wartungsarbeiten sicher zu stellen. Die Leitungen werden üblicherweise mit einem geringen Gefälle (rd. %) verlegt, so dass ein Ablassen von Kondenswasser möglich ist. Am niedrigsten Punkt der Ringleitung befindet sich ein Ablassventil. Man greift die Druckluft von der Oberseite der Ringleitung ab, damit das Kondenswasser nicht in die Bauteile laufen kann. Dank heutiger Technik ist dieses Gefälle nicht mehr so relevant, da heutige Anlagen die Luft so "trocknen", dass kaum noch Kondenswasser entsteht. Der Leitungsquerschnitt sollte so gewählt werden, dass ein Druckverlust von maximal 0, bar nicht überschritten wird. Auf dem letzten Meter werden oft auch spezielle, blaue oder schwarze Pneumatikschläuche mit Pneumatikkupplungen verwendet. In der Fluidtechnik werden Ventile allgemein als Stellglieder bezeichnet, welche die Steuerung der Arbeitsglieder übernehmen. Als Bauteilgruppen gibt es Wegeventile, Sperrventile, Druckventile, Stromventile und Proportionalventile. Wegeventile dienen in der Pneumatik dazu, den Weg für das Arbeitsmedium Druckluft freizugeben, zu sperren oder die Durchflussrichtung zu ändern. Die Ventile unterscheiden sich nach folgenden Hauptmerkmalen: Bauart des Steuerelements (Schieber, Ventilkegel), Anzahl der Schaltstellungen, Art der Betätigung (elektrisch Elektromagnet, pneumatisch, hydraulisch, mechanisch, manuell), Anzahl der Durchflusswege, Anzahl, Größe und Art der Anschlüsse (Nennweite, Gewinde). Wegeventile werden nach der Anzahl der Schaltstellungen sowie der Anzahl der Anschlüsse beschrieben: Ein 3/ -Wegeventil besitzt drei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen. Mit Wegeventilen werden die Richtung des Volumenstromes, d. h. die Ausfahrrichtung eines Zylinders und durch Start-Stopp-Befehle die Weglänge des Hubes gesteuert. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 35

7 Sperrventile lassen die Luft nur in eine Richtung durch, dies geschieht durch Rückschlagventile und auch durch Ventile mit Sperr-Funktion. Das Rückschlagventil besteht aus einem Trichter und aus einer Kugel. Kommt Druck von der Seite aus der dies erwünscht ist, so drückt es die Kugel aus dem Trichter heraus und die Luft kann ungehindert durch das Bauteil strömen. Kommt jedoch Luftdruck von der Seite, wo es unerwünscht ist, dann bewirkt der Luftdruck, dass die Kugel in den Trichter gepresst wird, somit kommt keine Luft durch dieses Bauteil. Ventile mit Stopp-Funktion sind normale Wegeventile, die 3 Schaltstellungen haben, Arbeitsstellungen und eine Sperrmittelstellung, die durch Federn an beiden Seiten bei Nichtbetätigung des Ventils immer eingenommen wird. Es gibt verschiedene Arten von Ventilen mit Stopp-Funktion, einige lassen in Mittelstellung keine Luft durch (Not-Aus), andere garantieren ein Entweichen der Luft, dass z. B. der doppelt wirkende Zylinder noch entlüftet wird. Druckventile vermindern oder vergrößern den Durchfluss beim Erreichen eines bestimmten einstellbaren Ausgangsdruckes und halten diesen annähernd konstant. Das 3/-Wegeventil mit druckabhängiger Umschaltung und das Folgeventil (Druckzuschaltventil), öffnen erst nach Erreichen eines bestimmten Drucks, den die pneumatische Betätigung ausübt. Dies wird realisiert durch eine einstellbare Feder, welche härter bzw. weicher eingestellt werden kann. Die pneumatische Betätigung muss genug Druck aufbringen, um das Ventil zum Schalten zu bringen. Stromventile beeinflussen die Durchflussmenge (Volumenstrom) der Druckluft durch das Ventil. Drosselrückschlagventile werden für den Anschluss in doppelt wirkenden Zylindern für die Abluft eingesetzt. Die Steuerung der Abluft bewirkt eine Geschwindigkeitsregelung unabhängig von der Zylinderbelastung. Drosselventile bei denen sich der Kolbenraum nur langsam mit Druckluft, fährt ein Zylinder nur langsam aus. Drosselventile bei denen ein großer Luftraum (pneumatischer Speicher) vorhanden ist, wird durch die Einstellung des Ventils eine Zeitverzögerung erreicht. Erst wenn sich im pneumatischen Speicher ein ausreichend hoher Druck aufgebaut hat wird das nachgeschaltete Ventil pneumatisch betätigt. Proportionalventile sorgen dafür, dass ein veränderliches Steuersignal (in der Regel ein elektrisches Signal) in ein dazu proportionales Ausgangssignal (proportionalen Durchfluss bzw. Volumenstrom oder in einen proportionalen Druck) stetig umgewandelt wird. Bei Ventilen gibt es bis 6 Schaltstellungen. Hauptsächlich werden in der Automatisierungstechnik wegen der Herstellungskosten nur oder 3 Schaltstellungen verwendet. Wobei die Ventile mit Schaltstellungen bei "normalen" Wegeventilen zum Schalten von Prozessen eingesetzt werden. Ventile mit 3 Schaltstellungen sind zusätzlich als Ventile mit Stoppfunktion ausgelegt; sie können quasi als Not-Aus eingesetzt werden. Die Anzahl der Anschlüsse variiert zwischen zwei und sieben Anschlüssen. Bei /-Wegeventilen findet nur ein normaler Durchlass von Druckluftanschluss nach (Arbeitsanschluss) statt. Bei 3/-Wegeventilen beispielsweise ist neben den zwei oben genannten Anschlüssen noch ein Entlüftungsanschluss 3 verfügbar, der in der Lage ist, die Schläuche oder auch das ganze System zu entlüften. Diese 3/-Wegeventile finden Anwendung z.b. bei der Steuerung von einfachwirkenden Zylindern, aber auch zum Freischalten von "neuen Wegen" des pneumatischen Systems. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 36

8 Bei fünf Anschlüssen findet man einen Druckluftanschluss, zwei Arbeitsanschlüsse 4 und und zwei Entlüftungsanschlüsse 5 und 3. Die beiden Arbeitsanschlüsse werden zum Beispiel benötigt, um einen doppeltwirkenden Zylinder zu steuern, wobei einer den Zylinder auf der einen Seite mit Druckluft beaufschlagt (dass er ausfährt) und ihn auf der anderen Seite entlüftet (dass dieser ausfahren kann). Vier Anschlüsse findet man bei 4/-Wegeventilen. Die Funktionsweise ist die gleiche wie bei den 5/-Wegeventilen, jedoch wurden die zwei Entlüftungsanschlüsse durch eine bauteilinterne Bohrung verbunden (Ein Druckluftanschluss + zwei Arbeitsanschlüsse + ein Entlüftungsanschluss = vier Anschlüsse). Steueranschlüsse werden als Anschlüsse nicht mitgezählt. Steueranschlüsse werden z.b. mit, 4 bezeichnet. "4" bedeutet, dass ein Signal an diesem Anschluss den Weg von nach 4 freigibt. In der Pneumatik finden mechanische, elektronische, pneumatische und manuelle Betätigungen Anwendung. Mechanische Betätigungen sind Stößel, Federn, Rolle, Rollenhebel. Mechanische Betätigungen werden von der Arbeitsmaschine selbst betätigt. Bei elektronischer Betätigung wird ein Stromimpuls auf einen Elektromagneten im elektrisch betätigten Ventil gegeben. Die Welle im Ventil - welches Wege sperrt und öffnet - wird angezogen und somit einen Weg für die Luft geöffnet und ein anderer verschlossen. Bei pneumatischer Betätigung wird das Ventil durch die Druckluft betätigt. Zum Beispiel wird durch die manuelle Betätigung eines Ventils der Arbeitsanschluss desselben geöffnet und der Druck gelangt zu einem weiteren Ventil, das durch Druckluft betätigt wird. Die eben beschriebene Welle wird hierbei durch Druckluft in die gewünschte Position gepresst. Dieses Beispiel wird auch als "Fernsteuerung" bezeichnet. Manuelle Betätigungen erfolgen durch Taster, Druckknöpfe, Hebel und Pedale. Diese werden mit Muskelkraft betätigt. Die bereits angesprochene Welle wird in die gewünschte Richtung verschoben und somit eine andere Schaltstellung eingenommen. Auflistung einiger Schaltzeichen in der Pneumatik: Pneumatikpumpe Filter Druckluftbehälter Abscheider Kompressor Öler Speicher, Gasflasche oder Behälter Pneumatikmotor Lufttrockner G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 37

9 Kühler Heizer Wegeventil mit zwei Schaltstellungen Wegeventil mit drei Schaltstellungen ein Durchflussweg Temperaturregler Schalldämpfer zwei gesperrte Anschlüsse zwei Durchflusswege zwei Durchflusswege und ein gesperrter Anschluss /-Wegeventil 3/3-Wegeventil mit Sperr-Mittelstellung 3/-Wegeventil 5/3-Wegeventil mit Sperr-Mittelstellung 5/-Wegeventil 3 Symbolische Funktion des 3/-Wegeventils (gelb gekennzeichnet): 3/-Wegeventil handbetätigt mit Federrückstellung Das aus zwei Quadraten bestehende rechtwinklige Schaltsymbol bezeichnet die zwei möglichen Schaltzustände. Die Anschlüsse (Leitungen) befinden sich an dem Quadrat, welches die Ruhestellung des Ventils darstellt. Um sich die Betätigt -Stellung vorzustellen, verbleiben die Leitungen ortsfest und das rechteckige Schaltsymbol wird um ein Quadrat nach rechts verschoben. In den Quadraten werden die Durchflussrichtungen durch Pfeile dargestellt. Verschlossene Wege werden durch Querstriche (T-Form) dargestellt. Die Anschlüsse werden durch Ziffern dargestellt und zwar für den Druckluftanschluss, für die Arbeits- bzw. Zylinderzuleitungen, 3 für die Entlüftung bzw. den Auslass. Bei Ventilen mit mehr Anschlüssen bezeichnen die geraden Zahlen (, 4) Arbeitsanschlüsse und die ungeraden (3, 5) die Entlüftungen. Die Zeichen für die Betätigungsart werden seitlich an die Quadrate gezeichnet, hier handbetätigt mit Federrückstellung. Beim elektrisch betätigten 5/3-Wegeventil wird über den Anschluss das rechteckige Schaltsymbol um ein Quadrat nach links verschoben und damit der Weg von nach freigegeben. Analog erfolgt durch Ansteuerung von Anschluss 4 die Wegfreigabe von nach 4. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I /3-Wegeventil mit elektromagnetischer Ansteuerung und Mittelstellung durch Federn

10 Schaltzeichen von Sperr-, Strom- und Druckventilen und Messgeräten: Rückschlagventil gesteuertes Rückschlagventil Öffnen wird bei Ansteuerung verhindert Rückschlagventil federbelastet Absperrventil Drosselventil Querschnitt konstant Drosselventil Querschnitt einstellbar Druckregelventil einstellbar Manometer Volumenstrommessgerät In der Pneumatik spricht man allgemein von Arbeitsgliedern, da diese Systeme mechanische Arbeit verrichten. Zu den Arbeitsgliedern zählen: Zylinder für geradlinige Bewegungen, Zylinder mit Getriebe für Schwenkbewegungen, Druckluftmotor für rotierende Bewegungen. In der Pneumatik unterscheidet man zwischen einseitig und beidseitig mit Druckluft beaufschlagbaren Zylindern (doppeltwirkende, einfachwirkende Zylinder). Bei einseitig beaufschlagbaren Zylindern erfolgt die Rückstellung des Zylinders in seine Ausgangsstellung mittels einer im Zylinder integrierten Feder, während bei beidseitig beaufschlagbaren Zylindern Vor- und Rückhub durch entsprechende Steuerung des Druckluftstromes erfolgt. Schaltzeichen von Zylindern: Zylinder doppelt wirkend, vereinfachte Darstellung Zylinder einfach wirkend mit Rückhub-Feder Zylinder mit beidseitiger Dämpfung Zylinder doppelt wirkend mit zweiseitiger Kolbenstange Zylinder doppelt wirkend Teleskopzylinder doppelt wirkend Schaltungen der Pneumatik: Im Gegensatz zu Logikschaltungen, die mit pneumatischen Elementen realisierbar sind, aber durch den Einsatz der speicherprogrammierbaren Steuerungen zunehmend verdrängt wurden, sind Schaltungen zur gezielten Beeinflussung des Bewegungsablaufs oft innerhalb eines einzigen SPS-Takts nach wie vor notwendig. Diese pneumatischen Schaltungen sind häufig ein wichtiger Optimierungsansatz im praktischen Aufbau von Automatisierungseinrichtungen. Die billigste Ansteuerungsart für einfachwirkende Antriebe ist die 3/-Standardansteuerung. Bei kleinen Antrieben wird sie auch als direkte Ventil/Zylinderkombination angeboten. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 39

11 Für doppeltwirkende Antriebe stellt die 5/-Standardansteuerung die meistverbreitete Ansteuerung dar. Die elektromagnetische Ansteuerung erlaubt die direkte Ansteuerung aus einer SPS /-Standardansteuerung handbetätigt mit Federrückstellung für einfachwirkene Antriebe /-Standardansteuerung elektromagnetische Ansteuerung für doppelwirkende Antriebe In der Praxis werden häufig Ventile eingesetzt, die zwei 3/-Ventilfunktionen in einer Ventileinheit mit x 3/-Funktion realisieren. Mit ihnen können alle 5/- und 5/3-Ventilfunktionen nachgebildet werden. Gebräuchliche Ausführungen sind: x 3/-Ansteuerung zur Vermeidung des Anfahrrucks, x 3/-Ansteuerung zum Positionieren in einer beliebigen Zwischenstellung x 3/-Wegeventil mit Druckventil, welches das Hauptventil betätigt elektrisch betätigt mit Federrückstellung Handhilfsbetätigung durch Tippen Wegeventile für große Kräfte, die eine größere Zylinderfläche aufweisen, werden mit einem integrierten Druckventil gebaut, welches das Hauptventil betätigt. Elektrisch betätigte Ventile werden auch mit unterschiedlichen Handhilfsbetätigungen realisiert, die eine direkte Betätigung am Ventil ermöglichen. Vereinzeler Vereinzeler mit angebauten induktiven Näherungssensoren im eingebauten Zustand Immer wieder werden in der Fabrikautomation Transfersysteme eingesetzt. Neben den mechanischen und elektrotechnischen Komponenten werden hier auch pneumatische Aktoren eingesetzt. Pneumatische Vereinzeler werden zum Stoppen eines oder mehrerer auflaufender Werkstückträger an der definierten Werkstückträger-Anschlagfläche verwendet. In drucklosem Zustand geht der Vereinzeler durch eine Feder in die Sperrstellung und der Werkstückträger wird angehalten. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 40

12 Mit Quertransporteinheiten werden die Werkstückträger in Transfersystemen von einem Transportband auf ein anderes übergeben. Bestandteil jeder Quertransporteinheit ist eine pneumatisch angesteuerte Hubeinheit. Hier kann die Transportrichtung gezielt beeinflusst und der Werkstückträger auf das entsprechende Niveau des Transportbandes gehoben werden. Quertransporteinheit mit pneumatischer Hubeinheit In Transfersystemen werden die pneumatischen Aktoren und die elektrischen Sensoren häufig an sogenannte Ventilinseln angeschlossen. Ventilinseln können in alle gängigen Feldbussysteme und Ethernet über ein integriertes Terminal angebunden werden. In einer Einheit sind elektrische E/A-Module zum Anschluss der Sensorik und die pneumatischen Komponenten für die Ansteuerung verschiedenster pneumatischer Aktoren mittels Wegeventilen realisiert. Neben der elektrischen Ansteuerung über ein Bussystem ist auch vor Ort die Handhilfsbetätigung möglich. Sicherheit und Fehlererkennung wird durch LED-Anzeige vor Ort und Rückmeldung via Feldbus gewährleistet. Die Grundplatte und die Ventile sind standardisiert. Mit Ventilinseln wird ein flexibler und modularer Aufbau mit den elektrischen und pneumatischen Komponenten erreicht. Alle Komponenten sind jederzeit schnell und einfach umbau- oder erweiterbar und können den Gegebenheiten vor Ort angepasst werden. Ventilinsel HF03 mit 3 x 8-fach Input-Modul, Bus-Modul für Profi-Bus und sechs x 3/-Wegeventile G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 4

13 3.3 Hydraulische Aktoren In der Hydraulik erfolgt die Leistungsübertragung durch das Fluid, in der Regel spezielles Mineralöl, im zunehmenden Maß aber auch durch umweltverträgliche Flüssigkeiten, wie Wasser oder spezielle Ester oder Glykol. Die übertragene Leistung ergibt sich aus den Faktoren Druck und Fluidstrom. Hydraulische Aktoren können eingeteilt werden in: Hydrodynamische Antriebe arbeiten mit einer Pumpe und einer Antriebsturbine. Die Drehzahl- und Drehmomentwandlung geschieht über die kinetische Energie der Flüssigkeit. Visco-Kupplungen übertragen Leistung durch viskose Reibung zwischen rotierenden Scheiben. Hydrostatische Antriebe wandeln primärseitig die mechanische Leistung der Antriebsmaschine (Elektro- oder Dieselmotor) durch eine Pumpe in hydraulische Leistung um. Diese Leistung wird in Verbrauchern wieder in mechanische Leistung umgeformt und zwar in Hydraulikzylindern in eine lineare Bewegung oder Hydromotoren in eine rotatorische Bewegung. Hydrostatische Antriebe sind häufig die energetisch optimale Getriebeart, wenn eine stufenlose Verstellung der abtriebsseitigen Geschwindigkeit erforderlich ist. Durch das Einleiten von unter Druck stehender Flüssigkeit in Zylinder werden die darin befindlichen Kolben und Kolbenstangen in lineare Bewegung versetzt, die für Arbeitsvorgänge und zum Antrieb von Maschinen ausgenutzt wird. Auch rotierende Antriebe können durch Flüssigkeitsdruck realisiert werden, etwa mit dem Hydraulikmotor. Hydraulische Systeme ähneln prinzipiell den Antrieben der Pneumatik, bei der Druckluft zur Kraft- und zur Signalübertragung verwendet wird, haben aber davon abweichende Eigenschaften. So wird in der Ölhydraulik immer ein geschlossener Kreis benötigt (Hin- und Rücklauf), während in der Pneumatik die Abluft üblich über einen Schalldämpfer in die Umgebung abgeblasen wird. Nur bei der Wasserhydraulik sind auch offene Kreisläufe bekannt. Gegenüber der Pneumatik hat die Hydraulik den Vorteil, dass wesentlich höhere Kräfte übertragen werden können und sehr gleichförmige und exakte Fahrbewegungen möglich sind, da die Verdichtung der Hydraulik-Flüssigkeit so gering ist, dass sie bei technischen Anwendungen kaum beeinträchtigend wirkt. Auf dem letzten Meter werden oft spezielle Hydraulikschläuche mit Hydraulikkupplungen verwendet. Vorteile hydraulischer Aktoren: Die flexible Verbindung zwischen An- und Abtrieb bei hoher Leistungsdichte mit vergleichsweise kleinen Bauelementen für große Leistungen erlaubt eine optimale konstruktive Anpassung an Raumvorgaben. Als Verbindung zwischen Motor und Pumpe dienen Rohr- und Schlauchleitungen, die weitgehend frei verlegt werden können. Geschwindigkeitsstellung des Abtriebes ist in sehr weiten Grenzen stufenlos bei großer Dynamik realisierbar, wobei eine einfache Umkehr der Bewegungsrichtung möglich ist. Lineare Abtriebsbewegungen können mit einfachen technischen Bauelementen bei sehr hohen Wirkungsgraden erzeugt werden. Drehmomente und sehr große Kräfte können einfach erzeugt werden. Druckbegrenzungsventile ermöglichen einen sicheren und schnell wirkenden Überlastungsschutz. Realisierung parallel arbeitender linearer oder rotatorischer Abtriebselemente (Hydraulikzylinder oder Hydromotoren) mit einem Primärteil (Pumpe) in einem gemeinsamen System, dabei ergibt sich die Wirkung eines Differentials ohne weiteren Aufwand. G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 4

14 Da das Fluid selbstschmierend ist und als Kühlmedium dienen kann, ist die Lebensdauer hydraulischer Komponenten hoch. Wegen der geringen Kompressibilität der Hydraulikflüssigkeit sind gleichförmige Bewegungen mit hoher Stellgenauigkeit möglich. Hydraulische Aktoren können aus dem Stillstand bei Volllast angefahren werden. Die Überlastsicherung durch Druckbegrenzung und die Fehlersuche - Leckagen sind sichtbar - sind einfach. Nachteile hydraulischer Aktoren: Bei hydraulischen Antrieben ist die Elastizität des Fluids, die unter Druck zur Kompression führt, bei Antrieben mit hohen Anforderungen an die Gleichförmigkeit der Geschwindigkeit bei stark wechselnden Lasten problematisch. Anforderung an die Filtrierung der Hydraulikflüssigkeit ist hoch. Hohe Strömungsverluste im Inneren der hydraulischen Flüssigkeiten entwickeln Wärme und dadurch verändert sich die Viskosität der Hydraulikflüssigkeit. Nachteilig sind außerdem die Schaltgeräusche der Ventile, das geringe Spaltmaß bei Hydraulikkomponenten und die Leckölverluste. Wegen ihrer spezifischen Vor- und Nachteile werden Hydraulikantriebe häufig bei mobilen Arbeitsmaschinen verwendet. Hier erfolgt das Heben und Senken von Lasten vor allem durch linear bewegliche Hydraulikzylinder. Fahrzeuge werden oft mit rotierenden hydraulischen Getrieben bzw. Flüssigkeitswandlern angetrieben, mit denen hohe Leistungen übertragen werden können. Das Besondere daran ist, dass die Hydraulikgetriebe die Bewegung eines mit festgelegter Drehzahl arbeitenden Motors an die Betriebsbedingungen anpassen können. Ein Hauptanwendungsgebiet der hydraulischen Aktoren sind Hydraulikstempel zum Bewegen schwerer Lasten. ) Vorratsbehälter für Hydrauliköl ) Pumpkolben 3) Presskolben 4) Ventil 5) Ventil ) Mit der hydraulischen Presse kann mit geringer körperlicher Kraft eine große Kraftwirkung erzielt werden. Durch manuelles Pumpen am Pumpkolben () eines Kfz- Wagenhebers kann am Presskolben (3) eine tonnenschwere Last gehoben werden. 4) 5) Prinzipzeichnung einer hydraulischen Presse Wird der Pumpkolben () nach unten gedrückt, schließt das Ventil (4) und das Ventil (5) öffnet, damit strömt Hydrauliköl in den Presszylinder. Der Presskolben (3) hebt sich. Wird der Pumpkolben nach oben bewegt, öffnet das Ventil (4) und das Ventil (5) schließt. Dadurch kann aus dem Vorratsbehälter () Hydrauliköl nachfließen. Wirkt auf den Pumpkolben mit einer Fläche von cm² eine Kraft von 0 N, entspricht das einem Druck von F 0 N 5 p 0 Pa bar (3.7) A -4 0 m Weil der statische Druck in einer ruhenden Flüssigkeit an jeder Stelle gleich ist, wirkt auch im Presskolben derselbe Druck von bar. Hat der Presskolben eine Fläche von 00 cm² wirkt auf ihn eine Kraft F = kn. 5 ) - 3 3) F p A 0 Pa 0 m 0 N (3.8) G. Schenke,.03 Mechatronik FB Technik, Abt. E+I 43