Pneumatische Systeme. Arbeitselemente. Ein pneumatisches System hat in seinem Aufbau immer die gleichen Strukturen, die sie in Bild 4 sehen können.

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1 Automatisierung Pneumatische Systeme 9 Pneumatische Systeme Ein pneumatisches System hat in seinem Aufbau immer die gleichen Strukturen, die sie in Bild 4 sehen können. Bild 4 Aufbau pneumatischer Systeme Um jetzt bei der Konstruktion, Entwicklung und Wartung von pneumatischen Steuerungen nicht die Übersicht zu verlieren, gibt es nach DIN ISO 1219 grafische Symbole für Schaltpläne. Die gleichen Symbole finden auch in der Hydraulik Verwendung. Hier nun die wichtigsten Elemente: Arbeitselemente Ein Arbeitselement - auch Aktor genannt - reagiert über Stellelemente auf die Steuersignale und setzt dann die Versorgungsenergie in Arbeit um. Pneumatische Arbeitselemente können gradlinige Bewegungen und Drehbewegungen erzeugen. Für geradlinige Bewegungen (Linearbewegung) werden einfachwirkende und doppeltwirkende Zylinder verwendet. Diese kann man zu den wichtigsten Arbeitsgeräten in der pneumatischen Automatisierung zählen. Für Drehbewegungen (Rotationsbewegung) werden z.b. Kolbenmotoren verwendet.

2 10 Pneumatische Systeme Automatisierung Einfachwirkender Zylinder Einfachwirkende Zylinder können nur in eine Richtung Arbeit leisten, da sie nur von einer Seite mit Druckluft beaufschlagt werden. Die vom Pneumatikzylinder ausgeübte Kraft (Bild 5), die Kolbenkraft F eff ergibt sich aus dem Produkt Kolbenfläche A Überdruck p e, vermindert um die Verlustkraft, die durch den Reibungswiderstand und die Federrückstellkraft entsteht. Die Verlustkraft wird in unserem Lehrgang zusammen mit dem Wirkungsgrad betrachtet. Der Wirkungsgrad von einfachwirkenden Zylindern liegt zwischen 80 % und 95 %. ' " Q FGG F Formel 4 Bild 6 Symbole von Pneumatikzylindern a) Einfachwirkender Zylinder b) Einfachwirkender Zylinder mit Rückstellfeder c) Doppeltwirkender Zylinder d) Doppeltwirkender Zylinder mit Dämpfung e) Doppeltwirkender Zylinder mit regelbarer Dämpfung f) Tandemzylinder g) Doppeltwirkender Zylinder mit regelbarer Dämpfung und durchgehender Kolbenstange h) Doppeltwirkender Zylinder mit magnetischer Kupplung Bild 5 Funktionsprinzip des einfachwirkenden Zylinders Über den Durchmesser der Kolbenfläche können wir nun beim ausfahrenden Zylinder die Kraft Feff bestimmen: Q ' % FGG Formel 5 Die Rückstellung der Kolbenstange erfolgt durch äußere Krafteinwirkung oder durch eine eingebaute Feder. Die eingebaute Feder begrenzt durch ihre Länge den Hub des einfachwirkenden Zylinders und beträgt ca. 80 Millimeter. Die Bewegungsfunktion dieses Zylinders bezeichnet man als Zubringen, da er keine Rückwärtsbewegung aktiv ausführen kann. Es gibt verschiedene Bauarten von einfachwirkenden Zylindern: Den Kolbenstangenzylinder und den Membranzylinder. Bild 7 Einfachwirkender Pneumatikzylinder mit Rückstellfeder

3 Automatisierung Pneumatische Systeme 11 Der Membranzylinder wird für Kurzhubanwendungen wie z.b. zum Spannen und Pressen eingesetzt. Die Funktionsweise des Membranzylinders können sie sehr gut im Bild 8 erkennen. Durch die beaufschlagte Druckluft wird die Membran nach rechts gerückt und damit eine Hubbewegung erzeugt. Bild 8 Membranzylinder Beispiel: Zum Spannen eines Werkstücks mit einem Kolbenzylinder wird eine Kraft von 3000 N (Newton) benötigt. Der Überdruck am Zylindereintritt beträgt 6 bar, der Wirkungsgrad des Membranzylinders beträgt 90 %. Es stehen 3 Zylindertypen mit unterschiedlichen Membrandurchmessern von 50 mm, 70 mm und 100 mm zur Auswahl. Welcher Durchmesser kommt in Frage? Lösung: ' " Q F FGG %JF,PMCFOGMËD %BSBVT FSHJCU Wir setzen den Wirkungsgrad η, die Kraft F eff in N und den Überdruck p e in N/cm2 (1 bar = 10 N/cm 2 ) ein und erhalten den Durchmesser D in cm. % Q /D Es kommt also nur ein Zylinder mit 100 mm Kolbendurchmesser infrage.

4 12 Pneumatische Systeme Automatisierung Doppeltwirkender Zylinder Diese Zylinderbauart ist am verbreitetsten. Die Druckluft wird über ein Wegeventil gesteuert und abwechselnd der einen oder der anderen Seite des Kolbens zugeführt. Der Kolben kann also in beiden Bewegungsrichtungen aktiv arbeiten. Wegen der Ungleichheit der Flächen - die Ringfläche ist kleiner als die Kolbenfläche - sind die Kräfte in beiden Richtungen verschiedenen. Die Kraft beim Ausfahren des Zylinders bestimmen wir genauso wie bei einem einfachwirkenden Zylinder. Die Kolbenkraft F eff beim einfahrenden Zylinder bestimmen wir wie folgt: ' " Q FGG F (siehe Formel 4) Bild 9 Funktionsprinzip des doppeltwirkenden Zylinders Da die beaufschlagte Fläche in diesem Fall aber ein Kreisring ist, ist die Kolbenkraft Feff beim Einfahren geringer als beim Ausfahren. Q ' % FGG (vgl Formel 4) Formel 6 Wirkungsgrade bei doppeltwirkenden Zylindern liegen zwischen 90 Prozent und 97 Prozent. Beispiel: Ein doppeltwirkender Zylinder hat einen Kolbedurchmesser von 50 mm. Die Kolbenstange hat einen Durchmesser von 20 mm. Beaufschlagt wird der Zylinder mit einem Überdruck p e = 5 bar. Welche maximale Druckkraft kann der Zylinder beim Ausfahren und beim Einfahren ausüben. Die Verlustleistung liegt bei fünf Prozent. Lösung: Zuerst bestimmen wir den Wirkungsgrad: η = 100% - 5% = 0,95 Danach setzen wir in die Formeln für die Effektivkraft beim Ein- und Ausfahren des Zylinders für den Überdruck 50 N/cm 2, für die Durchmesser jeweils 5cm bzw. 2cm und für den Wirkungsgrad die bestimmte Größe von 0,95 ein. Q ' % Q FGG Q ' % FGG

5 Automatisierung Pneumatische Systeme 13 Beim Ausfahren kann der Zylinder eine Kraft von 900 N und beim Einfahren 750 N erzeugen. Ausgewählte Beispiele für doppeltwirkende Zylinder Bild 10 Hydro-Pneumatikzylinder Bild 11 Pneumatikschlagzylinder Hydro-Pneumatikzylinder (Bild 10): Mit Hydro-Pneumatikzylindern (griechisch hydor = Wasser, vgl. Seite 27) erreicht man konstante und gleichmäßige Hubbewegungen, auch bei unterschiedlichen Belastungen während des Hubes. Der Hydro-Pneumatikzylinder besteht praktisch aus zwei Zylinderteilen, und zwar aus einem Pneumatikzylinder als Arbeitszylinder und einem Hydraulikzylinder als Regelzylinder. Beide Zylinder sind durch eine Kolbenstange miteinander verbunden. Pneumatikschlagzylinder (Bild 11) setzt man für Arbeiten wie Bördeln, Nieten, Pressen, Lochen, Schneiden, Prägen, Stanzen, Signieren usw. ein. Die Schlagzylinder haben folgende Funktionsmerkmale: Ein Zwischenstück unterteilt den Zylinder in zwei Räume A und B. In Grundstellung liegt der Kolben mit der Fläche 1 am Zwischenstück an. Der im Zylinderraum A anstehende Druck p 1 presst den Kolben gegen den Sitz am Zwischenstück. Im Zylinderraum B herrscht zunächst normaler atmosphärischer Druck. Wird der Zylinderraum A durch ein Umsteuerorgan entlüftet und Zylinderraum B mit Druck beaufschlagt, so baut sich der Druck p 1 im Zylinderraum A ständig ab, wirkt aber immer noch auf die Kolbenringfläche 3. Im Zylinderraum B baut sich ein Druck p 2 auf und wirkt auf die reduzierte Kolbenfläche 2. Wird nun die Druckdifferenz der beiden Drücke p 1 und p 2 und somit auch die Differenz der Kräfte auf den Kolben so groß, dass der Kolben sich vom Sitz abhebt, so wirkt der Druck p 2 im Zylinderraum B schlagartig auf die gesamte Kolbenfläche und es entsteht eine starke Kraft.. Die hohe Schlagkraft ist aber nur für kurze Hübe zu erreichen. Pneumatikzylinder mit Stetig-Antrieb werden überall dort verwendet, wo eine ständig oszillierende (hin- und hergehende) Bewegung der Kolbenstange erforderlich ist, wie zum Beispiel in der guten alten Dampflok. Sie haben nur einen Druckanschluss. Die Umsteuerelemente sind im Deckel und Boden eingebaut. In seiner jeweiligen Endstellung betätigt der Zylinderkolben die Umsteuerelemente, die wiederum wechselseitig einen im Zylinderboden befindlichen Kolbenschieber umsteuern. Die Folge ist eine automatisch aus- und einfahrende Bewegung der Kolbenstange. Mehrstellungszylinder: Mit einem normalen Zylinder sind zwei stabile Arbeitsstellungen möglich, nämlich Kolbenstange voll ausgefahren und Kolbenstange voll eingefahren. Es ist kaum möglich, mit einer Schaltanordnung eine genau abgestimmte Zwischenstellung zu fixieren, vor allem dann nicht, wenn der Kolben bei Wiederholung immer wieder dieselbe Stellung einnehmen soll. Bild 12 Mehrstellungszylinder Mit einem Mehrstellungszylinder erreicht man z. B. drei oder vier feste, wiederholbare Stellungen. Werden die Zylinderböden zweier gleichlanger Zylinder zusammengeflanscht, so ergeben sich drei feste Stellungen (Bild 12a). Sind die Zylinder noch unterschiedlich lang, so lassen sich vier Stellungen erreichen (siehe Bild 12b).

6 14 Pneumatische Systeme Automatisierung Stellzylinder (Positionierzylinder): Stellzylinder ermöglichen das genaue Wiederholen (Positionieren) einer bestimmten, dem Anwendungsfall entsprechend einzuregulierenden Stellung. Sie besitzen neben der Einstellregulierung ein integriertes Wegeventil (Siehe Seite 20). Bild 13 Druckübersetzer Druckübersetzer (Bild 13): Sie übersetzen einen relativ niedrigen Eingangsdruck in einen hohen Ausgangsdruck; dies geschieht auf folgende Weise. Der Eingangsdruck tritt in den Raum X ein und wirkt auf den Kolben mit der größeren Fläche, der wiederum den Kolben mit der kleineren Fläche in den Raum Y bewegt. Der Quotient (vgl. Seite 6) der Kolbenflächen im Raum X und im Raum Y ergibt das Druckübersetzungsverhältnis. Druckübersetzer können mit Luft/Öl, Luft/ Luft oder Öl/Öl arbeiten. Dämpfung: Wenn die Zylinder in ihren Endstellungen hart anschlagen, führt dies zu Beschädigungen. Deshalb müssen sie in den Endstellungen gedämpft werden. Dies wird im Allgemeinen dadurch erreich, dass man die vom Kolben bewegte Abluft zur Dämpfung benutzt, indem man sie durch Umlenken durch entsprechende Kanäle langsam entweichen lässt. Die Auslegung der Dämpfung richtet sich nicht allein nach der Zylinderkraft, sonder auch nach der kinetischen Energie der zu bewegenden Massen. Bild 14 Drehzylinder Drehzylinder: Der Drehzylinder, auch Schwenkzylinder oder Schwenkmotor genannt (Bild 14), wandelt eine geradlinige Kolbenbewegung in eine Drehbewegung. Er besteht aus einer Kolbenstange mit zwei Kolben. Die Kolbenstange ist als Zahnstange ausgebildet und treibt ein Ritzel an. Die Drehbereiche sind verschieden und sind in Ausführungen von 45, 90, 180, 270 und 360 zu erhalten. Es können Drehmomente bis zu 150 Nm (Newtonmeter) mit ihnen erreicht werden. Technische Daten von Zylindern Für die Auswahl von Zylindern sind einige technische Daten zu beachten. Am besten greift man dabei auf die Herstellerdaten zurück, da diese für bestimmte Ausführungen und Anwendungen aussagekräftiger sind als eine theoretische Berechnung. Dass die Kolbenkraft des Arbeitselementes von dem Zylinderdurchmesser, dem Luftdruck und den Verlusten abhängig ist haben wir oben bereits ausgeführt. Sollten wir keinen Wirkungsgrad des Zylinders kennen, so rechnen wir der Einfachheit halber mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent. Bei einem Betriebsdruck von 10 bar und einem Kolbendurchmesser von 300 mm lassen sich damit Kräfte von bis zu N (Newton) erreichen. Bei der Hublänge ist zu beachten, dass die mechanischen Belastungen der Führungslager und der Kolbenstange größer werden, je größer der Hub ist. Die Hublänge bei Pneumatikzylindern sollte deshalb 2 Meter nicht übersteigen. Kolbenstangenlose Zylinder hingegen können Hublängen bis zu zehn Meter erreichen. Auch die Kolbengeschwindigkeit ist ein nicht unerhebliches Kriterium für die Auswahl von Pneumatikzylindern Sie ist sehr stark vom Luftdruck und der Durchflussmenge durch das Stellelement abhängig. Standard-Zylinder haben eine mittlere Kolbengeschwindigkeit von 0,1

7 Automatisierung Pneumatische Systeme 15 bis 1,5 Meter pro Sekunde. Mit Schlagzylindern werden Geschwindigkeiten von bis zu 10 Meter pro Sekunde erreicht. Der Luftverbrauch ist ein hoher Kostenfaktor innerhalb der Pneumatik. Er wird in Litern angesaugter Luft pro Minute angegeben. Der Luftverbrauch lässt sich bestimmen aus dem Produkt des Arbeitsdruck, dem Zylindervolumen und den Hüben pro Minute. q H = Luftverbrauch pro Hub (l) q B = Luftverbrauch (l/min) s n = Hub (cm) = Hubanzahl pro Minute (1/min) R " T ) 1 B Formel 7 Einfachwirkender Zylinder: R R O Formel 8 # ) Doppeltwirkender Zylinder: R R O Formel 9 # ) Das unterschiedliche Volumen bei Vor- und Rückhub im doppeltwirkenden Zylinder kann vernachlässigt werden. Pneumatische Zylinder sind in folgenden typischen Größen erhältlich. 20/8, 25/10, 32/12, 40/16, 50/20, 63/20, 80/25, 100/30...und größer. Dabei stellt der erste Wert den Innendurchmessers des Zylinders (D in mm) und der zweite Wert den Außendurchmesser (d in mm) der Kolbenstange dar. Frage 1: Ein einfachwirkender Zylinder (100/30) wird mit einem Absolutdruck von 8 bar beaufschlagt. Er hat einen Hub von 170 mm. Wie groß ist die Kraft des Zylinders bei einem Wirkungsgrad von 95 %? Wie groß ist sein Luftverbrauch bei einer Anzahl von 15 Hüben pro Minute? Frage 2: Der einfachwirkende Zylinder wird durch einen doppeltwirkenden Zylinder gleicher Größe ersetzt. Sein Wirkungsgrad beträgt nur noch 90 %. Welche Kräfte beim ein- bzw. ausfahren kann der Kolben erreichen und wie groß ist der Luftverbrauch jetzt? Die Antworten auf diese Fragen finden Sie auf der Seite 54. Motoren Um pneumatische Energien in fortlaufende mechanische Drehbewegung und zu formen, benötigt man Druckluftmotoren (Bild 15). Im Montagebereich gehört der Druckluftmotor zu den häufig verwendeten Arbeitselementen. Es gibt vier nach Aufbau zu unterscheidende Druckluftmotorentypen. Kolbenmotoren: Die maximale Drehzahl des Kolbenmotors liegt bei ca Umdrehungen pro Minute und ihr Leistungsbereich liegt zwischen 1,5 und 19 KW. Bild 15 Druckluftmotor Zahnradmotoren stehen mit einer Leistung bis zu 44 KW zur Verfügung.

8 16 Pneumatische Systeme Automatisierung Turbinenmotoren haben eine sehr hohe Drehzahl aber nur eine geringe Leistung. Der Luftbohrer beim Zahnarzt mit einer Umdrehungszahl von Umdrehungen pro Minute entspricht einem solchen Motor. Turbinenmotoren sind überlastsicher, explosionssicher und haben einen geringeren Wartungsaufwand. Lamellenmotoren sind die am häufigsten angewandten Druckluftmotoren. Ihre Rotordrehzahl liegt zwischen und Umdrehungen pro Minute und der Leistungsbereich liegt zwischen 0,1 und 17 KW. Anzeigeninstrumente Anzeigeinstrumente dienen der Fehlerdiagnose und geben Auskunft über den Betriebszustand des pneumatischen Systems. Hierzu gehören Zähler, Druckmessgeräte, Zeitgeber und optische Signalgeber. Die Farben der Optische Signalgeber sind in der DIN VDE 0113 geregelt. Farbe Bedeutung Anmerkung Rot Halt, Aus Maschinen- oder Anlagezustand, der sofortige Maßnahmen verlangt Gelb Eingriff Änderung oder unmittelbar bevorstehende Änderung von Bedingungen Grün Start, Ein Normaler Betrieb, sicherer Zustand, freie Eingabe Blau Beliebige Beliebige Bedeutung, die nicht durch Bedeutung rot, gelb oder grün ausgedrückt werden kann Weiß oder Keiner Ohne besondere Bedeutung, kann farblos besonderen in Fällen benutzt werden, wo weder Bedeutung rot, gelb oder grün benutzt werden zugeordnet kann Versorgungselemente Die Zuverlässigkeit eines pneumatischen Netzes hängt sehr stark vom konstanten Arbeitsdruck sowie von trockner und gereinigter Luft ab. Wir wollen uns hier kurz einen Überblick verschaffen über die Technik, die wir für die Drucklufterzeugung benötigten. Zuerst brauchen wir einen Verdichter oder Kompressor. Der am häufigsten verwendete Kompressor ist ein Hubkolbenverdichter. Diese sind für große Druckbereiche erhältlich. Einstufige und Hubkolbenverdichter haben ihren optimal Druckbereich bei 4 bar, Zweistufige bei 15 bar und bei drei- oder mehrstufigen Hubkolbenverdichtern sind Arbeitsdrücke von mehr als 15 bar möglich. Durch rotierende Kolben wird die Luft in Drehkolbenverdichter kom-

9 Automatisierung Pneumatische Systeme 17 primiert. Dabei wird während der Rotation der Verdichtungsraum kontinuierlich verengt. Strömungsverdichter werden für große Liefermengen eingesetzt. Die Luft wird hierbei mit mehreren Turbinenrädern in Strömung versetzt und die Bewegungsenergie wird in Druckenergie umgewandelt. Ein Druckluftspeicher gleicht Druckschwankungen bei der Entnahme der Druckluft aus und dient somit der Stabilisierung des Luftdrucks. Die Fördermenge des Verdichters, der Luftbedarf des Systems und die zulässigen Druckschwankungen im Netz sind Kriterien für die Größe des Druckluftspeichers. Bild 16 Trockner Lufttrockner (Bild 16): Wasser kann die Lebensdauer und Zuverlässigkeit eines pneumatischen Systems herabsetzen. Dieses Wasser gelangt als Luftfeuchtigkeit der angesaugten Luft in das System. Die Luftfeuchtigkeit, angegeben als relative Feuchtigkeit, hängt wiederum von der Wetterlage und der Lufttemperatur ab. Die relative Feuchtigkeit lässt sich als Quotient zwischen absoluter Feuchtigkeit und Sättigungsmenge bestimmen. relative Feuchtigkeit = absolute Feuchtigkeit / Sättigungsmenge 100% Dabei ist die absolute Feuchtigkeit die Menge Wasser, die in der Luft gelöst ist. Die Sättigungsmenge ist die Wasserdampfmenge, die ein Kubikmeter Luft aufnehmen kann. Sie ist stark von der Temperatur abhängig und geringer, je kälter die Temperatur ist. Diesen Umstand nutzt man bei Kältetrocknern aus. Man kühlt die Luft so weit ab, bis der Taupunkt erreicht wird. Der Taupunkt ist die Temperatur, bei der die absolute Feuchtigkeit genauso groß ist wie die Sättigungsmenge, also die relative Feuchtigkeit 100 % beträgt. Wird die Luft jetzt weiter abgekühlt, so kondensiert ein Teil des enthaltenen Wasserdampfes. Eine weitere Möglichkeit die Luft zu trocken, bietet der sog. Adsorptionstrockner. Bei ihm wird die Feuchtigkeit an der Oberfläche fester Körper eingelagert. Diese Körper, auch Trocknungsmittel genannt, bestehen größtenteils aus Siliziumdioxid. Die dritte Variante ist Absorptionstrocknung. Es handelt sich um ein chemisches Verfahren, welches hohe Betriebskosten verursacht. Dabei bindet ein fester oder flüssiger Stoff einen gasförmigen Stoff. Wegen der hohen Kosten wird diese Variante selten eingesetzt. Leitungsnetze: Nachdem wir nun trockene Druckluft erzeugt haben muss die Luft zu den Steuerstellen und Arbeitsplätzen verteilt werden. Dabei haben sich Verbundnetze (Bild 17) durchgesetzt, da man hier Teile der Anlage zu Wartungszwecken abschalten kann, ohne den gesamten Betrieb still zu legen. Bild 17 Verbundnetz

10 18 Pneumatische Systeme Automatisierung Wartungseinheit: Zu der Druckluftaufbereitung gehört noch das Filtern, Regeln und Ölen der Druckluft. Dies kann durch kombinierte Wartungseinheiten, aber auch durch Einzelkomponenten geschehen. Bild 18 Filter Der Druckfilter (Bild 17) entfernt Verunreinigungen, Kondenswasser und übermäßiges Öl aus der Druckluft. Diese können Schäden bei Dichtungen und beweglichen Teilen hervorrufen, bzw. in der Lebensmittelindustrie die zu verarbeitenden Produkte verschmutzen. Das Druckregelventil (Bild 19) sorgt für einen konstanten Arbeitsdruck. Auf Grund der Wirtschaftlichkeit wird in der Praxis für den Leistungsteil ein Arbeitsdruck von 6 bar (600 kpa) und im Steuerteil von 3 bis 4 bar (300 bis 400 kpa) eingestellt. Bild 19 Druckregelventil Bild 20 Öler Öler (Bild 20) müssen in modernen Anlagen nur noch bei Bedarf im Leistungsteil eingesetzt werden. In Steuerteil sollte die Druckluft nicht mit Öl versetzt werden. Steuerelemente Die Bewegungen von Zylindern müssen der Aufgabe entsprechend gesteuert werden. Dies realisieren wir im Allgemeinen mit Wegeventilen. Es gibt viele unterschiedliche Ausführungen und Konstruktionsarten. Dabei unterscheiden wir zwischen Sitzventilen, wie dem Kugelsitzventil und den Schieberventilen, wie den Kolbenventilen. Die Art des Ventils ist wichtig für seinen Einsatzbereich, die Prinzipien sind aber für alle gleich. Beginnen wir mit dem Aufbau von Wegeventilen in den Schaltsymbolen Quadrate stellen Schaltstellungen dar Die Anzahl der Schaltstellungen wird durch die Anzahl der Quadrate angezeigt Durchflusswege werden mit Linien dargestellt und der Pfeil gibt die Durchflussrichtung an Zwei rechtwinkelig zueinander stehende Linien geben gesperrte Anschlüsse an Zu- und Abluftanschlüsse werden von Außen an ein Quadrat gezeichnet Die Bezeichnung der Anschlüsse ist nach DIN ISO geregelt. Wir treffen aber auch das veraltete Buchstabensystem noch an.

11 Automatisierung Pneumatische Systeme 19 DIN ISO Anschlussart Buchstaben system 1 Druckluftanschluss P Arbeitsleitungen 2, 4 Arbeitsleitungen A, B 3, 5 Entlüftungsleitungen R, S 10 Ein anstehendes Signal sperrt den Z Durchgang zwischen den Anschlüssen 1 und 2 Steuerleitungen 12 Ein anstehendes Signal verbindet die Y, Z Anschlüsse 1 und 2 14 Ein anstehendes Signal verbindet die Z Anschlüsse 1 und 4 81, 91 Hilfssteuerluft Pz In diesem Lehrgang werden wir die Bezeichnung nach DIN ISO verwenden. Bild 21 5/2-Wegeventil Betätigungsarten Anhand der Bezeichnung des Wegeventils (Bild 21) können wir erkennen, wie viele Schaltstellungen und Anschlüsse es hat. Die erste Zahl gibt die Anzahl der Anschlüsse und die zweite die Anzahl der Schaltstellungen an. Ein 5/3-Wegeventil hat also 5 Anschlüsse und 3 Schaltstellungen. Hier nun eine Auswahl der wichtigsten Wegeventile und ihre Aufgaben. Ein 5/2 Wegeventil kann danach folgendes Erscheinungsbild haben. Dabei gibt die Zahl 5 die Anzahl der Anschlüsse an und die Zahl 2 die Anzahl der Schaltstellungen (bzw. der Quadrate) Dieses 5/2 Wegeventil hat in der jetzigen Schaltstellung das Durchflussverhalten von Anschluss 1 nach 2 und von Anschluss 4 nach 5. Man muss bei der Durchflussrichtung immer auf die Pfeilrichtung achten. Der Anschluss 3 ist hier gesperrt. Was uns nun noch fehlt, ist eine Kennzeichnung über die Betätigungsmöglichkeiten In Bild 24 sehen Sie einige Beispiele für Betätigungsarten. Diese Schalter werden einfach an das Wegeventil angesetzt und das Schaltbild ist vollständig (Bild 22). Schaltsymbole werden grundsätzlich in Ruhestellung gezeichnet. Bild 22 Ruhezstand Bild 24 Die Funktion im betätigten Zustand - symbolisiert durch den Doppelpfeil - ist hier das Durchflussverhalten von Anschluss 1 nach 4 und von Anschluss 2 nach 3. Der Anschluss 5 ist gesperrt. (Bild 23)

12 20 Pneumatische Systeme Automatisierung Bild 23 Betätigt Auszüge von weiteren Schaltzeichen und Symbolen finden Sie auf Seite 61 im Anhang Die wichtigsten Wegeventile Das 2/2-Wegeventil hat 2 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen. Es ist entweder geöffnet oder gesperrt und es hat keine Entlüftung. Das 3/2-Wegeventil hat 3 Anschlüsse und 2 Schaltstellungen. Mit ihm können Signale gesetzt und rückgesetzt werden. Durch den Anschluss 3 wird der Signalweg entlüftet. Bild 25 Schaltstellungen des 3/2-Wegeventils Der Schaltplan verdeutlicht die Funktionsweise des 3/2-Wegeventils. Im betätigten Zustand (Bild 25a) strömt die Druckluft über den Anschluss 1 zum Anschluss 2 und Beaufschlagt den einfachwirkenden Zylinder. Dieser kann nun ausfahren. Schaltet das Ventil zurück in Ruhestellung (Bild 25b), so wird der Anschluss 1 abgesperrt und der Zylinder über den Anschluss 2 nach 3 entlüftet. Die Funktionsweise des 4/2-Wegeventils ist die zweier unabhängiger 3/2-Wegeventile. Das 4/2-Wegeventil wird für die Ansteuerung doppeltwirkender Zylinder benötigt. Bild 26 Schaltstellungen des 4/2-Wegeventils Die Funktionsweise ist dabei recht simpel. In Bild 26a sehen wir einen doppeltwirkenden Zylinder, der über ein 4/2-Wegeventil angesteuert

13 Automatisierung Pneumatische Systeme 21 wird. Über die Anschlüsse 1 und 2 wird dabei die Druckluft auf den Zylinder beaufschlagt und er fährt ein. Über die Anschlüsse 4 und 3 kann die Luft den Zylinder verlassen. Im betätigten Zustand nun (Bild 26b) wird die Druckluft über die Anschlüsse 1 und 4 beaufschlagt und die Abluft kann über die Anschlüsse 2 und 3 entweichen. Der Zylinder fährt also aus. Das 4/3-Wegeventil funktioniert wie das 4 2-Wegeventi,l nur mit dem Unterschied, dass eine zusätzliche Mittelstellung eingeführt ist. In dieser Mittelstellung sind alle Anschlüsse gesperrt. Daraus ergibt sich für den doppelt wirkende Zylinder die Möglichkeit, den Kolben an jeder beliebigen Stelle anzuhalten. Eine genaue Positionierung ist mit dieser Methode jedoch nicht möglich (Bild 27). Bild 27 Anschlussplan des 4/3-Wegeventils Das 5/2-Wegeventil arbeitet nach dem gleichen Steuerungsprinzip wie das 4/2-Wegeventil. Es kann aber zusätzlich die Luft über getrennte Entlüftungsanschlüsse abführen (Bild 28). Der Vorteil besteht darin, dass wir die Abluft unterschiedlich drosseln können (vgl. Seite 26). Bild 28 Anschlussplan des 5/2-Wegeventils Das 5/3-Wegeventil vereinigt nun das Steuerungsprinzip des 4/2- Wegeventils mit den Entlüftungsanschlüssen und einer Mittelstellung. Mit diesem Ventil können die Abluftströme unterschiedlich drosseln (vgl. Seite 25).und wir haben die Möglichkeit, den Kolben an jeder Stelle anzuhalten. Dabei dürfen wir aber nicht vergessen, dass mit einem 5/3-Wegeventil eine genaue Positionierung nicht möglich ist. Haben wir Aufgaben mit genauen Positionierungen, so müssen wir auf einen Mehrstellungszylinder zurückgreifen (vgl. Seite 13).

14 22 Pneumatische Systeme Automatisierung Hier nun das ausführliche Funktionsprinzip eines Zylinderkreislaufs. Für die bessere Übersichtlichkeit habe ich die Kammern im Zylinder A und B genannt. Bild 29a zeigt das Ventil in Arbeitsstellung. Dabei wird von der Druckquelle ausgehend, über die Anschlüsse 1 und 4, die Kammer A beaufschlagt. Aus B kann die Luft über die Anschlüsse 2 und 3 entweichen. Durch den höheren Druck in der Kammer A wird der Kolben nach rechts bewegt. Wird das Ventil nicht verstellt, so bewegt sich der Kolben bis zum Endanschlag nach rechts. In Bild 29b nun steht das Ventil auf Mittelstellung. Es kann weder in der Kammer A noch in der Kammer B Luft entweichen oder zugeführt werden. Ohne eine äußere Krafteinwirkung wird in diesem Fall der Kolben eine Stellung einnehmen, so dass in Kammer A und in Kammer B der gleiche Luftdruck herrscht. Wo der Kolben genau zum stehen kommt, lässt sich nicht vorherbestimmen. Nachdem der Zylinder nun ausgefahren ist, soll es auch die Möglichkeit geben, ihn wieder einzufahren. Dies geschieht, wie in Bild 29c zu sehen, wenn das Ventil in Ruhestellung steht. Dabei wird über die Anschlüsse 1 und 2 die Kammer B mit Druckluft Beaufschlagt. Aus Kammer A kann die Luft über die Anschlüsse 4 und 5 entweichen. Der höhere Druck in Kammer B sorgt nun dafür, dass der Kolben sich nach links bewegt. Der Kolben bewegt sich so lange nach links weiter, bis entweder das Ventil verstellt wird oder der Kolben am Endanschlag angelangt ist. Nun können wir das Ventil wieder in Arbeitstellung Umschalten und der Vorgang beginnt von vorne. Sperrventile Bild 29 5/3-Wegeventil a) Arbeitstellung b) Mittelstellung c) Ruhestellung Rückschlagventile können den Durchfluss in eine Richtung komplett sperren (Bild 30a). Bild 31 Symbol des federbelasteten Rückschlagventils a) b) Bild 30 Funktionsprinzip eines Rückschlagventils Mit möglichst geringem Druckverlust strömt die Luft in anderer Richtung hindurch. Rückschlagventile werden meist als Sicherheitsventile eingesetzt, um unnötigen Druckverlust zu vermeiden (Bild 30b). Das Schnellentlüftungsventil (Bild 32) dient, wie der Name schon sagt, zur schnellen Entlüftung von Zylindern. In der Schaltstellung im Bild 33a besteht Verbindung vom Druckanschluss 1 zum Arbeitsanschluss 2. Der Abluftanschluss 3 ist gesperrt. Bild 32 Schnellentlüftungsventil In der anderen Schaltstellung (Bild 33b) besteht, nachdem bei 1 der Druck abgefallen ist, eine Verbindung zwischen Arbeitsanschluss 2 und Abluftanschluss 3. Der Druckanschluss 1 ist durch den nun höheren Druck bei 1(3) gesperrt.

15 Automatisierung Pneumatische Systeme 23 Bild 33 Funktionsprinzip Schnellentlüftungsventil Anwendung: Zur Erhöhung der Kolbengeschwindigkeit eines Zylinders. Da Schnellentlüftungsventile unmittelbar mit den Zylinderanschlüssen verbunden werden, kann die Abluft schnell ins Freie entweichen (Bild 34). Bild 34 Schaltbild Schnellentlüftung In Bild 35 sehen Sie das Schaltzeichen eines Zweidruckventils. Mit diesem Element können zwei Eingangssignale in der UND-Funktion verknüpft werden. Am Arbeitsanschluss 2 tritt dann Luft aus, wenn Anschluss 1 und Anschluss 1(3) belüftet sind. Stehen in diesem Fall aber bei 1 und 1(3) unterschiedliche Drücke an, so gelangt der niedrigere Druck zum Arbeitsanschluss 2. Anwendung: Zum Schalten eines Wegeventils gleichzeitig von zwei Stellen aus, z. B. bei einer Sicherheitsschaltung (Bild 36). Bild 35 Zweidruckventil Bild 36 Sicherheitsschaltung mit Zweidruckventil (UND- Funktion)

16 24 Pneumatische Systeme Automatisierung Wechselventil: (Bild 37): In der ersten Schaltstellung im Bild 38a besteht Verbindung vom Anschluss 1(3) zum Arbeitsanschluss 2. Bild 37 Wechselventil Bild 38 Funktionsprinzip Wechselventil In der zweiten Schaltstellung (Bild 38b) besteht Verbindung zwischen dem Anschluss 1 und dem Arbeitsanschluss 2. Anwendung: Für Wechselschaltungen, d. h. wenn pneumatischer Druck von zwei verschiedenen Stellen wechselseitig zu einem Empfänger geleitet werden muss. Das Doppelrückschlagventil erfüllt in einer Steuerung die ODER-Funktion (Bild 39). Bild 39 Pneumatische Wechselschaltung (ODER-Funktion) Stromventile Stromventile beeinflussen durch Verengung des Strömungsquerschnitts (Drosselung) die durchfließende Luftmenge. Drosselventile: Drosselventile beeinflussen den Durchfluss der Druckluft. Sie werden mit festen oder verstellbaren Querschnittsverengungen (Querschnittsdrosselung) ausgeführt. Bild 40 Feste Drossel Feste Drosseln (Bild 40) können z. B. als Blenden oder Düsen ausgeführt sein und in Verschraubungen oder Leitungen eingesetzt werden. Sie werden häufig in pneumatische Geräte eingebaut, um eine schlagartige Belüftung und die damit verbundene hohe mechanische Belastung zu verhindern. Ferner verwendet man sie auch zur Verzögerung von Schaltvorgängen. Einstellbare Drosselventile (Bild 41) ermöglichen eine stufenlose Veränderung des Drosselquerschnittes. Die Verstellung kann z. B. mit

17 Automatisierung Pneumatische Systeme 25 Bild 41 Einstellbares Drosselventil Hilfe eines Kegels erfolgen, der durch ein Gewinde axial gegen eine zylindrische Bohrung verschoben wird. Bild 42 Funktionsprinzip eines einstellbaren Drosselventil Anwendung: Zur Regelung der Kolbengeschwindigkeit von Zylindern. Die Drosselventile werden an dem Entlüftungsanschluss des Zylinders oder des dazugehörigen Wegeventils installiert (Bild 43). Die Druckluftzufuhr bleibt ungedrosselt. Man spricht hier von Abluftdrosselung. Bei Abluftdrosselung ist die Kolbengeschwindigkeit gleichmäßiger als bei Zuluftdrosselung. Drosselrückschlagventil (Bild 44): Drosselrückschlagventile sind einstellbare Rückschlagventile. In der Schaltstellung im Bild 45a ist der Durchfluss in der Richtung von 1 nach 2 entsprechend der Einstellung der Drosselschraube mehr oder weniger stark gedrosselt. Bild 43 Abluftdrosselung In der umgekehrten Richtung (Bild 45b) strömt die Luft ungedrosselt nach Überwindung der Federkraft über ein Rückschlagventil von 2 nach 1. Bild 44 einstellbares Drosselrückschlagventil Bild 45 Funktionsprinzip eines einstellbaren Drosselrückschlagventils Anwendung: Zur Regelung der Kolbengeschwindigkeit von Zylindern (Bild 46). Impulsventile: Alle Ventile, bei denen die Betätigung durch einen Druckluft-Impuls erfolgt, werden mit dem Oberbegriff Impulsventile bezeichnet. Ein kurzer Luftimpuls (Luftstoß) genügt, um das Ventil zu schalten. Diese Schaltstellung bleibt solange bestehen, bis sie durch einen gegenteiligen Impuls wieder aufgehoben wird. Hiernach gehört z. B. das in Bild 47a dargestellte Ventil zu den Impulsventilen.

18 26 Pneumatische Systeme Automatisierung Die elektromagnetische Betätigung von Ventilen (Bild 47b) wird angewendet, wenn elektromechanische oder elektronische Schalt- und Steuerelemente den Schaltimpuls geben. Sie wird meist bei komplizierten Bewegungsabläufen angewendet. Bild 46 Geschwindigkeitseinstellung an einem doppeltwirkendem Zylinder mit Drosselrückschlagventilen: a) Durch Zuluftdrosselung (nur bei kleinen Zylindern) b) Durch Abluftdrosselung (übliche Ausführung) Bild 47 a: Impulsventil Druckventile b) elektromagnetisch betätigtes Ventil Druckventile sind Ventile, die den Druck der Luft beeinflussen. Druckregelventile (Bild 48) halten den Arbeitsdruck unabhängig von Druckschwankungen im Netz weitgehend konstant (vgl. Seite 18). Dieses Ventil dient der Aufrechterhaltung eines konstanten Druckes auch bei schwankendem Netzdruck. Das Druckbegrenzungsventile wird hauptsächlich als Überdruckventil bzw. Sicherheitsventil eingesetzt. Es verhindert, dass ein maximal zulässiger Druck im System überschritten wird. Bei Erreichen des zulässigen Maximaldrucks öffnet das Ventil und bleibt solange offen, bis der Maximaldruck unterschritten ist. Bild 48 Druckregelventil Das Druckschaltventil (Bild 49) arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie das Druckbegrenzungsventil. Wird in der Steuerleitung 12 der zuvor eingestellte Druck überschritten, so schaltet das Ventil auf Durchgang. Frage 3: Nennen Sie mindestens zwei Verdichter. Frage 4: Nennen Sie vier Sperrventile. Frage 5: Bis zu welchen Betriebsdruck lassen sich pneumatische Systeme wirtschaftlich realisieren? Bild 49 einstellbares Druckschaltventil A) im Steuerteil b) im Leistungsteil. Die Antworten auf diese Fragen finden Sie auf der Seite 54.