- laboratorium Ćwiczenie PA2 Instrukcja laboratoryjna Opracował : dr inŝ. Wieńczysław J. Kościelny Człowiek - najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Warszawa 2009
PROJEKTOWANIE UKŁADÓW SEKWENCYJNYCH Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z asortymentem, budową i funkcjonowaniem elementów pneumatycznych i elektropneumatycznych układów sterowania, nabycie praktycznych umiejętności związanych z tworzeniem schematów układów pneumatycznych i elektropneumatycznych realizujących załoŝone zadania sterowania oraz z praktyczną realizacją, uruchamianiem i badaniem właściwości takich układów. Niezbędna znajomość zagadnień: symbolika zaworów pneumatycznych i elementów stykowo-przekaźnikowych, metodyka syntezy układów sekwencyjnych o programach liniowych. 1. WPROWADZENIE 1.1. STRUKTURA PNEUMATYCZNYCH I ELEKTROPNEUMATYCZNYCH UKŁADÓW STEROWANIA W kaŝdym pneumatycznym (rys. 1) lub elektropneumatycznym układzie sterowania moŝna wyodrębnić część energetyczną (układ napędowy), część sterującą oraz zespół przygotowania powietrza. Rys. 1. Przykładowy schemat pneumatycznego układu sterowania Zespół przygotowania powietrza (rys. 2) zwykle składa się z filtru zatrzymującego zanieczyszczenia zawarte w doprowadzanym rurociągiem spręŝonym powietrzu, zaworu redukcyjnego ustawiającego poŝądaną wartość ciśnienia powietrza dostarczanego do układu i zwykle smarownicy wprowadzającej czynnik smarny do powietrza zasilającego układ. Filtr i zawór redukcyjny często stanowią jeden zespół konstrukcyjny rys. 2c. Elementy funkcjonalne układu pneumatycznego, oprócz elementów wykonawczych, filtru i smarownicy nazywane są ogólnie zaworami. Część energetyczna układ napędowy pneumatycznego lub elektropneumatycznego układu sterowania, przetwarza energię spręŝonego powietrza na energię mechaniczną, wprawiając w ruch napędzane urządzenie. Układ napędowy składa się z elementu wykonawczego, którym najczęściej jest siłownik pneumatyczny (na rys. 1 - element 1A) i tzw. zaworów roboczych elementów dostarczających w odpowiedni sposób spręŝone powietrze do elementu wykonawczego. 2
a) a) b) c) Rys. 2. Zespół przygotowania powietrza: a) - rysunek poglądowy, b) symbol, c) - widok Niezbędnym elementem układu napędowego jest roboczy zawór rozdzielający (na rys. 1 - element 1V2), umoŝliwiający wprowadzanie spręŝonego powietrza do odpowiedniej komory siłownika w celu spowodowania ruchu tłoka w poŝądanym kierunku. Zwykle pomiędzy rozdzielającym zaworem roboczym i siłownikiem umieszcza się dodatkowe zawory robocze - tzw. zawory dławiąco-zwrotne (na rys. 1 - element 1V1), ograniczające natęŝenie przepływu powietrza wypływającego z siłownika, dla uzyskania poŝądanych prędkości ruchu tłoka. Zadaniem części sterującej układu pneumatycznego lub elektropneumatycznego jest sterowanie roboczym zaworem rozdzielającym. Część sterująca układu pneumatycznego zawiera: - zawory sygnałowe: elementy operatorskie przyciski lub przełączniki umoŝliwiające oddziaływanie obsługi na układ (na rys. 1 - zawór 1S1), zawory informujące o stanie procesu (na rys. 1 - zawory 1S2 i 1S3), - zawory przetwarzające informacje przetwarzające sygnały zaworów sygnałowych (na rys. 1 - zawór 1V3) i wytwarzające sygnały sterujące zaworami roboczymi. Schemat układu pneumatycznego nie przedstawia rzeczywistego przestrzennego rozmieszczenia elementów składowych; przedstawia natomiast w uporządkowany sposób połączenia sygnałowe pomiędzy elementami oraz układ przewodów do doprowadzenia spręŝonego powietrza jako czynnika roboczego. Schemat układu pneumatycznego ma strukturę warstwową. Dolną warstwę zajmuje zespół przygotowania powietrza z rozgałęzieniami do przewodów zasilających inne elementu układu. WyŜszą warstwę stanowią wszystkie elementy sygnałowe, niezaleŝnie od ich rzeczywistego usytuowania. Na przykład, występujące w tej warstwie (rys. 1) zawory sygnałowe 1S2 i 1S3 słuŝą do wytwarzania sygnałów informujących o zajęciu przez tłoczysko siłownika połoŝenia wycofanego (zawór 1S2) i wysuniętego (zawór 1S3). W rzeczywistym układzie znajdują się przy siłowniku, o czym informują umieszczone przy symbolu siłownika kreski z symbolami tych zaworów. 3
Ponad warstwą zaworów sygnałowych umieszcza się warstwę z zaworami przetwarzającymi informacje (przetwarzającymi sygnały elementów sygnałowych; na rys. 1 - zawór koniunkcji 1V3). Kolejną wyŝszą warstwę stanowią zawory robocze, sterowane sygnałami zaworów przetwarzających informacje lub bezpośrednio sygnałami zaworów sygnałowych. Górną warstwą schematu układu pneumatycznego stanowią zawory robocze. W elektropneumatycznych układach sterowania występuje sterowana sygnałami elektrycznymi pneumatyczna część energetyczna (napęd elektropneumatyczny) i elektryczna część sterująca. Na schematach układów elektropneumatycznych obie części przedstawiane są oddzielnie - rys. 3. a) b) Rys. 3. Elektropneumatyczny układ sterowania: a) schemat poglądowy, b) schemat właściwy 1.2. PNEUMATYCZNE ELEMENTY WYKONAWCZE Pneumatycznymi elementami wykonawczymi są: silniki pneumatyczne, inne elementy wykonawcze (chwytaki, dysze rozpylające, strumieniowe urządzenia do transportu elementów, do transportu materiałów sypkich i wiele innych). Silniki to urządzenia przetwarzające energię zasilania na energię mechaniczną ruchu liniowego lub obrotowego. Ze względu na rodzaj wykonywanych ruchów silniki pneumatyczne dzielą się na: - silniki pneumatyczne o ruchu posuwisto-zwrotnym (siłowniki pneumatyczne), - silniki pneumatyczne o ruchu obrotowo-zwrotnym (siłowniki wahadłowe), - silniki pneumatyczne o ruchu obrotowym (silniki pneumatyczne). W praktyce wykorzystuje się silniki pneumatyczne działające na wielu róŝnych zasadach. Najczęściej wykorzystywanymi silnikami o ruchu posuwisto zwrotnym są siłowniki tłokowe dwustronnego i jednostronnego działania. 4
Rys. 4. Siłownik dwustronnego działania W siłowniku dwustronnego działania (rys. 4), w wyniku doprowadzenia spręŝonego powietrza do otworu w pokrywie tylnej, tłok przesuwa się do zetknięcia się z pokrywą przednią, wypychając przy tym do atmosfery powietrze z komory podtłokowej. Aby wywołać ruch powrotny, naleŝy spręŝone powietrze doprowadzić do otworu w pokrywie przedniej, a otwór w pokrywie tylnej połączyć z atmosferą. Siłownik dwustronnego działania wykonuje ruchy w obu kierunkach pod wpływem działającego na tłok ciśnienia spręŝonego powietrza. W siłowniku jednostronnego działania (rys. 5) pod wpływem spręŝonego powietrza tłok wykonuje tylko ruch w jedną stronę; ruch powrotny dokonuje się pod wpływem spręŝyny powrotnej lub siły zewnętrznej. Siłownik jednostronnego działania ma tylko jeden otwór do wprowadzania spręŝonego powietrza w celu wywołania ruchu tłoka. Rys. 5. Siłownik jednostronnego działania: 1 - tłok, 2 - tłoczysko, 3 - spręŝyna powrotna, 4 - wkład filtrujący Wytrzymałość tłoczysk na wyboczenie ogranicza moŝliwość konstruowania siłowników o długich skokach (powyŝej 1m). W nowoczesnych urządzeniach znalazły zastosowanie siłowniki beztłoczyskowe cięgnowe, ze sprzęŝeniem magnetycznym i tzw. szczelinowe. Wadą siłowników cięgnowych (rys. 6) jest mało zwarta konstrukcja. W siłownikach ze sprzęŝeniem magnetycznym (rys. 7) elementem wprawiającym w ruch napędzany zespół jest nie związane mechanicznie z tłokiem suwadło (wózek, zabierak). Suwadło nadąŝa za tłokiem dzięki siłom przyciągania pomiędzy magnesami tłoka i magnesami suwadła. 5
a) b) Rys. 6. Siłownik beztłoczyskowy cięgnowy: a) budowa, b) widok zewnętrzny Rys. 7. Siłownik beztłoczyskowy ze sprzęŝeniem magnetycznym W siłownikach szczelinowych (rys. 8 i 9) tłok jest mechanicznie związany z zewnętrznym elementem ruchomym (wózkiem) za pomocą tzw. płetwy, przesuwającej się wraz z tłokiem i wózkiem w szczelinie cylindra. Wyeliminowanie tłoczyska umoŝliwia konstruowanie siłowników o bardzo duŝych skokach do kilkunastu metrów. Zaletą siłowników beztłoczyskowych jest niezmienność gabarytów w róŝnych fazach pracy. Rys. 8. Siłownik beztłoczyskowy szczelinowy budowa wewnętrzna 6
Rys. 9. Siłownik beztłoczyskowy szczelinowy widok zewnętrzny Do wywoływania ruchów postępowych oprócz siłowników tłokowych wykorzystuje się szereg innych rodzajów siłowników. Na rys. 10 pokazano tzw. siłowniki workowe, wykorzystywane jako podnośniki. Ze względu na duŝą powierzchnię, na którą działa ciśnienie, umoŝliwiają one wytwarzanie bardzo duŝych sił. Są to siłowniki jednostronnego działania. Pneumatyczne materace przeciwodleŝynowe są zespołem wielu miniaturowych siłowników workowych. Rys. 10. Siłowniki workowe Siłownikami jednostronnego działania są takŝe tzw. pneumatyczne muskuły rys.11, umoŝliwiające uzyskiwanie kilkakrotnie (6 8 razy) większych sił ciągnących niŝ siłowniki tłokowe o takich samych średnicach. Znalazły one zastosowanie do unoszenia duŝych cięŝarów na niewielkie wysokości, a takŝe jako napęd do wywoływania ruchów w sprzęcie rehabilitacyjnym. 7
Rys. 11. Pneumatyczny muskuł Najczęściej wykorzystywanymi pneumatycznymi silnikami o ruchu obrotowozwrotnym, zwanymi takŝe siłownikami wahadłowymi, są siłowniki z przekładnią zębatą (rys. 12) i z obrotowym tłokiem (rys. 13). Zakres obrotu wału wyjściowego takich siłowników jest mniejszy niŝ 360 0. Rys. 12. Schemat i widok siłownika wahadłowego z przekładnią zębata Rys. 13. Schemat i widok siłownika wahadłowego z tłokiem obrotowym Do napędu obiektów wirujących lub wymagających wykonania wielu obrotów wykorzystuje się pneumatyczne silniki o ruchu obrotowym. W praktyce znalazły zastosowanie silniki działające na wielu róŝnych zasadach, osiągające róŝne prędkości obrotowe i róŝne moce. Na rys. 14 przedstawiono budowę silnika łopatkowego, wirującego w jednym tylko kierunku (nienawrotnego). 8
Rys. 14. Pneumatyczny silnik łopatkowy nienawrotny Oś wirnika silnika łopatkowego jest przesunięta względem osi cylindra tak, Ŝe wirnik styka się z wewnętrzną powierzchnią cylindra wzdłuŝ tworzącej w pobliŝu otworu wlotu spręŝonego powietrza. SpręŜone powietrze, działając na powierzchnię łopatki wystającej z wirnika, wywołuje obrót wirnika. Siła odśrodkowa powoduje docisk łopatek do wewnętrznej powierzchni cylindra, uszczelniając komory międzyłopatkowe. Po osiągnięciu przez łopatkę maksymalnego wysunięcia, objętość komory przed łopatką zmniejsza się i następuje wydmuch zuŝytego powietrza do atmosfery. Rys. 15 przedstawia silnik łopatkowy nawrotny kierunek wirowania zaleŝy od miejsca doprowadzenia do silnika spręŝonego powietrza. Rys. 15. Pneumatyczny silnik łopatkowy nawrotny Silniki łopatkowe osiągają prędkości obrotowe w granicach 20 000 30 000 obr./min. W praktyce są one wykorzystywane wraz z przekładnią redukującą obroty, zwykle dziesięciokrotnie, na wyjściu której uzyskuje się odpowiednio zwiększony moment napędowy. Takie zespoły napędowe, ze względu na ich małe gabaryty i masę, a przy tym duŝy moment napędowy, wykorzystywane są do napędu ręcznych narzędzi przemysłowych rys. 16. Znacznie wyŝsze obroty niŝ silniki łopatkowe, dochodzące do 50 000 obr./min., osiągają pneumatyczne silniki turbinowe (rys. 17), które znalazły zastosowanie w napędach wysokoobrotowych precyzyjnych szlifierek i wiertarek dentystycznych. Specjalne wykonania silników turbinowych umoŝliwiają osiąganie prędkości obrotowych do 500 000 obr./min. 9
Rys. 16. Wkrętak pneumatyczny z silnikiem łopatkowym i planetarną przekładnią redukcyjną Rys. 17. Pneumatyczny silnik turbinowy: 1 oś wirnika, 2 wirnik, 3 wylot do atmosfery, 4 wlot spręŝonego powietrza 1.3. PNEUMATYCZNE ELEMENTY STERUJĄCE Urządzenia sterujące energią czynnika roboczego w układach pneumatycznych oraz wytwarzające i przetwarzające sygnały pneumatyczne nazywają się ogólnie zaworami. Ze względu na spełnianą funkcję, zawory pneumatyczne moŝna podzielić na: - zawory sterujące kierunkiem przepływu, - zawory sterujące natęŝeniem przepływu, - zawory sterujące ciśnieniem. Najliczniejszą grupę zaworów pneumatycznych stanowią zawory sterujące kierunkiem przepływu. Do zaworów sterujących kierunkiem przepływu naleŝą: - zawory rozdzielające, - zawory zwrotne, - zawory alternatywy (przełączniki obiegu), - zawory koniunkcji (zawory zdwojonego sygnału), - zawory szybkiego spustu, - zawory czasowe, - zawory pojedynczego impulsu, - inne. NajwaŜniejszą grupę zaworów sterujących kierunkiem przepływu stanowią zawory rozdzielające. 10
1.3.1. PNEUMATYCZNE ZAWORY ROZDZIELAJĄCE Na rys. 18 przedstawiono wykorzystanie zaworu rozdzielającego do sterowania siłownikiem jednostronnego działania. Jest to zawór przełączany (sterowany) ręcznie przez wywieranie nacisku na grzybek zaworu. Podczas gdy nie jest wywierany nacisk na grzybek (mówi się, Ŝe jest to stan normalny zaworu) rys. 18a, pod działaniem spręŝyny tłoczek zaworu zajmuje lewe skrajne połoŝenie. W tym połoŝeniu otwór zaworu, do którego doprowadzone jest zasilanie jest zamknięty; komora siłownika poprzez dwa otwory w zaworze połączona jest z atmosferą siłownik jest wycofany. Pod wpływem nacisku na grzybek zaworu, tłoczek zajmuje pozycję jak na rys. 18b. W pozycji tej ciśnienie zasilania przedostaje się do komory siłownika; tłoczysko siłownika wysuwa się, pozostając wysunięte do chwili zwolnienia nacisku na grzybek zaworu i jego powrotu do połoŝenia normalnego. a) b) Rys. 18. Wykorzystanie zaworu rozdzielającego do sterowania siłownikiem jednostronnego działania: a) zawór nie włączony, b) zawór włączony Otwory w korpusie zaworu, do których doprowadza się zasilanie i przez które przepływa powietrze do siłownika lub uchodzi do atmosfery nazywane są drogami zaworu. Zatem zawór rozdzielający na rys. 18 jest zaworem trójdrogowym. Ze względu na cel uŝycia zaworu powodowanie wysunięcia lub wycofania tłoczyska siłownika, istotne są tylko dwa skrajne połoŝenia tłoczka zawory (mówi się w skrócie połoŝenia zaworu): połoŝenie normalne osiągane przy braku zewnętrznego oddziaływania i połoŝenie pod wpływem nacisku zewnętrznego (pod wpływem sygnału wejściowego). Dlatego mówi się, Ŝe zawór rozdzielający na rys. 18 jest zaworem dwupołoŝeniowym. 11
Trzecią cechą określającą zachowanie zaworu rozdzielającego jest liczba tzw. połoŝeń stabilnych połoŝeń, które moŝe osiągać zawór przy braku sygnałów sterujących. Zwór na rys. 18, gdy na niego nie działa sygnał wejściowy, zajmuje jedno połoŝenie, jest więc zaworem monostabilnym. Określając główne cechy tego zaworu mówi się, Ŝe jest to sterowany ręcznie, trójdrogowy, dwupołoŝeniowy zawór monostabilny lub skrótowo: sterowany ręcznie, monostabilny zawór 3/2. Symbol zaworu składa się z tylu kratek ile zawór ma połoŝeń. W prawej kratce przy symbolicznym oznaczeniu spręŝyny (rys. 18) wrysowane są połączenia pomiędzy drogami w normalnym połoŝeniu zaworu. Drogi zaworu - otwory do przepływu spręŝonego powietrza, do których prowadzą przewody pneumatyczne są umownie numerowane. Numery tych dróg i symbole doprowadzonych do nich przewodów umieszcza się tylko przy jednej kratce symbolu, zwykle przedstawiającej połączenia pomiędzy drogami w normalnym stanie zaworu. W drugiej kratce wrysowane są połączenia pomiędzy drogami uzyskane pod wpływem sygnału sterującego; z lewej strony tej kratki umieszcza się symbol wyraŝający sposób sterowania w tym przypadku jest to symbol sterowania ręcznego. Chcąc na podstawie symbolu rozpoznać połączenia pomiędzy drogami zaworu uzyskane pod wpływem sygnału sterującego, naleŝy myślowo przesunąć kratkę przedstawiającą te połączenia w miejsce kratki z ponumerowanymi drogami. Do sterowania siłownikiem dwustronnego działania niezbędny jest zawór z drogami przyłączanymi do obu komór siłownika, np. zawór czterodrogowy jak na rys. 19. Rys. 19. Wykorzystanie zaworu rozdzielającego monostabilnego do sterowania siłownikiem dwustronnego działania Na rys. 20 pokazane są symbole róŝnych zaworów rozdzielających bez oznaczeń sposobów sterowania. 12
Rys. 20. Symbole zaworów rozdzielających monostabilnych z numeracja dróg (przyłączy) W przypadku wykorzystania zaworów monostabilnych, aby utrzymać zawór w stanie przełączonym, naleŝy ciągle utrzymywać sygnał wejściowy. Inaczej zachowują się zawory bistabilne rys. 21. Zawór bistabilny, po przełączeniu i zaniku sygnału sterującego, pod wpływem którego został przełączony, pozostaje przełączony do chwili pojawienia się drugiego sygnału wejściowego. Zawory bistabilne mają dwa sygnały sterujące (wejściowe). Rys. 21. Wykorzystanie zaworu rozdzielającego bistabilnego do sterowania siłownikiem dwustronnego działania Zawory rozdzielające mogą być sterowane: - siłą mięśni (ręcznie lub noŝnie), - mechanicznie, - pneumatycznie, - elektrycznie, - w sposób mieszany. Wykorzystanie do sterowania siłownikiem (lub innym elementem wykonawczym) zaworu rozdzielającego sterowanego siłą mięśni lub mechanicznie jako zaworu roboczego (jak na rys. 18, 19 i 21), nazywa się sterowaniem bezpośrednim. PoniewaŜ na ogół zawory robocze musza mieć znaczne gabaryty aby mogły przez nie przepływać odpowiednio duŝe strumienie powietrza, sterowanie nimi wymaga uŝycia znacznych sił. Dlatego częściej tworzy się układy sterowania pośredniego rys. 22, w których roboczymi zaworami rozdzielającymi są zawory sterowane pneumatycznie, lub w przypadku układów elektropneumatycznych - zawory sterowane elektrycznie. W układach sterowania 13
pośredniego elementami operatorskimi są przystosowane do przełączania pod wpływem niewielkich sił zawory sygnałowe lub w układach elektropneumatycznych przekaźniki wejściowe. a) b) Rys. 22. Układy sterowania pośredniego: a) siłownikiem jednostronnego działania, b) siłownikiem dwustronnego działania Na rys. 23 pokazano przykładowe zawory rozdzielające sterowane mechanicznie. Najczęściej są to normalnie zamknięte trójdrogowe, dwupołoŝeniowe zawory monostabilne, wykorzystywane jako zawory sygnałowe, np. do sygnalizacji pozycji tłoczyska siłownika. W szczególnych przypadkach zawory te mogą być wykorzystywane jako zawory robocze: zawory 3/2 do sterowania siłownikami jednostronnego działania, zawory 4/2 do sterowania siłownikami dwustronnego działania. Rys. 22. Przykłady zaworów sterowanych mechanicznie 14
W praktyce wykorzystuje się wiele róŝnych zaworów rozdzielających sterowanych pneumatycznie. Na rys. 23 pokazano zawór sterowany pneumatycznie o tzw. konstrukcji gniazdowej. Rys. 23. Monostabilny, sterowany pneumatycznie zawór rozdzielający 3/2: a) symbol, b) zawór w stanie normalnym (do otworu 1 doprowadzone jest ciśnienie zasilania), c) zawór przełączony sygnałem sterującym wprowadzonym do wejścia sterującego 12 Na rys. 24 pokazano sterowany pneumatycznie tulejowo-gniazdowy bistabilny zawór 5/2. Sygnały sterujące doprowadzane są do otworów 14 i 12. Zawór ten jest przeznaczony głównie do sterowania sygnałami pneumatycznymi; w sytuacjach awaryjnych moŝe być takŝe sterowany ręcznie za pomocą wystających na zewnątrz popychaczy. Mówi się, Ŝe jest to zawór sterowany w sposób mieszany. Zawory gniazdowe charakteryzują się małym skokiem elementu sterującego kierunkiem przepływu. Inną grupą konstrukcyjną zaworów rozdzielających są zawory suwakowe. Na rys. 25 pokazano sterowany pneumatycznie suwakowy bistabilny zawór 5/2. Rys. 24. Tulejowo-gniazdowy bistabilny zawór rozdzielający 5/2 sterowany w sposób mieszany (pneumatycznie i ręcznie) 15
Rys. 25. Symbol i schemat suwakowego bistabilnego zaworu rozdzielającego 5/2, sterowanego pneumatycznie Otwory zaworu, do których wprowadza się sygnały sterujące, przyjęto oznaczać numerami dwucyfrowymi rys. 26. Przykładowo, numer wejścia 12 wskazuje, Ŝe pod wpływem sygnału wprowadzonego do tego wejścia droga 1 (zasilanie) zostanie połączona z drogą 2. Rys. 26. Sposób oznaczania wejść sygnałowych w zaworach rozdzielających W elektropneumatycznych układach sterowania, rozdzielającymi zaworami roboczymi są zawory sterowane elektrycznie. Przykład monostabilnego zaworu 3/2 sterowanego elektrycznie i dodatkowo ręcznie pokazano na rys. 27. W stanie normalnym (kiedy przez cewkę elektromagnesu nie płynie prąd) ruchomą zworę dociska spręŝyna do wylotu otworu zasilania; wyjście 2 zaworu jest połączone poprzez drogę 3 z atmosferą. Kiedy przez cewkę elektromagnesu płynie prąd (istnieje sygnał sterujący), zwora jest przyciągana do otworu odpowietrzającego, zamyka wylot do atmosfery i otwiera połączenie wyjścia 2 z zasilaniem 1. Elektryczny sygnał wejściowy, wytwarzając siłę działającą na element przełączający zaworu, wywołuje ruch tego elementu; mówi się, Ŝe jest to sterowanie elektryczne bezpośrednie. Na rys. 28 pokazano zawór sterowany elektrycznie pośrednio. W tym zaworze siły elektromagnesów nie działają na element przełączający zaworu tylko sterują tzw. zaworami wspomagającymi, które otwierają lub zamykają dopływ zasilania do komór sterujących zaworu głównego. Suwak zaworu przemieszcza się pod wpływem pneumatycznych sygnałów wyjściowych zaworów wspomagających. 16
Rys. 27. Sterowany elektrycznie i ręcznie monostabilny zawór rozdzielający 3/2 Rys. 28. Sterowany elektrycznie pośrednio bistabilny zawór rozdzielający 5/2 1.3.2. INNE ZAWORY STERUJĄCE KIERUNKIEM PRZEPŁYWU (ZAWORY SPECJALNE) 1.3.2.1. ZAWORY ZWROTNE Zawory zwrotne (rys. 29) umoŝliwiają przepływ czynnika roboczego tylko w jednym kierunku. Rys. 29. Budowa i symbol zaworu zwrotnego 17
1.3.2.2. ZAWORY ALTERNATYWY (PRZEŁĄCZNIKI OBIEGU) Zawory alternatywy realizują funkcję LUB dwóch sygnałów wejściowych. UmoŜliwiają wytworzenie jednego sygnału sterującego na podstawie sygnału pochodzącego z któregokolwiek z dwóch elementów sygnałowych. Celowość wykorzystania w układzie zaworu alternatywy wyjaśnia rys. 31. Rys. 30. Budowa i symbol zaworu alternatywy a) Rys. 31. Rysunek wyjaśniający celowość wykorzystania zaworu alternatywy W układzie na rys. 31 zawór roboczy 1V1 powinien być przełączony sygnałem zaworu sygnałowego 1S1 lub zaworu 1S2. Na rys. 31a (bez zaworu alternatywy) sygnał wyjściowy zaworu 1S1 nie moŝe przełączyć zaworu roboczego, poniewaŝ powietrze z kanału łączącego zaworów sygnałowych zawory 1S1 i 1V1 ucieka do atmosfery poprzez zawór 1S2. W przypadku zastosowania zaworu alternatywy (rys. 31b) układ działa zgodnie z załoŝeniem. 1.3.2.3. ZAWORY KONIUNKCJI (ZAWORY ZDWOJONEGO SYGNAŁU) Zawory koniunkcji realizują koniunkcję dwóch sygnałów wejściowych wytwarzają sygnał wyjściowy (na wyjściu 2) tylko w przypadku istnienia obu sygnałów wejściowych. Celowość wykorzystania zaworu koniunkcji ilustruje rys. 33. W układzie na tym rysunku siłownik moŝe zostać uruchomiony zaworem sygnałowym 1S1 tylko wtedy, kiedy takŝe włączony jest zawór 1S2. Zatem sygnał sterujący zaworem roboczym 1V1 jest koniunkcją sygnałów wytwarzanych przez zawory 1S1 i 1S2. Taki sam sygnał moŝna uzyskać bez uŝycia zaworu koniunkcji, łącząc szeregowo zawory sygnałowe 1S1 i 1S2. 18
Rys. 32. Budowa i symbol zaworu koniunkcji Rys. 33. Rysunek wyjaśniający celowość wykorzystania zaworu koniunkcji 1.3.3. PNEUMATYCZNE ZAWORY STERUJĄCE NATĘśENIEM PRZEPŁYWU Podstawowymi rodzajami zaworów sterujących natęŝeniem przepływu są : - zawory dławiące, - zawory dławiąco-zwrotne. Zawory sterujące natęŝeniem przepływu wykorzystuje się przede wszystkim do sterowania prędkością ruchu elementów wykonawczych. RozróŜnia się zawory dławiące przepływowe do instalowania w przewodach pneumatycznych (rys. 34) i wypływowe do instalowania na wylotach do atmosfery (rys. 35). Sposoby wykorzystania zaworów dławiących do sterowania prędkością siłownika wyjaśnia rys. 36. Jak widać, w przypadku wykorzystania czterodrogowego zaworu roboczego, prędkości tłoczyska siłownika podczas ruchu w obu kierunkach będą zbliŝone; w przypadku wykorzystania zaworu pięciodrogowego moŝna ustawiać róŝne prędkości dla kaŝdego kierunku. Rys. 34. Zawór dławiący nastawny przepływowy (do instalowania w przewodzie) 19
Rys. 35. Zawór dławiący nastawny wypływowy (do instalowania na wylocie do atmosfery) Rys. 36. Sterowanie prędkością tłoka siłownika za pomocą zaworów dławiących wypływowych Zawory dławiąco-zwrotne realizują połączenie funkcji zaworu dławiącego i zaworu zwrotnego. Przykładowe rozwiązanie konstrukcyjne zaworu dławiąco-zwrotnego pokazano na rys. 37. Rys. 37. Schemat, symbol i widok zaworu dławiąco-zwrotnego Rys. 38. Działanie zaworu dławiąco-zwrotnego 20
Sterowanie prędkością siłownika z wykorzystaniem zaworów dławiących (rys. 36) stosuje się jeŝeli rozdzielający zawór roboczy jest konstrukcyjnie zespolony z siłownikiem. Zwykle do sterowania prędkością wykorzystuje się zawory dławiąco-zwrotne, usytuowane pomiędzy zaworem rozdzielającym a siłownikiem rys. 39. Rys. 39. Metody wykorzystania zaworów dławiąco-zwrotnych Stosuje się dwie metody sterowania prędkością siłownika z wykorzystaniem zaworów dławiąco-zwrotnych: tzw. układ z dławieniem na dopływie, zalecany w przypadku bardzo małych siłowników i układ z dławieniem na wypływie, stosowany w pozostałych przypadkach. W układzie z dławieniem na dopływie dławione jest powietrze dopływające do komór siłownika; w układzie z dławieniem na wypływie dławione jest powietrze wypływające z jednej lub drugiej komory siłownika do atmosfery. Dławienie na wypływie zapewnia lepszą płynność ruchów siłownika. 21
2. PRZEBIEG ĆWICZENIA Zadanie 1 Dla podanych układów napędowych zaprojektować układy sterujące odpowiednio pneumatyczne albo elektropneumatyczne zapewniające, Ŝe chwilowe naciśnięcie przycisku A powoduje wysunięcie tłoczyska siłownika, a naciśnięcie przycisku B - wycofanie tłoczyska. Zrealizować układy na odpowiednich stanowiskach. Zadanie 2 Zmodyfikować układy z zadania 1 tak, Ŝeby po wysunięciu tłoczyska następował jego samoczynny powrót (zamiast przycisku B naleŝy zastosować odpowiedni zawór pneumatyczny sterowany mechanicznie krzywką umieszczoną na tłoczysku siłownika albo, w przypadku układów przekaźnikowych, odpowiedni przekaźnik bezdotykowy lub sterowany mechanicznie). Zadanie 3 Dla układów napędowych wg rys. a) i d) z zad. 1 zaprojektować odpowiednio układ pneumatyczny oraz przekaźnikowy, który po naciśnięciu przycisku A spowoduje, Ŝe tłok siłownika będzie wykonywał ruchy od jednego skrajnego połoŝenia do drugiego, a po wciśnięciu przycisku B zatrzyma się gdy osiągnie pozycję początkową (tłoczysko wsunięte). Zrealizować układy. 22
Zadanie 4 Zaprojektować pneumatyczny oraz przekaźnikowy układ sterowania dwoma siłownikami zapewniający po naciśnięciu przycisku X kolejno: wysunięcie tłoczyska pierwszego siłownika (siłownika A), wysunięcie tłoczyska drugiego siłownika (siłownika B), wycofanie tłoczyska siłownika A, wycofanie tłoczyska siłownika B. Zrealizować układy. Zadanie 5 Zaprojektować pneumatyczny oraz przekaźnikowy układ sterowania dwoma siłownikami zapewniający po naciśnięciu przycisku X kolejno: wysunięcie tłoczyska pierwszego siłownika (siłownika A), wysunięcie tłoczyska drugiego siłownika (siłownika B), wycofanie tłoczyska siłownika B, wycofanie tłoczyska siłownika A. Zrealizować układy. 3. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać schematy zrealizowanych układów. 4. LITERATURA Olszewski M. i in.: Mechatronika. REA, Warszawa 2002 Szenajch W.: Napęd i sterowanie pneumatyczne. WNT, Warszawa 1992 Stawiarski D.:Urządzenia pneumatyczne w obrabiarkach i przyrządach. WNT, Warszawa 1975 Urządzenia i systemy mechatroniki. Część 1. Wyd. REA, Warszawa 2009. Praca zbiorowa pod red. M. Olszewskiego 23