MEHATRONIKA. Robert HARB

Velikost: px
Začni prikazovanje s strani:

Download "MEHATRONIKA. Robert HARB"

Transkripcija

1 MEHATRONIKA Robert HARB PTUJ, september 2006

2 Avtor: Robert HARB Recenzenta: Anton BEOVIČ, dr. Martin TERBUC

3 Robert HARB, MEHATRONIKA Predgovor študentom: Skripta je namenjena študentom, ki se izobražujejo v tehniških poklicih, pa tudi vsem tistim, ki jih področje avtomatizacije zanima. Zahvaljujem se g. Zupančiču - ICA d.o.o. FESTO DIDACTIC, za uporabo slikovnega gradiva. Nikogar ne moreš nič naučiti, Lahko mu samo pokažeš pot, Da bo sam odkril Robert HARB 3

4

5 Robert HARB, MEHATRONIKA KAZALO VSEBINE 1. UVOD Osnovne značilnosti mehatronike Kaj je mehatronika? Hiter vpogled v mehatroniko Mehatronika pri izdelavi Mehatronika v izdelku Uvod v mehatroniko Pojem kibernetike in avtomatizacije Pojem informacije Kibernetika Informacija in avtomatizacija Informacija Avtomatizacija Sistem Stanje sistema Vstopne in izstopne veličine Nosilci informacij Pomnilnik Vrste signalov Krmilna tehnika Regulacijska tehnika DIGITALNA LOGIKA Digitalni signal Digitalni-binarni signali Digitalni - desetiški sistem Številski sestavi (M) Binarni številski sestav Oktalni številski sestav Heksadecimalni številski sestav BCD kod in uporaba v krmiljih Kombinacijska logika Logične funkcije Logična zgradba krmilnih vezij Elementi zveze in funkcije Logična funkcija IN (AND) Logična funkcija ALI (OR) Logična funkcija NE (NOT) Logična funkcija NIN (NAND) kombinacija funkcij IN in NE Logična funkcija NALI (NOR) kombinacija funkcij ALI in NE ALI in NE Časovni členi Skrajševanje dolgih pulzov

6 Robert HARB, MEHATRONIKA Podaljševanje kratkih pulzov Premaknitev pulza Stikalna (boolova) algebra Minimizacija (M) Primer poenostavljanja s pomočjo pravil Boolove algebre Primer poenostavljanja s pomočjo grafičnih metod Veitchev diagram Dodatni primeri poenostavljanje z Veitchevim diagramom Vprašanja iz kibernetike in binarne logike FLUIDNA TEHNIKA Osnovni izrazi in definicije Osnovne merske enote Krmilna tehnika v fluidni tehniki Energetski del krmilja Informacijski del krmilja PNEVMATIKA Tlak - osnovni izrazi Zunanji tlak, nadtlak in absolutni tlak Lastnosti stisnjenega zraka Prednosti stisnjenega zraka Pomanjkljivosti stisnjenega zraka Priprava zraka Vlažnost zraka in sušenje Absorbcijsko sušenje Adsorbcijsko sušenje Sušenje z ohladitvijo Enote za pripravo zraka Filter Regulator tlaka Naoljevalnik Pretočna zmogljivost enote za pripravo zraka (M) Poraba zraka Kapaciteta kompresorja Omrežje - določitev premera cevovodov Kriteriji za izbiro kompresorja Velikost rezervoarja (tlačne posode) Tesnost Pnevmatične delovne komponente (aktuatorji) Delovne komponente za linearne gibe Enosmerni valj Dvosmerni valj Linearni pogon (Brezbatični valj) Tandemski dvosmerni valj Večpoložajni dvosmerni valj Mehast valj Pnevmatska mišica Delovne komponente za rotacijske gibe Zasučna enota z zobato letvijo Zasučna enota z zasučnim krilom Zasučno-linearna enota Pnevmatične krmilne komponente Potni ventili - krmilniki poti

7 Robert HARB, MEHATRONIKA Simbolika potnih in drugih ventilov Ločevanje potnih ventilov glede na fizično izvedbo Ločevanje potnih ventilov glede na število priključkov in položajev Ločevanje potnih ventilov glede na način proženja Ločevanje potnih ventilov glede na stanje mirovnega položaja Ločevanje potnih ventilov glede na obstojnost preklopljenega položaja Protipovratni ventili Tlačni ventili Regulacijski tlačni ventili Omejevalni tlačni ventili Sekvenčni tlačni ventili Tokovni ventili Zapirni ventili Pnevmatične procesne komponente Pnevmatični logični element ALI Pnevmatični logični element IN Pnevmatični časovni členi Pnevmatični člen za zakasnitev vklopa Pnevmatični člen za zakasnitev izklopa Pnevmatični člen za podaljševanje pulza Pnevmatični člen za krajšanje pulza Pnevmatične sheme Standard ISO Priporočila za risanje pnevmatičnih (hidravličnih) shem Označevanje pnevmatičnih (hidravličnih) shem Odkrivanje napak v vezjih: Diagram pot-korak Načrtovanje zaporednih (koračnih) krmilij Kaskadna minimalna metoda Kaskadna maksimalna metoda Taktna veriga (M) Vprašanja iz pnevmatike ELEKTROPNEVMATIKA Krmilna veriga v elektropnevmatiki Načini krmiljenja Električne komponente za oddajanje signalov Osnovni tipi kontaktov v elektrotehniki Zapiralni kontakt v normalnem stanju odprt Odpiralni kontakt v normalnem stanju zaprt Menjalni kontakt Časovno odvisni kontakti Načini aktiviranja kontaktov Fizično aktiviranje Mehanično aktiviranje kontaktov Brezdotično aktiviranje kontaktov Magnetični mejni signalnik (reed-ov kontakt) Induktivni mejni signalnik (induktivni senzor) Kapacitivni mejni signalnik (kapacitivni senzor) Optični mejni signalnik (senzor) Električne sestavine za obdelavo signalov Rele Samodržna vezava releja Kontaktor Elementi za pretvorbo električnih signalov v pnevmatične signale Elektropnevmatične sheme (M)

8 Robert HARB, MEHATRONIKA Primerjava izvedb logičnih funkcij z pnevmatičnimi in električnimi elementi Vprašanja iz elektropnevmatike HIDRAVLIČNA KRMILJA Zgodovinski razvoj oljne hidravlike Področje uporabe Stacionarna hidravlika Mobilna hidravlika Letalska hidravlika Lastnosti naprav na hidravlični pogon Prednosti: Slabosti: Teoretične osnove hidromehanike Fizikalne lastnosti tekočin Gostota Stisljivost Hidrostatika Hidrostatični tlak Tlak Hidravlično pretvarjanje sil ( Princip hidravlične stiskalnice ) Pretvornik tlaka Hidrodinamika Enačba kontinuitete Hidravlična energija Bernoullijeva enačba Hidravlični udar Kavitacija Hidravlični tok Hidravlične tekočine tlačne tekočine Hidravlične naprave in vezalni plan Zasnova hidravlične naprave Zaključek Vzdrževanje hidravličnih naprav in sistemov Vzroki okvar Nečistoče v hidravličnem sistemu Nedopustna delovna temperatura Prisotnost plinov v hidravličnem sistemu Vzdrževanje hidravličnih sistemov Poznamo naslednje vrste vzdrževanja Tekoče vzdrževanje: Preventivno vzdrževanje: Obnova hidravličnega sistema Generalno popravilo hidravličnega sistema Grafične vizije T P M Zaključek Vprašanja iz hidravlike Literatura

9 Robert HARB, MEHATRONIKA KAZALO SLIK Slika 1.1: Kibernetika in avtomatizacija Slika 1.2: Obdelava informacij pri človeku Slika 1.3: Kibernetski sistem Slika 1.4: Kibernetski sistem Slika 1.5: Vstopne in izstopne veličine Slika 1.6: Zgradba krmilja Slika 1.7: Primer predstavitve fizične spremenljivke z različnimi oblikami informacij Slika 1.8: Krmilna zanka Slika 1.9: Primer krmilne zanke za vrtljivo ploščo Slika 1.10: Primer krmilne zanke Slika 1.11: Regulacijska zanka Slika 1.12: Primer regulacijske zanke za vrtljivo ploščo Slika 1.13: Regulacijska zanka za primer Slika 2.1 Primer stikala Slika 2.2: Ponazoritev analognega in digitalnih signalov Slika 2.3: Simbol in časovni diagram skrajševanje pulzov Slika 2.4: Simbol in časovni diagram podaljševanje pulzov Slika 2.5: Simbol in časovni diagram premaknitve pulza Slika 2.6: Primer stikalne algebre Slika 3.1: Merske enote za tlak in temperaturo Slika 3.2: Pnevmatično krmilje Slika 3.3: Blok-shema (grafična predstavitev krmiljenja) Slika 3.4: Primer hibridnega krmilja - hidravlika in relejna tehnika Slika 4.1: Tlačna področja z osnovnimi izrazi Slika 4.2: Diagram nasičenja zraka z vlago v odvisnosti od T,p Slika 4.3: Absorbcijsko sušenje Slika 4.4: Adsorbcijsko sušenje s siliko-gelom Slika 4.5: Sušenje zraka z ohladitvijo Slika 4.6: Enota za pripravo zraka Slika 4.7: Filter zraka Slika 4.8: Regulator tlaka Slika 4.9: Naoljevanje po principu Venturijeve cevi Slika 4.10: Naoljevalnik Slika 4.11: Diagram za ugotavljanje pretočne zmogljivosti Slika 4.12: Pnevmatično omrežje Slika 4.13: Skica omrežja Slika 4.14: Nomogram za določanje premera cevi Slika 4.15: Kompresorji Slika 4.16: Tlačna posoda Slika 4.17: Izgube zraka zaradi netesnosti Slika 4.18: Enosmerni valj Slika 4.19: Sile na enosmernem valju Slika 4.20: Dvosmerni valj Slika 4.21: Nastavljivo končno dušenje v valju Slika 4.22: Sile na dvosmernem valju - gib naprej Slika 4.23: Uravnavanje hitrosti batnice z dušenjem zraka Slika 4.24: Uporaba hitroodzračevalnega ventila Slika 4.25: Sile na dvosmernem valju - gib nazaj Slika 4.26: Priporočeni načini pritrditve valjev Slika 4.27: Linearni pogon

10 Robert HARB, MEHATRONIKA Slika 4.28: Tandemski dvosmerni valj Slika 4.29: Princip delovanja tandemskega dvosmernega valja Slika 4.30: Večpoložajni dvosmerni valj Slika 4.31: Princip delovanja večpoložajnega dvosmernega valj Slika 4.32: Mehasti valj Slika 4.33: Princip delovanja mehastega valja Slika 4.34: Pnevmatska mišica Slika 4.35: Princip delovanja pnevmatske mišice Slika 4.36: Zasučna enota z zobato letvijo Slika 4.37: Zasučna enota z zasučnim krilom Slika 4.38: Zasučno linearna enota Slika 4.39: 3/2 sedežni ventil s kroglico Slika 4.40: 5/2 vzdolžni drsni ventil Slika 4.41: Primeri simbolov potnih ventilov Slika 4.42: Načini aktivacije potnih ventilov Slika 4.43: Ločevanje potnih ventilov glede na osnovno stanje ventila Slika 4.44: Monostabilni ventil s tipko Slika 4.45: Pnevmatsko krmiljen bistabilni ventil Slika 4.46: Delovanje 3/2 potnega ventila Slika 4.47: Delovanje 5/2 potnega ventila Slika 4.48: Protipovratni ventil Slika 4.49: Simbol omejevalnega tlačnega ventila Slika 4.50: Simbol sekvenčnega tlačnega ventila Slika 4.51: Dušilni ventil - dušilka Slika 4.52: Dušilno protipovratni ventil Slika 4.53: Zapirni ventil Slika 4.54: Pnevmatični logični element ALI Slika 4.55: Primer uporabe ventila ALI Slika 4.56: Pnevmatični logični element IN Slika 4.57: Primer uporabe ventila IN Slika 4.58: Delovanje pnevmatičnega člena za zakasnitev vklopa Slika 4.59: Delovanje pnevmatičnega člena za zakasnitev izklopa Slika 4.60: Delovanje pnevmatičnega člena za podaljševanje pulza Slika 4.61: Delovanje pnevmatičnega člena za krajšanje pulza Slika 4.62: Nivoji v pnevmatičnih shemah Slika 4.63: Primer pnevmatične sheme z označenimi nivoji Slika 4.64: Način označevanja pnevmatičnih komponent Slika 4.65: Primer strukture označevanja pnevmatičnih komponent Slika 4.66: Primer označene pnevmatske sheme Slika 4.67: Pnevmatična shema za zgled Slika 4.68: Diagram pot-korak za zgled Slika 4.69: Primer logičnega pogojevanja v diagramu pot-korak Slika 4.70: Pnevmatična shema za zgled Slika 4.71: Diagram pot-korak za zgled Slika 4.72: Pojav škarjastega signala v 1. koraku Slika 4.73: Pojav škarjastega signala v 3. koraku Slika 4.74: Diagram pot-korak Slika 4.75: Zapis logičnih enačb 1. korak Slika 4.76: Zapis logičnih enačb 2. korak Slika 4.77: Zapis logičnih enačb 3. korak Slika 4.78: Jedro pnevmatične sheme pri minimalni metodi Slika 4.79: Pnevmatična shema po minimalni metodi Slika 4.80: Zapis logičnih enačb pri maksimalni metodi 1. korak Slika 4.81: Zapis logičnih enačb pri maksimalni metodi 2. korak Slika 4.82: Primer taktne verige Slika 4.83: Primer taktne verige z dodatnimi delovnimi členi Slika 4.84: Modul tipa A Slika 4.85: Modul tipa B Slika 4.86: Izvedba taktne verige s tremi moduli A in enim B ( za 4 korake) Slika 5.1: Pnevmatični krmilni sistem

11 Robert HARB, MEHATRONIKA Slika 5.2: Elektropnevmatični krmilni sistem Slika 5.3: Elektropnevmatične komponente Slika 5.4: Zapiralni kontakt Slika 5.5: Odpiralni kontakt Slika 5.6: Menjalni kontakt Slika 5.7: Simboli časovno odvisnih kontaktov Slika 5.8: Simboli fizičnega aktiviranja kontaktov Slika 5.9: Mejna signalnika z drsečim kontaktom in s sprožilnim kontaktom Slika 5.10: Primer simbola brezdotičnega mejnega signalnika (optičnega) Slika 5.11: Reed-ov kontakt Slika 5.12: Magnetični brezdotični mejni signalnik (reed-ov kontakt) Slika 5.13: Induktivni brezdotični mejni signalnik Slika 5.14: Kapacitivni brezdotični mejni signalnik Slika 5.15: Optični brezdotični mejni signalnik Slika 5.16: Principi delovanja optičnih mejnih signalnikov Slika 5.17: Stične površine kontaktov releja Slika 5.18: Shema releja z načinom priključitve Slika 5.19: Princip delovanja releja Slika 5.20: Primer simbola za rele Slika 5.21: Primer izvedbe releja Slika 5.22: Časovni rele z zakasnilno karakteristiko Slika 5.23: Časovni rele s prekinitveno karakteristiko Slika 5.24: Simboli relejev Slika 5.25: Vezava s prevladujočim vklopom in vezava prevladujočim izklopom Slika 5.26: Konstrukcijska izvedba kontaktorjev in princip delovanja Slika 5.27: Izvedba kontaktorja Slika 5.28: Simboli kontaktorjev Slika 5.29: Primer monostabilnega in bistabilnega elektromagnetnega ventila Slika 5.30: Simbol za elektromagnetni ventil v pnevmatični in električni shemi Slika 5.31: Primer označene pnevmatične sheme Slika 5.32: Primer označene električne sheme Slika 5.33: Elektropnevmatična shema za krmiljenje enosmernega valja Slika 5.34: Elektropnevmatična shema za monostabilno krmiljenje enosmernega in dvosmernega valja Slika 5.35: Elektropnevmatična shema za bistabilno krmiljenje enosmernega in dvosmernega valja Slika 5.36: Realizacija osnovnih logičnih funkcij s pnevmatičnimi in električnimi komponentami Slika 5.37: Realizacija dodatnih logičnih funkcij s pnevmatičnimi in električnimi komponentami Slika 6.1: Pretvorba in prenos energije v hidravliki Slika 6.2: Primer mobilne in stacionarne hidravlike Slika 6.3: Delitev hidrodinamike Slika 6.4: Hidravlična naprava Slika 6.5: Spremembe stanja tekočine Slika 6.6: Primeri hidrostatičnega tlaka Slika 6.7: Neodvisnost hidrostatičnega tlaka Slika 6.8: Pascalov zakon Slika 6.9: Pascalov zakon v okrogli posodi Slika 6.10: Diagram sile, tlaka in premera hidravličnega bata Slika 6.11: Obratno sorazmernost hidravlične stiskalnice Slika 6.12: Prikaz delovanja hidravlične stiskalnice Slika 6.13: Pretvornik tlaka Slika 6.14 Prikaz prostorninskega toka v cevovodu Slika 6.15: Kavitacija Slika 6.16: Laminarni in turbulentni tok Slika 6.17: Zgradba hidravlične naprave Slika 6.18: Vnos signalov pri hidravlični napravi Slika 6.19: Funkcijski plan delovanja delovne naprave

12 Robert HARB, MEHATRONIKA KAZALO TABEL Tabela 1.1: Stanje bolnika Tabela 2.1: Logična zgradba krmilnih vezij Tabela 2.2: Položaj stikal in žarnice ter ustrezno logično stanje Tabela 2.3: IN logična funkcija Tabela 2.4: ALI logična funkcija Tabela 2.5: NE logična funkcija Tabela 2.6: NIN logična funkcija Tabela 2.7: NALI logična funkcija Tabela 3.1: Kriteriji za izbiro med električno, hidravlično in pnevmatično obliko prenosa energije in moči Tabela 4.1: Vsebnost vode pri absolutnem tlaku 1 bar Tabela 4.2: Premer por filter vložka Tabela 4.3: Vrednosti za ekvivalentno dolžino cevi v metrih Tabela 4.4: Efektivne zmogljivosti in tlačna območja kompresorjev Tabela 4.5: Vrednosti razmerja tlakov α Tabela 4.6: Vrednosti za V s pri nadtlaku tlaku 6 bar Tabela 4.7: Označevanje priključkov Tabela 5.1: Označbe priključkov releja Tabela 5.2: Tabela označb v pnevmatičnih in električnih shemah Tabela 6.1: Vrednosti tlakov v stacionarni hidravliki Tabela 6.2: Gostota tekočin Tabela 6.3: Vrednosti modula stisljivosti

13 1. UVOD 1.1 Osnovne značilnosti mehatronike Mehatronika je nov način razmišljanja v načrtovanju izdelkov in sistemov, ki omogočajo integracijo precizne mehanike, elektronike, avtomatskega vodenja in informatike v osnovni proces načrtovanja, namesto da bi iskali inženirske rešitve za vsako zahtevo posebej. Trend trga delovne sile zahteva povezovanje znanj strojništva, elektrotehnike, avtomatike, informacijskih tehnologij, ekonomije in menagementa, tehniškega varstva okolja ter jezika inovativnosti in kreativnosti. Kmalu nobena sodobna proizvodnja ne bo več mogla delovati brez strojev, ki delujejo s pomočjo elektronskih krmilnih sistemov in brez avtomatiziranih linij. V mehatronskem načinu načrtovanja spoznamo sistem kot celoto in s tem dosežemo večjo kvaliteto, zanesljivost in funkcionalnost izdelka ob njegovi nižji ceni. S pridobljenimi znanji bodo diplomanti zanimivi za trg dela, saj bodo znali uporabljati znanja iz osnovnih inženirskih disciplin pri obravnavanju kompleksnih razvojnih in tehnoloških problemov, znali bodo načrtovati in krmiliti razvojni in proizvodni proces, se naučili delati v timu in, kar je pomembno, znali reševati probleme v predpisanem času. Strokovnjak mehatronik ni mišljen kot ozek specialist v svoji stroki, ampak kot multidisciplinarno izobražen strokovnjak. Kaj je mehatronika? Definicija mehatronike: Mehatronika je celota osnovnih znanj, postopkov in tehnik, za vzdrževanje, proizvodnjo in razvoj strojev, naprav in postrojev. Zato je mehatronika interdisciplinarna tehniška disciplina, grajena na osnovnih klasičnih tehniških vedah strojništva (mehanizmi, precizna mehanika, strojegradnja ), elektrotehnike (elektronike ), avtomatskega vodenja (regulacije), računalništva in informatike (slika 1.1 ). Interdisciplinarnost, oziroma povezava vseh prej naštetih komponent mehatronike, nam daje večjo kvaliteto izdelka, zanesljivost, funkcionalnost in tudi nižjo ceno, kot jo imajo izdelki grajeni s klasičnimi znanji samo strojništva ali elektrotehnike itd. 1.2 Hiter vpogled v mehatroniko 20. stoletje označuje velik tehnološki in znanstveni napredek. Začelo se je z razvojem kompleksnih, natančnih in hitrih produkcijskih strojev v industriji, in nadaljevalo s prodiranjem elektronike in informatike v industrijo, s ciljem povečati avtomatizacijo. Industrijska evolucija je naredila nov korak, saj je z razvojem mikroprocesorjev in njihovo vsesplošno uporabnostjo, z nanotehnologijo ter razvojem programskih orodij, omogočila uresničitev izdelave zahtevnih in kompleksnih sistemov, ki so bili tudi ekonomsko upravičeni. Konec stoletja je označilo spoznanje, da je potrebno zliti različne tehnologije, še posebej mehaniko, elektroniko in informacijsko tehnologijo oziroma inteligentno računalniško vodenje (kar nekako simbolno prikazuje slika 1.1), v eno, sinergijsko zaokroženo celoto. Slika 1: Definicija mehatronike 12

14 Mehatronika povezuje vedenje klasičnih disciplin v smislu funkcionalnosti novih izdelkov, ki jo dosegamo z računalništvom in informatiko. Ime definirata»meha«, ki se nanaša na tehnične komponente in»tronika«, ki ima pomen inteligentnega vodenja postopkov. V proizvode in sisteme, ki jih sestavljajo mehanski in elektronski deli ali sklopi, so vključeni senzorji za zapis informacij, mikroprocesorji, ki dajejo informacijo o procesu in analizirajo informacije. TEHNOLOGIJE FINANCE MANAGMENT STROJNIŠTVO ELEKTRONIKA RAČUNALNIŠTVO IZOBRAŽEVANJE PRAKSA MARKETING Slika 2 : Elementi mehatronike V tehniki zagotovo ni več področja, ki bi si ga lahko predstavljali brez računalniško podprtih sistemov, morda ne računalnik v klasični obliki, pač pa je vezje ki je vgrajeno v sistem, relativno majhnih dimenzij. Lahko je to otroška igrača, mobilni telefon, kamera, CNC stroj, avtomobil, robot. Nov pogled na sodobne naprave, ki so sposobne hitrega prilagajanja zahtevam in doseganju maksimuma učinkov s pomočjo nadzora in upravljanja z računalnikom ob minimalnih stroških, je privedel do t.i. obdobja mehatronike ali»mechatronics age«. Kjerkoli iščemo zapise o mehatroniki, zasledimo besede očeta mechanism elektronicsa ali danes imenovane mehatronike, Japonca Yaskawe, ki označujejo pomembnost mehatronike takole:»tovarne, ki uporabljajo to tehnologijo niso tovarne prihodnosti, temveč tovarne s prihodnostjo.«in čeprav šole niso tovarne v smislu proizvajanja in trženja izdelkov oprijemljive vrednosti, so pa še vedno tiste organizacije, ki proizvajajo znanje, ki bi naj služilo sodobnemu času. Ime mehatronika se je pojavilo v 70-ih letih prejšnjega stoletja na Japonskem. Zgledi mehatronskih izdelkov so proizvodi kot so video kamere, moderni fotokopirni stroji, uporabniško in okoljevarstveno prijazni novi pralni stroji, avtomobili na električni pogon. Dejansko posegajo moderni mehatronski izdelki v vse pore naše tehnične civilizacije, kot so: kemična procesna industrija, kovinskopredelovalna industrija, tekstilna industrija. Nadaljnje raziskave podobnih primerov novih proizvodov nam pokažejo, da mehatronika ne predstavlja samo sinergije znanj klasičnih disciplin, ampak omogoča zasnovo, načrtovanje in gradnjo funkcionalno novih proizvodov. Razvoj mehatronskih izdelkov je shematsko predstavljen na sliki 1.2. Enako pomembna, kot je kvalitetna, cenena in pravočasna produkcija v tovarni, je tudi pravilno in trenutni ekonomski situaciji prilagojeno načrtovanje izdelka, kakor tudi marketing, oziroma tržna raziskava po kakšni ceni, ob kakšni kvaliteti in kdaj bo tržišče absorbiralo izdelek. 1.3 Mehatronika pri izdelavi V izdelovalni industriji si želijo produkcijskih sistemov, ki bi bili možni hitrega prilagajanja tržnim pogojem in visoki produktivnosti. Obstajata dva načina: ročna izdelava, ki je ob dobri delovni sili zelo fleksibilna (prilagodljiva) vendar počasna in s tem draga, masovna avtomatizirana produkcija pa je nefleksibilna ampak hitra in cenena. Mehatronski pristop k reševanju tega problema je, da naredi masovno avtomatizirano proizvodnjo lažje preprogramabilno, kar se da doseči z uvedbo računalnikov, distribuiranih regulatorjev, razvito računalniško komunikacijo itd. Zahteva po povečani fleksibilnosti izdelavnega procesa je vodila do 13

15 razvoja fleksibilnega izdelavnega sistema (angl. Flexible Manufacturing system - FMS), katerega sestavni elementi so: CNC stroji, roboti in mobilni roboti (angl. Automated guided vehicle - AGV). Ti elementi povezani med seboj izdelujejo v proizvodnem procesu grupo izdelkov (vsi možni izdelki, ki jih lahko izdeluje zaključeno postrojenje FMS). Komunikacija med posameznimi elementi FMS je vspostavljena preko lokalnega področja mrež (angl. Local Area Nwetwork - LAN). Z naraščajočo avtomatizacijo oziroma razširitvijo FMS ja narašča tudi potreba po komunikacijah med elementi FMS-ja. Tako so se znotraj LAN-a razvili še dodatni protokoli, kot so protokol izdelavne avtomatizacije (angl. Manufacturing Automation Protocol - MAP), protokol tehniških pisarn (angl. Technical Office Protokol - TOP), standard povezave med odprtimi sistemi (angl. Open System standard - OSI) in regulirano področje mrež (Controlled Area Network - CAN). Slika 3 prikazuje sistem hierarhije komunikacij znotraj FMS-ja. 1.4 Mehatronika v izdelku Ločimo dve vrsti mehatronskih izdelkov: Slika 3 : sistem hierarhije komunikacij znotraj FMS-ja. 1. Izdeleku zaradi mehatronskega pristopa izboljšamo lastnosti in zmanjšamo ceno: avtomatski menjalniki v avtomobilih (zmanjšanje emisij plinov, zaščita pred napako voznika itd), kamere (avtomatska nastavitev fokusa), vrtalniki (nastavitev momenta vrtanja, reguliran pospešek, hitrost vrtanja itd). 2. Popolnoma nov izdelek, ki ga brez mehatronskega pristopa sploh ne bi bilo mogoč zgraditi: modularni roboti (konvencionalni roboti so omejeni s svojo geometrijo, modularni roboti pa uporabniku omogočajo izbiro dimenzij posameznih osi robota, kot jim ustreza. Seveda mora biti robotski krmilnik dovolj»inteligenten«, da spozna spremembo v konfiguraciji robota. Slika 4 prikazuje celico modularnega robota.), avtopiloti, video in CD player-ji 14

16 Slika 4 : celica modularnega robota 15

17 1.5 Uvod v mehatroniko Pojem kibernetike in avtomatizacije Izvor imena izhaja iz starogrškega jezika (KIBERNETIKE TEHNE) in pomeni veščino krmarjenja, krmilno spretnost. Krmilimo lahko: ladjo, letalo, vesoljsko plovilo, avto, Slika 1.1: Kibernetika in avtomatizacija napravo za uravnavanje gladine v parnem kotu, gospodarstvo države, gibanje vojaških enot, itd. Za vse vrste krmiljenja veljajo neke osnovne skupne zakonitosti, te obravnavamo kot novo znanost- kibernetiko. 1.6 Pojem informacije V zadnjih desetletjih se je posebno razvila veja tehnike, ki se ukvarja z obdelavo informacij. To področje tehnike smo v preteklosti kar enačili z pojmom avtomatizacija, v novejšem času pa s pojmom računalniške tehnike. Pojem»avtomatizacija«združuje področja, kot so: krmilna tehnika, regulacijska tehnika, tehnika prenosa informacij, merilna tehnika in področje strojne obdelave informacij (z računalniki). 16

18 Kot uvodni primer si oglejmo obdelavo informacij pri človeku. O človeku, ki ima nadpovprečno veliko znanja in veliko ve, govorimo, da je»dobro informiran«. S tem smo se dotaknili nekega procesa, ki mu je človek izpostavljen od rojstva dalje: postopka obdelave informacij. Kot kaže slika 1.2, pritekajo v človeka informacije prek njegovih petih čutov. Človek po nekih zakonih te informacije»obdela«in si jih hkrati zapomni, uskladišči. Po potrebi jih lahko spet»odpokliče«, ne da bi pri tem informacije»izbrisal«, to je izgubil iz spomina. Na osnovi teh informacij deluje človek kot osebnost na svojo okolico in sicer z govorom, gibanjem in mimiko. Človek deluje na okolico, jo obdeluje, le-ta pa deluje spet nazaj nanj. Tokokrog je zaključen in stalen. Slika 1.2: Obdelava informacij pri človeku 1.7 Kibernetika je znanost, ki povezuje številne, zelo različne znanstvene panoge, raziskuje zakonitosti regulacijskih procesov, prenašanje informacij in njihove obdelave pri strojih, organizmih in družbah, razcvet je doživela po letu 1984 z razvojem avtomatizacije in nove tehnološke revolucije. stoji na idejah in metodah, ki ima naslednje cilje: ugotoviti važna dejstva, splošna za vse upravljalne sisteme. Kot v vsaki teoriji so podatki o dejstvih njen najvažnejši sestavni del kot osnova za postavljanje hipotez, ustvarjanje teorij in utrjevanje zakonitosti, pokazati omejitve, ki so značilne za upravljalne sisteme in ugotoviti njihovo poreklo, ugotoviti splošne zakone, kakršnim so podvrženi upravljalne sisteme, pokazati na poti uporabe dejstev in zakonitosti, ki ustvarjajo teorijo zaradi praktične dejavnosti človeka. Teorija sama po sebi namreč ne zagotavlja 17

19 rešitev neposredno uporabnih nalog. Zato je potrebno zgraditi most med teorijo in uporabnimi metodami reševanja nalog in pri tem upoštevati specifične lastnosti določenih vrst upravljalnih sistemov. Zato imamo tehnično kibernetiko, ekonomsko, biološko 1.8 Informacija in avtomatizacija Informacija pomeni razlago, pojasnitev, sporočilo, samo pojem informacije običajno predstavlja obstoj dveh objektov: vira informacije in njenega porabnika, informacijo od vira do uporabnika prenaša signal (npr. zvok, svetloba, elektromagnetno valovanje, spremenljiva električna napetost, ), ki ima za uporabnika vedno nek smisel, če ga le-ta pozna Avtomatizacija je obdelava informacij v tehniki, pojem avtomatizacije združuje področja kot so: krmilna tehnika, tehnika prenosa informacij, merilna tehnika in področje strojne obdelave informacij (računalništvo) Sistem sistem (združitev, celota) je celotni kompleks med seboj povezanih enot, ki ima določeno zgradbo in je v medsebojnem stiku z okolico (npr. ladja), sisteme je potrebno obravnavati in opazovati v njihovem gibanju in razvoju, kajti le tako lahko ugotovimo tiste njihove lastnosti, ki so pomembne za prilagajanje spreminjajoči se okolici (za varno plovbo je zelo pomembno, kako hitro lahko krmilo spremeni smer plovbe ladje, da z njo ne zadenemo v čeri ali neprevidnega plavalca), stabilnost je lastnost teles, ki se kaže v njihovi delovni sposobnosti ali celo možnosti dolge življenjske dobe, kibernetika ne proučuje vse sisteme, temveč samo upravljalne sisteme. Pri upravljanju izberemo med množico možnih gibanj tisto, ki je najustreznejše. Pri tem moramo upoštevati povezavo sistema z okoljem (npr. ladja), kibernetski sistemi niso izolirani, temveč so v medsebojnem vplivanju z okolico, lahko pa so tudi le del bolj zapletenega upravljanega sistema, značilna lastnost upravljanega sistema je sposobnost, da spreminja svoje gibanje in prehaja v različna stanja pod vplivom različnih delovanj (npr. ladja), vsak kibernetski sistem označuje lastnosti tistih delov, ki ta sistem sestavljajo, in povezave danega sistema z okolico. 18

20 interakcija z okoljem meja sistema sistem okolje komponenta relacija med komponentama interakcija z okoljem okoljem Slika 1.3: Kibernetski sistem Kaj je sistem? sistem je množica komponent, ki jih vežejo medsebojne relacije in relacije z okoljem, sistem ima določeno notranjo strukturo, ki je določena z napravami, enotami komponentami in relacijami, vsaka komponenta ima določene značilnosti, relacije z okoljem predstavljajo interakcijo komponent z okoljem, interakcije se odražajo v izmenjavi materije, energije ali informacij, kaj je zunaj sistema in kaj je znotraj sistema opredeljujejo meje sistema, ki ločijo sistem od okolja, relacijam iz okolja, ki imajo vpliv na posamezne komponente sistema, pravimo vhodi v sistem u(t), relacijam, ki vplivajo na okolje, pa pravimo izhodi iz sistema x(t). Slika 1.4: Kibernetski sistem 19

21 1.8.4 Stanje sistema Stanje sistema je množica velikosti veličin, ki določajo njegovo obnašanje. Te veličine nam omogočajo primerjanje stanj posameznih sistemov ali stanja istega sistema v raznih trenutkih: če naštevamo velikosti veličin, ki določajo stanje sistema v določenih trenutkih in dajo seznam njihovih vrednosti, lahko niz stanj sistema predstavimo tabelarično (npr. stanje bolnika). To nam prikazuje tabela 1.1. stanje sistema pa lahko ponazorimo tudi grafično. če stanje sistema določajo le tri veličine, ga lahko opišemo s točko v tridimenzionalnem prostoru. Datum in čas Temperatura ( C) Krvni tlak (kpa) največji najmanjši ob 9 h 37,8 25,33 16, ob 9 h 37,6 24,00 16, ob 9 h 37,4 22,66 12, ob 9 h 37,0 22,00 12, ob 9 h 37,1 23,33 13, ob 9 h 37,6 24,00 13, ob 9 h 37,5 22,66 12, ob 9 h 37,1 21,33 12, Vstopne in izstopne veličine Tabela 1.1: Stanje bolnika Na vsak sistem deluje množica raznih zunanjih delovanj, vendar vsa niso bistvena. Iz množice vseh delovanj na sistem izberemo samo tista, ki bistveno vplivajo na stanje sistema pri reševanju nalog. Ta zunanja delovanja imenujemo vstopne veličine ali vstopna delovanja, elemente sisteme, na katere delujejo vstopna delovanja, pa vhode sistema. Delovanje sistema na okolico označujejo vrednosti njegovih izstopnih veličin. Množica izstopnih veličin in njegovih sprememb kaže obnašanje sistema (omogočajo zunanjemu opazovalcu, da ocenjuje skladnost gibanja sistema s cilji upravljanja). Spremembe vstopnih veličin praviloma povzroči spremembo izstopnih veličin. Vendar se izstopne veličine ne spremene vedno takoj, včasih celo z zamudo. V nobenem primeru pa ne morejo prehiteti spremembe vstopnih veličin. Te so namreč vzrok, izstopne veličine pa posledica gibanja sistema. Pri reševanju nalog razlikujemo dve vrsti vstopnih veličin: a) upravljalna 20

22 b) motilna delovanja. Med upravljalne veličine štejemo tiste, ki jih sami izbiramo glede na gibanje sistema, ki ga upravljamo. Motilna delovanja pa so druga delovanja na sistem (npr. vpliv vetra). Vhodne veličine INPUT x(+) - zaznamujejo vpliv okolice na sistem. Izhodne veličine OUTPUT y(+) - zaznamujejo vpliv sistema na okolico. Motnje Z(t) - so nepredvideni vplivi okolice na sistem. Motilne veličine Z1 Z2 Zn X1 X2 Xn Vhodne veličine SISTEM Izhodne veličine Y1 Y2 Yn Slika 1.5: Vstopne in izstopne veličine 1.10 Nosilci informacij Nosilce informacij imenujemo SIGNALI, to pa so lahko: zvok, svetloba električni tok, toplota, barve, liki, Signal je fizikalna upodobitev nekega sporočila in je nosilec informacije, ki gre v obdelavo. Signale lahko prenašamo: na razdalje (povezujemo prostorsko ločene objekte), shranjujemo in jih prenašamo s časom (možna je povezava časovno ločenih objektov). Pri tehničnih krmiljih posredujemo informacijo preko dajalnikov signalov. To so lahko: končno stikalo, fotocelica, tahometrični generator, termometri Vsi ti zajemajo informacijo o neki fizikalni veličini (lega, svetlobni tok, vrtilna hitrost, temperatura ) in jo v obliki nekega ustreznega signala posredujejo (transportirajo) navadno oddaljeni krmilni enoti v nadaljnjo obdelavo. Vsebuje tri osnovne postopke: MERITEV vhodnih veličin z namenom dobiti informacije o stanju teh veličin, OBDELAVO teh informacij z namenom dobiti odločitev, IZHOD UKAZOV za delovanje na priključen upravljalni sistem z namenom nekaj doseči. Tako kot posreduje pri človeku njegovih pet čutov informacije o vhodnih veličinah, moramo tudi pri tehničnih krmiljih posredovati informacijo, in sicer prek 21

23 dajalnikov signalov. Takšni dajalniki so npr. končna stikala, fotocelice, termoelementi, itd, ki zajemajo informacijo o določenih fizikalnih veličinah (lego, svetlobni tok, vrtilno hitrost, temperaturo) in jo v obliki ustreznega signala posredujejo krmilni enoti v nadaljnjo obdelavo. V1 V2 D1 D2 Vhodi Obdelava signalov Okolje O1 Izhodi I1 Slika 1.6: Zgradba krmilja Zgradba krmilja: V- vhodne veličine D dajalnik signalov I izhodne veličine O ojačevalnik izhodnega signala 1.11 Pomnilnik Ker moramo pogosto povezovati časovno ločene sisteme, moramo imeti v kanalih zvez rezervoarje pomnilnike, kjer bi lahko hranili sporočilo (informacijo ali signal). Za ohranitev sporočila je potrebno pretvoriti realne signale, ki se menjajo glede na prostor in čas v sled signala, ki ni odvisen od časa. Zato potrebujemo okolico (nosilnik) sporočil, ki mora dano informacijo vzdrževati kot sled poljubno dolgo časa, ne glede na to, da je zunanji signal že izginil. Ta okolica se imenuje pomnilnik (npr. magnetni trak, fotografska plošča, ter za binarne signale luknjane kartice in trakovi, integrirana spominska vezja ) Vrste signalov Razlikujemo dve osnovni vrsti signalov: analogni (kontinuiran-nepretrgan) in digitalni (diskontinuiran). Digitalni je npr. izhodni signal končnega stikala pri dvigalu, ki s svojimi odprtimi ali sklenjenimi kontakti informira krmilno enoto, če je končna lega mehanskega giba dosežena ali ne. Izhodni signal ima lahko v tem primeru le dve vrednosti, zato je ta digitalni signal dvojiški ali binarni. Če pa bi nas zanimale tudi vse vmesne lege (položaji) tega sistema, bi morali namesto končnega stikala vzeti npr. linearni potenciometer. Drsnik potenciometra bi mehansko priključili na gibljivi sistem. Lega potenciometrovega drsnika in s tem spreminjajoča se ohmska upornost potenciometra, bi potem analogno ponazarjala lego mehanskega sistema. Potenciometer je v tem primeru dajalnik analognega signala. Analogni signal s 22

24 svojo amplitudo in predznakom časovno zvezo ponazarja veličino, ki jo hočemo zajeti. Analogni signal s svojo amplitudo in predznakom časovno zvezo upodablja veličino, ki jo hočemo obdelati. Digitalni signal, ki ponazarja števila (npr. digitalna ura) so točnejši, prednost digitalnih merjenj pa se kaže tudi pri prenosu merilne informacije na oddaljena mesta (torej vedno pri krmiljih in regulacijah). Analogni signali so namreč vedno podvrženi motilnim vplivom, ki jih napravijo več ali manj netočne, so pa prijazni za človeka in njegova čutila. Na naslednji sliki so predstavljene časovne odvisnosti analognega, digitalnega in binarnega signala. Signal - fizična spremenljivka Tlak Prikazovalnik Digitalna informacija Tlak [bar] Položaj kazalca Analogna informacija Da Ne Tlak Binarna informacija (2 stanji) Napajalni tlak Slika 1.7: Primer predstavitve fizične spremenljivke z različnimi oblikami informacij 1.13 Krmilna tehnika Pri krmiljenju sprejema krmilna naprava oz. krmilnik vhodne želene vrednosti veličin, na svojem izhodu pa daje krmilne signale za vplivanje na proces. Značilno za krmiljenje je odprt postopek delovanja. Na izhodne veličine vplivajo vhodne in motilne veličine. Motnje vnašajo v krmilni sistem napake, ki se kažejo kot odstopanje dejanske vrednosti krmiljene veličine od želene vrednosti. Torej, če se v danem trenutku pojavi motnja, njen vpliv izničimo tako, da ustrezno korigiramo želeno vrednost krmiljene veličine. 23

25 MOTNJE Želena vrednost krmiljene veličine u(t) KRMILNIK PROCES x(t) Dejanska vrednost krmiljene veličine Slika 1.8: Krmilna zanka Slika 1.9: Primer krmilne zanke za vrtljivo ploščo Na sliki 1.9 je prikazan primer krmilnega sistema pri katerem krmilimo kotno hitrost vrtljive plošče (npr. akumulatorska brusilka). Želeno vrednost kotne hitrosti predstavlja napetost, ki jo na ojačevalnik pripeljemo iz spremenljivega vira napetosti. Na primer napetost od 0V do 10V predstavlja želeno vrednost kotne hitrosti od 0 vrt./min do 1000 vrt./min. V primeru, da vrtljivo ploščo obremenimo (začnemo rezati pločevino) ob tem pa ostane želena vrednost nespremenjena, se kotna hitrost plošče zmanjša. V tem primeru nam motnjo predstavlja obremenitev. Če bi želeli, da se plošča vrti z enako kotno hitrostjo tudi po obremenitvi, bi morali povečati želeno vrednost na vhodu s katero bi kompenzirali zmanjšanje kotne hitrosti zaradi obremenitve. Slika 1.10: Primer krmilne zanke Iz slike 1.10 vidimo, da krmilni sistem nima zaključene povratne zanke s katero bi dobival informacije o tem kaj se dogaja na izhodu. Pri krmilni tehniki nastavimo želeno vrednost, ne moremo pa vedeti, če je izhod pravilen, ker ga ne merimo in ga zato ne moremo korigirati. Iz tega izhaja, da če se v procesu pojavljajo motnje, krmilje ni sposobno samodejno vzdrževati nastavljene želene vrednosti. 24

26 Krmilne zanke so uporabne za vzdrževanje vrednosti določenih veličin (hitrost, položaj,...) tam, kjer ni visokih zahtev po natančnosti in v obravnavanem procesu ni prisotnih večjih motenj Regulacijska tehnika Slika 1.11 prikazuje zgradbo regulacijske zanke. Le ta se od krmilne zanke razlikuje v tem, da dejansko vrednost regulirane veličine merimo in jo posredujemo na vhod regulacijske zanke. Vrednost odstopanja - e(t) (regulacijski pogrešek) dejanske vrednosti regulirane veličine x(t) od želene vrednosti u(t) posredujemo regulatorju. Le ta ima nalogo, da tvori takšen signal, da bo dejanska vrednost regulirane veličine čimprej in z čim manjšimi odstopanji dosegla želene vrednosti regulirane veličine. Poznamo več tipov regulatorjev, katerega izberemo pa je odvisno od vrste procesa kateremu reguliramo določene veličine, od tega kako hitro in s kakšno natančnosjo je potrebno doseči želeno vrednost, itd. Teorija regulacij je zelo obsežna tema, zato smo se na tem mestu seznanili le z bistvenim pomenom regulacijske tehnike. MOTNJE Želena vrednost regulirane veličine u(t) + _ e(t) REGULATOR PROCES x(t) Dejanska vrednost regulirane veličine MERILNA PRIPRAVA Slika 1.11: Regulacijska zanka Primer na sliki 1.12 prikazuje regulacijsko zanko z enostavnim regulatorjem. V tem primeru predstavlja regulator ojačevalec, ki ojačačuje razliko med dejansko in želeno vrednostjo kotne hitrosti. Da regulacijska zanka deluje pravilno, moramo izbrati ustrezno ojačanje ojačevalca. Če je ojačanje premajhno, regulator ne bo sposoben odpravljati vpliva motenj in nenadnih sprememb želenih vrednosti. V primeru, da je ojačenje preveliko pa bo sistem postal nestabilen v našem primeru bi to pomenilo nihanje vrednosti kotne hitrosti. 25

27 Slika 1.12: Primer regulacijske zanke za vrtljivo ploščo Slika 1.13 shematsko prikazuje regulacijsko zanko za zgoraj naveden primer. Slika 1.13: Regulacijska zanka za primer Razlika med krmilno in regulacijsko tehniko je torej ta, da pri regulacijski tehniki izhodne vrednosti merimo in z njihovo pomočjo lahko korigiramo morebitne motnje v sistemu, pri krmilni pa jih ne merimo in zato krmilna zanka ni odporna na motnje. 26

28 2. DIGITALNA LOGIKA 2.1 Digitalni signal Najpogostejši digitalni signali so: binarni in desetiški Digitalni-binarni signali So največkrat v uporabi. Amplituda binarnega signala ima v nekem času lahko samo eno od dveh možnih vrednosti: ENA (1) je, obstaja in NIČ (0) ni, ne obstaja. Stanja lahko ponazorimo tudi z ustreznima legama kontakta električnega stikala: stikalo je vklopljeno (ENA) in stikalo je izklopljeno (NIČ). Druge vmesne možnosti ni. Sprememba binarnega signala iz ene vrednosti v drugo pomeni sporočilo, informacijo. Obravnavamo jo kot enoto informacije in jo označujemo z besedo»bit«. logična vrednost 100 % - 1 stikalo sklenjeno 0 % Slika 2.1 Primer stikala t stikalo razklenjeno 27

29 2.1.2 Digitalni - desetiški sistem V desetiškem (decimalnem, dekadnem) številčnem sistemu imamo deset digitalnih vrednosti, ki jih označujemo z znaki 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 in 9. Slika 2.2: Ponazoritev analognega in digitalnih signalov V krmilni tehniki, v tehniki prenosa informacij ter v računalnikih ima obdelava digitalnih signalov, točneje binarnih signalov, izrazite prednosti: Obdelava binarnih signalov je bolj zanesljiva. Ker ima binarni signal le dve vrednosti; JE (1) ali NI (0), zato informacijska vsebina signala ni odvisna od amplitude; kot je npr. pri analognih signalih, temveč le od tega, ali signal je ali pa ga ni. Obdelava binarnih signalov je bolj točna. Pri digitalnih signalih lahko odstopanje ugotovimo z enostavnim preštevanjem pulzov. Pri analognih signalih moramo že pri majhnih odstopanjih ~1% uporabiti zahtevno merilno opremo in metode. Na meritev in rezultat motilno vplivajo temperatura, nihajoča napajalna napetost, staranje sestavnih elementov Digitalne gradbene elemente lahko enostavneje zgradimo (npr. ob uporabi tranzistorjev kot stikal). Elementi delujejo v stikalnem režimu in lahko zato prenašajo večje moči. Digitalna obdelava informacij pa je žal praviloma dražja od analogne, ker onemogoča njeno univerzalno uporabo. Zato so npr. regulacijsko sistemi pretežno analogni. 28

30 2.2 Številski sestavi (M) Binarni številski sestav Elektronski elementi deluje v dveh značilnih stanjih, 0 in 1. Stanje 0 predstavlja stanje, kjer ni napetosti (ni prevajanja), stanje 1 pa predstavlja stanje, kjer je napetost (je prevajanje). Ker potrebujemo v desetiškem sestavu za prikaz vsakega števila 10 različnih stanj ali števil (cifer) kot so 0, 1, 2, 3,, 9, ta sestav ni primeren za neposredno obdelavo z elektronskimi elementi. Zato uporabljamo dvojiški ali binarni sestav, ki ima samo dve značilni stanji. Omenjeni stanji prikažemo simbolično z znakoma 0 in 1 ali 0 in L, kjer znak 0 ponazarja odprto stikalo in s tem prekinjen tokokrog ali nizko napetost na izhodu vezja; medtem ko znak 1 ali L označuje vključen kontakt oz. visok napetostni nivo na izhodu vezja. Pri napetostnih nivojih, ki označujejo logična stanja, lahko uporabljamo tudi oznako L (low) za nizek napetostni nivo, H (high) za visok napetostni nivo. Stanje 0 oziroma 1 pomeni v binarnem sestavu sporočilo in je enota binarne informacije, ki jo označujemo kot bit (binary digit). Informacijo, sestavljeno iz več bitov, imenujemo beseda; dolžina besed v sistemih za obdelavo podatkov in informacij je lahko 4, 8, 16, 32, 64 bitov. Besedo dolgo 4 bite imenujemo zlog ali nibble (nibl), besedo dolgo 8 bitov pa byte (bajt). Celo število v desetiškem sestavu, spremenimo v binarno po naslednjem primeru: Desetiško število delimo z 2 in napišemo celoštevilčni količnik in prištejemo ostanek. Ostanek je le 0 ali 1. Nato celoštevilčni količnik ponovno delimo z dve in zopet zapišemo celoštevilčni količnik ter ostanek. To ponavljamo tako dolgo, dokler ne dobimo količnik 0 ali 1. Ko je količnik 1 brez ostanka, je postopek končan; v primeru ko je količnik z ostankom 1, pa delimo ostanek z dve, kar da količnik 0 in ostanek 1. Rezultat pretvorbe v binarni številski sestav dobimo tako, da števila kot ostanke odčitamo po vrsti od spodaj navzgor. Primer spremembe desetiškega sestava v dvojiški sestav: 49(10) = (2), 49 : 2 = : 2 = : 2 = : 2 = : 2 = : 2 = (10) = (2), Primer spremembe binarnega števila v desetiški sestav: (2) = = (2) = 87(10) smer odčitka binarnega števila 29

31 2.2.2 Oktalni številski sestav Oktalni ali osmiški številski sestav ima osnovo 8 in številčne vrednosti 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Ta številski sestav rabimo le kot pomoč programerju, ne pa v neposredni obdelavi informacij v elektronskem sistemu. Binarno število spremenimo v osmiško tako, da binarni zapis razdelimo od desne proti levi v skupine po tri bite in za vsako skupino določimo vrednost v desetiškem sestavu (2) = = = = 627(8) (2) = 627(8) Osmiško število spremenimo v binarno tako, da vsakemu osmiškemu mestu priredimo tri bitno binarno število, kot vidimo na zgledu: 345(8) = = (2) 345(8) = (2) Zbiranje je mogoče opraviti tudi na pamet, zato je v veliko pomoč programerju, saj si je laže zapomniti osmiški kot binarni zapis Heksadecimalni številski sestav Heksadecimalni ali šestnajstiški sestav ima osnovo 16, števila tega sestava pa sestavljajo številke in črke, kot so: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F, dvoštevilčne oznake so zamenjane s črkami,kot so: A=10, B=11, C=12, D =13, E=14, F=15. Primer spremembe heksadecimalnega zapisa v desetiški sestav: 2A5F(16) = A F 16 0 = = A5F(16) = 11007(10) Heksadecimalni sestav je ugoden za uporabo v sistemih za krmiljenje in obdelavo informacij z besedami dolžine 4, 8, 16 bitov, kar ustreza tudi mikroračunalniškim sistemom. Ta sestav je v pomoč programerju. Binarni številski sestav spremenimo v heksadecimalni tako, da binarno število razdelimo v skupine po 4 bite od desne proti levi, kot kaže naslednji primer: (2) = = 7 5 B (2) = 75B(16) 30

32 Heksadecimalni sestav spremenimo v binarni tako, da vsaki heksadecimalni oznaki priredimo binarno število, kot kaže naslednji zgled: E3B2(16) = E 3 B 2 = = (2) E3B2(16) = (2) BCD kod in uporaba v krmiljih Binarno informacijo števil 0 in 1 imenujemo bit. Beseda z dolžino enega bita nosi samo dve informaciji in sicer 0 in 1. Beseda z dolžino dveh bitov nosi štiri informacije: Beseda z dolžino treh bitov omogoča osem različnih informacij V splošnem zapisu je števi1o informacij enako 2 n, kjer je 2 osnova binarnega sestava, n pa število bitov v besedi. Tako lahko na primer z osembitno besedo izvedemo 2 8 =256 kombinacij, kar omogoča 256 različnih pomnilniških lokacij. Če želimo binarno kodirati desetiške cifre, moramo imeti na voljo vsaj deset različnih kombinacij, zato izberemo štiri bitno besedo, ki nam omogoča 16 kombinacij, uporabimo pa jih samo10, kolikor rabimo za kodiranje 10 različnih desetiških cifer. Sistem kodiranja desetiških števil imenujemo BCD kod. Primer pretvorbe desetiškega števila v BCD kod: 2093(10) = = (BCD) Takšen način je enostavnejši za kodiranje in za dekodiranje, kot pa čisti binarni kod. Ker rabimo za kodiranje desetiških števil le deset različnih štiri bitnih kombinacij - tetrad, na voljo pa jih imamo 16, lahko izberemo poljubnih deset in tako dobimo različne kode (8421 kod, Exces-3 kod, Invertirani Exces-3 kod). 31

33 2.3 Kombinacijska logika Logične funkcije Povezavo med vhodno in izhodno veličino logičnega vezja imenujemo logična funkcija. Enostavne logične operacije pri o vezjih lahko izvedemo s tremi osnovnimi logičnimi funkcijami: logična funkcija IN ali konjunkcija, logična funkcija ALI ali disjunkcija in logična funkcija NE ali negacija. Če te funkcije realiziramo v stikalni ali polprevodniški izvedbi, dobimo: vezje IN ali konjunktivno vezje, vezje ALI ali disjunktivno vezje in vezje NE ali inverter Logična zgradba krmilnih vezij Pri krmilnih vezjih ustvarjene signale povezujemo skoraj izključno z veznimi elementi z dvema obratovalnima stopnjama. Enačba 0 1 Stikalo razklenjeno sklenjeno Tranzistor neprevoden prevoden Tabela 2.1: Logična zgradba krmilnih vezij Zaradi binarnega položaja teh gradbenih elementov lahko razvijemo krmilna vezja s pomočjo matematičnih postopkov (stikalna ali Boolova algebra). Vezne elemente označujemo s črkami, ki so drugačne kot v izgotovljenem tokovnem načrtu, stikala pa z 0 in 1. Osnovne logične operacije bodo zaradi nazornosti prikazane na preprostih električnih tokokrogih s stikali za vklop tokokroga žarnice. Za pravilno razumevanja delovanja posameznih vezij določimo položaju stikal in stanju žarnice ustrezno logično stanje 0 in 1. DELOVNO STIKALO (KONTAKT) MIROVNO STIKALO (KONTAKT) ODPRTO 0 SKLENJENO 1 SKLENJENO 0 ODPRTO 1 ŽARNICA NE SVETI 0 SVETI 1 Tabela 2.2: Položaj stikal in žarnice ter ustrezno logično stanje 32

34 2.4 Elementi zveze in funkcije Logična funkcija IN (AND) IN-funkcija ima na izhodu logična stanja 1, če so vsi vhodi 1. Ta funkcija torej ponazarja matematično operacijo množenja (1*1= 1, 1*0=0). V našem primeru je X=1, če je vhod A=1 in vhod B=1. Izvedba s stikali Simbol Algebraična Logična enačba Kombinacijskaizjavnostna tabela A B X A B X A B X Logična funkcija ALI (OR) Tabela 2.3: IN logična funkcija ALI- funkcija ima na izhodu logično stanje 1, če je vsaj eden izmed vhodov. Ta funkcija torej ponazarja matematično operacijo seštevanja (1+0=1, 0+0=0). Izhod X=1, če je A=1 ali B=1. Izvedba s stikali A Simbol Algebraična Logična enačba Kombinacijskaizjavnostna tabela B X A B 1 X X= A V B A B X Tabela 2.4: ALI logična funkcija 33

35 2.4.3 Logična funkcija NE (NOT) NE- funkcija ima na izhodu logično stanje 1, če je na vhodu logično stanje 0 in obratno. (NE zveza povzroči nasprotno stanje). Izvedba s stikali A Simbol Algebraična Logična enačba Kombinacijskaizjavnostna tabela X A 1 X A X Tabela 2.5: NE logična funkcija Logična funkcija NIN (NAND) kombinacija funkcij IN in NE Izvedba s stikali A Simbol Algebraična Logična enačba Kombinacijskaizjavnostna tabela B X A B X A B X Tabela 2.6: NIN logična funkcija Logična funkcija NALI (NOR) kombinacija funkcij ALI in NE Izvedba s stikali Simbol Algebraična Logična enačba Kombinacijskaizjavnostna tabela A B X A B 1 X A B X Tabela 2.7: NALI logična funkcija NAND in NOR bi lahko sestavili iz OR, AND in NOT vendar bi takrat bila večja zakasnitev in višja cena. Z NAND in NOR lahko realiziramo vse logične funkcije. Z AND pa lahko realiziramo samo AND, z OR pa samo OR. 34

36 2.5 Časovni členi To so v bistvu monostabilna preklopna vezja. Uporabljamo jih za skrajševanje, podaljševanje pulzov (signalov) ali za premik pulzov. Ponazarjamo jih s simboli, ki so v bistvu v pravokoten blok vrisani znaki: Poznamo tri tipe časovnih funkcij: skrajševanje dolgih pulzov, podaljševanje kratkih pulzov in premaknitev pulza Skrajševanje dolgih pulzov Če je pulz na vhodu A krajši od prednastavljenega časa t1, se na izhodu Q pojavi časovno nespremenjen pulz, v primeru, da pa je vhodni pulz daljši od časa t1, se trajanje izhodnega pulza omeji na čas t1. Slika 2.3: Simbol in časovni diagram skrajševanje pulzov Podaljševanje kratkih pulzov Če je pulz na vhodu A krajši od prednastavljenega časa t1, se na izhodu Q pojavi pulz podaljšan na čas t1, v primeru, da pa je vhodni pulz daljši od časa t1, se trajanje izhodnega pulza omeji na čas t1. Slika 2.4: Simbol in časovni diagram podaljševanje pulzov 35

37 2.5.3 Premaknitev pulza Na izhodu Q se pojavi za čas t 1 zakasnjen signal glede na začetek vhodnega signala A, traja še t 2 sekund potem, ko preneha vhodni signal A. Slika 2.5: Simbol in časovni diagram premaknitve pulza Iz tega člena izhajata še dve izpeljanki in sicer samo zakasnitev prehoda na 1 za čas t1 in samo zakasnitev prehoda na 0 za čas t Stikalna (boolova) algebra V stikalni algebri ima spremenljivka lahko dve vrednosti: 0 ali 1. Uporaba znakov in + pri stikalni algebri je enaka kot v matematiki. Izjema je le pri vhodni kombinaciji iz več signalov vrednosti 1 pri ALI zvezi: = 1. Zapisi z oklepaji: tudi tu uporabljamo enaka pravila kot pri matematiki. Pravila Boolove algebre: A = A A+ 1= 1 A+ B= B+ A A+ 0= A AB = BA A0 = 0 (A+ B) + C = A + (B+ C) = A+ B+ C A1 = A (A B) C = A (B C) = A B C A+ A = A A + (B C) = (A+ B) (A+ C) AA = A A(B + C) = (AB) + (AC) A+ A = 1 A+ B= A B AA = 0 AB = A+ B Spodnja slika prikazuje primer uporabe stikalne algebre: Slika 2.6: Primer stikalne algebre 36

38 2.7 Minimizacija (M) Če so logične funkcije zapletene jih ponavadi želimo poenostaviti in s tem pocenimo napravo, ki jo načrtujemo. Logične zapise lahko poenostavljamo: s pravili Boolove algebre zahteva nekaj spretnosti ne vemo, če je dobljeni zapis minimalen s sistematično minimizacijo grafične metode - Veitch-ev in Karnogh-jev diagram tabelarične metode - poljubno število vhodnih spremenljivk (najbolj znana je metoda Quine McCluskey za katero obstajajo računalniški algoritmi) Primer poenostavljanja s pomočjo pravil Boolove algebre X = A B+ A (B + (B C)) X = A B+ A ((B+ B) (B+ C)) X = A B+ A (1 (B+ C)) X = A B+ A (B+ C) X = A B+ A B+ A C X = B (A+ A) + A C X = B 1+ A C X = B+ A C Primer poenostavljanja s pomočjo grafičnih metod Veitchev diagram Pravila in nasveti za poenostavljanje: narišemo mrežo kvadratov, število kvadratkov je enako 2 n, kjer je n število vhodnih spremenljivk), kvadratki so razporejeni tako, da se sosednja razlikujeta le v eni spremenljivki, na rob diagrama napišemo spremenljivke, v kvadratke diagrama, ki predstavljajo posamezne dele funkcije, vpišemo enice, če je v dveh sosednjih kvadratih enica, ju lahko združimo (kot sosednje štejemo tudi kvadrate na skrajnih robovih neke vrstice ali stolpca) v skupine po 1, 2, 4, 8 ali 16 enic, 37

39 združiti moramo vse enice, pri čemer lahko isto enico uporabimo večkrat, pri tem pa težimo, da združimo čim večje število enic, združitev dveh sosednjih kvadratov eliminira spremenljivko, ki je pri enem negirana, pri drugem pa ne. Za primer vzemimo enako funkcijo kot prej: X = A B+ A (B+ B C) - narišemo mrežo z 8-imi kvadratki, saj imamo 3 spremenljivke (n= =8) in označimo spremenljivke: B A C - na podlagi podane logične funkcije vpišemo v ustrezne kvadratke logične 1: A B po zgoraj navedenih priporočilih združimo ustrezne logične 1: A C B zapišemo poenostavljeno logično enačbo: X = B+ A C Povzetek primerov: 1 Opazimo lahko, da je drugi postopek poenostavljanja (Veitchev diagram) bistveno lažji in ne zahteva toliko spretnosti kot poenostavljanje s pomočjo Boolove algebre. Slabost Veitchev-ega diagrama pa se kaže v tem, da je uporaben le do 5 vhodnih spremenljivk. C 38

40 2.7.3 Dodatni primeri poenostavljanje z Veitchevim diagramom Primer 1: Zapis logične (preklopne) funkcije iz logične tabele in poenostavitev zapisa: - izhajamo iz logične tabele, ki nam v praksi predstavlja odvisnost izhodne spremenljivke (X) od vhodnih spremenljivk (A, B, C) : A B C X iz tabele izpišemo preklopno funkcijo, ki jo vnesemo v tabelo: X= ABC + ABC + ABC+ + ABC + ABC A B C - v tabeli združimo ustrezne enice in s tem zapis poenostavimo: Primer 2: Poenostavitev zapisa s tremi vhodnimi spremenljivkami: X= ABC + ABC + ABC + ABC + ABC + ABC A A B B ali pa tako Poenostavljen izraz: C C X = A C + B C + A B X = B C + A B + A C 39

41 Primer 3: Poenostavitev zapisa s štirimi vhodnimi spremenljivkami: - logična tabela: - Veitchev diagram: A B C D X A B D C X = AB + BCD + ABCD

42 2.8 Vprašanja iz kibernetike in binarne logike 1. Nariši blok shemo za krmiljenje s povratno zvezo in pojasni princip delovanja! 2. Nariši blok shemo krmilja brez povratne zveze in pojasni princip delovanja! 3. Pojasni razliko med krmiljenjem in regulacijo! 4. Krmilje in regulacija: ( ) regulacija vsebuje povratno zanko ( ) v krmilju ne najdemo osnovne zveze ( ) krmilje vsebuje povratno zanko ( ) človeško bitje je regulator 5. S pravilnostno tabelo dokažite De Morganov izrek za konjunkcijo! A B A B A * B A * B A V B 6. Naštejte pet kibernetskih sistemov! 7. S pomočjo Boolove algebre poenostavi logično funkcijo: X = A B + A B 8. S pravilnostno tabelo dokaži De Morganov izrek za disjunkcijo! A B A B A * B A * B A V B 9. Za logično enačbo Y = A B+ BC izdelajte pravilnostno tabelo, funkcijski načrt in električno vezalno shemo! 41

43 10. Če so A, B in C izjave, ki lahko zavzamejo stanje 0 ali 1, napišite rezultate operacij: A * 0 = A * 1 = A + 1 = A + 0 = A + ( B * C ) = A * ( B + C) = 11. S pomočjo VK diagrama poenostavi logični izraz: Y = ABC + ABC + ABC 12. Iz pravilnostne tabele izpiši izjavo in jo realiziraj z logičnimi elementi: X 1 X 2 X3 Y S pomočjo VK diagrama poenostavi logično funkcijo in jo realiziraj s stikali: X=ABC+BC+AC+ABD+ADCD+BD+BCD+ACD 14. Temperatura odrezilnega noža se meri na treh mestih, T1,T2 in T3. Zvočna naprava da signal, če je temperatura presežena na dveh ali treh mestih. Za ta primer napiši logično enačbo in jo poenostavi s pomočjo VK diagrama. 15. Alarm v poslovnem prostoru se vključi vedno, kadar izven delovnega časa nekdo pride v območje vsaj enega izmed dveh IR (infrardečih) dajalnikov. Zapiši logično funkcijo v obliki pravilnostne ( izjavnostne) tabele in napiši minimalno obliko te funkcije s pomočjo VK diagrama. Delovni čas T 1 - delovni čas 0 - izven delovnega časa IR1 A 1 - nekdo je v območju 42

44 0 - nikogar ni v območju IR2 B 1 - nekdo je v območju 0 - nikogar ni v območju Alarm X 1 - vključen 0 izključen 16. Stroj ima 3 senzorje. Krmilje vklopi stroj (X), če sta senzorja A in B vklopljena, pri čemer stanje senzorja C ni pomembno in v primeru, če senzor C ni vklopljen, senzor B pa izklopljen in stanje senzorja A ni pomembno. Napiši pravilnostno (izjavnostno) tabelo in napiši minimalno obliko te funkcije (uporabi VK diagram)! 17. Avtomatska garažna vrata je možno odpreti na dva načina: kadar je stikalo za izbiro načina S v položaju 1, naj se vrata odprejo, ko magnetni senzor zazna prisotnost avtomobila pred garažo. kadar je stikalo za izbiro načina S v položaju 0, naj se vrata odprejo, ko infrardeči senzor I zazna pravilno kodiran signal iz daljinskega ključa. Stikalo za izbiro S 1 - vrata se odpirajo na signal magnetnega senzorja 0 - vrata se odpirajo na IR kodiran signal Magnetni senzor M 1 - magnetni signal za odpiranje je prisoten 0 - magnetni signal za odpiranje ni prisoten IR senzor I 1 - IR signal za odpiranje je prisoten 0 -IR signal za odpiranje ni prisoten Vrata V 1 - vrata se odprejo 0 - vrata se ne odprejo Napiši pravilnostno tabelo in enačbo minimiziraj s pomočjo VK diagrama! 43

45 3. FLUIDNA TEHNIKA 3.1 Osnovni izrazi in definicije Civilizacijski razvoj je skozi zgodovino neločljivo povezan z razvojem tehnike, pogojene z uporabo strojev, ki so že na samem začetku razvoja uporabljali dva osnovna medija za prenos energije - vodo in zrak. Področje tehnike, ki še danes uporablja ta dva elementarna in njima podobne medije, imenujemo fluidna tehnika. Za fluidno tehniko (lat. fluidus = tekoč) lahko torej rečemo, da je to področje, ki obravnava prenos energije (v tehniki prenosa moči) in informacij (v tehniki upravljanja) s pomočjo tekočin (fluidov) oz. kapljevin in plinov v hladnem stanju. Delimo jo na pnevmatiko, hidravliko in fluidiko. Izraz pnevmatika izhaja iz grške besede pneuma (dah, dih, duša). Pod tem pojmom danes obravnavamo elemente, naprave, postroje, ki za opravljanje dela uporabljajo stisnjen (komprimiran) zrak - nadtlak ali vakuum - podtlak. Beseda hidravlika izhaja iz grške besede hydor = voda in aulos = cev, kar nam da besedo hydraulikos. V skladu z definicijo predstavlja hidravlika vedo o pretvarjanju in prenosu energije in informacij s pomočjo tekočine oz. fluida pod tlakom (tlačne tekočine). Danes predstavljajo tlačne tekočine kompleksno komponento znotraj hidravličnih naprav in sistemov. Obstaja več vrst tlačnih tekočin, najpogosteje pa so uporabljene tlačne tekočine na bazi mineralnih olj. Poleg teh se pogosto uporabljajo tudi težko vnetljive tlačne tekočine (emulzije olja in vode), sintetične tlačne tekočine (poliestri, estri,itd.) in predvsem z ekološkega vidika v zadnjem času zanimive tlačne tekočine na bazi rastlinskih olj (oljna repica) ter voda. Beseda fluidika označuje posebno vejo fluidne tehnike, kjer krmilne komponente delujejo brez gibljivih delov z delovnim medijem, ki je lahko zrak, vroči plin, voda, olje ali druge tekočine (interakcija curka medija in preprek). 44

46 3.2 Osnovne merske enote Pred nadaljnjim obravnavanjem fluidne tehnike je potrebno spoznati še glavne merske enote oz. fizikalne veličine. Najpogosteje uporabljene in običajne merske enote za tlak p in temperaturo T so prikazane na sliki 3.1: Slika 3.1: Merske enote za tlak in temperaturo 3.3 Krmilna tehnika v fluidni tehniki Fluidna tehnika je tesno povezana z zakonitostmi sorodne vede - krmilne tehnike. Krmilna tehnika obravnava zakonitosti krmiljenja znotraj nekega tehničnega sistema oz. krmilja. Krmiliti pomeni voditi, upravljati, neposredno vplivati. Pod pojmom krmilje štejemo vse sestavine in elemente na stroju ali napravi, zaradi katerih stroj ali naprava deluje po vnaprej predvidenem načrtu dela. Vsako krmilje je sestavljeno iz dveh delov: energetski (močnostni) del krmilja in informacijski del krmilja Energetski del krmilja Energetski del krmilja opravlja naloge prenosa in pretvorbe energije. Glede na to ločimo: a) Naprave za prenos energije: cevi (vodi) in spoji, dušilci zvoka, rezervoarji, akumulatorji, filtri in izmenjevalniki toplote (grelci, hladilniki). b) Naprave za pretvorbo energije (mehanske v energijo fluida in obratno, električne v mehansko in obratno): črpalke, kompresorji, pnevmatični in hidravlični motorji, pnevmatični in hidravlični valji (cilindri), multiplikatorji tlaka, hidropnevmatični pretvorniki, hidrostatični prenosniki in elektromotorji, generatorji. 45

47 3.3.2 Informacijski del krmilja Skrbi za prenos informacij oz. kako naj se posamezna operacija izvrši (kdaj in kako naj se prekrmili postavitveni člen). V tem delu so realizirana in medsebojno povezana logična vezja, ki izvajajo nek program. Ta del predstavljajo pnevmatične, hidravlične ali električne enote, kot so: pnevmatični in hidravlični krmilniki - ventili, električna stikala in releji - elektropnevmatika in elektrohidravlika, (relejna tehnika), programabilni digitalni krmilniki - programska elektropnevmatika in in elektrohidravlika. Na sliki 3.2 je prikazan primer pnevmatičnega krmilja z energetskim in informacijskim delom krmilja. Pomen posameznih komponent bo pojasnjen v nadaljevanju. Slika 3.2: Pnevmatično krmilje Krmiljenje je proces, kjer informacije, ki prihajajo v nek sistem (krmilje), povzročijo ustrezen odziv sistema, kar v praksi pomeni neko delo. Na sliki 3.3 je prikazana grafična predstavitev krmiljenja v obliki blok-sheme. Slika 3.3: Blok-shema (grafična predstavitev krmiljenja) 46

48 Informacija je zaznava, sporočilo, občutek o spremembi nekega stanja in ni izmerljiva. Nosilec informacije je signal (energija), ki je lahko različnega izvora (zračni, električni, toplotni, svetlobni, zvočni,...) in katerega vrednost se lahko izmeri. V nekem sistemu lahko uporabimo več različnih signalov oz. energij; tako torej obstaja možnost za realizacijo nekega krmilja, pri katerem se izkoristijo najboljše lastnosti posamezne oblike energije (signala) s stališča gospodarnosti in tehničnih zahtev. Taka krmilja imenujemo tudi hibridna krmilja. Energijo je možno pretvoriti iz ene oblike v drugo - npr. pretvornik električne energije v tlačno energijo zraka (zračni tlak) je kar elektropnevmatični ventil. Na sliki 3.4 vidimo hibridno krmilje, sestavljeno iz energetskega hidravličnega dela in električnega (relejnega) informacijskega dela. Tako sestavljeno krmilje imenujemo elektrohidravlično krmilje (EH). Slika 3.4: Primer hibridnega krmilja - hidravlika in relejna tehnika Kriteriji za izbiro tipa energije - signalov so raznovrstni, od usposobljenosti osebja za vzdrževanje, stroškov energije, potrebnih sil pa do ekoloških vplivov, delovnih hitrosti, varnosti, ipd. Primerjava in nekaj elementarnih kriterijev za izbiro med električno, hidravlično in pnevmatično obliko prenosa energije in moči je prikazanih v tabeli

49 Oblika prenosa Ocenitveni kriteriji Električna Hidravlična Pnevmatična Vpliv okolja delno neobčutljiva vročina, mraz neobčutljiva (*) Vgradni prostor majhen velik srednje (**) Hitrost prenosa signalov svetlobna 1000 m/s hitrost zvoka Razdalja 1000 km 10 m 100 m Čas vklopa komponent ms 100 ms (***) ms Obdelava signalov digitalna analogno,digitalno digitalno, analogno Gostota energije nizka visoka nizka Hitrosti 0,3 m/s 0,001-1 m/s 0,05-2 m/s Sile 0, N 100 kn in več N Moči 200 kw in več 200 kw in več 30 kw Izkoristek 0,98 0,95 0,9 Stroški energije majhni visoki visoki * pnevmatika je zaradi vlažnosti občutljiva na mraz (rudniki) ** glede na nizke tlake velik *** s piezohidravličnim ventilom 0,5 ms Tabela 3.1: Kriteriji za izbiro med električno, hidravlično in pnevmatično obliko prenosa energije in moči Načeloma velja, da se v fluidni tehniki pri obsežnejših krmiljih v informacijskem delu uporabljajo elementi relejne tehnike (releji, stikala). Na ta način pridobimo na preglednosti vezja, hitrost signalov je večja in s tem boljše dinamične lastnosti sistema, obenem pa so padci tlaka zaradi predolgih cevi ali velikega števila dušilnih mest (kolena, T-spoji, zavoji, ipd.) manjši. Zlasti pri hidravličnih krmiljih je že pri uporabi dveh hidravličnih valjev uporaba električnega informacijskega dela skoraj obvezna. V še obsežnejših in zahtevnejših krmiljih pa informacijski del nadomestimo z elektroniko - programabilnimi krmilniki z računalniškim nadzorom. 48

50 4. PNEVMATIKA Iz zgodovine je poznana uporaba stisnjenega zraka v različne namene - kovaška ognjišča, glasbeni instrumenti, orožje, ipd. Od polovice 19. stoletja dalje se je pričela razvijati uporaba stisnjenega zraka v industrijske namene: 1861 uporaba zraka pri vrtanju predora Mont Cenis, 1876 pnevmatični poštni transport v New Yorku, 1888 v Parizu zgrajena prva centralna kompresorska postaja za potrebe delavnic in 1899 objavljeni prvi članki o uporabi stisnjenega zraka pri orodjih, strojih, livarstvu, barvanju, dvigalih, ipd. Do druge svetovne vojne je bil razvoj pnevmatičnih elementov nestandarden, prepuščen vsakemu uporabniku za lastne potrebe. S pričetkom uporabe pnevmatike v avtomatizaciji opravil pa so se pojavili prvi specializirani proizvajalci pnevmatične opreme, kar je privedlo do standardizacije elementov, velikih serij in s tem pocenitve opreme. V letih so se pojavili prvi pnevmatični elementi za zbiranje, predelavo in posredovanje informacij, kar je bistvena sestavina vede fluidike. V analogiji z elektroniko se ta del pnevmatike znotraj fluidike imenuje pnevmonika. Danes zavzema pnevmatika primarno vlogo na področju cenene avtomatizacije. Z vgradnjo elementov za obdelavo informacij (logičnih členov, senzorjev) pa pnevmatične naprave pridobijo sposobnost prilagajanja enostavnejšim spremembam v okolici (povratna zveza), s čemer pa se že lahko tako informacijsko povezan obdelovalni sistem pojmuje kot enostaven reguliran ali kibernetski sistem, ki smo ga omenjali že v uvodu. Ceneno avtomatizacijo (CA) definiramo kot skupek sredstev in metod za modernizacijo obstoječih in gradnjo novih strojev s standardnimi elementi elektrike, elektronike, hidravlike, pnevmatike in pnevmonike. Po moči in drugih fizikalnih lastnostih lahko take naprave primerjamo z ustreznimi človekovimi lastnostmi, razen z intelektualnimi. Nižja stopnja avtomatizacije meji na mehanizacijo, ki je zamenjava le za človekovo fizično moč. Višja stopnja avtomatizacije zahteva kompleksnejšo obdelavo informacij. Ravno zaradi nenehnega razvoja tehnologije, vključno z informacijsko, zgornje stopnje avtomatizacije ne moremo dokončno definirati. 49

51 4.1 Tlak - osnovni izrazi Zunanji tlak, nadtlak in absolutni tlak Tlak okolice imenujemo atmosferski tlak - p a, ki je odvisen od vremenskih pogojev in nadmorske višine. Atmosferski tlak znaša 1013,25 bar - približno 1 bar. Poznamo: absolutni tlak p abs in relativni tlak p r. Naše življenjsko okolje se razvija v absolutnemu tlaku p abs = 1 bar, kar predstavlja tlak okolice oz. atmosferski tlak pri nadmorski višini 0 m. V življenju in v merilni tehniki se zelo pogosto uporablja izraz relativni tlak. To je tlak, ki ima izhodiščno vrednost p e = 0 bar pri tlaku okolice oz. pri absolutnemu tlaku p abs = 1 bar. Kot je razvidno s slike 4.1, nastopa nad to vrednostjo nadtlak (p e + = p e = 0 bar), pod to vrednostjo pa podtlak (p e = p e = 0 bar). Največji možni podtlak p e = 1 bar. Iz tega torej sledi, da je: p abs = 0 bar = p e = - 1 bar = p e = 1 bar Relativni tlak je lahko nadtlak ali podtlak (vakuum), kjer veljajo zakonitosti, ki so izražene z enačbami: p> p a sledi p r >0.. nadtlak in p< p a sledi p r <0.. podtlak. Absolutni tlak je vsota atmosferskega in relativnega tlaka: P = p a + p r. Slika 4.1: Tlačna področja z osnovnimi izrazi 50

52 4.2 Lastnosti stisnjenega zraka Čist zrak je zmes plinov (dušik 78 %, kisik 21%, ostalo 1%), ki sestavljajo atmosfero. Kemične lastnosti so tako dokaj ugodne, saj so vse sestavine zraka razen kisika praktično inertne, pa tudi kemično aktivnost kisika se da ob pravilni izbiri gradiv in s pravilno konstrukcijo elementov bistveno zmanjšati. Kot medij za prenos tlaka oz. tlačne energije označujeta zrak predvsem dve lastnosti: visoka kompresibilnost (visoka zmožnost shranjevanja energije), majhna viskoznost (zaradi majhnega trenja v ceveh doseganje visokih hitrosti 10 do 40 m/s, pri večjih cevovodih tudi do 80 m/s) Prednosti stisnjenega zraka a) razpoložljiva količina: zrak za pogon naprav jemljemo iz ozračja brez omejitev, b) transport: stisnjen zrak se da transportirati po ceveh na večje razdalje. Pri normalno vzdrževanih cevovodih so izgube tlaka manjše od 0,4 bar/100 m, c) shranjevanje: lahko ga shranjujemo v tlačnih posodah in poljubno prenašamo. V posodi prostornine npr. 1 dm 3 ( 1 l) lahko akumuliramo energijo 850 J pri nadtlaku 5 bar in temperaturi 20 C, d) temperatura: stisnjen zrak je neobčutljiv na temperaturne spremembe, saj zagotavlja zanesljivo delovanje naprav od -60 C do 200 C, vendar le v primeru, če ne vsebuje vlage oz. kondenzatov, e) varnost: ni nevarnosti za nastanek eksplozije ali požara - predelava lesa, lakirnice, rudniki,..., f) ekologija: stisnjen zrak je čist medij (če odmislimo včasih potrebno naoljevanje) - jemljemo ga iz ozračja in ga nespremenjenega vračamo nazaj (živilska, farmacevtska, kozmetična industrija), zato odpade tudi problem staranja in čistosti medija, g) konstrukcija: delovne sestavine so konstrukcijsko enostavne in robustne, omogočajo brezstopenjsko nastavitev hitrosti (1:100) in sile (1:10), h) stisljivost zraka: omogoča delovanje sile brez porabe energije pri mirovanju, dovoljuje preobremenitev pnevmatičnih motorjev in elastičnost njihovega delovanja, h) hitrost: hitrost gibanja batnice je normalno 1-2 m/s, lahko pa dosega m/s, i) zunanji vplivi: neobčutljivost na radioaktivnost, magnetna in električna polja, onesnaženo atmosfero. 51

53 4.2.2 Pomanjkljivosti stisnjenega zraka a) draga priprava zraka: zrak mora biti čist, brez mehanskih primesi in vlage, b) stisljivost zraka: neenakomerne hitrosti batnice cilindra pri spreminjajoči se obremenitvi, problematični počasni gibi batnic, c) gospodarnost: zaradi omejitve delovnega tlaka 6 do 10 bar so potrebne velike dimenzije cilindrov za premagovanje relativno majhnih bremen, problem tesnjenja, d) šumnost: glasnost pri odzračevanju - stisnjen zrak dosega hitrost zvoka, e) naoljevanje zraka: naoljevanje zraka, potrebno zlasti pri težjih pogojih obratovanja, pomeni dodatne stroške, f) oljna megla: pri odzračevanju uhaja v atmosfero, kar je z ekološkega vidika sporno, g) občutljivost na nizke temperature: pri padcu temperature in ekspanziji zraka obstaja nevarnost zamrznitve priključkov zaradi vsebovane kondenzirane vode (kondenzata). 4.3 Priprava zraka Stisnjen zrak, ki je primeren za uporabo v pnevmatičnih pogonih, mora biti čist (očiščen prahu in drugih trdih delcev), suh in vsebovati mazalna olja v obliki oljne megle, kar je posebej pomembno za nemoteno delovanje naprav. Nadalje mora biti tlak stisnjenega zraka konstanten, neodvisno od porabe zraka v omrežju. Zaradi teh zahtev je potrebno stisnjen zrak primerno pripraviti Vlažnost zraka in sušenje Stisnjen zrak vsebuje vodo (vlago), ki je v obliki vodne pare vsebovana v ozračju in se pri tlačenju zraka v kompresorju nabere v omrežju, pri tem pa lahko povzroči korozijo ali druge motnje (zamrznitev priključkov pri nizkih temperaturah). Količina vsesane vlage je odvisna od temperature vsesanega zraka in vremenskih razmer (tlaka). Na splošno vzeto velja, da je pri večji temperaturi tudi več vlage raztopljene v zraku. Fino odstranjevanje vlage (kondenzata) se vrši v enoti za pripravo zraka, ki mora biti vgrajena neposredno pred uporabnikom. V samem pnevmatičnem cevnem omrežju pa morajo biti predvideni izločevalniki kondenzata, ki morajo biti nameščeni na najnižji točki omrežja. 52

54 Za zagotovitev dolgotrajne obstojnosti pnevmatičnega postroja, je potrebno zagotoviti dobavo suhega zraka oz. ga je potrebno sušiti. Poznamo tri postopke za sušenje zraka: absorbcija (vlaga se kemično veže s sušilnim sredstvom), adsorbcija (vlaga se zadrži na površini sušilnega sredstva) in sušenje z ohladitvijo (zrak gre skozi izmenjevalnik toplote). Iz diagrama na sliki 4.2 je razvidna največja možna vsebnost vode v zraku pri določeni temperaturi in tlaku: Slika 4.2: Diagram nasičenja zraka z vlago v odvisnosti od T,p 53

55 V tabeli 4.1 so zbrane vrednosti za vsebnost vode v g/m 3 temperature zraka in relativne vlažnosti pri tlaku p abs = 1 bar: v odvisnosti od Relativna vlažnost 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % temperatura 5 C 1 1, ,4 4,1 4,8 5,5 6, C , ,9 8, C 1,2 2,3 3,8 5,3 7 7,9 9,4 10,4 11, C 1,8 3,4 5,3 7,2 8,4 10,6 12,5 13,9 15,4 17,2 25 C 2,4 4,5 7 9, ,5 18,2 20,7 22,8 30 C 3, ,2 15, ,5 24,3 26,9 30,1 35 C 4,2 7, ,4 19,6 23,8 27,6 31, C 5, , ,9 45,6 50,7 45 C 6, , % Absorbcijsko sušenje Tabela 4.1: Vsebnost vode pri absolutnem tlaku 1 bar Stisnjen zrak prehaja skozi plast nasutega sušilnega sredstva (slika 4.3), s katerim se vlaga iz zraka kemično veže. Nastalo raztopino je potrebno izpuščati, absorbcijsko sredstvo pa zaradi porabe občasno dodajati. Z absorbcijskimi filtri je možno zračno vlažnost znižati za 10 15%. Kot absorbcijsko - sušilno sredstvo se uporablja klorkalcij, fosforjev pentoksid, Al-gel, Si-gel in aktivno oglje. Slika 4.3: Absorbcijsko sušenje 54

56 4.3.3 Adsorbcijsko sušenje Sušilna snov je ponavadi 100% silicijev dioksid v obliki zrn ali kroglic, imenovan tudi "siliko-gel". Gel na površini zadrži določeno količino vlage. Ko je z vlago površina gela nasičena, se površino regenerira z ogretim suhim stisnjenim zrakom. Zato se v praksi uporablja dve adsorbcijski napravi; z eno se zrak suši, z drugo pa regenerira, kot je prikazano na sliki 4.4: Sušenje z ohladitvijo Slika 4.4: Adsorbcijsko sušenje s siliko-gelom Zrak je potrebno ohladiti do temperature, pri kateri se vsebovana vlaga kondenzira - do temperature rosišča. Najprej se zrak nekoliko ohladi v toplotnem izmenjevalniku ter pri tem odda nekaj vlage, v hladilni komori pa se dokončno ohladi do cca. 2 C, tako da se preostala vlaga skoraj v celoti izloči (slika 4.5). Izloči se tudi del oljnih par (posledica mazanja kompresorja). Slika 4.5: Sušenje zraka z ohladitvijo 55

57 Primer: Količina vsesanega zraka: Q = 400 m 3 /h Temperatura: T = 303 K (30 C) Tlak: p abs = 1 bar Relativna vlažnost zraka: 60 % a) izračun absolutne vlažnosti (količina vode v 1 m 3 zraka): relativna vlažnost x količina nasičenja absolutna vlažnost = % b) količina nasičenja (vsebnost vode) iz tabele 4.1 je 18 g vode /m 3 zraka c) absolutna vlažnost = 10,8 g/ m 3 d) pri količini vsesanega zraka Q = 400 m 3 /h se vsesa tudi količina vlage, ki znaša 4.4 Enote za pripravo zraka 10,8 g/m 3 x 400 m 3 /h = 4320 g/h = 4,32 kg/h Zanesljivost, dolgotrajnost in natančnost delovanja pnevmatičnih naprav in komponent je v veliki meri odvisna od kvalitete stisnjenega oz. pripravljenega zraka. Zrak je ustrezno pripravljen, ko izpolnjuje določene zahteve. Biti mora: čist (brez mehanskih primesi), brez vlage (kondenza) in v tovarnah kozmetičnih, farmacevtskih in prehrambenih izdelkov brez olja (zdravstveni vidik). Da torej zrak ustreza navedenim zahtevam, ga moramo pred uporabo pripraviti v enotah za pripravo zraka (t.i."pripravne grupe"), ki so sestavljene iz filtra, tlačnega regulatorja z merilnikom tlaka in naoljevalnika. Pripravno grupo (slika 4.6) je potrebno imeti na vsakem priključku na cevno omrežje oz. pred vsako delovno napravo s pnevmatičnimi sestavinami. 56

58 Regulator tlaka Sestavljen simbol Merilnik tlaka Filter Naoljevalnik Poenostavljen simbol Slika 4.6: Enota za pripravo zraka Filter Filter opravlja naloge izločevanj mehanskih primesi in kondenza - vlage. Pri dotoku v posodo s filtrom teče stisnjen zrak skozi usmerjevalne šobe in se zaradi tega zvrtinči. Tekočinski in večji delci nečistoč odletijo zaradi centrifugalne sile ob steno posode in nato spolzijo po steni na dno (slika 4.7). Mehansko se zrak dokončno očisti s pretokom skozi porozni vložek. Ta vložek je največkrat papirnat (zamenljiv), lahko je pa tudi primeren za večkratno čiščenje (iz sintranega poroznega materiala). Glede na zahtevano stopnjo čistosti zraka so tudi določeni premeri por filterskega vložka (tabela 4.2). Čistost zraka Premer por v μm normalna fina zelo fina 5-10 Tabela 4.2: Premer por filter vložka Grobe mehanske delce odstranimo z uporabo filtrov (sita) na sesalni strani kompresorja. Uporaba filtra še ni zadosten pogoj za popolno očiščenje zraka, ampak je treba zrak že predhodno pripraviti (osušiti). Vlago se da skoraj popolnoma izločiti le s ponovnim segrevanjem zraka, pri čemer se delež vsebovane vlage ne spremeni. Če tako segreti zrak ponovno ohladimo, se vsebovana vlaga izloči. Z energetskega vidika je to drag proces (dovajanje in odvajanje toplotne energije), zato je ta postopek izločanja vlage ekonomsko upravičen le v velikih in zahtevnih industrijskih ter laboratorijskih sistemih. 57

59 Slika 4.7: Filter zraka Potrebna je redna kontrola nivoja kondenzata in pravočasni izpust, sicer v nasprotnem primeru potegne zrak kondenzat za seboj. Filterski vložek je potrebno občasno zamenjati ali očistiti. V nobenem primeru ne smemo posod filtra iz plastike prati s trikloretilenom. Navadno je filter kombiniran z regulatorjem tlaka, prigrajenim na isto ohišje Regulator tlaka Pnevmatične naprave potrebujejo za normalno delovanje predpisani, običajno nižji, konstanten delovni tlak zraka, kot je tlak zraka v omrežju, ki poleg tega tudi ni konstanten. Naloga regulatorja tlaka (slika 4.8) je vzdrževati želeni delovni tlak v napravah, neodvisno od porabe zraka in nihanja tlaka v omrežju. Regulacijo tlaka opravlja membrana (1). Z ene strani deluje na membrano delovni tlak, z druge pa vzmet (2), ki jo napenjamo z vijakom (3). Pretok zraka je odvisen od prednapetja oz. sile v vzmeti. Če porabe zraka ni, potem delovni tlak iz omrežja premaga silo vzmeti pod membrano in jo stisne. Membrana se upogne, hkrati pa potegne za sabo še bat (6), ki ga pomaga potiskati dodatna vzmet (5). Bat zapre sedežni ventil (4). Pri porabi se zniža tlak nad membrano; vzmet potisne bat navzgor, sedežni ventil se odpre. Regulacija tlaka je torej ponavljajoče se odpiranje in zapiranje sedežnega ventila v odvisnosti od sile vzmeti. 58

60 Slika 4.8: Regulator tlaka Energetske izgube pri regulaciji tlaka so občutne. Če se npr. zmanjša tlak zraka od nadtlaka 5 bar na 3 bar, se pri tem zmanjša tudi njegova energija na 81% prvotne. Pri še nadaljnem zmanjšanju tlaka na nadtlak 1 bar pa se energija zmanjša na 44% prvotne. Pri razmerju nadtlakov 5:1 se torej energija zmanjša od 100% na 44% Naoljevalnik V naoljevalniku (slika 4.9) dodajamo stisnjenemu zraku kapljice olja v obliki oljne megle, ki zagotavlja manjšo izrabo premikajočih delov, manjše trenje in zaščito pred korozijo. Tako povečamo trajnost in zanesljivost pnevmatičnih naprav. Razprševanje je izvedeno na principu Venturijeve cevi (slika 4.9). Slika 4.9: Naoljevanje po principu Venturijeve cevi Razlika tlaka p med tlakom na začetku šobe in tlakom na zoženem mestu omogoča sesanje olja iz posode. Na zoženem mestu nastane podtlak in s tem 59

61 sesalni učinek. Naoljevalnik deluje, če je pretok zraka skozi šobo dovolj velik (dovolj velik p). Pri premajhnem pretoku zraka je padec tlaka, potreben za sesanje olja iz posode, premajhen. Bogatost oz. količino oljne megle nastavljamo z regulacijskim vijakom. Za mazanje rabimo redka mineralna olja viskoznosti cca. 23 mm 2 /s pri T = 20 C. Slika 4.10: Naoljevalnik Raziskave v novejšem času so pokazale, da imajo kvalitetnejši elementi (klasični) boljših proizvajalcev brez mazanja le 15-20% krajšo življenjsko dobo, kot pa če jih mažemo. Torej je nujnost uporabe naoljevalnika tudi stvar obratovalnih pogojev naprave na pnevmatični pogon. Pomembno za vzdrževanje enote za pripravo zraka: pri prevelikem pretoku nastane velik padec tlaka in je mazanje premočno, delovni tlak ne sme presegati tlaka, za katerega je enota namenjena, plastične kozarce filtra in naoljevalnika se ne sme prati z agresivnimi topili in izpostavljati visoki temperaturi (nad 50 C) Pretočna zmogljivost enote za pripravo zraka (M) Elementi enote za pripravo zraka (predvsem filter in regulator tlaka) ovirajo pretok zraka, tako da dobimo na izhodu iz enote manjši tlak kot na vhodu. Razliko tlakov med vhodnim p 1 in izhodnim p 2 imenujemo padec tlaka p, od katerega je 60

62 odvisen tok zraka Q [ m 3 h] skozi enoto za pripravo zraka (EPZ). Tok zraka Q je tem večji, čim večji je padec tlaka p, kot je prikazano na sliki Padec tlaka p 2 - p 1 skozi EPZ mora biti najmanj tolikšen, da je zahtevani delovni tlak in količina zraka za delovanje krmilja konstantna ne glede na trenutni tok. Za stabilno delovanje krmilja je zato treba izbrati takšno velikost EPZ, ki bo izpolnjevala navedene zahteve. Za ugotavljanje toka Q v odvisnosti od p uporabljamo diagram Q - p, kjer krivulje v diagramu predstavljajo vhodni tlak p 1 (slika 4.11). Diagram je namenjen za ugotavljanje pretočne zmogljivosti EPZ s priključki R 1/8 " pri temperaturi zraka 20 C. Slika 4.11: Diagram za ugotavljanje pretočne zmogljivosti Primer: Poraba zraka v sistemu je Q = 7 m 3 /h. Kolikšen bo tlak na izhodu, če je tlak na vhodu p 1 = 6 bar? Rešitev: - iz diagrama razberemo p = 1,7 bar. Torej bo izhodni tlak p 2 = p 1 - p = 6 bar - 1,7 bar = 4,3 bar, Enota za pripravo zraka R 1/8 " povzroči izgubo tlaka za 1,7 bar. Če je ta izguba prevelika, je potrebno izbrati večjo enoto. 61

63 4.5 Poraba zraka Kapaciteta kompresorja Kapaciteta oz. zmogljivost kompresorja mora biti tolikšna, da zagotavlja v omrežju ne glede na režim dela pnevmatičnih naprav vedno zadostno količino stisnjenega zraka in seveda tudi dovolj visok tlak. Bistven dejavnik je, kot že predhodno omenjeno, dobava zraka Q [ m 3 h], imenovana tudi poraba zraka ali volumski tok zraka (tudi masni tok). V prvi vrsti moramo vedeti, kolikšna je poraba zraka v pnevmatičnih elementih (valjih, upori v ceveh, pretočna zmogljivost enote za pripravo zraka, ipd). Glede na te parametre izberemo ustrezno zmogljiv kompresor Omrežje - določitev premera cevovodov Slika 4.12: Pnevmatično omrežje Stisnjen zrak se po omrežju dovaja do porabnikov. Omrežje (slika 4.12) tvorijo vodniki, (kovinske, gumijaste ali plastične cevi), vmesni rezervoarji, izločevalniki kondenzata in ventili. Pri izvedbi omrežja je potrebno upoštevati: kovinske cevi omrežja morajo biti nagnjene pod kotom 1-2 v smeri toka zraka, navpični glavni vodi ne smejo imeti priključkov za uporabnike na koncu cevi, na koncu navpičnega voda mora biti posoda za kondenzat in ventil za izpust in odcepi morajo biti pravilno izvedeni pod čim manjšim kotom ter z zgornje strani cevi. 62

64 Pomembno za vzdrževanje omrežja: z izločitvijo vlage povečamo obstojnost vseh pnevmatičnih elementov, kot odcepa naj bo 30, radij zaokrožitve odcepa r = 5 x φ cevi in kondenzat se izpušča na najnižji točki omrežja. Pri izbiri premera cevovodov je treba posebej upoštevati tlačne izgube, ki povzročajo nižje izkoristke tlačnih naprav oz. postrojev. Ravno tako je treba upoštevati tudi potencialno dodatno povečanje porabe zraka, zato naj bo izbrani premer cevi vedno nekoliko večji od izračunanega. Izbira premera cevovodov je odvisna od: hitrosti pretakanja stisnjenega zraka (ekonomično m/s), dovoljenega padca tlaka, ki je običajno 5% delovnega tlaka, delovnega tlaka, dobave zraka porabniku, tesnosti omrežja in dolžine vodov in števila dušilnih mest (kolena, ventili,...). Pri izračunu vsako dušilno mesto nadomestimo z ekvivalentno dolžino ravne cevi, ki povzroča enak upor pretoku zraka kot dušilno mesto. Vrednosti za ekvivalentno dolžino cevi so zbrane v tabeli 4.5 in podane v metrih. Notranji premer 25 mm 40 mm 50 mm 80 mm cevi mm mm mm ventil s sedežem poševni ventil zasun 0,3 0,5 0,7 1 1,5 2 2,5 cevno koleno 90 1,5 2,5 3, cevno koleno < , ,5 10 cevno koleno r = d 0,3 0,5 0,6 1 1,5 2 2,5 cevno koleno r = 2d 0,15 0,25 0,3 0,5 0,8 1 1,5 cevna spojka "T-kos" reducirni nastavek 0,5 0, ,5 3,5 4 Tabela 4.3: Vrednosti za ekvivalentno dolžino cevi v metrih Primer: Določite premer cevi za dobavo zraka Q = 7 m 3 / min. V cevovodu sta vgrajeni 2 koleni r = d, 5 "T kosov" in 1 pretočni ventil. Delovni tlak je 6 bar. Dovoljen padec tlaka je 0,1 bar. Izgube zaradi nepopolnega tesnenja so 10%. Izvedba omrežja z dimenzijami je razvidna s skice omrežja (slika 4.13). 63

65 Slika 4.13: Skica omrežja Premer cevi določimo iz nomogama na sliki 4.14: Slika 4.14: Nomogram za določanje premera cevi 64

66 a) predpostavimo notranji premer cevovoda: b) dolžina cevi: d = 50 mm L = 10 m m + 50 m = 260 m c) ekvivalentne dolžine za dušilna mesta (iz tabele): 1 x pretočni ventil...15,0 m 2 x cevni koleni... 2 x 0,6 m...1,2 m 5 x T kosov... 5 x 4,0 m... 20,0 m d) celotna dolžina cevi: skupna ekvivalentna dolžina = 36,2 m Lc = 260 m + 36,2 m = 296,2 m e) dobava zraka - zaradi izgub pri tesnjenju je dobava povečana za 10%: Qc = 1,1 x Q = 1,1 x 7 = 7,7 m 3 / min f) iz nomograma izberemo premer cevi: izbrani notranji premer cevi d = 70 mm g) ker je velika razlika med predpostavljenim premerom cevi in izbranim premerom, postopek ponovimo z večjim premerom cevi (80 mm), h) nova ekvivalentna dolžina dušilnih mest je: 1 x pretočni ventil m 2 x cevni koleni... 2 x 1 m... 2 m 5 x T kosov... 5 x 7 m m nova skupna ekvivalentna dolžina = 62 m i) celotna dolžina cevi je: Lc = 260 m + 62 m = 322 m j) izbrani premer cevi iz nomograma je: d = 74 mm (nekoliko manjši od izbranega) k) na osnovi d = 74 mm izberemo najbližji (prvi večji) standardni premer cevi 65

67 4.5.3 Kriteriji za izbiro kompresorja Glede na dokončno določitev porabe zraka Q se izbere ustrezni kompresor. Pri izbiri ustreznega kompresorja je treba posebej upoštevati naslednje lastnosti: a) teoretično zmogljivost Qt: Qt = volumen kompresorja x število vrtljajev = Vk x n = (m 3 x min 1 ) = (m 3 /min) b) efektivno zmogljivost Qe = (m 3 /min, m 3 /h) - odvisna je od: - vrste kompresorja, - tlaka, - hlajenja, ipd. Zračni tlak se doseže na dva načina: a) z zmanjševanjem volumna - kompresijo. Zrak se v notranjosti kompresorja stisne oz. komprimira na manjši volumen, tako da na izhodu že dobimo zračni tlak. To skupino kompresorjev predstavljajo batni, membranski batni in lamelarni krilni kompresor in b) s pospeševanjem - zračnemu toku se povečuje hitrost. Zraka se v kompresorju ne stiska, ampak se mu le poveča izstopna hitrost in s tem kinetična energija, ki se spremeni v tlačno šele v nekem zaprtem volumnu. Tlačna razlika Δ p med tlakom na vhodu in tlakom na izhodu iz kompresorja znaša nekaj sto mbar-ov. Predstavniki te skupine so volumetrični (Roots-ov), vijačni in turbokompresor. Nekaj osnovnih tipov kompresorjev je prikazanih na sliki Konstrukcijske podrobnosti so sicer prilagojene specifični namembnosti, vendar je temeljna zasnova po posameznem tipu kompresorja enaka, neodvisna od proizvajalca. Za praktično uporabo je pomembna predvsem efektivna zmogljivost. Njena vrednost nam da realno količino razpoložljivega zraka za pogon pnevmatičnega postroja in je tudi vrednost, ki jo proizvajalci kompresorjev podajo v katalogu. Efektivne zmogljivosti in tlačna območja so za nekatere kompresorje prikazane v tabeli 4.6. Največje vrednosti je možno doseči le z večstopenjskimi kompresorji. Tip kompresorja Qe = ( m /h ) tlak (bar ) Batni Lamelni - krilni ,2-0,9 Vijačni (*) ,8-40 Volumetrični (*) p= mbar Radialni turbo ,5-300 * katalog AERZENER Tabela 4.4: Efektivne zmogljivosti in tlačna območja kompresorjev 66

68 Batni kompresor Batni membranski kompresor Lamelarni krilni kompresor Krilni (Rootsov) kompresor Vijačni kompresor Radialni turbo kompresor Slika 4.15: Kompresorji Pri določanju potrebnega Q moramo izračunati, kolikšna količina stlačenega (stisnjenega) zraka gre v nek volumen. Razumljivo je, da bo mase zraka v nekem volumnu več, če ga vanj stlačimo pod nekim višjim tlakom od tlaka okolice = 1 bar. To izračunamo po enačbi politropne preobrazbe, ki z upoštevanjem eksponenta politrope n = 1,2-1,3 zajema vse termodinamične spremembe pri tlačenju (komprimiranju) zraka: p 0.V n 0 = p 1.V n 1 = konst. Če želimo še točno določiti končno temperaturo zraka, potem uporabimo enačbo stanja za idealne pline. Zrak se sicer ne obnaša kot idealni plin, vendar so odstopanja pri izračunu zanemarljiva: p 0. T V 0 0 = p. 1 V T 1 1 = konst. 67

69 4.5.4 Velikost rezervoarja (tlačne posode) Naloge tlačne posode (slika 4.16) so naslednje: uravnavanje sunkov zraka, ki nastajajo zaradi neenakomernega delovanja kompresorja, izravnavanje nihanja tlaka v omrežju zaradi porabe zraka, zaradi velike površine posode se zrak dodatno ohlaja, pri tem pa se že takoj v izloči del vlage iz zraka v obliki kondenzata. Slika 4.16: Tlačna posoda Sklop kompresorja in tlačne posode imenujemo kompresorska enota ali kar kompresor, prostor s kompresorskimi enotami in pripadajočo opremo pa kompresorska postaja. Večje kompresorske enote imajo med kompresorjem in tlačno posodo vgrajen hladilnik za hlajenje zraka s sistemom za odvajanjem kondenzata. Priporočljivo je, da so kompresorske postaje postavljene na prostem, po možnosti v senci ali v zvočno dobro izoliranem prostoru z dobrim naravnim prezračevanjem. S tem preprečimo nepotrebno segrevanje zraka v posodi, hkrati pa se v odprtem prostoru zmanjša udarni sunek, če nek element postroja zaradi okvare in s tem nekontroliranega polnjenja raznese. Velikost rezervoarja je odvisna od dobave zraka, porabe, dopustne tlačne razlike v omrežju in od vrste regulacije. Z regulacijo prilagajamo delovanje kompresorja glede na največjo in najmanjšo vrednost tlaka oz. se vklapljanje kompresorja prilagodi nihajoči porabi zraka. 68

70 4.5.5 Tesnost Stisnjen zrak je relativno draga oblika energije. Že zaradi zelo majhne netesnosti v sistemu (puščanje), se lahko stroški energije izredno povečajo. Iz diagrama na sliki 4.17 so razvidne izgubljene količine zraka pri določenih presekih puščajočih odprtin v odvisnosti od tlaka. Slika 4.17: Izgube zraka zaradi netesnosti 4.6 Pnevmatične delovne komponente (aktuatorji) Delovne komponente so cilindri in pnevmatični motorji. Le te spreminjajo energijo stisnjenega zraka v premočrtno ali krožno gibanje. V osnovi torej ločimo delovne komponente glede na način gibanja in sicer na izvršilne člene, ki opravljajo: - premočrtno gibanje, to so: o enosmerni valji, o dvosmerni valji, o posebne izvedbe valjev (tandemski valj, pnevm. mišica ) in - rotacijsko gibanje: o zasučne enote, o rotacijski motorji. 69

71 V nadaljevanju bomo največ pozornosti posvetili enosmernim in dvosmernim valjem, saj se v praksi najpogosteje uporabljajo. Za ostale vrste izvršilnih členov pa bomo navedli le osnovne karakteristične lastnosti in pojasnili principe delovanja Delovne komponente za linearne gibe Enosmerni valj Pnevmatični valji (cilindri) so linearni motorji, ki potencialno energijo stisnjenega zraka spreminjajo v mehansko delo (pretvorba pnevmatične energije v mehansko), izraženo v premočrtnem gibanju batnice z določeno silo. Pri enosmernih valjih dovajamo zrak samo na eno stran valja, kar omogoča gibanje bata v eno smer (delovni gib). V nasprotno smer (povratni gib) se bat vrne zaradi delovanja sile vzmeti, lahko pa tudi zaradi delovanja neke zunanje sile oz. bremena (slika 4.18). Osnovne lastnosti: Hitrost: ca mm/s Gibi: ca mm Sile: ca N Sila na batnici enosmernega valja Slika 4.18: Enosmerni valj Enosmerni valji opravljajo delo samo v smeri delovanja sile tlaka. Sila vzmeti je potrebna le za povratni gib. Zaradi vzmeti so primerni za krajše gibe (vpenjanje, izbijanje) in tam, kjer hitrost ni pomembna. Količina potrebnega zraka je 1/2 količine, potrebne pri dvosmernih valjih, sila vzmeti pa zavzema približno 10% velikosti sile bata, ki jo povzroči stisnjen zrak (slika 4.19). Slika 4.19: Sile na enosmernem valju 70

72 F = F p - F tr - F vz = F b [N] p... dotekajoči tlak v N/cm 2 (1 bar = 10 N/cm 2 ), A... koristna površina bata v cm 2 (iz katalogov proizvajalcev), F... efektivna sila na batnici (N), Fp... sila tlaka na zadnji strani bata = p x A (N/cm 2 x cm 2 )= (N), Ftr... sila trenja (N), Fvz.. sila vzmeti (N), Fb... sila bremena na batnici (N), Sila vzmeti Fvz =10% Fp, Sila trenja Ftr = (8-20) % Fp pri tlakih 4-8 bar. Če upoštevamo 10% izgubo sile zaradi trenja in 10% zaradi vzmeti, potem lahko enačbo poenostavimo: F = 0,8 F p [N] Navedena enačba je enačba za statično silo. Kompletna enačba za izračun sile na batnici valja se imenuje gibalna enačba oz. diferencialna enačba gibanja, ki upošteva dinamično spremembo sile oz. silo mase zaradi pospeška F m = m x a, kjer je pospešek a drugi odvod poti x po času t. Tako je pravilna oblika izraza: 2 d x F m = m x, 2 dt kar pa je nekoliko zahtevnejša matematična operacija. To velja za enosmerne in dvosmerne valje Dvosmerni valj Pri dvosmernih valjih dovajamo zrak na obe strani valja. Bat torej opravlja delo v obeh smereh (delovni in povratni gib). Dvosmerni valji so po standardu izdelani do premera 50 mm in dolžine 2500 mm, po potrebi pa se uporabljajo valji tudi izjemnejših dimenzij, vendar pa moramo upoštevati nevarnost uklona in upogiba pri izvlečeni batnici. Osnovne lastnosti: Hitrost: ca mm/s Gibi: ca mm Sile: ca N 71

73 Slika 4.20: Dvosmerni valj Pri večjih hitrostih lahko bat udari s polno hitrostjo v pokrov valja in se tako poškoduje, zato je potrebno bat pred koncem gibanja upočasniti. To dosežemo z dušilnim batom na koncu batnice, v pokrovu pa mora biti vgrajen dušilni ventil (slika 4.20 in 4.21). Takemu valju pravimo valj s končnim dušenjem. Slika 4.21: Nastavljivo končno dušenje v valju Sila na batnici dvosmernega valja pri izvleku: Slika 4.22: Sile na dvosmernem valju - gib naprej F = Fp 1 - Fp 2 - F tr = F b [N] F... efektivna sila na batnici (N), Fp 1.. potisna sila dotekajočega tlaka = p 1 x A 1 (N), Fp 2.. zaviralna sila iztekajočega tlaka = sila "zračne blazine" = p 2 x A 2 (N), (ploščina A 2 je ploščina kolobarja = A 1 - A batnice), Ftr... sila trenja = 10% Fp 1 (N), 72

74 Fb... sila bremena na batnici (N). Pri dvosmernem valju (slika 4.22) se srečamo z pojavom sile "zračne blazine". Povzroča jo tlak p 2, ki se pri preklopu ventila ne utegne dovolj hitro izprazniti (odzračiti) v atmosfero. Iztekajoči tlak se namreč zaradi pritiskanja bata in vsled tega zmanjševanja V 2 ne odzrači dovolj hitro. Še več, prednja stran bata ga še tlači in tako ustvarja pred sabo nekakšno zračno blazino, ki ima ves čas gibanja bata določeno vrednost tlaka kljub istočasnemu iztekanju v atmosfero - torej se ne uspe dovolj hitro odzračiti (pomembno vlogo ima velikost odprtine na cilindru, dolžina in prerez cevi, konstrukcija ventila). Zaradi zaviralnega vpliva zračne blazine tlak p 1 na zadnji strani cilindra ne upade v obratnem razmerju z naraščanjem volumna, saj iztekajoči tlak p 2 povzroča upor gibanju bata in mora tlak p 1 dosegati tolikšno vrednost, da sila tlaka še povzroča gibanje. Tlak zračne blazine je v bistvu negativen pojav. Zmanjšuje potisno silo batnice, saj je koristen tlak, ki povzroča silo, vrednosti p = p1 - p2. Zmanjšuje tudi hitrost 2 m v batnice in s tem kinetično energijo W K =, ki je zlasti pomembna pri hitrih 2 delovnih procesih izbijanja, sekanja, kovičenja, itd. Ta pojav je koristen le v primeru, če želimo upočasniti hitrost batnice in zato dušimo iztekajoči zrak, torej načrtno zadržujemo iztekajoči tlak (slika 4.23). Slika 4.23: Uravnavanje hitrosti batnice z dušenjem zraka V praksi se vpliv zračne blazine deloma zmanjša z uporabo hitro odzračevalnega ventila (slika 4.24), ki iztekajočemu zraku skrajša pot do atmosfere - ni potrebna dolga zavita pot skozi ozko grlo cevi preko ventila do glušnika na odzračevalnem priključku ventila. 73

75 Slika 4.24: Uporaba hitroodzračevalnega ventila Pri izračunu uporabimo za vrednost "zračne blazine" p 2 = 2-3 bar. Njen vpliv se manjša z obremenitvijo batnice, ker se na ta način hitrost batnice zmanjša in ima tlak p 2 dovolj časa za odzračenje. Sila na batnici dvosmernega valja pri uvleku: Slika 4.25: Sile na dvosmernem valju - gib nazaj F = Fp 1 - Fp 2 - Ftr = Fb (N) F... efektivna sila na batnici (N), Fp 1.. potisna sila dotekajočega tlaka = p 1 x A 2 (N), (ploščina A 2 je ploščina kolobarja = A 1 - A batnice), Fp 2.. zaviralna sila iztekajočega tlaka = sila "zračne blazine" = p 2 x A 1 (N) 74

76 Ftr... sila trenja = 10% Fp 1 (N), Fb... sila bremena na batnici (N). Pri uvleku je batnica pri enakih vrednostih tlaka šibkejša kot pri izvleku. To je posledica delovanja dotekajočega tlaka p 1 na površino A 2, ki je manjša od površine na sprednji strani bata A 1 za površino batnice (slika 4.26). Zato je potisna sila dotekajočega tlaka Fp 1 pri istih vrednosti tlaka manjša. Zaviralna sila iztekajočega tlaka Fp 2 pa je večja, ker v tem primeru deluje na večjo površino A 1. Poraba zraka v pnevmatičnih valjih - cilindrih Poraba zraka je odvisna od: volumna posameznega valja, števila valjev, števila ciklusov bata, vrste valja, itd. Za lažje določanje porabe zraka v valju se uporablja pojem specifične porabe zraka V's. To je poraba zraka pri premiku bata za 1 mm pri tlaku 1 atm (fizikalne) = 1,01325 bar = 0, MPa in pri temperaturi 293 K (20 C). Pri izračunu moramo upoštevati razmerje tlakov α: α p + 0, , n =, kjer je p n = nadtlak (manometerski tlak) v valju. Vrednosti razmerja tlakov α za področje p n = 0,1-1 MPa (1-10 bar) so zbrane v tabeli 4.5. p n = 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 α = 1,99 2,97 3,96 4,95 5,93 6,92 7,91 8,90 9,88 10,87 Tabela 4.5: Vrednosti razmerja tlakov α Pri gibu bata h (mm) in pri n (min 1 ) dvojnih gibov bata je poraba zraka V' za: a) enosmerni valj: V' = n. h. V's (m 3 /s ) b) dvosmerni valj: V' = 2. n. h. V's (m 3 /s) Vrednost za specifično porabo zraka V's pri nadtlaku p n = 0,6 MPa pri različnih premerih valja so zbrane v tabeli

77 Premer cilindra (mm) V's (m 3 /mm) Tabela 4.6: Vrednosti za V s pri nadtlaku tlaku 6 bar Primer: Dvosmerni valj premera 50 mm in giba 140 mm deluje pri tlaku 0,6 MPa. Frekvenca dvojnih gibov je 50 min 1. a) poraba zraka po enačbi je: V' = 2 x n x h x V's V' = 2 x 50 x 140 x x V' = 0, m 3 /s = 3,169 l/s Izračunano količino izkustveno povečamo za 20 % zaradi mrtvih volumnov v valju ter zaradi izgub pri praznjenju in polnjenju dovodnih cevi: V' = 1,2 x 3,169 l/s V' = 3,8 l/s Tako je potrebno izračunati porabo zraka za vsak valj posebej in s seštevkom posameznih porab izračunati skupno porabo zraka. Vendar ta količina zraka še ni potrebna dokončna dobava zraka Q, saj je treba to količino še povečati na račun cevnih uporov v pnevmatičnem omrežju in izgub zraka (lekaže). 76

78 Vzdrževanje pnevmatičnih valjev Pomembno pri vzdrževanju pnevmatičnih valjev: batnica je lahko obremenjena samo z osno - aksialno silo, pri dolgih batnicah obstaja možnost uklonske obremenitve, glede na agresivnost delovnega okolja izberemo valj ustrezne konstrukcije, valj naj bo po možnosti pritrjen kot statično določen nosilec (slika 4.26). Slika 4.26: Priporočeni načini pritrditve valjev Linearni pogon (Brezbatični valj) Značilno za linearne pogone je, da na bat ni pritrjena batnica pač pa pritrdilna plošča na lahko namestimo različne dodatne komponente (druge valje, prijemala ). Osnovne lastnosti: Gibi: mm Sile: N Prerez: Primer izvedbe: Simbol: pomik pritrdilna ploskev priključki Slika 4.27: Linearni pogon 77

79 Tandemski dvosmerni valj Tandemski valj nastane z združevanjem dveh ali večih dvosmernih valjev. Pri tem se batnica predhodnega valja pritrdi na bat naslednjega valja. Tandemske valje uporabljamo tam, kjer je zahtevana velika delovna sila pri majhnem premeru valja. Osnovne lastnosti: Gibi: mm Sile: N Primer izvedbe: Simbol: Slika 4.28: Tandemski dvosmerni valj Princip delovanja: 1. korak: 2. korak Slika 4.29: Princip delovanja tandemskega dvosmernega valja Večpoložajni dvosmerni valj Večpoložajni valj nastane z združevanjem dveh dvosmernih valjev. Od tandemskega valja se razlikuje v tem, da batnica predhodnega valja ni pritrjena na bat naslednjega valja. Z večpoložajnim valjem prikazanem na primeru na spodnjih slikah lahko dosežemo tri različne položaje. Osnovne lastnosti: Gibi: mm Sile: N 78

80 Primer izvedbe: Simbol: Slika 4.30: Večpoložajni dvosmerni valj Princip delovanja: 1. položaj 2. položaj 3. položaj Slika 4.31: Princip delovanja večpoložajnega dvosmernega valj Mehast valj Po delovanju so enaki enosmerno delujočim valjem, le da omogočajo bistveno večje sile in nekoliko večje pomike. Sila se ustvarja s tem, ko se meh pod tlakom razteza. Mehasti valji so lahko izvedeni kot enojni ali tandemski. Osnovne lastnosti: Premeri: mm Gibi: mm Sile: N Primer izvedbe: Simbol: enojna izvedba tandemska izvedba Slika 4.32: Mehasti valj 79

81 Princip delovanja: pomik pomik Pnevmatska mišica Položaj 1 Položaj 2 Slika 4.33: Princip delovanja mehastega valja Delujejo podobno kot človeške mišice, torej se sila za opravljanje določenega opravila ustvarja s krčenjem mišice. Osnovne lastnosti: Premeri: Standardne dolžine: Gibi: Sile: 0 40 mm mm 25 % dolžine mišice N Primer izvedbe: Simbol: Slika 4.34: Pnevmatska mišica Princip delovanja: Slika 4.35: Princip delovanja pnevmatske mišice 80

82 4.6.2 Delovne komponente za rotacijske gibe Zasučna enota z zobato letvijo Os zasučne enote poganja zobata letev, ki je pritrjena med dva bata preko zobniškega prenosa. Osnovne lastnosti: Premeri bata: mm Zasuki: o Navori N Prerez: Primer izvedbe: Simbol: priključki zobata letev os Slika 4.36: Zasučna enota z zobato letvijo Zasučna enota z zasučnim krilom Silo, potrebno za zasuk osi zasučne enote ustvarja tlak, ki pritiska na zasučno krilo. Osnovne lastnosti: Ekvivalentni premeri bata: Zasuki: Navori 6 40 mm o N Prerez: Primer izvedbe: Simbol: os priključki zasučno krilo Slika 4.37: Zasučna enota z zasučnim krilom Zasučno-linearna enota 81

83 Je kombinacija dvosmerno delujočega valja in zasučne enote. Primer izvedbe in uporabe je naveden na spodnji sliki. Osnovne lastnosti: Premeri bata: 6 40 mm Linearni gibi: mm Zasuki: o Sile (lin. pomik): (1900N) Navori: 1 20 N Primer izvedbe: Primer uporabe: zasuk linearni pomik Slika 4.38: Zasučno linearna enota 4.7 Pnevmatične krmilne komponente Delovne pnevmatične komponente krmilimo s krmilnimi elementi. Krmilne elemente v pnevmatiki in hidravliki imenujemo ventili. Po ISO 1219 z ventili poimenujemo vse elemente, ki ustvarjajo pnevmatične signale, omogočajo krmiljenje poti ter regulacijo tlaka in pretoka delovnega medija iz hidravlične črpalke ali iz shranjevalnika zraka do končnih porabnikov. Poimenovanje ventil je v skladu z mednarodno jezikovno rabo, zato to besedo uporabljamo za poimenovanje vseh konstrukcijskih vrst: drsniške, kroglične, krožnikaste, pipe itd. Ventile po njihovi funkciji delimo na 5 skupin: 1. potni ventili, ki so lahko izvedeni kot: - vhodni/signalni elementi (tipke, mejna stikala, ) in - krmilni elementi (krmilniki valjev, motorjev), 2. nepovratni ventili, 3. tlačni ventili, 4. tokovni ventili in 5. zaporni ventili Potni ventili - krmilniki poti Potne ventile torej uporabljamo za pridobivanje oz. generiranje pnevmatičnih signalov in za krmiljenje pnevmatičnih delovnih elementov - cilindrov in motorjev. 82

84 Potni ventili usmerjajo, odpirajo in zapirajo pretok zraka. Nekatera literatura jih imenuje tudi krmilniki poti. Imajo več stanj, ki jih lahko aktiviramo na različne načine, vsako stanje pa ima lahko več priključkov. Konstrukcija omogoča različne povezave med temi priključki. S tem lahko realiziramo različne funkcije potnih ventilov. Osnovna oznaka potnega ventila je sestavljena iz števila priključkov in števila stanj. Za prikaz potnih in tudi drugih ventilov uporabljamo simbole, ki ne prikazujejo konstrukcije, ampak samo funkcijo ventila. Potne ventile v osnovi ločimo glede na: - fizično izvedbo, - število priključkov in stanj, - način proženja, - stanje mirovnega položaja in - obstojnost preklopljenega položaja. V nadaljevanju bo najprej predstavljeno na kakšen način se tvori simbol potnega ventila na podlagi njegove funkcije ter način označevanje priključkov. Sledila bo obrazložitev načina ločevanja potnih ventilov po zgoraj navedenih lastnostih Simbolika potnih in drugih ventilov Simboliko potnih ventilov bomo razložili na primeru: 1. Stanje potnega ventila prikažemo s kvadratkom -. Potni ventil ima lahko dve ali več stanj (ventil odprt, zaprt, v nevtralnem položaju ). Torej, če ima ventil dve stanji (odprto, zaprto) ima simbol dva kvadratka enega poleg drugega: - dva kvadratka dve stanji ventila (npr. odprto, zaprto) 2. Od teh stanj je vedno eno osnovno. To je stanje, ki ga ima ventil, če nanj ne deluje nobena sila. Osnovno stanje ventila rišemo vedno na desni strani. Če ima ventil tri stanja, je osnovno stanje na sredini. Priključke ventila vrišemo samo na kvadratek osnovnega stanja. Priključke za delovne komponente narišemo z zgornje strani, za dovod zraka in odzračevanje pa s spodnje strani. Priključek za dovod zraka je praviloma na desni strani, priključek za odzračevanje pa na levi strani. Če ima ventil tri vhodne priključke je priključek za dovod zraka na sredini, odzračevalna priključka pa na straneh. 83

85 izhodni priključek osnovno stanje ventila (desni kvadratek) priključek za dovod zraka priključek za odzračevanje 3. V kvadratek stanja vrišemo funkcijo ventila. Funkcijo prikažemo s pomočjo puščic in črt, ki predstavljajo povezave med priključki ventila. Puščica pomeni smer pretoka med priključki, vodoravna črta pa zaprt pretok. smer pretoka zaprt pretok 4. Na levo in desno stran sestavljenih kvadratov ventila narišemo način aktiviranja stanj v ventilu. Na levo stran vrišemo način aktiviranja iz osnovnega stanja v aktivirano stanje, na desni pa način vračanja v osnovno stanje. Na spodnji sliki je prikazan primer, ko ventil aktiviramo z ročno tipko, v osnovni položaj pa ga povrne vzmet. gumb vzmet Princip delovanja: izhod odzračen izhod pod tlakom gumb sproščen vzmet raztegnjena gumb pritisnjen vzmet pokrčena Ventil v osnovnem stanju -»ZAPRT«Ventil v aktiviranem stanju -»ODPRT«84

86 Pri prikazovanju funkcij potnih ventilov s simboli je še nekaj posebnosti, ki jih bomo spoznali v nadaljevanju. Priključke označujemo po mednarodnih standardih, ki omogočajo, da so ventili pravilno priključeni. Samo pravilna priključitev ventila omogoča opravljanje njegove funkcije. Za označevanje priključkov uporabljamo črke in številke (standard ISO 1219). Starejše pnevmatične komponente imajo črkovne oznake priključkov, pri novejših komponentah pa so priključki večinoma označeni s številkami (ISO ). V tabeli 4.7 so navedene stare in nove oznake za priključke. Priključek Starejše oznake Novejše oznake (ISO ) Izhodi iz ventila (delovni priključki) A, B 2, 4 Vhod (dovod zraka) P 1 Odzračevanje R, S 3, 5 Krmiljenje Z, X, Y 10, 12, 14 Tabela 4.7: Označevanje priključkov Pri standardu ISO 1219 ima izhodni priključek, ki je povezan z napajalnim zrakom, oznako 2, krmilni priključki pa imajo oznako, sestavljeno glede na dejanje, ki ga opravijo, npr. priključek 12 poveže vhodni priključek 1 z izhodnim priključkom 2. Za primer ventila, navedenega na zgornjem primeru, smo priključke označili na naslednji način: Ločevanje potnih ventilov glede na fizično izvedbo Poznamo različne izvedbe potnih ventilov. Konstrukcijska izvedba ventila vpliva na njegovo življenjsko dobo, na preklopno silo, na možne načine preklopa, na možnosti priključevanja in velikost ventila. Na tem mestu bomo samo navedli možne konstrukcijske izvedbe, v podrobnosti samih izvedb pa se ne bomo spuščali. Navedene bodo samo bistvene prednosti in slabosti posamezne skupine. Glede na konstrukcijo torej ločimo: - Sedežni ventil: sedežni ventil s kroglico in 85

87 sedežni ventil s krožnikom. - Drsniški ventil: z batnim drsnikom, s ploščatim drsnikom in s ploščatim vrtljivim drsnikom. Prednost sedežnih ventilov je dolga življenjska doba, so robustni in neobčutljivi na umazanijo. Slabost predstavlja relativno velika sila za preklop (premagovanje sile vzmeti ali stisnjenega zraka). Pretok zraka se krmili z naleganjem kroglic ali krožničkov. Prednost drsnih ventilov predstavlja majhna preklopna sila, vendar imajo kratko življenjsko dobo. Primer 3/2 sedežnega ventila s kroglico v normalnem stanju zaprt: ventil zaprt ventil odprt Slika 4.39: 3/2 sedežni ventil s kroglico Primer 5/2 vzdolžnega drsnega ventila : Povezava med 1-2 in 4-5 Povezava med 1-4 in 2-3 Slika 4.40: 5/2 vzdolžni drsni ventil 86

88 Ločevanje potnih ventilov glede na število priključkov in položajev Ventile se med sabo razlikujejo glede na število priključkov in število možnih položajev. Prva številka v označbi pove število priključkov, drugo pa število možnih položajev. Torej se ventil iz primera pod točko imenuje 3/2 potni ventil (beri»tri skozi dva«potni ventil). Primeri simbolov potnih ventilov z različnim številom stanj in priključkov: Slika 4.41: Primeri simbolov potnih ventilov Ločevanje potnih ventilov glede na način proženja Glede na način proženja ločimo ventile na ventile: - z ročnim proženjem, - z mehaničnim proženjem, - s pnevmatičnimi signali in - z električnimi signali. Simboli za različne načine aktivacije potnih ventilov: drog s kolescem s klecnim kolescem povratna vzmet centrirna vzmet z enim el. magnetom z dvema el. magnetoma Slika 4.42: Načini aktivacije potnih ventilov 87

89 Ločevanje potnih ventilov glede na stanje mirovnega položaja Osnovno stanje je stanje v katerem se ventil nahaja, če nanj ne deluje nobena sila ni aktiviran. Osnovno stanje ventila je na simbolu vrisano vedno na desni strani, razen če ima ventil tri stanja. Takrat je osnovno stanje na sredini. Glede na osnovno stanje ventila ločimo: - ventil v osnovnem položaju odprt (ang. kratica NO Normaly Open) in - ventil v osnovnem položaju zaprt (ang. kratica NC Normally Closed). Poglejmo si primera za 2/2 in 3/2 potna ventila: Slika 4.43: Ločevanje potnih ventilov glede na osnovno stanje ventila Ločevanje potnih ventilov glede na obstojnost preklopljenega položaja Glede na obstojnost preklopljenega položaja je ventil lahko: - monostabilni: po prenehanju delovanja preklopne sile se ventil povrne v osnovni položaj. Ponavadi imajo takšni ventili vsaj eno vzmet. Izraz monostabilni (mono - ena) nam pove, da ima ventil le eno stabilno stanje. - bistabilni: po prenehanju delovanja preklopne sile ventil ostane v preklopljenem položaju spominska funkcija. Izraz bistabilni (bi - dva) nam pove, da ima ventil dve stabilni stanji. Primer monostabilnega ventila: Slika 4.44: Monostabilni ventil s tipko Ventil preklopimo s pritiskom na gumb. Ventil ostane v preklopljenem položaju (v tem primeru odprtem) le dokler je gumb pritisnjen. Primer bistabilnega ventila: 88

90 pnevmatski signal Slika 4.45: Pnevmatsko krmiljen bistabilni ventil Ventil ostane v preklopljenem položaju tudi po odklopu krmilnega signala. Za preklop iz enega v drugo stanje je dovolj že kratek pulz. Princip delovanja 3/2 potnega ventila (drsna izvedba): ventil zaprt ventil odprt Slika 4.46: Delovanje 3/2 potnega ventila Princip delovanja 5/2 potnega ventila (drsna izvedba): odprte povezave 1-2 in 4-5 odprte povezave 1-4 in 2-3 Slika 4.47: Delovanje 5/2 potnega ventila 89

91 4.7.2 Protipovratni ventili Protipovratni ventil je element, ki v eni smeri pretok zraka popolnoma onemogoča, v nasprotni pa ga prepušča z minimalnimi tlačnimi izgubami. Kot zaporni element je lahko uporabljen konus, kroglica ali membrana. Zraven običajne izvedbe obstaja še izvedba z vzmetjo. Pri tem protipovratnem ventilu je potreben določen tlak v prepustni smeri, da se ventil odpre. Simbol: Prerez: - brez vzmeti Tlačni ventili prepustna smer neprepustna smer Slika 4.48: Protipovratni ventil Tlačni ventili v osnovi razdelimo v tri skupine: - regulacijski tlačni ventili, - omejevalni tlačni ventili in - sekvenčni tlačni ventili Regulacijski tlačni ventili - z vzmetjo Regulacijski tlačni ventili imajo nalogo zagotavljati konstanten izhodni tlak. Za pravilno delovanje je seveda potrebno na vhodu zagotoviti tlak, ki je večji od želenega izhodnega tlaka. Ta ventil smo podrobneje že opisali v poglavju»enote za pripravo zraka« Omejevalni tlačni ventili Omejevalni tlačni ventili se ponavadi uporabljajo kot varnostni ventili. Le ti skrbijo, da tlak v sistemu ne preseže največjega dovoljenega tlaka. Če je na vhodu (1) presežen največji dovoljeni tlak, se izhod (2) odpre in presežni zračni tlak se izpusti v atmosfero. Simbol: Slika 4.49: Simbol omejevalnega tlačnega ventila 90

92 Sekvenčni tlačni ventili Sekvenčni tlačni ventili delujejo na podoben način kot omejevalni, s to razliko, da imajo na izhodu dodan 3/2 ventil. Pretok zraka med priključkoma 1 in 2 je v osnovnem položaju zaprt (glej simbol). Izhodni priključek 2 je pod tlakom le, ko tlak na vhodnem priključku 12 preseže nastavljeno vrednost. Simbol: Slika 4.50: Simbol sekvenčnega tlačnega ventila Takšne ventile uporabljamo v pnevmatičnih krmiljih, kjer je za preklopno funkcijo potreben določen tlak (npr. izklop kompresorja) Tokovni ventili Tokovni ventili vplivajo na volumski pretok stisnjenega zraka v obeh smereh enako. Takšen ventilu rečemo dušilni ventili ali krajše kar dušilka. Prerez: Simbol: nastavitev dušenja dušenje v obe smeri Slika 4.51: Dušilni ventil - dušilka Posebno izvedbo tokovnega ventila predstavlja dušilno protipovratni ventil. Pri tem ventilu se duši pretok zraka samo v eni smeri. V tej smeri protipovratni ventil zapre tok zraka in zrak lahko teče samo skozi dušilko, pri kateri lahko nastavljamo pretočni prerez. V obratni smeri teče zrak neovirano skozi protipovratni ventil. 91

93 Prerez: Simbol: 1 2 nastavitev dušenja dušenje prepustna smer Slika 4.52: Dušilno protipovratni ventil Dušilno protipovratni ventil imenujemo tudi ventil za regulacijo hitrosti. Uporabljamo jih za regulacijo hitrosti pnevmatičnih cilindrov. Obrnjen mora biti tako, da se duši iztekajoči zrak. Primer in način uporabe je bil omenjen pri opisu dvosmerno delujočih cilindrov Zapirni ventili Zapirni ventili imajo nalogo da ali popolnoma prepuščajo ali popolnoma preprečujejo pretok zraka in sicer v obe smeri enako. Prerez: Simbol: Slika 4.53: Zapirni ventil 4.8 Pnevmatične procesne komponente Pnevmatični logični element ALI Signal na izhodnem priključku nastane, če je aktiven vsaj eden od dveh vhodnih signalov. Imenujemo ga tudi izmenični ventil. Simbol in princip delovanja: Simbol: 92

94 izhod vhod 1 vhod 2 Slika 4.54: Pnevmatični logični element ALI Primer uporabe: - za premik cilindra v desno morata biti aktivirana tipka 1S1 ali tipka 1S2. Če izgubimo oba signala, monostabilni ventil vrne cilinder v levi položaj. Slika 4.55: Primer uporabe ventila ALI Pnevmatični logični element IN Signal na izhodnem priključku nastane, če sta aktivna oba vhodna signala hkrati. Imenujemo ga tudi dvotlačni ventil. Simbol in princip delovanja: Simbol: izhod vhod 1 vhod 2 Slika 4.56: Pnevmatični logični element IN 93

95 Primer uporabe: - za premik cilindra v desno morata biti aktivirana tipka 1S1 in končno stikalo 1S2. Kakor hitro en signal izgubimo, vrne monostabilni ventil cilinder v levi položaj. 1S2 1S2 Slika 4.57: Primer uporabe ventila IN Pnevmatični časovni členi Omogočajo nam naslednje časovne funkcije: - zakasnitev vklopa, - zakasnitev izklopa, - podaljševanje pulza in - krajšanje pulza Pnevmatični člen za zakasnitev vklopa Ventil sestavlja pnevmatično krmiljen 3/2 potni ventil, dušilni nepovratni ventil in majhen shranjevalnik zraka. 3/2 ventil je lahko v normalnem položaju odprt ali zaprt. Časovne zakasnitve so od 0 30 sekund, podaljšati pa se dajo z dodatnimi rezervoarji. Časovni odziv zakasnitev vklopa v normalnem položaju zaprt (NC) v normalnem položaju odprt (NO) Slika 4.58: Delovanje pnevmatičnega člena za zakasnitev vklopa 94

96 Na priključku 1 je doveden zrak. Na priključku 12 (10 pri NO 3/2 ventilu) doteka v ventil krmilni zrak, ki teče skozi dušilni nepovratni ventil. V odvisnosti od nastavitve dušilke hitreje oz. počasneje polni rezervoar. Ko doseže zrak v rezervoarju potreben tlak, preklopi 3/2 potni ventil in s tem se vzpostavi povezava med priključkoma 1 in 2 pojavi se izhodni signal. Čas zakasnitve predstavlja čas, od takrat ko začne v rezervoar dotekati zrak in do takrat, ko naraste tlak na potrebno vrednost za preklop Pnevmatični člen za zakasnitev izklopa Deluje na podoben princip kot ventil za zakasnitev vklopa, torej na podlagi polnjenja rezervoarja. Konstrukcijska razlika je le v orientaciji nepovratnega ventila. Na začetku poteka pretok zraka od krmilnega priključka 12 (10 pri NO 3/2 ventilu) mimo dušilke skozi nepovratni ventil; torej se 3/2 ventil odpre takoj ob nastanku signala na priključku 12. Ob tem se napolni tudi rezervoar. Ob prenehanju krmilnega signala 12, nepovratni ventil preprečuje iztekanje zraka v nasprotni smeri, zato mora le ta skozi dušilko. Od nastavitve dušilke je odvisno, kako hitro po tlak padel na vrednost, ko se bo 3/2 ventil vrnil v osnovni položaj. Časovni odziv zakasnitev izklopa v normalnem položaju zaprt (NC) v normalnem položaju odprt (NO) Slika 4.59: Delovanje pnevmatičnega člena za zakasnitev izklopa Pnevmatični člen za podaljševanje pulza Ventil za podaljševanje pulza predstavlja kar ventil za zakasnitev izklopa z NC 3/2 ventilom. Že kratek pulz na priključku 12 povzroči, da se rezervoar napolni. Praznjenje rezervoarja in s tem čas podaljšanja pulza pa je odvisno od nastavitve dušilke. Časovni odziv podaljševanje pulza Slika 4.60: Delovanje pnevmatičnega člena za podaljševanje pulza 95

97 Pnevmatični člen za krajšanje pulza Ventil za krajšanje pulza dobimo tako, da ventilu za zakasnitev vklopa z 3/2 NO ventilom dodamo povezavo med priključkoma 1 in 10. 3/2 ventil je že na začetku odprt (NO). Po priklopu signala na krmilni priključek 1/10 se le ta takoj pojavi na priključku 2. Ventil 3/2 ostane odprt še za čas določen z dušilko. Po preteku tega časa ventil preklopi in priključek 2 odzrači preko priključka 3. Časovni odziv krajšanje pulza Slika 4.61: Delovanje pnevmatičnega člena za krajšanje pulza 1/ Pnevmatične sheme Krmiljenje v pnevmatiki predstavimo s pnevmatičnimi shemami, ki prikazujejo pnevmatične elemente s simboli. V shemah posamezne elemente označimo in narišemo njihove povezave. Sheme rišemo po standardih, tako da so razumljive načrtovalcem, izvajalcem in vzdrževalcem krmilja. Iz sheme so razvidni delovanje in namen posamezne pnevmatične komponente ter delovanje in sestava celotne pnevmatične naprave. Zahtevnega krmilja brez shem sploh ne moremo realizirati. Pnevmatične sheme omogočajo načrtovanje, povezovanje in vzdrževanje pnevmatičnega krmilja Standard ISO Pravila za risanje pnevmatičnih in hidravličnih shem določa standard ISO Le ta uporablja simbole po ISO in nekatera določila iz drugih standardov. Ker se standardi revidirajo, je potrebno uporabljati zadnje izdaje navedenih standardov. Čeprav bi se standarde naj enotno uporabljalo, še določeni proizvajalci vztrajajo pri svojem načinu označevanja komponent in shem. 96

98 Standardi, ki so zajeti v ISO prikazuje tabela: ISO : 1991 ISO :1974 ISO 3448:1992 ISO ISO 5598:1985 ISO :1982 IEC 848:1988 Fluidna tehnika - Grafični simboli in sheme-1. del: Grafični simboli Fluid povser systems and components - Graphic symbols and circuit diagrams - Part 1: Graphic symbols Tehnične risbe - Pisava -1. del: Priporočena pisava Technical drawings - Lettering - Part 1: Currentiy used characters Tekoča industrijska maziva - Viskoznostna klasifikacija po ISOIndusthat liquid lubricants - ISO vicosity classification Tehnične risbe - Velikosti in ureditev risalnih listov Technical drawings - Sizes and layout ofdrawing sheets Fluidna tehnika Slovar Fluid power systems and components - Vocabulary Bilingual edition Maziva, industrijska olja in sorodni proizvodi (razred L) Klasifikacija - 4. del: Družina H (hidravlični sistemi) Lubricants, industrial oils and related protfucts (class L) - Classification - Part 4: Famiiy H (Hydraulic systems) Priprava funkcijskih diagramov za krmilne sisteme Preparation of function charts for control systems Priporočila za risanje pnevmatičnih (hidravličnih) shem Na tem mestu bodo predstavljena najpoglavitnejša pravila in priporočila za risanje shem iz standarda ISO Za risanje shem na profesionalni ravni je potrebno omenjeni standard podrobno preučiti. Priporočila so naslednja: - Predstavljena mora biti vsa hidravlična in pnevmatična oprema ter njene povezave. - V shemah ni potrebno upoštevati dejanske prostorske razporeditve sestavin. - Cevni vodi ali povezave med različnimi deli opreme naj se rišejo tako, da se čim manj križajo. Na mestih, kjer je to neizogibno, je treba to predstaviti skladno z ISO Če je naprava kompleksna, naj se razdeli v skupine, ki imajo skupne krmilne funkcije. Če je mogoče, naj se na enem listu predstavi celotno krmilje, vključno s pripadajočimi pretvorniki energije. 97

99 - Sestavine, kot so mejna stikala ali ventili, katere prožijo aktuatorji, je treba prikazati na mestu njihovega proženja, npr. ob valju z markirno črto in njihovo označbo, če je proženje samo enosmerno, je treba dodati puščico ( ) na markirno črto. - Priporoča se, da se simboli pnevmatičnih (hidravličnih) sestavin načeloma razvrščajo od spodaj navzgor in z leve proti desni: o viri energije: spodaj na levi, o krmilne sestavine v zaporedni vrsti: navzgor od leve proti desni, o aktuatorji: zgoraj z leve proti desni. - Simboli morajo biti narisani po naslednjem pravilu: o Za pnevmatiko: če ni podano drugače, morajo biti predstavljene sestavine v stanju pod tlakom in v izhodiščnem stanju naprave. Izjeme so le ventili, ki so v osnovnem stanju krmilja prisilno aktivirani. Pri teh narišemo tudi način aktiviranja. o Za hidravliko: če ni podano drugače, morajo biti predstavljene sestavine v izhodiščnem stanju naprave. - Sheme rišemo večnivojsko, tako da so pregledne - omogočati morajo sledenje gibanj in ukazov različnih korakov v delovnem ciklu. Le pravilno narisana shema služi svojemu namenu. Rišemo jih po naslednjem priporočilu (glej tudi sliki 4.63 in 4.66): o 1. nivo: Oskrba z energijo (stisnjeni zrak). o 2.nivo: Elementi, ki na podlagi informacij dajejo pnevmatične signale za krmiljenje. o 3. nivo: Pnevmatični elementi za obdelavo signalov (logični, časovni ). o 4. nivo: Elementi za izvrševanje ukazov. To so ponavadi potni ventili, ki glede na signale krmilijo delovne elemente. o 5. nivo: Delovni elementi. Pod njimi so lahko elementi za prilagoditev delovnih signalov. 98

100 5. nivo: delovni elementi (cilindri, motorji,...) 4. nivo: elementi za izvrševanje ukazov (potni ventili, dušilni elementi,...) 3. nivo: obdelava signalov (ALI in IN ventili, zaporni ventili, ) 2. nivo: dajalniki signalov (gumbi, mejna stikala,...) 1. nivo: oskrba z energijo (kompresorji, pripravne enote,...) Slika 4.62: Nivoji v pnevmatičnih shemah Primer sheme z označenimi elementi: 5. nivo: delovni elementi 4. nivo: izvrševanje ukazov 3. nivo: obdelava signalov 2. nivo: dajalniki signalov 1. nivo: oskrba z energijo : Slika 4.63: Primer pnevmatične sheme z označenimi nivoji 99

101 4.9.3 Označevanje pnevmatičnih (hidravličnih) shem V shemah moramo elemente tudi pravilno označiti. To je pomembno pri popisu elementov, ki jih potrebujemo za krmilje in tudi za lažje razumevanje delovanja in vzdrževanja krmilja, ki ga shema predstavlja. Za označevanje elementov se uporablja sistem označevanja s črkami in številkami. Označba neke sestavine v shemi mora biti v bližini pripadajočega simbola. Ta označba se mora uporabiti v vseh pripadajočih dokumentih. Če ni določeno drugače, se mora uporabljati označevanje sestavin, kot je prikazano spodaj. Označba mora vsebovati naslednje elemente in mora biti uokvirjena: Številka naprave številka naprave številka krmilja označba sestavine številka sestavine - Slika 4.64: Način označevanja pnevmatičnih komponent Označba je sestavljena iz številk, ki se začenjajo s številko 1. Označbo je treba uporabiti, če je celotno krmilje sestavljeno iz več kot ene naprave. Številka krmilja Označba je sestavljena iz številk. Priporočljivo je, da se s številko 0 na začetku označijo vsi deli pribora, ki so vgrajeni v agregat ali v vir napajanja, nato pa se z zaporednimi številkami označijo različna krmilja. Označba sestavine Vsako sestavino je treba označiti enopomensko z naslednjimi črkami: - črpalke in kompresorji: P - aktuatorji: A - pogonski motorji: M - senzorji: S - ventili: V - tuljavice ventilov Y* - ostale sestavine: Z (ali druga črka, ki zgoraj še ni bila uporabljena) * nacionalni dodatek v Nemškem standardu 100

102 Številka sestavine Označba je sestavljena iz številk, ki se začenjajo s številko 1. Vsaka sestavina v krmilju se zaporedno oštevilči. Primer strukture označevanja komponent v pnevmatski shemi: Slika 4.65: Primer strukture označevanja pnevmatičnih komponent Primer označevanje pnevmatske sheme: Vpenjanje Vrtanje Podajanje Slika 4.66: Primer označene pnevmatske sheme 101

103 4.9.4 Odkrivanje napak v vezjih: Pri odkrivanju napak v delovanju nekega vezja je potrebno: a) znati brati in prepoznavati elemente pnevmatične krmilne sheme, b) poznati delovanje posameznega elementa krmilnega vezja: - odvisnost z ostalimi elementi, - tehnične značilnosti. c) poznati fizikalne karakteristike pogonskega medija: - tlak, - temperatura, - viskoznost, itd. Pomembno pri vzdrževanju pnevmatičnih sistemov: - pri blokiranju pnevmatičnega vezja je povečevanje tlaka najslabša rešitev, - elementov v okvari ne preizkušamo vgrajenih v vezju, - po vsaki spremembi v vezju je potrebno preveriti varnostne pogoje naprave (izklop v sili, reset, ipd.). Pri odkrivanju napak nam je v veliko pomoč tudi diagram pot-korak, ki grafično prikazuje delovanje dotičnega krmilja z vsemi potrebnimi pogoji Diagram pot-korak Diagram pot-korak se izdela zaradi hitrega razumevanja funkcijskega poteka pnevmatičnega krmilja. Le ta prikazuje gibanja cilindrov po korakih na grafičen način. Dopolnjen je z informacijami o vplivu signalnih členov na gibanja in o logičnih pogojevanjih signalov (IN oz. ALI). Zgled 1: S pritiskom na tipko naj se batnica dvosmernega cilindra začne gibati v sprednji končni položaj, nato pa se naj samodejno vrne v začetni položaj. Gibanje cilindra se povzroči z aktiviranjem ventila s tipko 1S3. Pri dosegu sprednjega končnega položaja se aktivira mejni ventil 1S2, ki prekrmili gibanje cilindra nazaj. 102

104 1A 1S2 1V1 1S3 1S2 Slika 4.67: Pnevmatična shema za zgled 1 Diagram pot-korak: 1S3 pogoj za izvedbo giba cilinder v iztegnjenem položaju 1S2 oznaka cilindra 1A oznaka mejnih stikal 1S2 1S1 KORAKI Slika 4.68: Diagram pot-korak za zgled 1 POT cilinder v uvlečenem položaju 1S1 Logična pogojevanja v pot - korak diagramu Zaporedje gibanj lahko prikažemo v pot - korak diagramu z vsemi dodatnimi pogoji. Tak diagram nam omogoča hiter pregled o delovanju krmilja. Logične odvisnosti vrišemo na naslednji način: Pogoj 1 Pogoj 2 Pogoj 3 ALI odvisnost IN odvisnost Slika 4.69: Primer logičnega pogojevanja v diagramu pot-korak 103

105 Zgled: V naslednjem zgledu je možen start z eno ali drugo tipko (1S3 ali 1S4). Pri tem je pogoj, da je cilinder v zadnji poziciji (1S1). Mejni ventil 1S1 (s kolescem) je v osnovnem položaju aktiviran (povožen). Prekrmiljenje se izvede avtomatično po dosegu sprednje pozicije z mejnim ventilom 1S2. Krmilna shema: 1A 1S1 1S2 1V3 1V2 1V1 1S3 1S4 1S1 1S2 Slika 4.70: Pnevmatična shema za zgled 2 Diagram pot-korak: Pogoj za start : (1S3 ALI 1S4) IN 1S1 1S3 1S4 1S1 1A 1S2 1S1 mejni ventil 1S1 aktiviran v osnovnem položaju Slika 4.71: Diagram pot-korak za zgled 2 104

106 4.9.5 Načrtovanje zaporednih (koračnih) krmilij Koračna krmilja so krmilja, pri katerih se delovna naloga izvede po korakih, ki si sledijo v točno določenem zaporedju. Pri takšnem tipu krmiljih lahko težave povzročajo bistabilni ventili, saj se lahko zgodi, da na njegova krmilna priključka (12 in 14) prideta dva signala hkrati oz. pride na ventil še drugi signal, ko prvi še ni nehal delovati. To povzroči na bistabilnem ventilu nedefinirano stanje. Ta pojav imenujemo dvostransko delujoči ali škarjasti signal. Krmilni signal ne more preklopiti ventila in zaporedno krmilje se ustavi. Če hočemo rešiti tudi take primere, moramo signale, ki jih ne potrebujemo več, odstraniti oziroma prekiniti. Primer pojava škarjastega signala: Pojav dvostransko delujočega ali škarjastega signala si lahko ogledamo na primeru zaporednega gibanja cilindrov pri žigosni napravi, kjer moramo najprej s cilindrom 1A vpeti obdelovanec, nato ga s cilindrom 2A ožigosamo, v zadnjem koraku pa sledi še izpenjanje. Če narišemo pot - korak diagram - in krmilno shemo opazimo, da krmilje ne more delovati, kajti že na začetku se valj 1A sploh ne premakne. V osnovnem stanju ima krmilni signal za povratni gib. Stanje krmilja v 1. koraku: Cil. 1A (A) Cil. 2A (B) 1S2 1S1 2S2 2S1 1A 1S1 1S2 2A 2S1 2S2 1V2 2V2 1V1 2V1 A+ A- B+ B- 1S1 1S3 2S1 1S2 2S2 Slika 4.72: Pojav škarjastega signala v 1. koraku 105

107 Stanje krmilja v 3. koraku: Cil. 1A (A) Cil. 2A (B) 1S2 1S1 2S2 2S1 1A 1S1 1S2 2A 2S1 2S2 1V2 2V2 1V1 2V1 A+ A- B+ B- 1S1 1S3 2S1 1S2 2S2 Slika 4.73: Pojav škarjastega signala v 3. koraku Ravno tako se nam pojavi škarjasti signal pri krmiljenju valja 2A v 3. koraku. Valj 2A opravi gib, ko je obdelovanec vpet (mejno stikalo 1S1). Zahtevano delovanje krmilja je tako, da se valj 2A, ko pride v končni položaj (mejno stikalo 2S1), takoj vrne v izhodiščni položaj. To ni mogoče, ker ima še vedno krmilni signal od mejnega stikala 1S1, ki zahteva, da je v iztegnjenem položaju. Če bi želeli, da se cilinder 2A vrne v izhodiščni položaj, bi morali krmilni signal 1S1 prekiniti. Prekinjanje nepotrebnih signalov lahko izvedemo na različne načine. Razvili so celo vrsto metod, kako v zaporednem krmilju izklopiti nepotrebne signale in jih zopet vklopiti, ko jih potrebujemo. Osnova vseh metod je, da naj bodo signali aktivni toliko časa, kolikor je potrebno za delovanje krmilja, nato pa se naj izključijo. Da preprečimo pojavljanje dvostransko delujočih signalov na glavnih krmilnih ventilih, razdelimo zaporedno krmilje v skupine. Te skupine bodo zagotavljale oskrbo s stisnjenim zrakom tistim krmilnim ventilom, ki jih trenutno potrebujemo. Med skupine namestimo menjalne ventile (pogosto 5/2 pnevmatično krmiljene ventile), ki zagotavljajo stisnjeni zrak samo tistim pnevmatičnim komponentam, ki so aktivne v trenutnem koraku. Te metode imenujemo kaskadne metode. Poznamo dva tipa kaskadne metode in sicer: - MAKSIMALNA KASKADNA METODA, pri kateri zaporedno krmilje razdelimo tako, da je v vsaki skupini samo eno delovno gibanje in - MINIMALNA KASKADNA METODA, pri kateri je v skupini več gibanj različnih cilindrov. Ta problem in njegovo rešitev bomo prikazali v nadaljevanju na konkretnih primerih. 106

108 Kaskadna minimalna metoda Pri vseh metodah je projektiranje sestavljeno iz 5 osnovnih faz: 1. korak: definicija zaporednega krmilja skica, zapis, 2. korak: skrajšani zapis, 3. korak: pot- korak diagram, 4. korak: zapis logičnih enačb za gibanja in 5. korak: risanje pnevmatične krmilne sheme. 1. korak: definicija zaporednega krmilja: Metodo bomo prikazali na prejšnjem primeru žigosni napravi, kjer najprej s cilindrom 1A vpnemo obdelovanec, nato ga s cilindrom 2A žigosamo, v zadnjem koraku pa sledi izpenjanje. 2. korak: Skrajšani zapis delovanja krmilja: Za lažje sklicevanje cilindre zaporedno označimo z velikimi črkami: npr. cilinder 1A bomo poimenovali kar z črko A, cilinder 2A pa z B. Delovne gibe (iztegnitev batnice) bomo obravnavali kot pozitivne gibe in jih označili z +, povratne gibe (uvlek batnice) pa kot negativne gibe in jih označili z -. Za naš primer se skrajšani zapis glasi: A+ B+ B- A- Se pravi da je zapisov toliko kolikor je korakov oz. gibov v našem primeru imamo 4 korake. 3. korak: Diagram pot-korak: Na podlagi zahtev izrišemo diagram pot-korak: START 1S1 1A (A) 1S2 1S1 A+ A- 2A (B) 2S2 2S1 B+ B- Slika 4.74: Diagram pot-korak 107

109 4. korak: Zapis logičnih enačb: Za zapis logičnih enačb uporabljamo naslednje znake: - log. funkcija IN: ^ in - log. funkcija ALI: v. - Narišemo si krog in ga razdelimo na toliko delov kot je korakov krmilja (gibov). Na vrisane označbe vpišemo oznake gibov in sicer začnemo na vrhu kroga in nadaljujemo v smeri urinega kazalca. Gibe nanašamo v takem zaporedju kot smo jih zapisali v skrajšanem zapisu krmilja. začetek A+ smer nanašanja A- B+ B- Slika 4.75: Zapis logičnih enačb 1. korak - Sledi določevanje števila skupin oz. vej: če si v smeri urinega kazalca sledita giba + in istega cilindra, ju je potrebno ločiti s tako imenovano črto ločnico, ki poteka iz središča kroga. A+ ločnica A- II. veja I. veja B+ B- Slika 4.76: Zapis logičnih enačb 2. korak Število menjalnih (5/2 ventilov) je za ena manjše od števila vej. Torej v našem primeru potrebujemo le en menjalni ventil. - Sedaj vnesemo še pogoje za prehode med koraki. Pomagamo si z diagramom pot-korak. 108

110 1S1 ^ START A+ 1S2 A- 2S1 II. veja I. veja B- B+ 2S2 Slika 4.77: Zapis logičnih enačb 3. korak - Sledi zapis logičnih enačb na podlagi v prejšnji točki izrisanega diagrama. Enačb je toliko kolikor je gibov plus enačbe za preklope med vejami, ki jih je toliko kolikor je vej. Pri tem moramo poznati naslednja pravila: - Enačba giba, ki v smeri urinega kazalca prvi sledi ločnici, vsebuje le vejo v kateri se gib nahaja. - Enačba giba, ki se v smeri urinega kazalca nahaja na drugem ali višjem mestu za ločnico, je sestavljena iz veje v kateri se gib nahaja IN pogoja za izvedbo tega giba. - Pogoji, ki so navedeni ob ločnici se prenesejo v enačbe za preklope med vejami. - Enačba za preklop med vejami vsebuje predhodno vejo in pogoj za izvedbo giba, ki sledi (gledano v smeri urinega kazalca). A+ = I. sk. B+ = I. sk. ^ 1S2 B- = II. sk. A- = II. sk. ^ 2S1 Preklop v I. sk. = 2. sk. ^ START ^ 1S1 Preklop v II. sk. = 1. sk. ^ 2S2 4. korak: Risanje krmilne sheme: Najprej si pripravimo shemo z vrisanimi cilindri in pripadajočimi potnimi ventili ter menjalni ventil z vejami. Zapomniti si je potrebno, da ima v osnovnem položaju zrak zadnja veja v našem primeru je to 2. skupina ali veja. 109

111 1A 1S1 1S2 2S1 2S2 2A 1V2 A+ A- B+ B- 2V1 1. SKUPINA 1V1 2. SKUPINA Slika 4.78: Jedro pnevmatične sheme pri minimalni metodi Na prej pripravljeno shemo vrišemo še ostale elemente in povezave na podlagi prej določenih logičnih enačb. Pri tem moramo vedno imeti v mislih naslednje: - zrak iz kompresorja dobijo samo potni ventili cilindrov in samo eden menjalni ventil če imamo več kot dve veji, - veje so edini vir zraka, zato ne smemo nobene druge komponente priključevati direktno na kompresor. A+ A- B+ B- preklop v 1. vejo preklop v 2. vejo Slika 4.79: Pnevmatična shema po minimalni metodi 110

112 Kaskadna maksimalna metoda Kot smo že omenili, se maksimalna kaskadna metoda od minimalne razlikuje po tem, da zaporedno krmilje razdelimo tako, da je v vsaki skupini samo eno delovno gibanje. Na tem mestu bo predstavljen le princip te metode, krmilne sheme pa ne bomo risali na takšen način kot smo jo pri minimalni metodi. Takšno početje bi bilo neracionalno in nepraktično. Metoda je predstavljena zato, ker na njenem principu delujejo posebni moduli, ki jih bomo spoznali v nadaljevanju taktne verige. Princip bomo predstavili na prejšnjem primeru žigosna naprava. 1. korak: definicija zaporednega krmilja: Najprej s cilindrom 1A vpnemo obdelovanec, nato ga s cilindrom 2A žigosamo, v zadnjem koraku pa sledi izpenjanje. 2. korak: Skrajšani zapis delovanja krmilja: Skrajšani zapis se glasi: A+ B+ B- A- 3. korak: Diagram pot-korak: Diagram pot- korak je neodvisen od metode, torej je enak, kot pri minimalni metodi (glej diagram pot-korak pri minimalni metodi). 4. korak: Zapis logičnih enačb: - Na enak način kot pri minimalni metodi si tudi tu narišemo krog in ga razdelimo na toliko delov kot je korakov krmilja (gibov). Na vrisane označbe vpišemo oznake gibov in sicer začnemo na vrhu kroga in nadaljujemo v smeri urinega kazalca. Gibe nanašamo v takem zaporedju kot smo jih zapisali v skrajšanem zapisu krmilja. - Sledi določevanje števila skupin oz. vej: na tem mestu pride do bistvene razlike med minimalno in maksimalno metodo vsak gib se nahaja v svoji skupini. A+ 1. veja A- 4. veja 2. veja B+ 3. veja B- Slika 4.80: Zapis logičnih enačb pri maksimalni metodi 1. korak 111

113 - Sedaj vnesemo še pogoje za prehode med koraki. Pomagamo si z diagramom pot-korak. 1S1 ^ START A+ 1S2 1. veja A- 4. veja 2. veja B+ 3. veja 2S1 B- 2S2 Slika 4.81: Zapis logičnih enačb pri maksimalni metodi 2. korak - Sledi zapis logičnih enačb na podlagi v prejšnji točki izrisanega diagrama. Enačb je toliko kolikor je gibov plus enačbe za preklope med vejami, ki jih je toliko kolikor je vej. Pri tem moramo poznati naslednja pravila: - Vsak gib se nahaja v svoji skupini. - Enačba za preklop med vejami vsebuje predhodno vejo in pogoj za izvedbo giba, ki sledi (gledano v smeri urinega kazalca). A+ = 1. sk. B+ = 2. sk. B- = 3. sk. A- = 4. sk. Preklop v 1. sk. = 4. sk. ^ START ^ 1S1 Preklop v 2. sk. = 1. sk. ^ 1S2 Preklop v 3. sk. = 2. sk. ^ 2S2 Preklop v 4. sk. = 3. sk. ^ 2S1 4. korak: Risanje krmilne sheme: - v uvodu smo omenili, da bo predstavljen le princip maksimalne metode, ki se uporablja pri taktnih verigah, zato krmilne sheme ne bomo risali. 112

114 4.9.6 Taktna veriga (M) Taktna veriga je samo izvedba sistemske metode (vezava). Če pogledamo vezalni shemi za primer naprave za kovičenje, narejeni po minimalni in maksimalni metodi, lahko ugotovimo, da se način delovanja menjalnih ventilov ponavlja. Take izvedbe pnevmatičnega krmilja so drage in počasne. Ugotovimo lahko tudi, da se v vsaki skupini uporablja bistabilni 5/2 potni menjalni ventil. Preklop pride iz signalnika in ustrezne skupine (dvotlačni ventil), vračanje vseh menjalnih ventilov pa je iz zadnje skupine in ustreznega signalnika. Pride do dolgih poti signalov, kar lahko povzroči padec tlaka in s tem nezanesljivo delovanje. Vidimo, da so vsi menjalni ventili vezani zaporedno in delujejo po korakih - taktu. Proizvajalci pnevmatične opreme so pri nadaljnjem proučevanju razvili taktno verigo, ki menjalne ventile veže vzporedno. Ker pri vzporedni vezavi menjalni ventili več ne preklapljajo iz ene v drugo skupino, so uporabili bistabilne 3/2 potne ventile, ki morajo po signalih vključiti in izključiti ustrezno skupino (metode Maxam, Lucas). Na sliki 4.33 imamo primer taktne verige za štiri korake. Iz primera vidimo, da taktna veriga uporablja en menjalni ventil več. Zadnji menjalni ventil je odprt, tako da zagotavlja zrak v zadnji skupini. 1. sk. 2. sk. 3. sk. 4. sk. Slika 4.82: Primer taktne verige Ker sme istočasno signal samo na en izhod, moramo ob vključevanju naslednjega izhoda izključiti predhodni izhodni signal. Da zagotovimo zaporednost vhodnih signalov, povežemo skupine in signale z dvotlačnimi ventili. Vračanje menjalnih ventilov je zagotovljeno v taktni verigi z zrakom iz naslednje skupine. Če moramo taktno verigo vrniti v izhodiščni položaj zaradi napake ali katerega drugega vzroka, dodamo za vračanje izmenično nepovratni ventil (ALI ventil). Izmenično nepovratni ventili zagotavljajo, da lahko z dodatnim signalom vse bistabilne ventile zapremo (izključimo), zadnjega pa odpremo (vključimo). Taktno verigo z dodatnimi delovnimi členi za štiri takte imamo na sliki

115 Slika 4.83: Primer taktne verige z dodatnimi delovnimi členi Logični sestav se od takta do takta ponavlja. Vidimo, da je različen samo zadnji takt. To omogoči integriranje sestavin v enotni člen - modul. Logika taktnih verig se uporablja tudi pri načrtovanju elektropnevmatičnega in elektronskega - programiranega krmilja. Proizvajalci pnevmatične opreme so razvili različne oblike modulov, ki izvedbo pnevmatičnega krmilja bistveno pocenijo in naredijo krmilje dostopnejše uporabnikom. Proizvajalec pnevmatične opreme Festo je razvil več tipov modulov, iz katerih sestavimo taktno verigo. Ker se pnevmatična krmilja v praksi ne uporabljajo več pogosto, bomo prikazali samo dva modula, in sicer modul A in modul B. Z njima lahko realiziramo vsako taktno verigo, kar pomeni, da zadostujeta vsakemu zaporednemu krmilju. Module moramo povezati zaporedno, uporabimo pa jih toliko, kot imamo skupin. Modul tipa A: Slika 4.84: Modul tipa A 114

116 Modul tipa A ima bistabilni ventil 3/2, ki je zaprt. Izveden je kot 5/2 ventil. IN funkcija je zagotovljena z monostabilnim 3/2 ventilom, ALI funkcijo vračanja pa zagotavlja izmenično nepovratni ventil. Vse povezave so narejene, tako da module samo sestavimo na posebnem vodilu. Moramo samo pravilno povezovati priključke s signalnimi ventili in ustreznimi skupinami. Modul tipa B: Slika 4.85: Modul tipa B Modul tipa B je sestavljen iz enakih členov kot modul tipa A, vendar so členi drugače povezani, tako da zagotovijo zadnji takt verige. Pri gradnji taktne verige s pomočjo modulov vzamemo toliko modulov, kot je skupin. Vsi moduli so tipa A, razen zadnjega, ki je tipa B. Module povežemo skupaj v celoto, s tem da povežemo priključek z n na prvem modulu s priključkom z n+1 na zadnjem modulu. Na prvem modulu damo napajanje na priključek P, na zadnjem pa priključek P zapremo. Startni signal dodamo na priključek Y n prvega modula. Startni signal je pogojen s startnim signalom in signalom Y n+1, ki ga pogojuje vklopljeni zadnji modul verige. Signal za vračanje taktne verige v izhodiščni položaj priključimo na priključek L. Izhodne signale modulov povežemo v skupine, signalne ventile pa priključimo na priključke X. Na sliki 4.37 je prikazana izvedba taktne verige za štiri korake s tremi moduli A in enim modulom B. A A A A Yn Yn+1 Yn Yn+1 Yn Yn+1 Yn Yn A 1 3 A 1 3 A A 1 3 X Y X Y X Y X Y P P P P P P P P Zn Zn+1 Zn Zn+1 Zn Zn+1 Zn Zn+1 L L L L L L L L X X X X Slika 4.86: Izvedba taktne verige s tremi moduli A in enim B ( za 4 korake) 115

117 4.10 Vprašanja iz pnevmatike 1. Prednosti stisnjenega zraka so: ( ) stisnjen zrak je čist medij ( ) dvosmernost toka zraka ( ) dobra akumulacija ( ) eksplozivnost 2. Pripravna skupina (zgradba, uporaba, simbol )? 3. Adsorbcija je: (pravilen odgovor označite s križcem) ( ) fizikalni postopek sušenja ( ) kemijski postopek sušenja ( ) sušenje z ohladitvijo 4. Bistabilni ventil je: (pravilna odgovora označite s križcem) ( ) aktiviran ročno ( ) pulz ventil ( ) pomnilniški ventil ( ) v osnovno stanje povrnjen z vzmetjo 5. Naštej načine delitve pnevmatskih ventilov, podrobneje predstavi delitev glede na konstrukcijsko izvedbo in stanje osnovnega položaja! 6. Naštej načine delitve pnevmatskih ventilov, podrobneje predstavi delitev glede na konstrukcijsko izvedbo in obstojnost preklopljenega! 7. Slabosti stisnjenega zraka so:(pravilen odgovor označite s križcem) ( ) neeksplozivnost ( ) majhne sile ( ) dobra akumulacija ( ) hrup pri odzračevanju 8. Monostabilni ventil je: (pravilna odgovora označite s križcem) ( ) v enem stanju dokler ne pripeljemo zrak na drugo stran ( ) brez pomnilniške funkcije ( ) aktiviran samo pnevmatsko ( ) v osnovno stanje ga povrne vzmet 9. Kaj pomeni beseda pnevmatika? 10. Koliko znaša atmosferski tlak in od česa je odvisen? 11. Napiši enačbo za izračun tlaka in jo komentiraj! 12. Poraba zraka za enosmerni cilinder se izračuna po enačbi:? 13. Opiši in nariši 3/2 monostabilni pnevmatski ventil, ki je v osnovnem stanju odprt in napiši oznake za priključke. 14. Nariši vezalno shemo za krmiljenje dvosmernega cilindra v odvisnosti od tlaka. Uporabi tlačno stikalo! Označi vse priključke. 116

118 15. Zakaj moramo ugašati signale v pnevmatiki in skiciraj en način ugašanja! 16. Napiši formulo za določitev povratne sile pri dvosmernem delovnem valju! 17. Opiši in nariši 5/2 bistabilni pnevmatski ventil in napiši oznake za priključke! 18. Nariši vezalno shemo za krmiljenje enosmernega cilindra! (posredno krmiljenje). 19. Dvosmerni cilinder se sme iztegniti le, če je cilinder v zadnjem končnem položaju,in ko se pritisne startni taster. Cilinder se vrne avtomatično nazaj, ko doseže sprednji končni položaj. Nariši pnevmatsko vezalno shemo! 20. Izdelajte pnevmatsko vezalno shemo in narišite diagram Pot - korak za cilinder A in B. Zaboje, ki prihajajo posamično po spodnji valjčni progi se dviga s pnevmatskim cilindrom A iz nižjega nivoja na višji nivo, z drugim cilindrom B se jih potisne po zgornji valjčni progi. V izhodiščni položaj se vrne najprej cilinder A. 21. Izdelaj pnevmatsko vezalno shemo za podani tehnološki proces s pomočjo kaskadne metode. Delovni valj A vpne obdelovanec, nato delovni valj B izvrši prvi upogib in delovni valj C drugi upogib. Na koncu delovni valj A izpne obdelovanec in sledi ročna odstranitev obdelovanca. V vezju izvedite tudi nastavitev hitrosti delovnih gibov valjev B in C. 22. Izdelajte pnevmatsko vezalno shemo naprave za upogibanje pločevine. Enosmerni cilinder A vpne pločevino ob prislon, dvosmerni cilinder B pločevino upogne, dvosmerni cilinder C pa zapogne. (zaporedje gibov A+B+B-C+C-A- ). Naprava naj opravi celotni postopek po pritisku na tipko start. Vezalno shemo izdelajte po poljubni metodi (min ali max). 23. Nariši krmilje A+ B+ B- B+ B- A-. Krmilje nariši s pomočjo taktne verige po min. ali max. metodi! 24. Nariši krmilje A+ B+ B- C+ B+ B- C- A-. Krmilje nariši po min. ali max metodi! 25. Na pnevmatični shemi označi priključke pnevmatičnih elementov ter jim dodaj številčne oznake! 117

119 26. Poleg simbolov potnih ventilov napiši tip in definicijo ventila, ki ga predstavljajo! 27. Poleg simbolov za načine aktiviranja potnih ventilov napiši način aktiviranja potnega ventila! 118

120 28. Poleg simbolov potnih ventilov napiši definicije potnih ventilov, ki jih predstavljajo! 29. NAPRAVA ZA KOVIČENJE. Izdelaj vezalno shemo za napravo, ki koviči dve pločevini! Pločevini in kovico ročno namestimo v napravo in jih po zakovičenju zopet ročno odstranimo. Avtomatizacija delovnega postopka obsega vpenjanje delov (valj A) in kovičenje (valj B). S pritiskom na startno tipko izvedemo delovni postopek in vrnemo napravo v izhodiščni položaj. Uporabi maksimalno metodo! 119

121 5. ELEKTROPNEVMATIKA Elektropnevmatika je samo način krmiljenja pnevmatike, kar pomeni, da so delovni elementi enaki kot pri klasični pnevmatiki, signali za krmiljenje pa so električni. Obdelava signalov je električna s pomočjo relejev. Elektropnevmatika združuje prednosti pnevmatike in elektrike, v praksi se še vedno veliko uporablja, saj je kombinacija krmiljenja pnevmatike s pomočjo električnih signalov ugodna in enostavna. Pri elektropnevmatiki ločimo storilni ali delovni del, ki je pnevmatičen in krmilni del, ki je električen. Električne signale, ki jih dajejo kontakti obdelamo s pomočjo relejev in jih posredujemo elektromagnetnim potnim ventilom, ki z zrakom oskrbujejo pnevmatične delovne elemente. Krmilni sistem v elektropnevmatiki ima še dodatni člen za pretvorbo signala iz električnega v pnevmatični, glede na pnevmatičen krmilni sistem. Vhod signalov Obdelava signalov Izhod signalov Slika 5.1: Pnevmatični krmilni sistem Vhod signalov Obdelava signalov Pretvorba signalov Izhod signalov Slika 5.2: Elektropnevmatični krmilni sistem Za vhod signalov uporabljamo razna stikala in brezdotične signalnike, signale obdelajo releji, pretvarjajo jih elektromagnetni ventili, za izhod signalov pa uporabljamo pnevmatične cilindre ali motorje (slika 5.3). 120

122 5. nivo: delovni elementi (cilindri, motorji, optični prikazovalniki,...) 4. nivo: elementi za izvrševanje ukazov (elektromagnetni potni ventili,...) Pnevmatični delovni del 3. nivo: obdelava signalov (releji, kontaktorji, PLC-ji, ) 2. nivo: dajalniki signalov (gumbi, mejna stikala, reed kontakti,...) Električni krmilni del 1. nivo: oskrba z energijo (kompresorji, usmerniki,...) Slika 5.3: Elektropnevmatične komponente Prednost elektropnevmatike pred klasičnim pnevmatičnim krmiljem: Enostavna prilagoditev na različne delovne pogoje, temperaturna neodvisnost od okolice, nizka cena kontaktov, stikal in relejev, enostavna rešitev logičnih, spominskih in časovnih funkcij in enostavna rešitev velikih krmilnih zahtev. Slabosti elektropnevmatike: Izraba delovnih kontaktov zaradi obločnih lokov in oksidacije, zavzema velik prostor zato jo izpodriva elektronika, glasnost pri preklapljanju, omejena hitrost preklapljanja (3-17ms) in vpliv umazanije. Elektropnevmatična krmilja vse bolj izpodriva cenejša in boljša elektronska krmilja, vendar se v praksi še vedno največ srečujemo z elektropnevmatiko. Za elektropnevmatiko se odločamo tudi zaradi enostavnosti, kajti strežno osebje lahko z malo znanja elektrotehnike razume delovanje, kar pa je pogoj za pravilno delovanje in vzdrževanje sistema. 121

123 5.1 Krmilna veriga v elektropnevmatiki 1. SIGNALNI ČLENI (stikalo, tipka, mejno stikalo, programator, senzor, tipalo), 2. ČLENI ZA OBDELAVO SIGNALOV (KRMILNI ČLENI) (kontaktor, rele, elektronski členi), 3. POSTAVITVENI ČLENI (močnostni kontaktor, močnostni tranzistor, močnostni tiristor) in 4. POGONSKI ČLENI (elektromotor, elektromagnet, linearni motor) Načini krmiljenja Krmilje je lahko: vodeno krmilje, obstojno krmilje in programsko krmilje. Programsko krmilje je lahko: krmiljenje v odvisnosti od časa, krmiljene v odvisnosti od poti in zaporedno krmiljenje. Krmiljenja glede na obliko informacij: analogno krmiljenje, digitalno krmiljenje in binarno krmiljenje. Krmiljenje glede na način obdelave signalov sinhrono krmiljenje, asinhrono krmiljenje, logično krmiljenje, zaporedno krmiljenje: časovno odvisno zaporedno krmiljenje procesno odvisno zaporedno krmiljenje 5.2 Električne komponente za oddajanje signalov Električno energijo se sprejme, obdela in oddaja s popolnoma določeno izdelanimi komponentami, ki se v električnih shemah prikazujejo s simboli, na osnovi teh shem pa se izdela in vzdržuje krmilje. Električne komponente za oddajanje električnih signalov z različnih mest krmilja so izvedene na različne načine in za različno dolgo trajajoča aktiviranja, nato signale oddajo področju obdelave signalov. Osnovni element za oddajanje signalov je KONTAKT, ki je lahko v odvisnosti od funkcije zapiralni, odpiralni ali menjalni. 122

124 5.2.1 Osnovni tipi kontaktov v elektrotehniki Kontakti zapirajo ali odpirajo tokovni krog in s tem posredujejo signale, ki so posledica delovanja na kontakte. V nadaljevanju bodo navedeni osnovni tipi kontaktov in primeri komponent v katere so vgrajeni (tipke, stikala, ) Zapiralni kontakt v normalnem stanju odprt Zapiralni kontakt ob aktivaciji zapre (sklene) tokokrog. Imenujemo ga tudi delovni kontakt v literaturi pa je pogosto označen z angleško kratico NO normally open, kar pomeni, da je v normalnem stanju odprt razklenjen. Prerez: Simbol: aktivacija (gumb) ali priključki Slika 5.4: Zapiralni kontakt Odpiralni kontakt v normalnem stanju zaprt Odpiralni kontakt ob aktivaciji razklene tokokrog. Imenujemo ga tudi mirovni kontakt v literaturi pa je pogosto označen z angleško kratico NC normally closed, kar pomeni, da je v normalnem stanju zaprt sklenjen. Prerez: Simbol: ali Slika 5.5: Odpiralni kontakt Menjalni kontakt Menjalni kontakt je konstrukcijska sestavina mirovnega in delovnega kontakta. Za oba kontakta je en premični stikalni element, ki ima v mirovnem položaju stik samo z enim kontaktom. 123

125 Prerez: Simbol: ali Časovno odvisni kontakti delovni kontakt mirovni kontakt Slika 5.6: Menjalni kontakt Posebno vrsto predstavljajo kontakti z zakasnitvijo vklopa oz. izklopa. Le ti vplivajo na kontakt po določenem času po aktivaciji. zakasnjen vklop zakasnjen izklop zakasnjen vklop in izklop delovni kontakti mirovni kontakti Slika 5.7: Simboli časovno odvisnih kontaktov 5.3 Načini aktiviranja kontaktov Aktiviranje kontaktov (signalnikov) je lahko fizično, mehanično, brezdotično (senzorsko) ali daljinsko (električno ali pnevmatično) Fizično aktiviranje Fizično aktiviramo kontakte s pritiskom, zasukom ali potegom. Uporabljamo jih, kjer moramo dobiti signale za začetek delovnega postopka ali kjer so zahtevani določeni varnostni pogoji. a) Fizični preklop kontakta z pritiskom na gumb (tipko) Aktiviranje s pritiskom na gumb lahko uporabimo za zapiralni, odpiralni ali menjalni kontakt. Po prenehanju pritiska na gumb se kontakt vrne zaradi povratne vzmeti v izhodiščni položaj. 124

126 b) Fizični preklop kontakta s stikalom Stikala so ponavadi izvedena z mehanično zaporo, kar pomeni, da se po prenehanju pritiska ne vrnejo v izhodiščni položaj ampak ostanejo preklopljena. Simboli za fizično aktiviranje: Fizično aktiviranje splošno Fizično aktiviranje s potegom Fizično aktiviranje s pritiskom Fizično aktiviranje z zasukom Slika 5.8: Simboli fizičnega aktiviranja kontaktov Zaradi lažjega posredovanja pravilnih informacij so dajalniki signalov označeni na enoten način. Označba je lahko ob ali nad gumbom in je lahko z besedami ali z znakom: vklop - 1 in izklop - 0. Če sta gumba eden poleg drugega je izklopni gumb vedno na levi, če pa sta eden nad drugim je izklop vedno spodnji. Barvna označba gumbov ni predpisana. Če se že uporabijo barvni gumbi, se uporablja gumbe rdeče barve za izklop oziroma za varnostni izklop, gumbe zelene barve pa za vklop Mehanično aktiviranje kontaktov Za mehanično aktiviranje kontaktov imamo največkrat kolesce, ki ga določen strojni del povozi in s tem preklopi kontakt. Imenujemo jih mejni signalniki, kajti z njimi največkrat povprašujemo po popolnoma določenem končnem položaju. Največkrat za mejni signalnik uporabljamo menjalni kontakt. Konstrukcijska izvedba je lahko s sprožilnim kontaktom ali pa drsečim kontaktom. Mejne signalnike moramo pravilno vgraditi in upoštevati navodila proizvajalcev. preklopni element drseči kontakt (kolesce) sprožilni kontakt Simbol: ALI mirovni kontakti delovni kontakti skupni kontakt Slika 5.9: Mejna signalnika z drsečim kontaktom in s sprožilnim kontaktom 125

127 5.3.3 Brezdotično aktiviranje kontaktov Mehanske mejne signalnike velikokrat težko montiramo na stroje, ki jih želimo krmiliti. Zahtevajo veliko prostora in vedno zahtevajo fizični dotik z napravo, kateri določajo položaj, zaradi tega se izrabljajo in lomijo. Vse te težave rešujejo brezdotični mejni signalniki (senzorji). Aktiviranje je v tem primeru posredno preko nekega drugega signala (magnet, indukcija, kapacitivnost, svetloba). Osnovne vrste brezdotičnih mejnih signalnikov so torej: - Magnetični mejni signalnik (reed-ov kontakt), - Induktivni mejni signalniki, - Kapacitivni mejni signalniki in - optični mejni signalniki. Simboli za brezdotične mejne signalnike so enotni, s splošnim simbolom označimo, da gre za brezdotični signalnik (senzor). Na simbolu označimo kakšen je način aktiviranja in kakšen kontakt je v signalniku. napajanje Splošni simbol Izhod Tip senzorja Tip kontakta Slika 5.10: Primer simbola brezdotičnega mejnega signalnika (optičnega) Magnetični mejni signalnik (reed-ov kontakt) Magnetični senzor sestavljata dva kontakta v stekleni cevki, ki je napolnjena z zaščitnim plinom in zalita v ohišju iz umetne smole. Pri približevanju bata z vgrajenim permanentnim magnetom se privleče kontaktna jezička, ki se skleneta. Pri oddaljevanju magneta se kontaktna jezička razkleneta. Posebno pozorni pa moramo biti na največji dopustni tok kotaktov. steklena cevka jezička - kontakta Slika 5.11: Reed-ov kontakt 126

128 Kontakt v zaščitnem plinu lahko aktivira samo permanentni magnet. Teh kontaktov ni potrebno vzdrževati in imajo dolgo življenjsko dobo. Čas preklopa je zelo kratek (0,2ms) in število vklopov je do 400 na sekundo. Občutljivost je odvisna od konstrukcije. Uporabljamo jih za določevanje končnih pozicij cilindrov. Ne zahtevajo dodatnega prostora in elementov za aktiviranje, ker jih montiramo na cilindre. Ne moremo jih montirati na mestih z močnim magnetnim poljem (uporovni varilni stroji), poleg tega pa moramo upoštevati, da vsi cilindri nimajo obroča na batu iz permanentnega magneta. Primer izvedbe : Simbol: ALI trižični tip dvožični tip Slika 5.12: Magnetični brezdotični mejni signalnik (reed-ov kontakt) Induktivni mejni signalnik (induktivni senzor) V praksi imamo velikokrat zahteve, da moramo signalizirati prihajajoče obdelovance ali pa moramo registrirati določene gibe naprav. Z mehanskimi mejnimi signalniki to storimo težko, kajti potrebujemo silo za aktiviranje in prostor za montažo. Enostavno to lahko izvedemo z induktivnimi mejnimi signalniki. Primer izvedbe : Zgradba: Simbol: Ciljni objekt Visokofrekv. polje Navitje Oscilator telo senzorja matici za pritrditev priključni kabel Prožilno vezje Ojačevalec Slika 5.13: Induktivni brezdotični mejni signalnik Induktivni signalnik ima ponavadi valjasto telo v katerem je oscilator, stopnja za ovrednotenje spremembe (prožilno vezje) in ojačevalnik. Oscilator ustvarja na čelni 127

129 strani senzorja visokofrekvenčno polje. Če pride v to polje kovinski predmet, odvzame oscilatorju energijo zaradi vrtinčnih tokov. Zaradi tega pade napetost na oscilatorju, naslednja preklopna stopnja odda signal, ki ga ojačevalnik poveča. Signal izkoristimo za krmiljenje. Induktivni mejni signalniki so občutljivi samo na kovine. Priključimo jih lahko na enosmerno ali izmenično napetost. Pri montaži moramo upoštevati navodila proizvajalca, da jih pravilno vgradimo Kapacitivni mejni signalnik (kapacitivni senzor) Kapacitivni senzor je podoben kot induktivni, le da ima drugačen oscilator. V polju delovanja se tvori kapacitivno polje, zato lahko senzor aktivirajo vse snovi, katerih dielektrične lastnosti povzročajo spremembe v tem polju. Kapacitivni senzorji tako reagirajo na kovine in nekovine, kar pomeni, da lahko spremembe povzroča prah, odrezki in podobno. Oblika senzorja je podobna kot pri induktivnem senzorju. Uporabljamo jih za registriranje nekovinskih obdelovancev in podobno. Primer izvedbe : Zgradba: Simbol: Visokofrekv. polje RC oscilator Prožilno vezje Ojačevalec Slika 5.14: Kapacitivni brezdotični mejni signalnik Optični mejni signalnik (senzor) Optični senzor reagira na odbito svetlobo in ima oddajnik svetlobe, ki je lahko vidna ali nevidna ter sprejemnik. Oddajnik in sprejemnik svetlobe sta lahko montirana skupaj v enem ohišju ali vsak zase. Oddajnik svetlobe (foto dioda) odda svetlobo in če pride v polje senzorja predmet, se svetloba odbije. Odbito svetlobo registrira sprejemnik (foto celica), ki nam da signal. Primer izvedbe : Simbol: sprejemnik svetlobe priključni kabel oddajnik svetlobe matici za pritrditev Slika 5.15: Optični brezdotični mejni signalnik 128

130 Optične senzorje uporabljamo za kontrolo prisotnosti obdelovancev, za varnostne zapore delovnega območja in podobno. V praksi se veliko uporabljajo. Pravilno jih moramo montirati, kajti območje delovanja je omejeno, hkrati pa moramo paziti, da jih priključimo po navodilih proizvajalca. Izvedeni so lahko v treh različicah (glej sliko 5.16): a) oddajnik in sprejemnik v istem ohišju oddajnik sprejemnik opazovan objekt sprejemnik zaznal signal objekt zaznan b) oddajnik in sprejemnik v istem ohišju z odbojnim telesom odbojno telo sprejemnik izgubil signal objekt zaznan c) oddajnik in sprejemnik ločena oddajnik sprejemnik sprejemnik izgubil signal objekt zaznan Slika 5.16: Principi delovanja optičnih mejnih signalnikov 129

131 5.4 Električne sestavine za obdelavo signalov Za obdelavo signalov najpogosteje uporabljamo releje najrazličnejših izvedb. Rele se lahko smatra kot stikalo z elektromagnetnim aktiviranjem. Vključuje in krmili ob majhni porabi energije. Obstajajo izvedbe za enosmerne in izmenične napetosti. Rele mora izpolnjevati določene zahteve: delovanje brez vzdrževanja, vzdrževati mora veliko število vklopov, majhna izvedba za relativno velike tokove in napetosti in velika funkcijska hitrost in s tem kratki vključiti časi. V praksi obstaja cela vrsta različnih konstrukcijskih izvedb, funkcijski princip pa je pri vseh enak Rele Releji so stikala za močne (visoke) tokove, ki jih posredno vklapljajo šibki tokovi (ali napetosti). Uporabljamo jih povsod tam, kjer je poraba toka nekega električnega elementa prevelika za navadna kontaktna stikala. Releji imajo naslednje lastnosti: Prednosti: a) neobčutljivost na temperaturo okolice, b) enostavna prilagoditev na različne delovne napetosti, c) preko kontaktov lahko teče več različnih tokokrogov, d) visoka upornost med izključenimi kontakti (preboj), e) galvanska ločitev med napajalnim in delovnim tokokrogom. Slabosti: a) glasnost pri preklopu, b) počasnost preklapljanja (3-17 ms), c) zavzema veliko prostora v primerjavi z elektroniko, d) izraba delovnih kontaktov zaradi obločnega loka ali oksidacije, e) občutljivost kontaktov na umazanijo (prah). 130

132 Problem nastaja pri previsokem toku (količini potujočih elektronov na nasprotni pol) je stična površina premajhna za tako velik tok elektronov (slika 5.22). Tako postane ta stična površina "ozko grlo", skozi katerega se elektroni "drenjajo, prerivajo", se med seboj trejo. Zaradi tega se povečuje notranja energija, kar praktično pomeni segrevanje materiala na stičnem mestu tudi do te mere, da se material raztali in spoji (točkovno varjenje). Ta pojav se namerno uporablja pri električnih varovalkah s talilnim vložkom. V nekem delovnem procesu pa zlepljanje kontaktov stikal ni ugodno. Slika 5.17: Stične površine kontaktov releja Rele ima dovolj močne kontakte, ki prenesejo močnejšo porabo električnega toka oz. večji pretok elektronov. Na enem samem releju slika 5.23 je več delovnih in mirovnih kontaktov, kar lahko uporabimo pri realizaciji krmilij z določenimi logičnimi pogoji delovanja. Slika 5.18: Shema releja z načinom priključitve Princip delovanja prikazuje naslednja slika: Princip delovanja: tuljavica brez napetosti tuljavica pod napetostjo osnovni položaj preklopljen položaj Slika 5.19: Princip delovanja releja 131

133 Rele sestavlja električno navitje tuljava in kotva, ki je mehanično povezana s kontakti. Pri dovodu napetosti na tuljavo steče po navitju električni tok, zgradi se magnetno polje, ki pritegne kotvo v jedru tuljave. Kotva premakne kontakte, ki se odprejo ali zaprejo. Stikalo obdrži stanje toliko časa, dokler je na tuljavi napetost, ko pa napetost preneha vrne povratna vzmet kotvo v izhodiščni položaj. V praksi uporabljamo za prikaz releja simbol, ki z svojo enostavnostjo olajša branje vezalnih shem. Simbol je odvisen od števila in tipa kontaktov, ki jih vsebuje. Releje označujemo s K1, K2, K3, Priključka za aktiviranje sta označena z A1 in A2. Da lahko vse kontakte pravilno priključimo ima vsak kontakt dvomestno številko. Prva številka je zaporedna številka kontakta, druga številka pa pove tip kontakta (glej tabelo 5.1). Tip kontakta Številka označbe Mirovni kontakti (NC) 1, 2 Delovni kontakti (NO) 3,4 Mirovni kontakti z zakasnitvijo 5, 6 Delovni kontakti z zakasnitvijo 7, 8 Menjalni kontakti 1,2,4 Menjalni kontakti z zakasnitvijo 5,6,8 Tabela 5.1: Označbe priključkov releja Primer releja in njegov simbol: Simbol: mirovni kontakti krmilna priključka delovni kontakti mirovni kontakti 1. kontakt delovni kontakti Slika 5.20: Primer simbola za rele 3. kontakt 132

134 Na naslednji sliki je prikazan primer izvedbe releja: Primer izvedbe: kontakti tuljavica priključki Slika 5.21: Primer izvedbe releja Kljub slabostim se releji še zmerom veliko uporabljajo v krmiljenju. Pri izbiri releja moramo paziti na ustrezni tip (število in tip kontaktov) ter na lastnosti releja kot so tok, napetost, moč, število vklopov Kljub razvoju elektronike je rele še vedno nepogrešljiv. Obstaja več izvedb relejev. Zelo pogosto se uporabljajo časovni releji. Ti releji imajo prigrajen nastavljiv mehanski ali elektronski časovni mehanizem - uro. Prevladujeta dva osnovna tipa časovnih relejev - časovni rele z zakasnitvijo vklopa slika 5.22 in časovni rele z zakasnitvijo izklopa rele slika 5.23, sicer pa je še veliko drugih možnih izvedb. a) Časovni rele z zakasnitvijo vklopa Slika 5.22: Časovni rele z zakasnilno karakteristiko b) Časovni rele z zakasnitvijo izklopa Slika 5.23: Časovni rele s prekinitveno karakteristiko 133

135 Časovni rele ima nalogo, da po določenem času, ki se ga lahko nastavlja vklopi ali izklopi tokokrog. Kontakti so lahko zapiralni ali odpiralni. Časovni releji so lahko izvedeni s pritezno ali odpustno časovno zakasnitvijo. Pri pritezni zakasnitvi se izhodni signal pojavi po nekem času in ugasne, ko izgine vhodni signal. Uporabljamo jih za podaljševanje signalov (realizacija podaljšanja končnih stanj pri delovanju naprav). Pri odpustni časovni zakasnitvi se izhodni signal pojavi istočasno kot vhodni signal in traja nastavljeni čas, čeprav vhodni signal medtem izgine. Uporabljamo jo za določevanje časov posameznih delovanj, kajti potrebujemo samo vhodni signal, ki lahko nato izgine. Obstajajo še drugi tipi relejev: polarizirani rele (kontaktno pero ima tudi srednji mirujoči položaj), pulzni rele (zadrži stanje tudi po odvzemu krmilnega signala In), remanentni rele (zadrži stanje tudi po odvzemu krmilnega signala in celo po izpadu energije). Simboli navedenih relejev so prikazani na sliki 5.29: Slika 5.24: Simboli relejev 134

136 Samodržna vezava releja Funkcijo remanentnega releja, ki je sposoben obdržati trenutno stanje tudi po odklop krmilnega signala lahko realiziramo tudi s pomočjo običajnega releja s posebno ti. samodržno vezavo. Le ta se v elektropnevmatiki pogosto uporablja za krmiljenje monostabilnih elektromagnetnih ventilov. Obstajata dve izvedbi samodržne vezave (slika 5.25): - vezava z prevladujočim (dominantnim) vklopom in - vezava z prevladujočim izklopom. Samodržne vezave: VKLOP VKLOP IZKLOP IZKLOP Prevladujoči VKLOP Prevladujoči IZKLOP Slika 5.25: Vezava s prevladujočim vklopom in vezava prevladujočim izklopom Delovanje vezave s prevladujočim vklopom: S pritiskom na tipko VKLOP dobi navitje releja K1 napetost in pritegne svoje kontakte. Pri tem sklene delovni kontakt označen prav tako z K1. Tudi če sedaj tipko VKLOP izpustimo, ostane navitje K1 pod napetostjo preko mirovnega kontakta tipke IZKLOP in pritegnjenega kontakta K1. Vezava s prevladujočim vklopom se imenuje zato, ker če v trenutku, ko je rele pritegnjen pritisnemo na tipki VKLOP in IZKLOP hkrati, prevlada tipka VKLOP (vzporedna vezava tipke VKLOP in IZKLOP). Delovanje vezave s prevladujočim izklopom: S pritiskom na tipko VKLOP dobi navitje releja K1 napetost preko delovnega kontakta tipke VKLOP in mirovnega kontakta tipke IZKLOP. Pri tem se sklene delovni kontakt releja K1. Tudi če sedaj tipko VKLOP izpustimo, ostane navitje K1 pod napetostjo preko pritegnjenega kontakta K1. Vezava s prevladujočim izklopom se imenuje zato, ker če v trenutku, ko je rele pritegnjen pritisnemo na tipki VKLOP in IZKLOP hkrati, prevlada tipka IZKLOP (zaporedna vezava tipke VKLOP in IZKLOP) Kontaktor Kontaktor je elektropnevmatično stikalo, ki vklopi z majhno krmilno močjo veliko moč. Stikalne kontakte premika s kotvo elektromagneta. Kontaktor se vključi, ko teče 135

137 tok skozi vzbujevalno navitje. Pri pretoku toka nastane magnetno polje, ki povzroči pritezno silo. Premik kotve vpliva na premične kontakte, ki se odprejo ali zaprejo. Močnostni tokokrog se s tem prekine ali sklene. Kontaktorje uporabimo za različne namene. Največ so uporabni za vključevanje motorjev, peči, klimatskih naprav, žerjavov ipd. Konstrukcije kontaktorjev so lahko različne : Slika 5.26: Konstrukcijska izvedba kontaktorjev in princip delovanja Primer izvedbe kontaktorja: Slika 5.27: Izvedba kontaktorja Simbol kontaktorja je enak kot za rele, le označbe kontaktov so drugačne. Kontakte označujemo z zaporednimi številkami (npr. 1,2, 3 ), srečamo pa tudi označevanje, ki je enako kot pri relejih (dvomestne številke). Slika 5.28: Simboli kontaktorjev Kontaktorje izbiramo iz katalogov proizvajalcev. Pri izbiri moramo upoštevati moč, način uporabe, število in frekvenco vklopov ipd. 136

138 5.5 Elementi za pretvorbo električnih signalov v pnevmatične Za pretvorbo električnih krmilnih signalov v pnevmatične signale uporabljamo elektromagnetne ventile. To so pnevmatični potni ventili, ki jih aktivirajo elektromagneti. Elektromagnetni ventili povezujejo električni krmilni del z delovnim pnevmatičnim delom. Elektromagnetni ventil sestavlja električni del za aktiviranje in pnevmatični potni ventil. Električni del je v principu elektromagnetno navitje in kotva. Kotva sedaj ne premika kontaktov kot pri releju, temveč premika stanje na potnem ventilu. Potni ventili so lahko različnih tipov in izvedb. Največ uporabljamo 3/2 in 5/2 potne ventile, ki so sedežnih ali drsnih izvedb. Primer monostabilnega in bistabilnega elektromagnetnega ventila v drsni izvedbi prikazuje naslednja slika: električni priključek navitja Elektromagnetni monostabilni ventil Elektromagnetni bistabilni ventil vzmet Slika 5.29: Primer monostabilnega in bistabilnega elektromagnetnega ventila Elektromagnetni ventil prikažemo v pnevmatični in električni shemi s simboli na naslednji način: simbol v pnevmatični shemi 1Y1 1Y2 simbol v električni shemi 1Y1 1Y2 Slika 5.30: Simbol za elektromagnetni ventil v pnevmatični in električni shemi Elektromagnetni ventili so lahko izvedeni z neposrednim ali posrednim aktiviranjem. Pri neposrednem aktiviranju kotva neposredno premika ventil. Sila kotve je majhna, zato tak ventil lahko uporabljamo le za manjše pretoke. Pri posrednem delovanju pa kotva premika mali pnevmatični 3/2 monostabilen ventil, ki nato s pomočjo zraka premakne večji pnevmatični ventil. 137

139 5.5.1 Elektropnevmatične sheme (M) Električni elementi so označeni s črkami in številkami. Tokovni načrt razdelimo na krmilni tokokrog in glavni tokokrog. Elemente označujemo z Mejno stikalo Komponenta Ročno aktivirana tipka, stikalo (vhodne naprave) Reed-ov kontakt Elektronski brezdotični signalnik Tlačno stikalo Indikatorske naprave (npr. lučke) Rele Kontaktor Navitje elektromagnetnega. ventila Črka označbe Tabela 5.2: Tabela označb v pnevmatičnih in električnih shemah Komponente prikazane v električni shemi so torej označene na naslednji način: - ročno aktivirana stikala kot S1, S2, S3 - mejna stikala kot 1S1, 1S2 - tlačna stikala, brezdotični signalniki, kot 1B1, 1B2, 2B1 - releji in kontaktorji kot K1, K2, K3 - navitja elektromagnetnih ventilov kot 1Y1, 1Y2 - indikatorske luči kot H1, H2 Primer pnevmatične sheme z elektropnevmatičnimi komponentami: S S B B B H K K Y Slika 5.31: Primer označene pnevmatične sheme 138

140 Primer električne sheme z elektropnevmatičnimi komponentami (ni vezana na zgornji primer): Slika 5.32: Primer označene električne sheme Delovni element (aparat) prikažemo vedno na levi strani simbola. Z ločitvijo krmilnega in glavnega tokokroga in s posameznimi označbami aparatov in funkcij je zagotovljena preglednost tokovnega načrta. S tokovnim načrtom prikazujemo elektropnevmatična krmilja. Zgled 1. EP krmilja: Ob pritisku na startno tipko ali vzpostavitvi signala na releju se naj batnica enosmernega valja iztegne v + gib, ob sprostitvi tipke ali signala se naj povrne v začetno lego. a) Narišite delovni del - energetski del krmilja. Krmiljenje elektromagnetnega 3/2 ventila naj bo: b) neposredno direktno, c) posredno - indirektno preko kontaktov releja. 139

141 Slika 5.33: Elektropnevmatična shema za krmiljenje enosmernega valja Zgled 2. EP krmilja: Ob pritisku na startno tipko ali vzpostavitvi signala na releju se naj batnica dvosmernega valja iztegne v + gib, ob sprostitvi tipke ali signala se naj povrne v začetno lego. a,b) Narišite delovni del - energetski del krmilja. Krmiljenje elektromagnetnega 4/2, 5/2 ventila naj bo: c) neposredno direktno, d) posredno - indirektno preko kontaktov releja. Slika 5.34: Elektropnevmatična shema za monostabilno krmiljenje enosmernega in dvosmernega valja 140

142 Zgled 3. EP krmilja: Batnica a) enosmernega in b) dvosmernega bata se naj pri aktiviranju startnega stikala S1 iztegne v končno lego ter naj tam ostane, dokler ne aktiviramo stikala za povratni gib S2. Pri tem naj bo bat cilindra v končnih legah stalno pod tlakom. Za krmiljenje cilindra je potrebno uporabiti 3/2 in 5/2 elektromagnetne bistabilne ventile. Krmiljenje elektromagnetnega 3/2, 5/2 ventila naj bo: c) neposredno direktno, d) posredno - indirektno preko kontaktov releja. Slika 5.35: Elektropnevmatična shema za bistabilno krmiljenje enosmernega in dvosmernega valja 141

143 5.5.2 Primerjava izvedb logičnih funkcij z pnevmatičnimi in električnimi Na naslednjih dveh slikah so predstavljene logične funkcije realizirane z pnevmatičnimi in električnimi komponentami. Slika 5.36: Realizacija osnovnih logičnih funkcij s pnevmatičnimi in električnimi komponentami 142

144 Slika 5.37: Realizacija dodatnih logičnih funkcij s pnevmatičnimi in električnimi komponentami 143

145 5.6 Vprašanja iz elektropnevmatike 1. Naštejte prednosti in slabosti elektropnevmatičnih krmilij (vsake vsaj 3)! 2. Pojasni razliko med analogno, digitalno in binarno predstavitvijo signala! 3. Naštej in opiši osnovne vrste kontaktov ter nariši simbole! 4. Naštej načine aktiviranja kontaktov, podrobneje opiši fizično in mehanično aktiviranje! 5. Brezdotično aktiviranje kontaktov (opis prednosti nasplošno, našeti vrste, simbolika), podrobneje opiši reed-ov kontakt! 6. Brezdotično aktiviranje kontaktov (opis prednosti nasplošno, našeti vrste, simbolika), podrobneje opiši induktivni mejni signalnik! 7. Brezdotično aktiviranje kontaktov (opis prednosti - nasplošno, našeti vrste, simbolika) podrobneje opiši kapacitivni mejni signalnik! 8. Brezdotično aktiviranje kontaktov (opis prednosti - nasplošno, našeti vrste, simbolika) podrobneje opiši optične mejne signalnike (vrste, princip delovanja)! 9. Releji zakaj se uporabljajo, zgradba, označevanje, omejitve? 10. Releji naštej vrste, opiši delovanje časovnega releja z zakasnitvijo vklopa in navedi primer uporabe! 11. Releji naštej vrste, opiši delovanje časovnega releja z zakasnitvijo izklopa in navedi primer uporabe! 12. Samodržna vezava pojasni bistvo samodržne vezave, nariši vezavo s prednostnim vklopom, navedi primer uporabe! 13. Samodržna vezava pojasni bistvo samodržne vezave, nariši vezavo s prednostnim izklopom, navedi primer uporabe! 14. Kontaktorji kje se uporabljajo, princip delovanja, simbolika, način označevanja? 15. Elektromagnetni ventili princip delovanja, simbolika v pnevmatičnih in električnih shemah? 144

146 6. HIDRAVLIČNA KRMILJA V tem poglavju bodo pojasnjeni le osnovni pojmi povezani z hidravliko. Posamezne komponente hidravličnih krmilij (krmilniki poti, toka in tlaka) niso podrobno predstavljene saj se bistveno ne razlikujejo od sorodnih pnevmatičnih komponent predstavljenih v prejšnjih poglavjih. Beseda hidravlika izhaja iz grške besede hidor (voda) in aulos (cev), kar sestavlja besedo hidraulikus, kar pa pomeni prenos in pretvorbo energije ter informacij, ki jih dobimo s pomočjo tekočine. Največjo pozornost bomo posvetili industrijski hidravliki, ki jo imenujemo tudi oljna hidravlika, ker pri njej uporabljamo najpogosteje mineralno ali sintetično olje. V hidravličnih napravah je delovni medij vedno v nadtlačnem območju, medtem ko pa v pnevmatiki določeni elementi (npr. prisesovalne dvižne naprave) delujejo v podtlačnem območju - vakuumu. Pod pojmom hidravlika razumemo vedo o pretvarjanju in prenosu energije oz. ustvarjanju sil in gibanj s pomočjo tekočin. Prikaz pretvorbe in prenosa energije v hidravliki predstavlja shematična blokovna shema na sliki 6.8: Prenos in pretvorba energije Električna energija Iz mehanske v tlačno energijo Krmiljenje in prenos energije Iz tlačne v mehansko energijo Mehansko delo Komponente za prenos in pretvorbo energije Elektromotor Črpalka Krmilje Hidromotor Slika 6.1: Pretvorba in prenos energije v hidravliki Delovni stroj 6.1 Zgodovinski razvoj oljne hidravlike Osnovne zakonitosti mehanike tekočin so pričeli odkrivati že v antiki, močan razcvet pa se je začel od 17. stoletja dalje. Samo fizikalno znanje seveda še ni zadoščalo. Šele napredek tehnologije je omogočil tehnično izrabo znanih zakonitosti. Potrebno je bilo uporabiti primerne kovine in gradiva za tesnenje ter razviti tehnologijo natančne obdelave sestavnih delov. Napredek uporabne hidravlike je omogočil razvoj stabilnih cementacijskih jekel, kvalitetnih sivih litin, umetne gume in postopkov finega brušenja ter honanja. Čeprav so se pojavili posamezni uporabni hidravlični stroji že v prejšnjem stoletju, je več kot devetdeset odstotkov danes uporabljenih hidravličnih elementov nastalo šele po drugi svetovni vojni. Vrhunske elemente so znanstveniki razvili šele v zadnjih dveh desetletjih, zlasti z razvojen CNC tehnologije. Upravičeno lahko trdimo, da je industrijska hidravlika mlada tehnična panoga. 145

147 6.2 Področje uporabe Hidravliko uporabljamo v številnih vejah tehnike, kar je povezano s pojmom mehanizacije in avtomatizacije. Velik uporabnik hidravlike je strojegradnja v najširšem pomenu besede. Stroje v katerih je precejšni delež hidravlične opreme, uporabljamo v mnogih panogah, npr. rudarstvu, kmetijstvu, gozdarstvu, prometu, gradbeništvu, energetiki itd Veliko vlogo ima hidravlika v preoblikovalni in odrezovalni tehniki (hidravlične stiskalnice, CNC obdelovalni stroji itd ) Hidravlika se veliko uporablja na področju letalstva, jedrske tehnologije, procesne tehnologije in vojaške tehnike. Industrijsko hidravliko delimo na: mobilno hidravliko (za gibljive stroje), obdelovalno hidravliko (za odrezovalne obdelovalne stroje) in težko hidravliko (za stroje z velikimi silami in močmi) Stacionarna hidravlika Področja uporabe stacionarne hidravlike so: proizvodni in montažni stroji, transportne in dvižne naprave, stiskalnice, stroji za tlačno litje, valjarniške proge, moderna strojegradnja, itd. Delovni tlaki v stacionarni hidravliki obsegajo vrednosti med 30 in 300 bar, pri velikih stiskalnicah (prešah) pa celo do 1200 bar. Pri modernejših obdelovalnih strojih so tudi vsa vpenjalna in podajalna gibanja ter pogoni vreten na hidravlični pogon. Vrednosti tlakov so po posameznih področjih uporabe prikazane v tabeli 6.1: Področje uporabe obdelovalni stroji transportne naprave, gradbeništvo stiskalnice, vpenjalne naprave Vrednost tlakov bar bar (1200) bar Tabela 6.1: Vrednosti tlakov v stacionarni hidravliki 146

148 6.2.2 Mobilna hidravlika Področja uporabe mobilne hidravlike so: gradbena mehanizacija, kmetijska mehanizacija in rudarska mehanizacija. Tlačno območje znaša od 100 do 300 bar. V mobilni hidravliki se je v preteklosti krmiljenje ventilov izvajalo pretežno ročno - neposredno, vendar se v današnjem času prehaja na elektromagnetno krmiljenje ventilov (oz. alternativno s piezoventili), kar že dolgo časa velja tudi v stacionarni hidravliki - elektrohidravliki. Bager primer mobilne hidravlike Stružnica primer stacionarne hidravlike Slika 6.2: Primer mobilne in stacionarne hidravlike Letalska hidravlika Bistvene lastnosti letalske (uporabne tudi v raketni in vesoljski tehnologiji) hidravlike so: visoka zanesljivost delovanja, majhni gabariti, visoka dinamika, izredna čistost hidravlične tekočine (fina filtracija), dolga življenjska doba, zanesljivo delovanje v širokem temperaturnem območju in visoki tlaki (do 300 bar). 147

149 6.3 Lastnosti naprav na hidravlični pogon Prednosti: a) Dobra krmilnost: tlak in tok olja se da s sorazmerno preprostimi komponentami enostavno krmiliti oz. regulirati, b) visoka gostota energije: pri prenosu enake količine energije so potrebne manjše dimenzije komponent v primerjavi z ostalimi (npr. z elektromotorji), c) dobre dinamične lastnosti: doseganje velikih pospeškov, d) dokaj enostavno odvajanje toplote, nastale zaradi notranjih izgub (trenja): direktno s pomočjo medija, e) enostavna pretvorba krožnega v premočrtno gibanje, f) enostavno in ceneno nadzorovanje in varovanje naprav, g) enostaven prenos energije na daljavo (vendar slabše od pnevmatike), h) možnost avtomatizacije: dobre možnosti zaporednega krmiljenja s pomočjo poti, tlaka, časa Slabosti: a) Ekološka oporečnost, b) vnetljivost in lom komponent zaradi visokih tlakov, c) hrupnost pogona, d) občutljivost na umazanijo in spremembe temperature, e) stisljivost olja in s tem nenatančnost pozicioniranja (v primerjavi s pnevmatiko pa je stisljivost olja nična in je to prednost hidravlike), f) zahtevno vzdrževanje, g) izgube zaradi lekaže in tekočinskega trenja. 6.4 Teoretične osnove hidromehanike Hidromehaniko delimo na dve področji: hidrostatiko, ki obravnava razmerja in sile pri mirujočih tekočinah in hidrodinamiko, ki obravnava razmerja pri gibajočih tekočinah. 148

150 Hidromehanika Hidrostatika Hidrodinamika Delovanje sil zaradi tlaka krat ploščina Slika 6.3: Delitev hidrodinamike Delovanje sil zaradi mase krat pospešek V hidravlični napravi energija potuje z gibanjem tekočine, kjer se tekočini oziroma hidravličnemu olju spreminja stanje. Sestavni deli hidravlične naprave so: a) črpalka, b) dušilka, c) hidromotor, d) cevovod, e) rezervoar in f) tekočina. b d c M a e f Slika 6.4: Hidravlična naprava G 149

151 Spremembe stanja tekočine: Slika 6.5: Spremembe stanja tekočine p 0 = tlak okolice p > p 0 ( tlak je večji od p 0 ) p >> p 0 ( tlak je veliko večji od p 0 ) p < ( tlak je manjši od danega tlaka ) p << ( tlak je manjši od danega tlaka )....velika sprememba..mala sprememba konst. brez sprememb 6.5 Fizikalne lastnosti tekočin Gostota Gostota je masa prostorninske enote tekočine, ki jo lahko izrazimo s formulo: pri tem je: - m masa tekočine [kg] in - V - prostornina tekočine [m³]. [ kg/m 3] m ρ =, V Gostota je odvisna od temperature, saj imajo tekočine pri višjih temperaturah nižjo gostoto, pri nižjih temperaturah pa višjo gostoto. Edino voda ima največjo gostoto pri 4ºC, kar je izjema. Gostota tekočin pri 15 ºC: TEKOČINA GOSTOTA [kg/m 3 ] pri 15ºC mineralno olje ( ) plinsko olje ( ) alkohol (790) bencin ( ) morska voda ( ) voda (999,1) Tabela 6.2: Gostota tekočin 150

152 6.5.2 Stisljivost Pri tekočinah je stisljivost zelo majhna, zato jo zanemarimo. Pri velikih tlakih in neenakomernem gibanju pa stisljivosti ne zanemarimo. Stisljivost je izražena z enačbo: ΔV 1 s =, V Δp pri tem je: - ΔV sprememba prostornine zaradi delovanja sil [m³], - V prostornina tekočine brez delovanja sil [m³] in - Δp sprememba tlaka, ki deluje na tekočino [Pa]. Modul stisljivosti je izražen po formuli: pri tem je: - 1 recipročna vrednost in - s stisljivost. 1 E0 = [ Pa], s Modul stisljivosti je recipročna vrednost koeficienta stisljivosti in je izražen s tistim tlakom tekočine, pri katerem se prvotna prostornina zmanjša za polovico. Najpogostejše vrednosti modula stisljivosti: TEKOČINA MODUL STISLJIVOSTI ( x 10 9 Pa ) voda bencin alkohol nafta hidravlično olje Tabela 6.3: Vrednosti modula stisljivosti 151

153 6.6 Hidrostatika Hidrostatični tlak Hidrostatični tlak je tlak tekočine, ki ga povzroča teža tekočinske mase. Odvisen je od višine, gostote tekočine in gravitacijskega pospeška. Izražamo ga s formulo: pri tem je: - p s hidrostatični tlak [Pa], - h višina tekočine [m] in p s = h ρ g m m - g gravitacijski pospešek [ 2 ], g = 9,81 2. s s Primeri hidrostatičnega tlaka tekočine: Slika 6.6: Primeri hidrostatičnega tlaka Neodvisnost hidrostatičnega tlaka od oblike posode: Slika 6.7: Neodvisnost hidrostatičnega tlaka Ne glede na obliko posode in ploščino dna je hidrostatični tlak vedno enak. To imenujemo hidrostatični paradoks. 152

154 Zgled: Višina vodnega stolpa je 50 m. Izračunaj hidrostatični tlak na izpustu (glej sliko 6.13), kg če je specifična gostota vode ρ = m Podatki: h = 50 m kg ρ = m m m g = 9,81 s 2 = 10 s 2 kg m N p s = h ρ g = 50 m = m s m p s = Pa = 5 bar Tlak V hidravličnih sistemih je tlak zelo pomemben, saj je potreben za prenos in pretvorbo energije. Tlak v zaprti posodi izrazimo s formulo: F p = [ Pa], A kjer je: - p - tlak [Pa], - F - sila [N], - A - ploščina [m²]. Bistvene pretvorbe enot tlaka v zaprtih posodah: N 1 bar = 10 5 Pa = m 1kg 1N = 2 s m V zaprtih posodah velja Pascalov zakon, ki se glasi, da je v vseh delih zaprte posode tlak enak in deluje pravokotno na vse stene. F p e Slika 6.8: Pascalov zakon 153

155 Prav tako lahko vidimo zakonitosti Pascalovega zakona s kroglasto posodo, ki ima po obodu šobe. V tej posodi prav tako deluje tlak pravokotno na vsak delec v notranjosti posode. Slika 6.9: Pascalov zakon v okrogli posodi Tlak lahko odčitamo s pomočjo diagrama, ki kaže odvisnost med silo, tlakom in premerom hidravličnega bata. V tem diagramu ni upoštevano trenje. 154

156 Sila [kn] Premer bata [mm] Slika 6.10: Diagram sile, tlaka in premera hidravličnega bata Zgled: V cilindru deluje tlak 100 bar na bat premera (d) 100 mm. Izračunaj silo, ki deluje na batnico (trenje zanemarimo). Podatki: p = 100 bar = Pa d = 100 mm F p= sledi F = p A = 10 5 Pa 7850 mm² = Pa = bar A 155

157 Še prej izračunamo ploščino bata: 2 π d A = = 4 π = 7850 mm² Hidravlično pretvarjanje sil ( Princip hidravlične stiskalnice ) Pri principu hidravlične stiskalnice gre za to, da lahko prenesemo silo v določenem obratnem sorazmerju, ki je odvisno od velikosti prerezov batnic (A 1, A 2 ). Sila F 1 povzroča nadtlak v notranjosti stiskalnice. Ker se ta nadtlak enakomerno širi na vse stene v notranjosti, deluje tudi na prerez batnice A 2. Za delovanje hidravlične stiskalnice mora delovati na tem prerezu batnice sila F 2. Princip delovanja hidravlične stiskalnice lahko prikažemo s pomočjo naslednjih formul: F p =, ker velja: p 1 = p2 A pri tem je: - F - sila [N] in - A - površina bata [m 2 ]. F =, F 1 F = 2 oz. po krajši izpeljavi 1 A1 A1 A2 F2 A2 Pri hidravlični stiskalnici spoznamo, da sta poti (s 1, s 2 ) obeh batov obratno sorazmerni s silo F 1 oziroma prerezoma obeh batov (A 1, A 2 ). Se pravi, da je delo prvega bata W 1 enako delu drugega bata W 2. To obratno sorazmernost lahko prikažemo s skico in s formulo: F 2 A 2 A 1 F 1 p 1 p2 Slika 6.11: Obratno sorazmernost hidravlične stiskalnice 156

158 Zgled : F 1 F 2 s1 s2 ploščina A 1 ploščina A2 p e Slika 6.12: Prikaz delovanja hidravlične stiskalnice Z avtomobilsko dvigalko dvignemo 1200 kg težko vozilo 500 mm visoko. Kakšna sila (F 1 ) mora delovati na bat, če je A 1 = 6,28 cm², A 2 = 201 cm². Koliko dela smo opravili pri gibu bata 2 (A 2 )? Za koliko se dvigne bat 2, če bat 1 opravi pri enem gibu (h 1 ) 50 mm.? (glej sliko 6.13 ) Podatki: A 1 = 6,28 cm² = 0,00628 m² A 2 = 201 cm² = 0, m² m = 1200 kg h 1 = 500 mm h 2 = 50 mm g = 9,81 2 s m m = 10 2 s A F 0,00628 m F 1 = = 2 A2 0, m N = 375 N m Še prej izračunamo silo F 2 : F 2 = m g = 1200 kg 10 2 s = N W 2 = F 2 s 2 = N 0,5 m = 6000 Nm = 6 kj s A 50 mm 0,00628 m 1 1 s 2 = = 2 A2 0, m 2 = 1562,18 mm 157

159 6.6.4 Pretvornik tlaka V hidravličnih napravah moramo včasih spremeniti tlak hidravlične tekočine, zato lahko uporabimo pretvornik tlaka. Pretvornik tlaka je sestavljen iz: dveh cilindrov in dveh batov (sta med seboj povezana). A 1 A 2 p e1 F 1 F2 p e2 > p e1 s s Slika 6.13: Pretvornik tlaka Povečanje tlaka, je odvisno neposredno od količnika površin obeh batov pretvornika tlaka (glej enačbo spodaj): p 1 A = 2. p2 A1 6.7 Hidrodinamika Enačba kontinuitete V cevovodih se tekočine gibljejo z neko hitrostjo, ki je na sredini cevovoda največja ob stenah pa najmanjša zaradi trenja. Tekočino, ki preteče skozi cevovod v določenem času, imenujemo prostorninski tok, ki ga lahko izrazimo s formulo: 3 V m Q =, t s kjer je: - Q prostorninski tok [m³/s], - t čas [s] in - V volumen [m³]. Enačba kontinuitete pove, da je prostorninski tok konstanten. Hitrost gibanja tekočine je odvisna od velikosti notranjega preseka cevovoda. 158

160 Prostorninski tok lahko izrazimo s formulo, kjer so cevovodu različni notranji premeri: Slika 6.14 Prikaz prostorninskega toka v cevovodu kjer je: 2 - A prerez bata [ m ] - v sr hitrost toka tekočine m s m 3 Q = A v sr, s Zgled: Zobniška črpalka prečrpa v 30 s 1,5 l olja. Izračunaj prostorninski tok črpalke. Podatki: t = 30 s V = 1,5 l Q = t V = 3 0,015 m = 0, s m 3 s Hidravlična energija Bernoullijeva enačba Hidravlična energija je skupek vseh energij tekočin. Za hidravlično energijo velja zakon o ohranitvi, ki pravi, da se energija ne more uničiti niti ustvariti. Hidravlična energija je sestavljena iz 4 delov: a) položajna energija, ki je posledica lege: W p = m g h 159

161 b) hitrostna energija, ki povzroča gibanje tekočine: W k = 2 m v 2 c) tlačna energija, ki je posledica delovanja tlaka: m p W t = = ρ V p d) notranja energija, ki je posledica izmenjave toplote: W n = m u Hidravlični udar Pri hitrem zapiranju hidravličnega cevovoda hitrost tekočine hitro pade na nič, kar povzroči porast tlaka. Zaradi tega nastane tlačni udarni val, ki se širi v nasprotni smeri gibanja tekočine in lahko poškoduje hidravlični sistem. Hidravlični udar deluje zelo kratko, posledice pa so okvare na cevovodih, ventilih in posameznih elementih tesnenja. Δp = p c v 0 Iz enačbe je razvidno, da je porast tlaka pri udaru odvisen od gostote tekočine (p), hitrosti širjenja zvoka v tekočini in hitrosti gibanja tekočine neposredno pred zaustavljanjem (v 0 ). Povečan tlak povzroča elastične deformacije na stenah cevnih vodov, s tem pa se menja hitrost širjenja tlačnega vala v cevi. Tehnični problemi nastanejo predvsem zaradi velikosti tlaka in frekvence njegovih nihanj, zato se tem problemom poveča velika pozornost. Pomemben je varnostni ventil, ki mora pravočasno reagirati, da udarni tlak ne naraste do velikih vrednosti Kavitacija Kavitacija je pojav izdolbenja majhnih delcev iz površine materiala. Kavitaciji so izpostavljene hidravlične naprave (črpalke, ventili ) na krmilnih robovih. Trganje materiala povzročajo lokalne podtlačne konice in visoke nenadne temperature. Za povečanje pretočne hitrosti hidravličnih tekočin skozi zožitev je potrebna gibalna energija. Ta nastane na osnovi tlačne energije. Zaradi tega se lahko na zožitvah zniža tlak na nivo podtlaka. Pri podtlaku p 0 < -0,3 bar se izloči iz hidravlične tekočine zrak in nastanejo plinski mehurčki. Ker se po zožitvi pretočnega kanala hitrost zmanjša, tlak zopet naraste in hidravlična tekočina zopet zavzame mesto plinskih mehurčkov. Ker na koncu zožitve tlak zopet naraste, nastanejo na tem mestu kavitacijski efekti. Na mestih, kjer se prerez razširi, se iztrgajo drobni delci iz stene kanala in povzročijo utrujanje materiala. Ko tlak ponovno naraste, vdre olje v 160

162 mehurček in nastane zelo visoka temperatura, kar povzroči samovžig mešanice olja in zraka. Kavitacijski efekt spremlja močno šumenje. v 1 v 2 v 1 < v 2 Slika 6.15: Kavitacija Hidravlični tok Kakšno gibanje tekočine bomo imeli je odvisno od dolžine in prerezov vodov ter hitrosti toka. Poznamo dve osnovni vrsti tokov (slika 6.16): - laminarni tok, pri katerem se delci gibljejo v neskončno tankih plasteh, ki drse ena po drugi v smeri gibanja brez mešanja in - turbulentni tok, pri katerem se delci gibljejo nepravilno v vseh smereh. Zato upoštevamo njihovo povprečno gibanje v smeri toka. Zaradi notranjega trenja se hidravlični upori večajo in se teh tokov izogibamo. Laminarni tok Turbolentni tok Slika 6.16: Laminarni in turbulentni tok Hidravlične tekočine tlačne tekočine Tlačna tekočina mora v oljnem hidravličnem sistemu ustrezati določenim zahtevam. Osnovne naloge tlačnih tekočin so: 161

163 mazanje gibljivih delov, prenos tlačnih obremenitev, hlajenje, odvajanje toplote in korozijska zaščita. Zahtevane lastnosti tekočin so: čim manjša sprememba viskoznosti, ne sme se peniti, težko gorljiva, odpornost proti staranju in fizikalno-kemijske lastnosti. Kot delovne tekočine se danes največ uporabljajo mineralna olja okrog 70 %, ki pa imajo vrsto pomanjkljivosti: mazalnost nam pada pri temperaturah, slabo mažejo, življenjska doba pade, starajo se, viskoznost pade, izločajo se smolnate komponente Hidravlične naprave in vezalni plan Hidravlične naprave definiramo kot skupek delov in komponent, ki so medsebojno povezani tako, da tvorijo delovno enote, ki združujejo hidravlično opremo nekega stroja ali naprave. Običajno je tlačni medij (nosilec energije) hidravlična tekočina (mineralno ali sintetično olje). Naloge, ki jih opravljajo take enote so: pretvarjanje primarne energije (pogonskega stroja) v energijo tlačnega medija (hidravlično energijo), prenos energije tlačnega medija od primarnega pretvornika (črpalke) do sekundarnega pretvornika energije (hidravlični motorji), pretvarjanje tlačne energije medija v mehansko delo (hidravlični motorji). Zgradbo hidravlične naprave lahko delimo tudi na drug način: signalno krmilni del in izvršilni (delovni) del. Signalno krmilni del se deli na vnos signalov in na obdelavo signalov. Način vnosa signalov: ročni,mehanični, brez dotika in 162

164 na drug način. Za obdelavo signalov so naslednje možnosti: človek, elektronika, pnevmatika, hidravlika, mehanika in elektrotehnika. Storilni ali izvršilni del hidravlične naprave se deli na del za oskrbo z energijo (hidravlični agregat), na del za krmiljenje energije (krmilne komponente) in na pogonski (delovni) del (hidromotorji). SIGNALNI KRMILNI DEL HIDRAVLIČNI STORILNI DEL POGONSKI DEL PRESEČNO MESTO VNOS SIGNALOV OBDELAVA SIGNALOV KRMILJENJE ENERGIJE STO RILNI PRETOK ODDAJA SIGNALA OSKRBA S KRMILNO ENERGIJO - OSKRBA Z ENERGIJO -PRETVORBA ENERGIJE -PRIPRAVA TLAČNEGA SREDSTVA Slika 6.17: Zgradba hidravlične naprave 163

165 Vnos signalov, ki jih izvaja človek preko stikal, ročic in pedalov na stroju: POGONSKI DEL VNOS SIGNALA KRMILJENJE ENERGIJE OSKRBA Z ENERGIJO Slika 6.18: Vnos signalov pri hidravlični napravi Vezalni plan prikazuje zgradbo hidravlične naprave s pomočjo simbolov in znakov. Način označevanja hidravličnih shem je bil že predstavljen pri poglavju o risanju pnevmatskih shem. Zaradi pregledne izdelave vezalnega plana se ne upoštevajo dejanski položaji komponent na stroju. To se prikaže s položajnim planom. Sestavne dele naprave rišemo na vezalnem planu v smeri pretoka energije. Če načrtujemo obsežno krmilje z več delovnimi komponentami, ga razdelimo na posamezne krmilne verige. Vsaka delovna komponenta tvori svojo verigo. Te so razporejene ena poleg druge in označene z zaporednimi številkami. Del za oskrbo energije je skupen in pripada vsem krmilnim verigam. Zato ga vedno označujemo s prvo številko 0 in črko Z ter številko komponente (0Z1, 0Z2 ) Zasnova hidravlične naprave Na osnovi opisa tehničnega problema lahko naredimo hidravlično napravo po prikazanem postopku. Izdelati je potrebno: shematsko risbo, vezalni plan, diagram (pot - korak ali pot - čas), funkcijski diagram in funkcijski plan. 164

166 Shematska risba naprave prikazuje glavne dele in položaje izvršilnih komponent. Vezalni plan pokaže funkcionalno zgradbo hidravlične naprave in povezavo med komponentami. V njega vpišemo tudi tehnične podatke, ki jih največkrat prikažemo v tabeli. Diagram (pot - korak) prikazuje delovanje posameznih komponent po korakih v medsebojni odvisnosti (za načrtovanje glej prejšnje poglavje -Pnevmatika). Funkcijski diagram nam omogoča, da na razumljiv in pregleden način prikažemo spremembo gibanja ali stanja posameznih hidravličnih komponent ali naprav. Funkcijski plan prikazuje delovanje delovne naprave. Krmilni potek je razčlenjen po korakih. Naslednji korak se izvede le, če je izpolnjen predhodni skupaj z drugimi zahtevanimi pogoji. Slika 6.19: Funkcijski plan delovanja delovne naprave 165

167 6.8 Zaključek Vzdrževanje hidravličnih naprav in sistemov Analize pojava okvar hidravličnih naprav na različnih področjih uporabe kažejo, da so osnovni vzroki v slabem vzdrževanju hidravličnih naprav ali pa v nekvalitetnih hidravličnih napravah določenih proizvajalcev. V nadaljevanju bomo obravnavali le vzroke okvar zaradi slabega vzdrževanja, manj pa zaradi ostalih vzrokov. Prav tako se bomo omejili pri tlačnih tekočinah na hidravlična olja, ki se največ uporabljajo v hidravličnih napravah Vzroki okvar Osnovni vzroki okvar hidravličnih naprav so: nečistoče v hidravličnem olju, nedopustna delovna temperatura, prisotnost plinov v hidravlični tekočini, napačno vzdrževanje in napaka v materialih, izdelavi in montaži hidravličnih naprav. Prvi trije vzroki sodelujejo v 95 % vseh napak, zato jim bomo posvetili veliko pozornosti Nečistoče v hidravličnem sistemu Nečistoče v hidravličnem olju predstavljajo trdi delci, smola, voda itd Vse to je potrebno izločiti iz olja do določene možne mere. Idealno čistega hidravličnega olja ne moremo doseči. Vzroki onesnaževanja hidravličnega olja so: pred pričetkom prvega obratovanja ni bilo opravljeno izpiranje hidravličnih izvršilnih in krmilnih komponent, cevovodov itd..., neočiščen rezervoar, korozija na notranjih straneh rezervoarja (slaba protikorozijska zaščita na notranjih stenah ali naprava dlje časa ni obratovala), ni pravočasno ugotovljena povečana obraba gibljivih delov hidravlične naprave, zaradi pretakanja olja skozi prelivni ventil, ker ni bil pravočasno zamenjan vložek filtra, je olje neočiščeno, hidravlični sistem deluje v zelo slabih pogojih (prah, blato ) in 166

168 uporablja se napačno hidravlično olje (zaradi višji temperatur se pojavi proces oksidacije). Posledica nečistoč v olju so: prekomerna obraba drsnih površin in s tem povečanje zračnosti, zamašitev kanalov in odprtin pri ventilih, zamašitev odprtin za mazanje, povzročanje vzdolžnih risov na površini drsnih batov ventilov in cilindrov in povečanje sile za gibanje bata krmilnih ventilov zaradi izločanja smolnatih komponent iz olja in oprijemanja le teh na gibljive dele Nedopustna delovna temperatura Visoke in nizke temperature delujejo negativno na delovanje hidravličnih sistemov. Visoke temperature vplivajo negativno predvsem na fizikalno-kemijske lastnosti hidravličnega olja (proces hitrega staranja) in tesnilnega materiala, lastnosti merilnih naprav in senzorjev. Povečanje temperature vpliva na večje iztočne izgube in s tem tudi izgube energije. Nizke temperature vplivajo negativno na gostoto in viskoznost hidravličnega olja ter elastičnost in trdnost tesnilnega materiala. Posledica teh sprememb je prav gotovo povečanje potrebne energije za start naprave in občutno zmanjšanje mazanja gibljivih delov. Optimalna delovna temperatura hidravlične naprave je v področju 50 do 70 0 C. Naprava za kontrolo temperature je sestavni del hidravlične naprave, da se lahko kontrolira temperatura hidravličnega olja v rezervoarju. Povišana delovna temperatura iznad prepisane vrednosti v obratovanju naprave opozarja na spremembe, ki vodijo do okvare naprave. Zato je potrebno v takih primerih potrebno hidravlično napravo izklopiti in odpraviti vzroke povišanja temperature Prisotnost plinov v hidravličnem sistemu Zaradi spremembe tlaka se plin iz hidravličnega olja izdvaja v obliki mehurčkov. Številni mehurčki plina z oljem tvorijo nehomogeno tekočino, ki vpliva na gostoto, viskoznost in modul elastičnosti olja. Tako se s padcem tlaka v napravi najpogosteje poveča elastičnost volumna olja, kar povzroča zmanjšanje točnosti lege izvršilnih komponent. Prisotnost zraka v mineralnem olju pri določenih pogojih lahko povzroči nastajanje pene, ki poslabša mazalne lastnosti olja, povzroča oksidacijo olja in pospešuje korozijo kovinskih delov. V neposredni zvezi z vsebovanjem zraka v hidravlični napravi je pojav kavitacije. Problem nastane zaradi izločanja zraka iz olja v področju nižjega tlaka ter njegovega ponovnega vpijanja v področju višjega tlaka, kjer nastane erozija kovinskih delcev. 167

169 6.8.3 Vzdrževanje hidravličnih sistemov Cilj vzdrževanja je ohraniti čim daljši čas obratovanja hidravličnih sistemov, kar zahteva ustrezna organizacija vzdrževanja. Poznamo naslednja vzdrževanja hidravličnih sistemov: tekoče vzdrževanje, preventivno vzdrževanje, obnova hidravličnih sistemov in generalno popravilo. Tekoče vzdrževanje predstavlja vrsto vsakodnevnih opravil, ki jih mora vzdrževalec vestno in redno opravljati. Med ta opravila sodijo: pravilno delo z napravo, kontrola osnovnih parametrov v poteku obratovanja, kontrola višina olja v rezervoarju, kontrola delovne temperature naprave, spremljanje hitrosti gibanja izvršilnih komponent, spremljanje šumov, preverjanje izgub olja na spojih in tesnilih, evidenca časa obratovanja hidravlične naprave, olja in filtra in kontrola in pravočasna menjava filtrskih vložkov. Preventivno vzdrževanje temelji na dolgoletnih izkušnjah, ki omogočajo, da se na osnovi predhodnih okvar da pravočasno ugotoviti vzroke in jih odpraviti. Preventivno vzdrževanje se planira vnaprej po določenih urah obratovanja ali po določenih časovnih obdobjih. Obnova hidravličnega sistema zajema vrsto elementov, ki se v obratovanju izrabijo in jih je potrebno zamenjati. To predpisuje proizvajalec na osnovi življenjske dobe določenih sestavnih elementov sistema: obnova hidravličnega sistema se opravlja zaradi podaljšanja njegove življenjske dobe. Izvrši se lahko večkrat vse do generalnega popravila naprave. Generalno popravilo hidravličnega sistema se izvrši po preteku določene obratovalne dobe, ki jo je določil proizvajalec. V kolikor pa pride do večjih okvar že pred tem rokom, je potrebno popravilo opraviti že prej. To popravilo izvaja največkrat proizvajalec opreme. 168

170 6.8.4 Poznamo naslednje vrste vzdrževanja Preventivno vzdrževanje pomeni občasen pregled stroja in mogoče zamenjavo delov po določenem času ali glede na potrebe. Te preglede izvajamo v ciklu - periodi preventivnega vzdrževanja. S preventivnim vzdrževanjem naj bi v naprej odkrili in odpravili vzroke za morebitne okvare. Ker so ta opravila v podjetju natančno določena s pomočjo planov, lahko govorimo o planiranem vzdrževanju. S korektivnim vzdrževanjem pa razumemo popravilo, ki sledi okvari. Takšno vzdrževanje bi bilo bolj prikladno za naprave, kjer se okvare pojavljajo zelo neenakomerno in jih s preventivnimi pregledi ne bi mogli pravočasno preprečiti. Sem sodi tudi sprotno prilagajanje spremembam, ki ga praviloma opravlja sam delavec pri stroju (preverjanje natančnosti stroja, privijanje vijakov, če so popustili). Sicer pa neplanirano vzdrževanje običajno vodi k večjim izpadom proizvodnje, višjim stroškom popravila in izgubi dobička. Tako v primeru korektivnega kot preventivnega vzdrževanja gre za redno vzdrževanje, kjer naprave ostajajo nespremenjene, le v izboljšanem stanju. Investicijsko vzdrževanje se nanaša na večja popravila delovnih sredstev in se izvaja občasno. Občasna popravila so potrebna zaradi tehničnega in ekonomskega zastarevanja naprav, nanašajo pa se na posodobitve ali zamenjave naprav. Investicijsko vzdrževanje je najdražja oblika vzdrževanja, zato ga moramo posebej načrtovati. Poznamo: tekoče vzdrževanje, preventivno vzdrževanje ( TPM ), obnova ( revizija ) hidravličnih sistemov in generalno popravilo Tekoče vzdrževanje: Predstavlja vrsto vsakodnevnih opravil, ki jih mora vzdrževalec vestno in redno opraviti. Ta opravila so: pravilno delo z napravo, kontrola osnovnih parametrov pri obratovanju, kontrola višine olja v rezervoarju, kontrola delovne temperature naprave, spremljanje hitrosti gibanja izvršilnih komponent, spremljanje šumov, preverjanje izgub olja na spojih in tesnilih in evidenca časa obratovanja hidravlične naprave, olja in filtra. 169

171 Preventivno vzdrževanje: Temelji na dolgoletni izkušnjah, kar omogoča, da na osnovi predhodnih okvar pravočasno ugotovimo vzroke in jih odpravljamo. Preventivno vzdrževanje načrtujemo naprej po določenih urah obratovanja ali v določenih časovnih presledkih. Za preventivno vzdrževanje je značilno, da ga opravljamo po določenih terminskih planih, intervalih in da v splošnem poteka po predpisanih delovnih postopkih. Preventivna vzdrževalna dela opravljamo z namenom, da preprečimo pričakovani nastop okvare ali loma. Z dobro organizacijo preventivnega vzdrževanja skušamo doseči čim manjše število okvar na delovnih sredstvih, s tem pa zmanjšati stroške nepričakovanih popravil in izpada proizvodnje. Preventivno vzdrževanje je proces, ki ima nalogo da preventivno izvaja vzdrževanje delovnih sredstev. To pomeni, da vnaprej odkriva povzročitelje ali morebitno poškodbo, da odpravlja povzročitelje in na ta način neprestano vzdržuje delovno sposobnost sredstva na nivoju projektiranih zahtev. Preventivno vzdrževanje preprečuje pojave okvar na ta način, da s preventivnim delom odpravlja nastop okvar. Glavne vrste preventivnega vzdrževanja so: SERVISIRANJE - planirano periodični izvrševanje nalog na delovnih sredstvih, s ciljem zagotoviti, da bo delovno sredstvo ostalo v prihodnjem določenem obdobju v dobrem operativnem stanju. Gre za dela, kot npr.: manjše ureditve, nastavitve, pritrditve, čiščenje površin in filtrov delovnega stroja, mazanje delovnih sredstev, polnjenje raznih naprav. PREVENTIVNI PREGLEDI - nadzorovanje delovanje komponent oziroma sestavnih delov delovnega sredstva, zaradi ugotavljanja morebitnih neustreznosti, ki lahko pripeljejo do nastopa okvar, ali že nastalega poslabšanja stanja posameznega sestavnega dela. VZDRŽEVANJE GLEDE NA STANJE - ocenjevanje fizičnega stanja določene komponente ali sestavnega dela delovnega sredstva po vnaprej določenem razporedu. Glede na ugotovitve se odločimo, če bomo sestavni del še uporabljali, ali pa ga bo potrebno zamenjati oziroma popraviti. Če ocenimo, da je potrebno neki del zamenjati, je to vzdrževanje glede na stanje. PREVENTIVNA ZAMENJAVA ELEMENTOV - časovno vnaprej določena zamenjava. Uporabljamo jo v sledečih primerih: a) če lahko nastop okvare ogrozi življenje oziroma zdravstveno stanje delavcev, ali če lahko pride do bistvenega zmanjšanja razpoložljivosti ali uničenja delovnih sredstev, b) če narava okvare ni poznana in je ni mogoče napovedati na osnovi ocenitve fizičnega stanja posameznega sestavnega dela, 170

172 c) če je predvideno obdobje uporabnosti sestavnega dela bistveno krajše kot predvideno obdobje uporabe celotnega delovnega sredstva. To obdobje lahko določimo relativno točno, na osnovi testiranja ali empiričnih podatkov. Tu nam je lahko v pomoč posebna metodologija, t.i. zanesljivo usmerjeno vzdrževanje (RCM). PREVERJANJE POSEBNIH FUNKCIJ DELOVNIH SREDSTEV - tistih, ki se ne opravljajo ob normalnem delovanju, npr. varnostne nadomestne, kontrolne funkcije. Preventivno operativno vzdrževanje delovnih sredstev organizacijsko pripada proizvodnemu procesu in operativno narekuje tehnološki proces proizvodnje. To vzdrževanje ima nalogo, da podaljša delovno sposobnost sredstva v toku proizvodnje v smislu preprečevanja pojava okvar. S preventivnim operativnim vzdrževanjem je omogočen stalen pregled delovne sposobnosti in brezhibnosti delovnega sredstva. To vzdrževanje izvajamo tako, da se proizvodni proces odvija neprekinjeno in brez zastojev. S tem vzdrževanjem pripravljamo proces preventivnega investicijskega vzdrževanja, ki se odvija kasneje hitreje in kvalitetnejše. Sodobna oblika organiziranja preventivno operativnega vzdrževanja sredstev predvideva, da se le-to opravlja v posebnih delavnicah, ki so specializirane za taka vzdrževanja. Delavnica organizacijsko pripada proizvodnji in ima v svojem sestavu poleg delavniške opreme tudi skladišče rezervnih delov in drugih sredstev, potrebnih za preventivno operativno vzdrževanje. Preventivno investicijsko vzdrževanje delovnih sredstev ni organizacijski del proizvodnje, temveč se odvija v samostojnih organizacijskih enotah. Tu se opravljajo planska popravila delovnih sredstev. Sodobna oblika organiziranja preventivnega investicijskega vzdrževanja se imenuje»žepno podjetje«, ker ima tak organizacijski in vsebinski pomen. Žepno podjetje za preventivno investicijsko vzdrževanje ima v svoji sestavi specializirane majhne delavnice ali skupine za razna delovna sredstva in njihove rezervne dele (hidravlika, pnevmatika, elektro instalacije, itd.). To podjetje ima v svoji sestavi operativno pripravo proizvodnje ter plansko, konstrukcijsko in tehnološko pripravo za vse vrste planskih popravil. V okviru tega podjetja kot organizacijske oblike preventivnega investicijskega vzdrževanja delovnih sredstev se nahaja tudi služba za raziskovanje in razvoj, ki ima nalogo, da izvaja razdelitev tehnoloških postopkov za preventivno operativno in investicijsko vzdrževanje, izvaja tipizacijo sestavnih delov sredstev, pripravlja obnovo in drugo. Za obravnavano podjetje, zaradi svoje majhnosti, taka organizacija vzdrževanja ne pride v poštev. Seveda pa uvedba preventivnega vzdrževanja prinaša tudi dodatne stroške. Smotrnost preventivnega vzdrževanja za posamezna delovna sredstva je treba ugotoviti iz analize stroškov preventivnega vzdrževanja na eni strani in na drugi zaradi stroškov izpada proizvodnje, nezadovoljstvo delavcev in tudi kupcev zaradi zamud pri dobavi. Smiselno vpeljevanje preventivnega sistema vzdrževanja v podjetje je lahko ekonomsko opravičeno. 171

173 To se kaže v naslednjem: zmanjšanje časa zastojev delovnih sredstev, zaradi manjšega števila nepredvidenih okvar, stroški za plačila v nadurah za redne preglede in popravila bi bili manjši kot stroški zaradi prekinitve obratovanja delovnih sredstev ob nepričakovanih odpovedih, uporabljanje sodobnih metod pri vzdrževalnih delih, poveča se operativna razpoložljivost in podaljša doba uporabe delovnih sredstev, zmanjša se število velikih popravil in več manjših rutinskih vzdrževalnih del, enakomernejša obremenitev vzdrževalcev, ker je preventivno vzdrževanje planirano, zmanjša se kol. odpadkov, pokvarjenega materiala in izboljša kontrola kvalitete, stroški preventivnih del se znižajo, ker ni posledičnih stroškov, ki nastopijo ker okvara enega sestavnega dela povzroči okvaro ostalih komponent oziroma sestavnih delov delovnega sredstva, potrebno je manj dodatne opreme zato manj investicijskih vlaganj, obseg dokumentacije in evidence je bolj smotrn, izboljša se kontrola rezervnih delov in s tem znižanje zalog, omogoči se izdelava rezervnih delov v lastnih delavnicah, zaradi boljšega tehničnega stanja delovnih sredstev je tudi boljša kvaliteta izdelkov in storitev ki se proizvajajo na teh delovnih sredstvih, boljše poznavanje zanesljivosti delovnih sredstev, večja varnost delovanja in s tem tudi varnost zaposlenih, izboljšanje notranjih odnosov, ker proizvodnim delavcem ni potrebno prekinjati s tekočim delom in zato ne prihaja do premestitev na druga delovna mesta in niso prizadeti pri gibljivem delu zaslužka, pridobivanje informacij o potrebnosti bolj kvalitetnega vzdrževanja, potrebi po večjem znanju vzdrževalcev, konstrukcijskih in drugih napakah delovnih sredstev in z nižjimi vzdrževalnimi stroški se znižajo tudi stroški na enoto proizvoda. Upravičenost vpeljevanja preventivnega vzdrževanja je seveda različna za vsa delovna sredstva. Pri nekaterih je bolj smotrno, pri drugih manj. Preventivno vzdrževanje je z organizacijskega vidika gotovo najzahtevnejša oblika vzdrževanja, saj za realizacijo optimalnega obsega preventivnih vzdrževalnih del potrebujemo zelo veliko število statističnih in tehničnih podatkov o delovnih sredstvih. Za določena delovna sredstva se da na osnovi teh podatkov pokazati, kakšna je smotrnost 172

174 uvedbe preventivnega vzdrževanja, za mnoga pa to ni mogoče. Pogostokrat se zdi da bo preventivno vzdrževanje predrago, vendar pa je lahko z dolgoročnega vidika zelo racionalno. Praviloma je preventivno vzdrževanje bolj primerno za tista delovna sredstva, ki imajo kritično vlogo v procesu proizvodnje, za tista, ki so dražja in bolj kompleksna, tam kjer je pomemben varnostni vidik in kjer delovna sredstva niso v 24 - urnem delovanju. Tako lahko izdelamo racionalen program preventivnega vzdrževanja le, če ga dobro prilagodimo za specifične pogoje in potrebe podjetja. Optimalen obseg preventivnega vzdrževanja je za vsako delovno sredstvo različen. Optimum je odvisen predvsem od: posledic nastopa okvare, zanesljivosti delovnega sredstva, zaželene razpoložljivosti in starosti delovnega sredstva. Optimalno količino preventivnega vzdrževanja se da grafično prikazati s stališča stroškov za vsako delovno sredstvo posebej. Predvsem glede določene pogostosti preventivnih pregledov upoštevamo, da naj bo pogostost pregledov večja za: delovna sredstva oz. sestavne dele, katerih okvara lahko povzroči poškodbo človeka ali večjo materialno škodo (mostovna dvigala), kritična delovna sredstva v smislu proizvodnje in varnosti (električna napeljava), delovna sredstva, ki opravljajo delo v težjih razmerah in so bolj obremenjena, kjer so zahteve za kvaliteto izdelkov velike (Bohrwerk, stružnice, rezkalni stroji), kjer nimamo nadomestnih delovnih sredstev, ki bi opravljala enako funkcijo, kjer je zanesljivost delovanja delovnih sredstev manjša in kjer bo okvara resno vplivala na izpolnitev rokov proizvodnje Obnova hidravličnega sistema Hidravlični sistem vsebuje vrsto elementov, ki se v obratovanju izrabijo in jih moramo zamenjati. To predpisuje proizvajalec na osnovi življenjske dobe do določenih sestavnih elementov sistema. Hidravličnih sistem obnavljamo, da podaljšamo njegovo življenjsko dobo. To lahko naredimo večkrat vse do generalnega popravila naprave Generalno popravilo hidravličnega sistema Sledi po preteku določene obratovalne dobe, ki jo je določil proizvajalec. Če pa pride do večjih okvar že pred tem rokom, moramo to opraviti že prej. To popravilo največkrat izvaja proizvajalec opreme. 173

175 6.8.6 Grafične vizije T P M Vir slik tega poglavja je gospod General Maintenance Maneger Hakan Berndtsson podjetja Volvo Car Corporation, GOTEBORG, Švedska. VIZIJA TPM SISTEM CELOVITEGA PRODUKTIVNEGA VZDRŽEVANJA T P M Total Productive Maintenance Perfect Production Manufacturing Management TPM efekti (rezultati) PRODUKTIVNOST KVALITETA STROŠKI NATANČNOST IZDELKOV MOTIVACIJA 174

176 NENEHNO IZPOPOLNJEVANJE (IZOBRAŽEVANJE) Subject TPM Date IZOBRAZBA & IZKUŠNJE NAPAKE PREJ ODPRAVIMO V MALIH TIMIH 175

177 OPERATERJI NENEHNO VZDRŽUJEJO BREZ NADZORA JE STANJE SLEDEČE: Z VZDRŽEVANJEM JE STANJE BISTVENO BOLJŠE: 176

178 UČINEK VZDRŽEVANJA STROJEV Z IZOBRAŽENIMI OPERATERJI Neizobražen delavec bo ugotovil napako, ko stroj več ne dela POČILO?!!! Izobražen operater bo opazil nepravilnosti pri delujočem stroju VIBRACIJE?! SPECIALISTI VZDRŽEVALCI V. stopnja (tehniki) in VI. stopnja (višja šola) KVALITETA VZDRŽEVANJA Kvaliteta vzdrževanja se odraža v kvaliteti produktov! ok ok nok nok 177