Pneumatik
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Das Wort Pneumatik stammt vom Griechischen pneuma und bedeutet soviel wie "Wind" und "Atem". Es bezeichnet den Einsatz von Druckluft in Wissenschaft und Technik. Industriell wird Druckluft als Energieträger in Deutschland seit etwa Anfang des 20. Jahrhunderts zum Antrieb von Hämmern und Bohrern angewandt.
Im Orgelbau des späten 19. und frühen 20. Jh. war die pneumatische Traktur vorherrschend. Seit etwa 1960 spielt die Pneumatik in der Steuerungs- und Automatisierungstechnik eine bedeutende Rolle.
Im Postwesen spielte die Rohrpost, eine pneumtisch betriebene Fördertechnik bis mitte des 20. Jahrhunderts eine bedeutende Rolle.
Allgemein gesagt ist Pneumatik die Lehre vom Verhalten der Gase.
Druckluft (veraltet: Pressluft) wird durch Verdichten der Umgebungsluft in Kompressoren erzeugt. Sie kann zum Antrieb von Druckluftmotoren in Werkzeugen wie z. B. Drucklufthämmern zum Nieten und Druckluftschraubern verwendet werden. In der Steuerungstechnik werden hauptsächlich Linearantriebe in Form von Zylindern eingesetzt. Diese Pneumatikzylinder werden z. B. zum Einspannen und Zuführen von Werkstücken in Bearbeitungszentren oder zum Verschluss von Verpackungen verwendet.
Jede pneumatische Anlage besteht aus 3 Teilsystemen: Drucklufterzeugung - Druckluftverteilung und Druckluftaufbereitung - Steuerung und Aktorik ("der Teil der Anlage, der die Arbeit macht")
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[Bearbeiten] System zur Druckluftverteilung
Mittels eines Rohr- und Leitungssystems wird dann die erstellte Druckluft zum Anwendungsort geliefert. Hier trifft sie, bevor sie in die Bauteile wie Wegeventile und Antriebe gelangt, in eine Aufbereitungseinheit (fälschlicher Weise früher auch Wartungseinheit genannt), wo sie gereinigt wird.
Das Leitungssystem wird meist als Ringleitung verlegt, um die Versorgung auch bei Reparatur- oder Wartungsarbeiten sicher zu stellen. Die Leitungen werden üblicherweise mit einem geringen Gefälle (etwa 1%) verlegt, so dass ein Ablassen von Kondenswasser möglich ist. Am niedrigsten Punkt der Ringleitung befindet sich ein Ablassventil. Man greift die Druckluft von der Oberseite der Ringleitung ab, damit das Kondenswasser nicht in die Bauteile laufen kann. Dank heutiger Technik ist dieses Gefälle nicht mehr so relevant, da heutige Anlagen die Luft so "trocknen", das kaum noch Kondenswasser entsteht.
Der Leitungsquerschnitt sollte so gewählt werden, dass ein Druckverlust von maximal 0,2 bar nicht überschritten wird.
[Bearbeiten] System zur Steuerung (Ventile)
Für die Steuerung der Druckluft finden Ventile Anwendung. Folgende Bauteilgruppen gibt es:
- Wegeventile
- Sperrventile
- Druckventile
- Stromventile
- Sonderventile (z. B. Proportionalventile)
[Bearbeiten] Anzahl der Schaltstellungen
Es gibt verschiedene Anzahlen von Schaltstellungen: Sie reichen von 2 bis 6. Hauptsächlich werden in der Industrie- und Automatisierungstechnik wegen der Herstellungskosten nur 2 oder 3 Schaltstellungen verwendet. Wobei die Ventile mit 2 Schaltstellungen bei "normalen" Wegeventilen zum Schalten von Prozessen eingesetzt werden und diese mit 3 Schaltstellungen als Ventile mit Stoppfunktion, also quasi als Not-Aus, eingesetzt werden. (siehe 2. Sperrventil)
[Bearbeiten] Anzahl der Anschlüsse
Die Anzahl der Anschlüsse variiert zwischen zwei und sieben Anschlüssen. Bei 2/2-Wegeventilen findet nur ein normaler Durchlass von A nach B statt (fachmännisch ausgedrückt von P (=Druckluftanschluss) nach A (= Arbeitsanschluss)). Bei 3/2-Wegeventilen beispielsweise ist neben den zwei oben genannten Anschlüssen noch ein Entlüftungsanschluss verfügbar, der in der Lage ist, die Schläuche oder auch das ganze System zu entlüften. Diese 3/2-Wegeventile finden Anwendung z. B. bei der Steuerung von einfachwirkenden Zylindern, aber auch zum "freischalten" von "neuen Wegen" des pneumatischen Systems.
Bei fünf Anschlüssen findet man einen Druckluftanschluss (P), zwei Arbeitsanschlüsse (A und B) und zwei Entlüftungsanschlüsse (R und S). Die 2 Arbeitsanschlüsse werden zum Beispiel benötigt, um einen doppeltwirkenden Zylinder zu steuern, wobei einer den Zylinder auf der einen Seite mit Druckluft beaufschlagt (dass er ausfährt) und ihn auf der anderen Seite entlüftet (dass dieser ausfahren kann).
Vier Anschlüsse findet man bei 4/2-Wegeventilen. Die Funktionsweise ist die gleiche wie bei den 5/2-Wegeventilen, jedoch wurden die zwei Entlüfungsanschlüsse durch eine bauteilinterne Bohrung verbunden (Ein Druckluftanschluss + zwei Arbeitsanschlüsse + ein Entlüftungsanschluss = vier Anschlüsse).
Anmerkung: Das P für den Druckluftanschluss steht für "Pressure" (="Druck") und das R beim Entlüfungsanschluss steht für "Reset" (="Rücksetzen"). Nach neuen DIN-Normen wird der Druckluftanschluss P mit "1", der Arbeitsanschluss A mit "2" bzw. "4", der Entlüftungsanschluss R und S mit "3" bzw. "5" gekennzeichnet.
[Bearbeiten] Betätigungsart
In der Pneumatik finden verschiedene Betätigungsarten Anwendung. Einzuteilen sind diese in mechanische, elektronische, pneumatische und manuelle Betätigungen.
Mechanische Betätigungen sind Stößel, Federn, Rolle, Rollenhebel. Mechanische Betätigungen werden von der Maschine selbst betätigt. Fährt zum Beispiel der Kolben eines Zylinders gegen den Stößel eines Ventils, so wird das Ventil (mechanisch) betätigt.
Elektronische Betätigungen sind z. B. Taster, sie funktionieren durch elektrische Energie. Wird ein Stromimpuls von einem Taster ausgesendet so trifft dieser auf einen im elektrisch betätigten Ventil auf einen Elektromagneten, die Welle im Ventil - welches Wege sperrt und öffnet - anzieht und somit einen Weg für die Luft öffnet und einen anderen verschließt.
Pneumatische Betätigung: Das Ventil wird hierbei durch die Druckluft betätigt. Zum Beispiel wird durch die manuelle Betätigung eines Ventils der Arbeitsanschluss desselben geöffnet und der Druck gelangt zu einem weiteren Ventil, das durch Druckluft betätigt wird. Die eben beschriebene Welle wird hierbei durch Druckluft in die gewünschte Position gepresst. Das beschriebene Beispiel wird auch als "Fernsteuerung" bezeichnet.
Manuelle Betätigungen sind Taster, Druckknöpfe, Hebel und Pedale. Diese werden mit Muskelkraft betätigt. Wird ein Hebel betätigt, so wird die in "elektronische Betätigungen" angesprochene Welle in die gewünschte Richtung verschoben und somit eine andere Schaltstellung eingenommen.
Neben der bereits erklärten Form der Fernsteuerung, können Ventile auch noch vorgesteuert werden. Zunächst das Anwendungsbeispiel: Mit einer kleinen Schaltkraft soll ein großer Volumenstrom freigeschaltet werden. Wenn die Kraft der z. B. pneumatischen Betätigung nicht ausreichen würde um ein Ventil zum Schalten zu bringen (wie es zum Beispiel bei einem pneumatischen Sensor der Fall ist) muss diese kleine Schaltkraft eine große Schaltkraft ansteuern, die in der Lage ist das Ventil zu steuern.
[Bearbeiten] Das Sperrventil
Diese Ventile lassen die Luft nur in eine Richtung durch, dies geschieht durch Rückschlagventile und auch durch Ventile mit Sperr-Funktion. Um die Anwendung und auch Bedeutung dieser Ventile klar zu machen, sollen hier nun einige alltägliche Beispiele beschrieben werden.
1. Rückschlagventil: das Rückschlagventil ist unerlässlich bei der Zufuhr von Luft. Bläst man zum Beispiel einen Schwimmring auf, so würde die zugeführte Luft beim Einatmen der Luft entweichen. Das gleiche ist auch beim Aufpumpen eines Autoreifens unerlässlich, denn durch dieses Ventil wird ein Austreten der Luft verhindert. Ein weiteres Beispiel ist die Gasflasche. Hat man die Austrittsmenge des Gases zu sehr gedrosselt und man zündet dieses Gas an, so reicht die Menge des Gases nicht aus die Flamme "am Leben zu erhalten". Dann besteht die Gefahr, dass sich die Flamme ins Innere der Gasflasche ausbreitet, wenn nicht das Eindringen von Luft in die Flasche verhindert wird.
Das Rückschlagventil besteht aus einem Trichter und aus einer Kugel. Kommt Druck von der Seite aus der dies erwünscht ist (z. B. Hineinpumpen der Luft in einen Reifen), so drückt es die Kugel aus dem Trichter heraus und die Luft kann ungehindert durch das Bauteil strömen. Kommt jedoch Luftdruck von der Seite, wo es unerwünscht ist, dann bewirkt der Luftdruck, dass die Kugel in den Trichter gepresst wird, somit kommt keine Luft durch dieses Bauteil.
Eine 2. Gattung der Sperrventile sind die Ventile mit Stopp-Funktion. Diese Ventile sind normale Wegeventile, die 3 Schaltstellungen haben, 2 Arbeitsstellungen und eine Sperrmittelstellung, die durch Federn an beiden Seiten bei Nichtbetätigung des Ventils immer eingenommen wird. Es gibt verschiedene Arten von Ventilen mit Stopp-Funktion, einige lassen in Mittelstellung keine Luft durch (Notaus), andere garantieren ein Entweichen der Luft, dass z. B. der Doppelt Wirkende Zylinder noch entlüftet wird.
[Bearbeiten] Das Stromventil
Stromventile beeinflussen die Durchflussmenge der Druckluft durch das Ventil. Ein Vertreter dieser Gruppe sind die Drosselventile.Für den Anschluss in doppelt wirkenden Zylindern werden Drosselrückschlagventile für Abluft eingesetzt. Die Steuerung der Abluft bewirkt eine Geschwindigkeitsregelung unabhängig von der Zylinderbelastung. Sie beeinflussen den Volumenstrom. Anwendungen von Stromventilen sind, wenn man realisieren will, dass der Zylinder langsam ausfahren soll (das Drosselventil sorgt dafür, dass sich der Kolbenraum nur langsam mit Druckluft füllt), aber auch bei zeitverzögerten Schalthandlungen (durch das Drosselventil füllt sich ein großer Luftraum, auch als pneumatischer Speicher bekannt, - je nach Einstellung des Ventils - etwas bzw. arg langsamer als ohne Drosselung. Erst wenn sich im pneumatischen Speicher ein ausreichend hoher Druck angesammelt hat, wird das Ventil, welches zeitverzögert ist, (pneumatisch) betätigt).
[Bearbeiten] Das Druckventil
Druckventile, wie das 3/2-Wegeventil mit druckabhängiger Umschaltung und das Folgeventil (Druckzuschaltventil), öffnen erst nach Erreichen eines bestimmten Drucks, den die pneumatische Betätigung ausübt. Dies wird realisiert durch eine einstellbare Feder, welche härter bzw. weicher eingestellt werden kann. Dies erfolgt indem man die Feder weiter zusammenpresst oder sich entspannen lässt. Eine Feder, die schon etwas zusammengepresst ist, kann nur mit viel Kraft weiter zusammengepresst werden. Somit muss die pneumatische Betätigung genug Druck aufbringen, um das Ventil zum Schalten zu bringen.
[Bearbeiten] System zur Arbeitsverrichtung (Antriebe oder Aktorik)
- Der Zylinder für geradlinige Bewegungen (z. B. zum Spannen)
- Der Zylinder mit Getriebe für Schwenkbewegungen
- Der Druckluftmotor für rotierende Bewegungen
In der Pneumatik unterscheidet man zwischen einseitig und beiseitig mit Druckluft beaufschlagbaren Zylindern (doppeltwirkende, einfachwirkende Zylinder). Bei einseitig beaufschlagbaren Zylindern erfolgt die Rückstellung des Zylinders in seine Ausgangsstellung mittels einer im Zylinder integrierten Feder, während bei beidseitig beaufschlagbaren Zylindern Vor- und Rückhub durch entsprechende Steuerung des Druckluftstromes erfolgt.
Weitere Informationen zu den verschiedenen Arten von Zylindern in der Pneumatik finden sich im Artikel Pneumatikzylinder.
[Bearbeiten] Vor- und Nachteile der Pneumatik
[Bearbeiten] Vorteile
- Kräfte und Geschwindigkeiten der Zylinder sind stufenlos schaltbar
- Druckluftgeräte können ohne Schaden bis zum Stillstand überlastet werden
- Druckluftwerkzeuge sind einfacher konstruiert und deshalb meist billiger als Elektrogeräte vergleichbarer Leistung
- Druckluft ist in Druckbehältern speicherbar
- Sauberes, umweltfreundliches Medium
- Luft ist kostenlos und stets vorhanden
- Die Abluft kann ins Freie geleitet werden, die Rückleitungen können entfallen
- Explosionssicherheit
- Große erreichbare Arbeitsgeschwindigkeiten (Zylinder ca. 2m/s, Motoren bis 100000 1/min)
- Luft ist über große Entfernungen transportierbar
[Bearbeiten] Nachteile
- Große Kolbenkräfte sind nicht erreichbar, da der Betriebsdruck meist unter 10 bar liegt
- Gleichförmige Kolbengeschwindigkeiten sind nicht möglich
- Ohne Festanschläge keine genauen Stellungen möglich wegen der Kompressibilität der Luft
- Ausströmende Druckluft verursacht Lärm
- Druckluftaufbereitung ist teuer und aufwendig
- Notwendige Druckluftaufbereitung zur Entfernung von Schmutz und Feuchtigkeit erforderlich
- Durch Anwendung vieler geölter Verbraucher kann es zu einer erhöhten Ölkonzentration in der Atemluft am Arbeitsplatz kommen
[Bearbeiten] Schaltpläne
Ein Schaltplan (auch Schaltbild) ist der Plan einer pneumatischen Anlage. Die Bauteile sind durch genormte Schaltzeichen (umgangsspachlich auch Symbole genannt) dargestellt. Diese Pläne sind Teil der zu jeder Anlage erforderlichen Dokumentation, wichtig insbesondere zum Erstellen und Warten von Anlagen.
Schaltpläne können individuell, firmenspezifisch oder nach Normen erstellt werden. Sie können Teile wie z.B. Arbeits- und Steuerschaltkreise, die Schritte des Arbeitsablaufs, die Bauteile der Schaltung mit ihrer Kennzeichnung sowie die Leitungen und Verbindungen darstellen. Die räumliche Anordnung der Bauteile wird in der Regel nicht berücksichtigt.
[Bearbeiten] Literatur
- P. Croser, F. Ebel: Pneumatik, Grundstufe, Festo Didactic GmbH & Co. KG. Esslingen 2003, ISBN 3-540-00022-4
- G. Prede, D. Scholz: Elektropneumatik, Grundstufe, Festo Didactic GmbH & Co. KG. Esslingen 2001, ISBN 3-540-41446-0
- G. Vogel, E. Mühlberger: Faszination Pneumatik, Vogel Buchverlag 2001, ISBN 3-8023-1886-2
- Fachkunde Metall, Europa Lehrmittel, ISBN 3-8085-1154-0
