Název školy Integrovaná střední škola technická, Vysoké Mýto, Mládežnická 380 Číslo a název projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0374 Inovace vzdělávacích metod EU - OP VK Číslo a název klíčové aktivity III/2 inovace a zkvalitnění výuky pomocí ICT Autor Ing. Milan Solil Číslo materiálu VY_32_INOVACE_ATM_4S_SL_11_06 Název Pneumatické obvody Druh učebního materiálu Prezentace PowerPoint Předmět Automatizace Ročník Čtvrtý Tematický celek Pneumatické válce Anotace Druhy, rozdělení a použití pneumatických válců Metodický pokyn Seznámit žáky s konstrukcí a požadavky, které jsou kladeny na pneumatické válce, jejich druhy a možnosti využití jednotlivých druhů používaných pneumatických válců. 45 minut Klíčová slova Pneumatický válec, konstrukce, značení, použití Očekávaný výstup Žák je schopen aplikovat jednotlivé pneumatické válce podle jejich konstrukce, značení a charakteristik při realizaci jednotlivých pneumatických pohonů. Datum vytvoření 15. 10. 2013

06. Pneumatické lineární pohony - Jednočinné válce mají přívod stlačeného vzduchu pouze na jedné straně válce. - Dvojčinné válce mají přívod stlačeného vzduchu na obou stranách válce. - Membránové pohony se používají především v oblasti spojité regulace pro pohon regulačních orgánů. Membránové pohony Používají se především v oblasti spojité regulace pro pohon regulačních orgánů např. klapek, ventilů, šoupátek a žaluzií. Vyrábí se ve velkých sériích a ve stavebnicovém uspořádání, které umožňuje jejich velkou stavební variabilitu. Jejich výhodou je dokonalá těsnost, nevýhodou je relativně malý zdvih. Základní stavebnicová jednotka membránového servomotoru je sestavena z víka a tělesa, mezi kterými je membrána podložená ze spodní strany kotoučem, o který se opírá pružina. Předpětí pružiny je možné nastavit otáčením šroubu, čímž podpěra stlačuje nebo uvolňuje pružinu. V opěrném kotouči je zakotveno táhlo, se závity na obou koncích pro připojení spojky. Maximální zdvih táhla je vymezen nastavením dorazu. Táhlo procházející tlakovým prostorem nad membránou se utěsňuje těsnícím kroužkem, a tím se zabrání pronikání vzduchu. Vstupní signál se zapojí na šroubení. Princip činnosti Řídicí tlak p(o rozsahu 20 – 100 kPa), od regulátoru nebo ručního relé, je zaveden do komory, kde působí na membránu. Tlak způsobí deformaci membrány. Pohyb membrány se přenáší na táhlo. Proti síle vyvolané tlakem ovládacího signálu na membránu působí pružina, která dává pohonu proporcionální charakter. V rovnovážné poloze pneumatického membránového servomotoru je síla vyvolaná tlakem ovládacího signálu na membránu v rovnováze se sílou pružiny. Pružinu lze předepnout šroubem.

Jednočinné pneumatické válce - Jednočinné pneumatické válce je možné použít k upínání polotovarů, jako vyhazovače u různých přípravků, k podávání polotovarů, jejich zvedání a k realizaci řady dalších operací. - Ve srovnání s dvojčinnými pneumatickými válci stejných rozměrů mají menší spotřebu vzduchu. - Síla šroubové pružiny působí proti síle vyvinuté tlakem vzduchu na plochu pístu, takže využitelná síla je menší o sílu pružiny. Doraz ve válci brání dosednutí závitů pružiny. - Šroubová pružina má také svoji délku, proto jsou jednočinné válce proti dvojčinným válcům se stejným průměrem a zdvihem delší. Jednočinné pneumatické válce je možné použít k upínání polotovarů, jako vyhazovače u různých přípravků, k podávání polotovarů, jejich zvedání a k realizaci řady dalších operací. Ve srovnání s dvojčinnými pneumatickými válci stejných rozměrů mají menší spotřebu vzduchu. Síla šroubové pružiny působí proti síle vyvinuté tlakem vzduchu na plochu pístu, takže využitelná síla je menší o sílu pružiny. Doraz ve válci brání dosednutí závitů pružiny. Šroubová pružina má také svoji délku, proto jsou jednočinné válce proti dvojčinným válcům se stejným průměrem a zdvihem delší.

Konstrukce a značení jednočinného válce Tlačný jednočinný válec Tažný jednočinný válec

Konstrukce a značení jednočinného válce Obr. Katalog, Základy elektropneumatiky, Festo Didactic GmbH & Co., Denkendorf (EN). [CD-ROM]Festo, 2000

Dvojčinné pneumatické válce - Síla vyvinutá tlakem vzduchu na plochu pístu dvojčinného válce působí podle přívodu vzduchu střídavě v obou směrech pohybu pístu. - Dvojčinné pneumatické válce se používají tam, kde mechanizmus i při zpětném pohybu má vykonávat práci. - Zdvih dvojčinných pneumatických válců je teoreticky omezen pouze s ohledem na průhyb a vzpěrnou délku pístnice. - Při zasouvání pístnice vyvinou dvojčinné pneumatické válce menší sílu než při vysouvání, protože účinná plocha pístu je menší o plochu danou průměrem pístnice. Dvojčinné pneumatické válce Síla vyvinutá tlakem vzduchu na plochu pístu dvojčinného válce působí podle přívodu vzduchu střídavě v obou směrech pohybu pístu. Dvojčinné pneumatické válce se používají tam, kde mechanizmus i při zpětném pohybu má vykonávat práci. Zdvih dvojčinných pneumatických válců je teoreticky omezen pouze s ohledem na průhyb a vzpěrnou délku pístnice. Při zasouvání pístnice vyvinou dvojčinné pneumatické válce menší sílu než při vysouvání, protože účinná plocha pístu je menší o plochu danou průměrem pístnice. To je třeba vzít v úvahu, pokud má válec pracovat se stejným zatížením pístnice v obou směrech.

Konstrukce dvojčinného pneumatického válce - Základ tvoří bezešvá tažená trubka z korozivzdorné oceli nebo ze slitin hliníku. - Pro snížení tření a opotřebení jsou funkční plochy trubek z hliníkových slitin elektrochemicky vytvrzeny a vyleštěny. - Čela a víka válců jsou většinou odlita z hliníkových slitin. - Vzájemná poloha čela, trubky a dna válce je zajištěna stahovacími šrouby. - U pneumatických válců menších průměrů může být pro spojení čela a dna válců použit nerozebíratelný spoj, vytvořený několikanásobným lemem trubky do zápichů na čepu čela a dna válce. Konstrukce dvojčinného pneumatického válce Základ tvoří bezešvá tažená trubka z korozivzdorné oceli nebo ze slitin hliníku. Pro snížení tření a opotřebení jsou funkční plochy trubek z hliníkových slitin elektrochemicky vytvrzeny a vyleštěny. Čela a víka válců jsou většinou odlita z hliníkových slitin. Vzájemná poloha čela, trubky a dna válce je zajištěna stahovacími šrouby. U pneumatických válců menších průměrů může být pro spojení čela a dna válců použit nerozebíratelný spoj, vytvořený několikanásobným lemem trubky do zápichů na čepu čela a dna válce.

Konstrukce dvojčinného pneumatického válce Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Válce s průchozí pístnicí - Tyto pneumatické válce nejsou citlivé na radiální zatížení pístnice, protože pístnice je uložena ve dvou ložiskách. - Kromě toho lze na volný konec pístnice upevnit narážku pro aktivaci koncových spínačů. - Síla pneumatického válce je stejná v obou směrech, protože obě strany pístu mají shodnou plochu. Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Válce s pístnicí zajištěnou proti pootočení Pístnice standardního provedení pneumatických válců má kruhový průřez, takže se pístnice s upevněnou zátěží může v průběhu zdvihu samovolně pootočit. Pokud je třeba zajistit polohu zátěže spojené s pístnicí, pak je třeba použít buď pneumatický válec s externím vedením pístnice nebo pístnici, jejíž příčný průřez brání jejímu pootočení. Dvě vodící plochy Šest vodících ploch

Válce se dvěma písty - Standardní provedení pneumatických válců mají v příčném řezu buď čtvercový nebo kruhový průřez. - Při nedostatku místa pro upevnění standardního válce lze použít válec se dvěma písty, který má obdélníkový profil. - Obě pístnice jsou zakotveny ve společné desce. - Tím je zajištěna poloha zátěže, spojené s touto deskou. - Toto provedení lze označit jako paralelní spojení dvou pneumatických válců. Válce se dvěma písty Standardní provedení pneumatických válců mají v příčném řezu buď čtvercový nebo kruhový průřez. Při nedostatku místa pro upevnění standardního válce lze použít válec se dvěma písty, který má obdélníkový profil. Obě pístnice jsou zakotveny ve společné desce. Tím je zajištěna poloha zátěže, spojené s touto deskou. Toto provedení lze označit jako paralelní spojení dvou pneumatických válců. Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Tandemové válce - Tandemový pneumatický válec tvoří dva dvojčinné válce, jejichž písty mají společnou pístnici. - Jeli přiveden současně vzduch na stejnou stranu obou pístů, dosáhne se při vysouvání pístnice téměř dvojnásobné síly. - Tandemové pneumatické válce se také používají v omezeném prostoru. - Toto provedení lze označit jako sériové spojení dvou pneumatických válců. Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Válce s dvojnásobnou plochou pístu Pokud z důvodů zástavbových rozměrů nelze použít pro zvětšení síly válce tandemový válec, pak je možno použít válec s dvojnásobnou plochou pístu. Stlačený vzduch, vstupující do tohoto válce, působí při vysouvání jednak na standardní plochu pístu, jednak na plochu uvnitř duté pístnice. Tím je dosaženo téměř dvojnásobné síly válce. Nevýhodou tohoto válce může být nižší síla při zasouvání válce, než u standardního provedení. Válec s dvojnásobnou plochou pístu má o 30 % menší zástavbové rozměry, než srovnatelné provedení tandemového válce.

Válce s dvojnásobnou plochou pístu Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Vícepolohové pneumatické válce Pro dosažení více než dvou poloh, lze použít kombinací dvou pneumatických válců. Existují dvě základní provedení: Požadujeme-li, aby mechanizmus měl tři definované polohy, pak zvolíme provedení podle obr. Jsou to dva pneumatické válce s různými zdvihy. Přívodem vzduchu za píst jednoho nebo druhého pneumatického válce dosáhneme druhé nebo třetí polohy. Požadujeme-li, aby mechanizmus měl čtyři definované polohy, pak zvolíme provedení podle obr. Jsou to dva pneumatické válce s různými zdvihy, spojené dny k sobě. Pístnice jednoho válce je pevně spojena se zařízením a oba válce se pohybují.

Vícepolohové pneumatické válce Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Pneumatické válce se zajištěním polohy pístnice Blok pro zajištění polohy pístnice se montuje místo čela válce. Proti standardnímu provedení pneumatického válce má válec prodlouženou pístnici a je delší. Kleština bloku ovládaná pružinou nebo stlačeným vzduchem je schopná zajistit pístnici v libovolné poloze v celé délce zdvihu. Stlačeným vzduchem, přivedeným na opačnou stranu pístu, se kleština a tedy i pístnice uvolní.

Pneumatické válce se zajištěním polohy pístnice Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Nastavitelné vzduchové tlumení koncových poloh pneumatických válců Pneumatické válce mohou podle tlaku vzduchu pohybovat poměrně velkými hmotami velkými rychlostmi. Z toho vyplývá, že na konci zdvihu působí na pístnici kinetická energie, daná hmotností a rychlostí pohybujícího se břemene. U malých průměrů pneumatických válců se používají k tlumení kinetické energie v konci zdvihu podložky z pružného plastu - elastomeru. U větších válců se využívá k tlumení kinetické energie vzduchový polštář, který se vytvoří zvýšením tlaku menšího objemu vzduchu a škrcením jeho odvodu. Jakmile se píst tlumení  před koncem zdvihu zasune do manžety těsnění , vytvoří se mezi pístem a dnem pneumatického válce komora, ze které je vzduch odváděn kanálem, jehož průřez je regulován kuželem šroubu . Kinetická energie zvýší tlak v komoře a tak dochází na konci zdvihu válce k absorbování kinetické energie. Podle nastavení šroubu  se pohybuje píst v konci zdvihu menší či větší rychlostí. Při pohybu pístu doleva - vysouvání pístnice (obr. 6.18 vpravo) má manžeta těsnění pístu tlumení funkci zpětného ventilu. Tlak vzduchu zvedne manžetu a umožní tak průchod stlačeného vzduchu a jeho působení na celou plochu pístu pneumatického válce. Malý průřez mezi manžetou a průměrem pístu tlumení propustí menší množství stlačeného vzduchu, které se projeví malým zrychlením pohybu pístu. Proto má být dráha tlumení pokud možno co nejkratší. Při rychlostech pístu nad 500 mm/s a pro absorbování velké kinetické energie se musí použít externí doraz koncových poloh s hydraulickým tlumičem kinetické energie.

Nastavitelné vzduchové tlumení koncových poloh pneumatických válců Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Upevnění pneumatických válců Existují různé možnosti a způsoby upevnění pneumatických válců. Většinu prvků pro upevnění je možné na standardní pneumatické válce dodatečně namontovat. Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Kompenzační hlavice Při přímé montáži pneumatického válce a přímém spojení pístnice s vedením stroje je třeba postupovat velmi obezřetně. Vlivem výroby a následného opotřebení se mění rovnoběžnost osy vedení s osou válce. Výsledná úchylka závisí také na zdvihu válce. Čím je úchylka větší, tím větší je radiální zatížení pístnice a vodicího pouzdra. K vyrovnání úchylek rovnoběžnosti os slouží kompenzační hlavice, namontovaná mezi pístnici pneumatického válce a vedení stroje. Kompenzační hlavice, jejíž základ tvoří kulový kloub, vyrovnává úhlové úchylky v prostoru. Představuje poddajné spojení pneumatického válce s vedením stroje.

Kompenzační hlavice Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Zvláštní konstrukce pneumatických válců - bez pístnicové válce Standardní pneumatický válec se zdvihem 500 mm je s vysunutou pístnicí přibližně 1 200 mm dlouhý. Proti tomu bez pístnicový pneumatický válec se stejným průměrem a zdvihem je dlouhý přibližně 700 mm. Bez pístnicové válce se proto využívají tam, kde jsou vyžadovány dlouhé zdvihy v omezeném prostoru. Podle průměru lze dodat válce se standardním zdvihem do 2 000 mm, na zvláštní požadavek s větším zdvihem.

Bez pístnicové válce s magnetickým přenosem síly Přenos pohybu pístu a síly vyvinuté tlakem vzduchu na plochu pístu se přenáší na suport silnými permanentními magnety. Přenášená síla odpovídá síle standardního pneumatického válce. Narazí-li jezdec velkou rychlostí na pevný doraz, může dojít působením kinetické energie k tzv. utržení pístu, tj. přerušení spojení magnetických siločar, aniž by došlo k poškození válce. Suport válce nelze spojit přímo s poháněným mechanizmem. Poháněný mechanizmus musí mít vlastní vedení a je spojen se suportem válce ramenem. Čím je rameno delší (x), tím menší je dovolená hmotnost poháněného mechanizmu (m).

Bez pístnicové válce s magnetickým přenosem síly Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Bez pístnicové válce s magnetickým přenosem síly s externím vedením U pneumatických válců s magnetickým přenosem síly s externím vedením je možné spojit poháněný mechanizmus s jezdcem. Při návrhu pohonu je nutné vzít ohled na momenty, které působí na vedení při pohybu a zastavení jezdce v koncových polohách. Velké momenty zvyšují tření ve vodících pouzdrech a tím i jejich opotřebení. Rozhodujícím kritériem při volbě zdvihu je průhyb vodicích tyčí při zatížení hmotností poháněného mechanizmu v polovině požadovaného zdvihu.

Bez pístnicové válce s magnetickým přenosem síly s externím vedením Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Bez pístnicové válce s mechanickým přenosem síly s integrovaným vedením Poloha pístu při jeho pohybu je zaručena vedením v drážce profilu tělesa válce. Tato drážka je zakryta pružným těsnicím páskem. Konstrukce těsnění je poměrně složitá a proti válcům s magnetickým přenosem síly nezaručuje absolutní těsnost. Tyto válce proto nelze použít do velmi čistého prostředí. Pneumatický válec bez pístnice s mechanickým spojením pístu s jezdcem vylučuje přerušení spojení pístu s jezdcem při zvedání nebo přesouvání těžkých předmětů.

Bez pístnicové válce s mechanickým přenosem síly s integrovaným vedením Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Speciální provedení válců Válce pro malé rychlosti Minimální pracovní tlaky jsou velmi nízké. Tyto válce jsou schopny se pohybovat rychlostí kolem 0,5 mm/s a mají plynulý rozběh i při delší době nečinnosti. K řízení rychlosti těchto válců se používají škrtící ventily pro pomalé rychlosti, je vhodné použít současně škrcení na vstupu i na výstupu.

Speciální provedení válců Nízko třecí válce Mají velmi nízký rozběhový tlak (0,005 MPa) a velmi dlouhou životnost (10 tis. km nebo 100 mil. cyklů), Jsou také schopny se pohybovat velmi malou rychlostí (0,3 mm/s) nebo také vysokou rychlostí ( až 3 m/s). Toho je dosaženo kovovým těsněním a valivým uložením pístnice. Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Speciální provedení válců Válce pro vysoké rychlosti Tyto válce se vyznačují velmi účinným tlumením. Jsou schopny utlumit vysokou kinetickou energii na konci zdvihu, až 20x vyšší než u běžných válců. Tyto válce jsou schopny se pohybovat rychlostí až 3 m/s. Obr. SMC Industrial Automation CZ s.r.o., SMC_SKRIPTA_CZ_new.IDD – LG1_ Einfuehrung.pdf [online]. 2009 [cit. 24. května 2013]. Str. 59 Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG1_Einfuehrung.pdf

Použitá literatura: SMC Industrial Automation CZ s.r.o., Vlastnosti stlačeného vzduchu [online]. 2009 [cit. 5. září 2013]. Dostupné z WWW: http://2009.oc.smc-cee.com/sk/pdf/LG2_Masseinheit.pdf JURNÍČEK, J. Návrh a realizace laboratorní úlohy řízení elektro-pneumatického manipulátoru FESTO. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 65 s. Vedoucí diplomové práce Ing. Stanislav Věchet, Ph.D..