Мехатроника. Учебное пособие au f der tit el seit e gibt es keine fu zei l e
 Скачать 2.86 Mb.
|
|
5.2 Свойства воздуха Воздух характеризуется очень низкой плотностью, то есть силы, действующие между его молекулами, незначительны в обычных рабочих условиях. Как все газы, воздух неосязаем. Он меняет свою форму при приложении минимальной силы и занимает все свободное пространство. 5.2.1 Закон Бойля Воздух может сжиматься и расширяться. Закон Бойля описывает эти свойства следующим образом: при постоянной температуре объём определенной массы идеального газа обратно пропорционален его давлению, т. е. произведение объема и давления постоянно для данной массы газа. P 1 ∙V 1 = P 2 ∙V 2 = P 3 ∙V 3 = const Рисунок 5.2: Закон Бойля 50 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики Пример расчета Воздух сжат до 1/7 от его объема при атмосферном давлении, температура остается постоянной. Определить давление. Решение p 1 ∙V 1 = p 2 ∙V 2 p 2 = p 1 ∙ (V 1 / V 2 ) Примечание: V 1 / V 2 = 1/7 p 1 = p am b = 100 кПа = 1 Бар p 2 = 1∙7 = 700 кПа = 7 Бар Из этого следует: p e = p abs – p amb = (700 – 100) кПа = 600 кПа = 6 Бар Степень сжатия компрессора, который создает избыточное давление в 600 кПа - 7:1 5.2.2 Закон Гей-Люссака Воздух расширяется на 1/273 от своего объема при постоянном давлении, температуре 273 К и ее увеличении на1 К. Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении объем постоянной массы газа пропорционален абсолютной температуре. V 1 / V 2 = Т 1 / Т 2 V 1 = объем при Т 1 ; V 2 = объем при Т 2 Или V/ Т = const Изменение объема V: ΔV= V 1 - V 2 = V 1 ∙ ((Т 2 - Т 1 )/ Т 1 ) Отсюда выражаем V 2 : V 2 = V 1 + ΔV = V 1 + V 1 / Т 1 ∙ (Т 2 - Т 1 ) В этих уравнениях температура абсолютная, поэтому для перевода в °C необходимо воспользоваться следующей формулой: V 2 = V 1 + ΔV = V 1 + ( V 1 / (Т 1 + 273°C)) ∙ (Т 2 - Т 1 ) 51 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики Пример расчета Воздух, объемом 0,8 м 3 и температурой Т 1 = 29 3 К (20 °C), нагрели до температуры Т 2 = 344 К (71 °C). На сколько расширился воздух? V 2 = 0,8 м 3 + 0,8 м 3 /293К ∙ (344К + 293К) V 2 = 0,8 м 3 + 0,14 м 3 = 0,94 м 3 Воздух расширился на 0,14 м 3 до 0,94 м 3 Если при нагреве объем не меняется, увеличение давление можно найти по следующей формуле: р 1 / p 2 = Т 1 / Т 2 или р/Т = const 5.2.3 Основное уравнение газа Основное уравнение газа гласит: для определенной массы газа произведение давления на объем, деленное на абсолютную температуру является постоянной величиной. (p 1 ∙V 1 )/ Т 1 = (p 2 ∙V 2 )/ Т 2 = const Если один из трех множителей p, V или T остается неизменным, то из этого закона могут быть выведены следующие: Давление p=const Изобарное изменение Объем V= const Изохорное изменение Температура T=const Изотермическое изменение 52 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.3 Отдельные компоненты в пневматической системе управления и их назначение Компрессор В пневматических системах энергия подается винтовыми или поршневыми компрессорами, с выходным давлением 700 – 800 кПа (7-8 Бар). Это означает, что минимальное значение рабочего давления создаваемого в цилиндре будет равно 600 кПа (6 Бар), несмотря на утечки и потери сети. Фильтры сжатого воздуха Фильтры располагаются централизованно или децентрализовано в системах сжатого воздуха. Они очищают воздух от конденсата и частиц грязи. Качественная очистка воздуха играет важную роль в продлении срока службы элементов, располагающихся в направлении протекания воздуха. Регулятор давления В подсистемах, где необходимо следить за уровнем давления, устанавливаются регуляторы. Они компенсируют колебания в сетях сжатого воздуха. Установленное давление остается постоянным до тех пор, пока входящее превышает его не более чем на 50 кПа (0,5 Бар). Клапаны включения-выключения Разделяют отдельные сети сжатого воздуха. Распределители Останавливают поток воздуха и направляют его на рабочие элементы в заданное время. Безопасность и надежность системы зависит от правильности соединения элементов между собой. Силовой распределитель Подходят по диаметру к цилиндру и подают на них необходимое количество сжатого воздуха. Цилиндры Пневматические цилиндры – рабочие элементы с высокой прочностью и долгим сроком службы. Цилиндры стандартных размеров могут достигать больших скоростей. Для надежной работы цилиндры должны быть правильно подобраны по размерам и смонтированы. 53 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики Цилиндр 1 A1 Силовой распределитель 1 V1 2 12 1 3 Распределитель 1S1 2 1 3 0 Z1 0P1 0S1 Компрессор Фильтр воздуха и водоотделитель Регулятор давления Манометр Клапан включения-выключения Рисунок 5.3: Ключевые элементы и узлы в пневматической системе управления 54 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.4 Назначение и особенности исполнительных устройств (пневматических цилиндров) 5.4.1 Цилиндры одностороннего действия В цилиндры одностороннего действия воздух поступает только с одной стороны, где у них есть для этого вход. Это означает, что они могут работать только в одном направлении. Полость цилиндра должна быть пустой до того, как поршень вернется, после чего встроенная пружина или приложенная сила втягивает шток поршня (Рисунок 5.4) . Опустошение проходит через отверстие в крышке цилиндра. Рисунок 5.4: Изображение, разрез и принципиальная схема цилиндра одностороннего действия 5.4.2 Цилиндры двухстороннего действия В цилиндры двустороннего действия воздух попадает с двух сторон, то есть они могут работать в двух направлениях. Сила, действующая на поршень, перемещает его вперед, в то время как сила, действующая непосредственно на поршень со стороны штока, обеспечивает его возвратное движение (Рисунок 5.5). В цилиндре двухстороннего действия в каждой камере давления есть отверстия. Перед включением в обратном направлении, соответствующая камера (поршня или штока) должна быть опустошена. Рисунок 5.5: Изображение, разрез и принципиальная схема цилиндра двухстороннего действия 55 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.4.3 Регулирование скорости цилиндра одностороннего действия Дроссель Дроссель регулирует сечение труб. Результатом будет служить уменьшение объема потока в двух направлениях. 2 Направление регулирования потока 1 Дроссель с обратным клапаном Данный клапан работает только в одном направлении, для изменения направления регулирования используется обратный клапан. На корпусе клапана направление потока указывается стрелкой. 2 1 Направление регулирования потока Направление регулирования потока 1 2 1 2 1 2 Рисунок 5.6: Изображение, вид в разрезе и принципиальная схема дросселя с обратным клапаном 56 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики s s Прямой ход Подача воздуха уменьшается посредством дросселя с обратным клапаном. Регулирование скорости возможно только при прямом ходе, для обратного хода поток направляется через обратный клапан. 0 1 1 0 t 1 t 2 t t1 = регулируется, t2 = const (не регулируется) Прямой и обратный ход Дроссель устанавливается в месте входа/выхода сжатого воздуха. Регулирование скорости возможно как для прямого, так и для обратного хода. 0 1 1 0 t 1 t 2 t t1 = t2 = регулируются 57 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики s s Использование двух дросселей с обратным клапаном Скорость можно устанавливать отдельно для прямого и обратного ходов. 0 1 1 0 t 1 t 2 t t1 = регулируется, t2 = регулируется 5.4.4 Регулирование скорости цилиндров двухстороннего действия Прямой ход (регулирование выходящего потока) Дроссель с обратным клапаном устанавливается в месте выхода сжатого воздуха (регулирование выходящего потока). Выходящий воздух проходит через дроссель. Как правило, регулирование выходящего воздуха осуществляется цилиндрами двухстороннего действия. Регулирование скорости не зависит от нагрузки. 0 1 1 0 t 1 t 2 t t1 = регулируется, t2 = const (не регулируется) 58 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики s s Прямой ход (регулирование входящего потока) (не подходит для цилиндров, установленных вертикально) Дроссель с обратным клапаном располагается в месте входа сжатого воздуха (регулирование входящего потока). Регулирование скорости возможно только при прямом ходе. Небольшие изменения нагрузки на штоке поршня приводят к большим колебаниям скорости перемещения. Нагрузка в направлении движения цилиндра увеличивается выше установленного значения. 0 1 1 0 t 1 t 2 t t1 = регулируется, t2 = const (не регулируется) Прямой и обратный ход Регулирование выхода сжатого воздуха осуществляется с помощью дросселя. Скорость можно устанавливать отдельно для прямого и обратного ходов. 0 1 1 0 t 1 t 2 t t1 = регулируется, t2 = регулируется 59 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.5 Назначение и особенности пневматических распределителей Пневматические распределители регулируют направление движения сжатого воздуха. Направление потока обозначается стрелкой. Запуск может быть произведен вручную, механически, пневматически или электрически. В автоматизированных системах обычно используются распределители с электромагнитным управлением, которые создают связь между пневматическим и электрическим управлением. Они переключаются посредством выходных сигналов из системы управления и перекрывают или открывают соединительные линии в силовой части пневмопривода. Назначение распределителей с электромагнитным приводом: • подключение или прекращение подачи сжатого воздуха, • втягивание и выдвижение приводов цилиндра. На Рисунке 5.7 и 5.8 показаны два вида распределителей. Рисунок 5.7: 3/2- распределитель с ручным приводом с фиксацией Рисунок 5.8: 4/2-распределитель с электромагнитным и ручным управлением 60 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.5.1 Названия и условные обозначения пневматических распределителей В таблице представлены основные виды распределителей. Условное обозначение Название Функция 2/2- распределитель – нормально замкнутый – нормально разомкнутый Клапан с двумя переключаемыми положениями и двумя каналами 3/2- распределитель – нормально замкнутый – нормально разомкнутый Распределитель с двумя переключаемыми положениями и тремя каналами 4/2- распределитель Распределитель с двумя переключаемыми положениями и четырьмя каналами 5/2- распределитель Распределитель с двумя переключаемыми положениями и пятью каналами 5/3- распределитель, в средней позиции рабочие линии разгружены от давления Поршень цилиндра не оказывает воздействие на шток. Шток может двигаться свободно. 5/3- распределитель, в средней позиции каналы закрыты Шток поршня останавливается, даже если остановка не определена. 5/3- распределитель, в средней позиции каналы связаны с источником давления Шток цилиндра с несимметричным штоком поршня выдвигается с ограниченной силой. 61 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.5.2 Способы включения пневматических распределителей В следующей таблице представлены основные способы включения распределителей. Условное обозначение Название Функция Распределитель с роликовым переключением, возвратная пружина, электромагнит Этот распределитель включается посредством цилиндрических кулачков или чем-то аналогичным. В основном используется для контроля конечных положений. Ручное переключение, возвратная пружина, электромагнит Распределитель с ручным переключением и возвратной пружиной. Распределитель с электромагнитым и ручным управлением, возвратная пружина Распределитель приводится в действие электромагнитом и возвращается пружиной, как только подача тока прекращается. Распределитель с двумя электромагнитами и ручным управлением Распределитель приводится в действие электромагнитами и остается в таком положении до тех пор, пока включен другой электромагнит. Электромагнитный клапан с пневматическим дистанционным управлением Распределитель приводится в действие электромагнитом. Электромагнит управляет дополнительным контуром, который включает золотник распределителя. 5.5.3 Управление цилиндром одностороннего действия На Рисунке 5.9а показан распределитель с электромагнитным приводом, который управляет перемещением цилиндра одностороннего действия, в котором три канала и два переключаемых положения. - Когда электромагнит распределителя обесточивается, камера цилиндра разгружается от давления через распределитель. Шток поршня втягивается. - Когда на катушку подаётся ток, распределитель переключается, и камера цилиндра заполняется жидкостью. Шток выдвигается. - Когда ток перестает поступать на электромагнит, клапан снова переключается. Камера цилиндра разгружается от давления и шток втягивается. 62 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.5.4 Управление цилиндром двухстороннего действия Цилиндр двухстороннего действия, изображенный на Рисунке 5.9б, приводится в действие распределителем с пятью каналами и двумя переключаемыми положениями. - Когда электромагнит обесточивается, левая камера цилиндра разгружается от давления, а правая заполняется жидкостью. Шток втягивается. - Когда ток подаётся на электромагнит, клапан переключается. Левая камера цилиндра заполняется жидкостью, а правая разгружается от давления. Шток выдвигается. - Когда ток перестает поступать на катушку, клапан переключается и шток втягивается. a) +24 V +24 V 0 V 0 V б) +24 V +24 V 0 V 0 V а) одностороннее действие б) двухстороннее действие Рисунок 5.9: Управление цилиндрами с помощью электромагнитных распределителей 63 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.6 Назначение и особенности пневматических приводных элементов 5.6.1 Цилиндры с направляющими, бесштоковые цилиндры и поворотные двигатели Цилиндры с направляющими, как правило, используются для особых целей, в частности в манипуляторах (Рисунок 5.11). В отличие от обычных, в цилиндрах с направляющими шток не может быть повернут и подвергнут дополнительным нагрузкам. В зависимости от конструкции они могут быть с направляющими с подшипниками скольжениями для простых операций с низкой нагрузкой и ограниченной точностью или с высокоточными шарикоподшипниковыми направляющими, поглощающими значительные нагрузки и крутящие моменты, и более дорогими. Рисунок 5.11: Пневматический цилиндр с направляющими Другим видом передаточных механизмов являются бесштоковые цилиндры (Рисунок 5.12). В них нет штока, а потому ход поршня может быть больше. Бесштоковый цилиндр лишь немного больше хода цилиндра, в то время, как цилиндр со штоком по крайней мере в два раза больше хода цилиндра в выдвинутом состоянии. Эти передаточные механизмы в большинстве своем оснащены направляющими высокого качества. Рисунок 5.12: Пневматический бесштоковый цилиндр 64 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики Пневматические поворотные двигатели используются везде, где требуется вращательное или поворотное движение. Рисунок 5.13: Пневматический поворотный двигатели 5.6.2 Пневматические захваты Пневматические захваты используются для манипулирования заготовками. На рисунке показаны различные виды захватов. a) б) 20° 20° в) г) a) Параллельный захват б) Угловой захват в) Радиальный захват г) Трехточечный захват 90° 90° Рисунок 5.14: Пневматические захваты 65 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики На рисунке 5.15 показан вид в разрезе углового захвата с цилиндром двухстороннего действия и то, как губки захвата (для цилиндрических заготовок в этом примере) и бесконтактные датчики устанавливаются в захвате. Выбор типа захвата, его размера и вида губок зависит от формы и веса заготовки. Рисунок 5.15: Принцип действия, губки углового захвата и его бесконтактные датчики 66 © Festo Didactic Gmb H & Co. KG • 5 630 60 5 Основы пневматики 5.7 Пневматическая система управления, представленная на принципиальной схеме Самым простым способом управления цилиндрами одно- и двухстороннего действия является прямое управление. В этом случае работа цилиндра регулируется непосредственно вручную или с помощью распределителя с механическим приводом без вмешательства каких-либо других распределителей. Исходное положение Выдвинутое положение |