Pneumatik

Table of Pneumaticks, Cyclopaedia, Volume 2.jpg von 1728]] 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.

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")

System zur Drucklufterzeugung

Die Drucklufterstellung und -bereitstellung erfolgt über Kompressoren. Diese Gas- und Dampfpumpen bezeichnet man auch als Verdichter. Der Luftverdichter ist eine Maschine zur Erzeugung von Druckluft (veraltet Pressluft).

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 Wartungseinheit, 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 üblicher Weise 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.

Der Leitungsquerschnitt sollte so gewählt werden, dass ein Druckverlust von maximal 0,2 bar nicht überschritten wird.

System zur Steuerung

Für die Steuerung der Druckluft finden Ventile Anwendung. Folgende Bauteilgruppen gibt es: 1. Wegeventile 2. Sperrventile 3. Druckventile 4. Stromventile 6. Sonderventile (z. B. Proportionalventile)

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)

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.

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.

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 ungehindet 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.

Das Stromregelventil

Stromregelventile 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).

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.

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

Vorteile Pneumatik:

Kräfte und Geschwindigkeiten der Zylinder sind stufenlos schaltbar
Zylinder und Druckluftmotoren erreichen hohe Geschwindigkeiten und Drehzahlen
Druckluftgeräte können ohne Schaden bis zum stillstand überlastet werden
Druckluft ist in Druckbehältern speicherbar

Nachteile Pneumatik

große Kolbenkräfte sind nicht erreichbar, da der Betriebsdruck meist unter 10bar liegt
Gleichförmige Kolbengeschwindigkeiten sind nicht möglich
ohne Festanschlage keine genauen Stellungen möglich
Ausströmende Druckluft verursacht Lärm

Anbieter von pneumatischen Komponenten

Timmer
Festo
BoschRexroth
IMI Norgren
SMC

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

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