1-1- مقدمه
در این فصل به معرفی سیستمهای نتوماتیک مورد استفاده در خطوط تولیدی اتوماتیک می پردازیم. در این نگارش تنها به اصول کلی طراحی و اجزاء مهم سیستمهای نتوماتیک پرداخته خواهد شد که مقدمه لازم جهت آشنائی تخصصی با این سیستمها را برای یک مهندس کنترل فراهم می آورد.
لغت نیوماتیک(Pneumatic)( که به صورت پنوماتیک مطابق با برداشت از تلفظ این لغت به زبان آلمانی نیز در صنایع کشور مصطلح می باشد) از ریشه یونانی(Pneumos) به معنی تنفس گرفته شده است. استفاده از هوا فشرده در سیستمهای صنعتی به ابتدای انقلاب صنعتی به ابتدای انقلاب صنعتی بر می گردد و در ابتدای قرن بیستم به عنوان ابزار اصلی اتوماسیون سیستمهای تولیدی مورد استفاده قرار گرفته است. یک سیستم نیوماتیک شامل عملگرها یا جکهای نیوماتیک، شیرهای نتوماتیک یا الکترونیوماتیک، سنسورهای نیوماتیک، سیستم های انتقال نیوماتیک و سیستم تولید فشار هوا می باشد. در ابتدای این فصل به توضیحی مختصر درباره برخی از این اجزاء پرداخته و سپس طرحهای اتوماسیون توسط سیستمهای نیوماتیک را بررسی می نمائیم.
2-1- اجزاء سیستم نیوماتیک
1-2-1- انواع شیرهای نیوماتیک
شیرهای استفاده شده در سیستمهای نیوماتیک بمنظور کنترل سه کمیت فیزیکی زیر بکار می روند.
1- کنترل وضعیت جریان 2- کنترل فشار هوا 3- کنترل میزان جریان هوا
شیر کنترل وضعیت(directional valve) وسیله ای است که متناظر با دریافت یک سیگنال ورودی به صورت نیوماتیکی یا الکتریکی جهت عبور هوای فشرده را تغییر
می دهد و یا جریان یافتن یا متوقف شدن هوای فشرده در یک مسیر را کنترل می کند. این شیر کنترلی مهمترین جزء سیستم نیوماتیک در طراحی منطق سیستم های اتوماسیون
می باشد. این نوع از شیرهای کنترلی توسط کمیات زیر طبقه بندی می گردند:
1- تعداد پورتهای نیوماتیک ورودی و خروجی(2، 3، 4 یا 5)
2- تعداد وضعیتهای کنترل شونده حرکتی شیر(1، 2 یا 3)
3- نحوه تحریک شیر(دستی، نیوماتیکی یا برقی)
4- مشخصات طراحی شیر همانند ابعاد پورتهای ورودی و خروجی، دبی شیر و...
شکل زیر اجزاء داخلی یک شیر کنترلی و نحوه آب بندی آن توسط O-ring را نشان می دهد. عضو اصلی شیر که وظیفه کنترل جهت حرکت جریان را به عهده دارد سوزن شیر یا Spool نام دارد.
شکل 1-1 اجزاء داخلی یک شیر کنترل وضعیت
در اینجا می توانیم تعدادی از شیرهای کنترل وضعیت مورد استفاده متداوب در سیستمهای اتوماسیون را با توجه به وظیفه ای که انجام می دهند( و نه با تکیه به اصول طراحی شیر) طبقه بندی کنیم.
الف) شیر 2*2(دو در دو به معنای دو پورت ورودی- خروجی و دو وضعیتی)
همانگونه که در شکل 2-1 ملاحظه می شود ساختار داخلی این شیر به گونه است که در صورت عدم تحریک آن جریان ورودی هوا(پورت 1) نسبت به پورت خروجی(2) کاملا مسدود می باشد و لذا این شیر در حالت نرمال قطع یا(NC) می باشد. در صورت تحریک شیر، جریان هوا بین پورت ورودی(1) و خروجی(2) برقرار می شود. نمایش این شیر در مدارهای نیوماتیک به فرم زیر می باشد:
شکل 2-1 شیر کنترل وضعیت 2*2 و شماتیک نمایش آن در مدارهای نیوماتیک
ب) شیر 2*3(سه ورودی- خروجی، دو وضعیتی)
انواع این نوع شیر کنترل وضعیت به فرم سوزنی(spool) و کفشکی(Poppet) در شکل زیر نمایش داده شده اند. همانگونه که در شکل ملاحظه می شود ورودی هوای فشرده از پورت(1) یا مسدود بوده(N.C.) و یا با تغییرات وضعیت Spool به خروجی پورت(2) در شکل آورده شده است.
پ) شیر کنترل وضعیت 2*4 یا 3*4
این نوع شیر غالبا بصورت دیسکی طراحی شده و عملا امکان اتصال پورت ورودی(1) به خروجی(2) و پورت ورودی(3) به خروجی(4) را در یک وضعیت و اتصال(1) به(4) و(2) به (3) را در وضعیت دیگر مهیا می کنند. در حالت سه وضعیتی حالتی پیش بینی شده است که کلیه پورتها مسدود می باشند. شکل زیر نحوه عملکرد این شیر را بصورت شماتیک نمایش داده و با استفاده از یک جک نیوماتیک 2 طرفه نحوه استفاده از این شیر در یک مدار نیوماتیکی مشخص گردیده است.
شکل 3-1 شیر کنترل وضعیت 2*3
شکل 3-1 یک نوع شیر کنترل وضعیت 3*4 و نحوه نمایش سمبولیک آن در نقشه های نیوماتیک
ت) شیر کنترل وضعیت 2*5 یا 3*5
این شیر مهمترین و پرکاربردترین شیر کنترل وضعیت در سیستمهای نیوماتیکی است که جهت کنترل حرکت جکها یا موتورهای نیوماتیکی استفاده می شود. شکل زیر نمایشی از ساختار این نوع شیر و شماتیک نمایش آن در نقشه های نیوماتیک را به تصویر می کشد. همانگونه که در شکل مشاهده می شود، در وضعیت خنثی شیر حرکت جک متوقف گردیده زمانیکه دسته شیر بصورت دستی در وضعیت چپ قرار گیرد جریان از مخزن پرفشار(ورودی) به پیشانی جک منتقل شده و جک در جهت بسته شدن حرکت می کند بهمین ترتیب در وضعیت راست، جریان به پشت جک هدایت شده و جک باز خواهد شد.
شکل 4-1 یک نوع شیر کنترل وضعیت 3*5 و نحوه نمایش سمبولیک آن در نقشه های نیوماتیکی
2-2-1- نحوه فعال سازی شیرهای کنترلی
شیرهای کنترل وضعیت به صورتهای مختلف قابل فعال سازی می باشند، نوع ساده تحریک توسط اپراتور و بصورت دستی صورت می پذیرد. همچنین از نیروی مکانیکی ناشی از حرکت در سیستمهای تمام اتوماتیک به صورت تحریک نیوماتیک یا پیلوت و یا تحریک الکتریکی است که در زیر به آن می پردازیم.
الف) تحریک دستی
شکل 5-1، انواع متدهای تحریک دستی شیرهای کنترلی توسط اپراتور را به نمایش می گذارد.
شکل 5-1 انواع متدهای تحریک دستی شیرهای کنترلی
ب) تحریک مکانیکی
شکل زیر، متدهای تحریک مکانیکی شیرهای کنترلی را به تصویر می کشد.
شکل 6-1 انواع متدهای تحریک مکانیکی شیرهای کنترلی
پ) تحریک نیوماتیکی یا پیلوت
از یک خط فرمان نیوماتیک یا هوای فشرده نیز برای جابجا کردن سوزن شیر(Spool) و یا کفشک آن(Poppet) می توان بهره جست. شکل زیر نحوه استفاده مستقیم از تحریک پیلوت، تحریک الکترونیوماتیک آن و یا تحریک دیافراگمی آنرا نمایش می دهد.
شکل 7-1 انواع متدهای تحریک نیوماتیکی یا پیلوت شیرهای کنترل
ت) تحریک الکتریکی
تحریک الکتریکی توسط یک سلف یا سلونوئید صورت می پذیرد. غالبا این نوع شیرها را سلونوئید- ولو می نامند. تحریک در این نوع شیرها می تواند بصورت کاملا الکتریکی بوده و یا از فشار هوا نیز برای حرکت Spool به علاوه تحریک الکتریکی استفاده شود که در اینصورت جهت حرکت Spool استفاده می گردید و برگشت آن توسط نیروی فنر و یا یک سلونوئید دیگر صورت می گرفت، اما با توجه به وجود منبع قدرت قابل استفاده و در دسترس فشار هوا، می توان توان مکانیکی لازم جهت به حرکت درآوردن Spool را بخصوص در شیرهای بزرگ از آن تامین نمود. شکل 8-1 یک نوع شیر 2*3 که بدین ترتیب کنترل می شود را نمایش می دهد.
شکل 8-1 یک نوع شیر 2*3 که از تحریک الکترو- نیوماتیک استفاده می کند
در این طرح نیروی الکتریکی حاصل از سلونوئید تنها برای جابجائی کوچکی از Spool استفاده شده و پس از اینکه Spool جابجائی اندکی انجام داد، فشار هوای پیلوت به حرکت آن جهت مسدود شدن پورت(3) و انتقال جریان هوا از(1) به (2) وارد عمل
می شود. نمایش مداری این نوع شیر و شیرهای دوطرفه 2*5 و 3*5 که از این نوع تحریک استفاده می کنند در شکل زیر آورده شده است.
شکل 9-1 نمایش مداری شیرهای تحریک شونده الکترو- نیوماتیکی
3-2-1- عملگرهای نیوماتیکی
انواع عملگردهای نیوماتیکی به سه دسته زیر تقسیم می گردند.
1- عملگرهای خطی(جکها)
2- عملگرهای دورانی(موتورها)
3- عملگرهای نیم دورانی(دارای محدودیت در دوران می باشند)
که انواع این گونه عملگرها در زیر توضیح داده خواهند شد.
الف) جکهای یک محوره- یک طرفه
در این نوع جکها تنها یک پورت فشار هوای ورودی وجود دارد که با اتصال آن به جک، آنرا در جهت باز شدن تحریک می کند. فشار هوای طرف دیگر مستقیما به هوای آزاد منتقل شده و حرکت جمع شدن جک توسط نیروی فنر تامین می شود. شکل زیر این نوع جک را نمایش می دهد. به دلیل امتداد یافتن محور جک تنها در یک امتداد به این جک یک محوره گفته شده و به علت وجود تحریک یک جهته آن به آن یک طرفه اطلاق
می شود.
شکل 10-1 یک نوع جک یک محور- یک جهته
ب) جکهای دیافراگمی یک طرفه
زمانیکه نیاز به نیروهای زیاد ولی جابجائی مختصر داشته باشیم از انواع دیافراگمی جکها استفاده می شود. شکل زیر شماتیک اجزاء داخلی این نوع جک را نمایش می دهد.
شکل 11-1 یک نوع جک دیافراگمی یک طرف
پ) بالشتک هوائی(Air Bellows)
این نوع عملگرها از سیستمهای تعلیق فعال اتومبیل به صنایع اتوماسیون وارد شده اند. در واقع مطابق شکل 12-1 این نوع عملگرها از بالشتکهای لاستیکی(یا ورقهای فلزی) تشکیل شده اند که در اثر اعمال فشار هوا منبسط شده و ایجاد جابجائی در امتداد قائم(مطابق شکل) می نمایند. از این نوع عملگرها در جائی که نیروی زیاد و جابجائی کم مورد نظر است استفاده می شود.
شکل 12-1 یک نوع عملکرد بالشتک هوائی
ت) جکهای دو طرفه
این جکها مانند جکهای یک طرفه می باشند با این تفاوت که از هر دو طرف می توانند مورد تحریک واقع شوند. این نوع جکها متداولترین عملگرهای مورد استفاده در
سیستم های اتوماسیون می باشند و بسته به دو نوع کاربرد می توانند یک محوره و یا دو محوره طراحی گردند.
شکل 13-1 یک نوع عملگر جک دو طرفه
ث) محرکهای نیم دورانی(مولدهای گشتاور)
در صورتی که حرکت دورانی مورد نیاز باشد می توان با یک سیستم انتقال شانه دندانه، حرکت مستقیم هر نوع جک را به حرکت دورانی تبدیل کرد. با توجه به کورس محدود هر جک میزان حرکت دورانی در این نوع محرک ها نیز محدود بوده و بدین علت به آنها محرکهای نیمه دورانی اطلاق می شود. شکل زیر مکانیزم ایجاد حرکت دورانی را در این نوع محرکها نمایش می دهد.
شکل 14-1 یک نوع محرک نیمه دورانی یا مولد گشتاور
ج) محرکهای دورانی
انواع متعددی از این نوع محرکها موجودند که می توان به گونه ها زیر اشاره نمود:
موتورهای دریچه ای(Vane Motor)
1- موتورهای پیستونی رادیال
2- موتورهای دنده ای
شکل زیر موتورهای دریچه ای و پیستونی را بصورت شماتیک نمایش می دهد.
شکل 15-1 گونه های موتورهای دریچه ای و پیستون رادیال نیوماتیک
جدول زیر مشخصات اینگونه موتورها را با هم مقایسه می کنند.
شکل 16-1 جدول مقایسه موتورهای نیوماتیکی
3-1- کنترل وضعیت جکهای نیوماتیک
در این بخش به نحوه طراحی سیستمهای نیوماتیک که جهت کنترل حرکت یک یا چند محرک نیوماتیکی و بمنظور انجام بخشی از یک پروسه اتوماتیک تولیدی استفاده
می شود، می پردازیم.
1-3-1- کنترل حرکت یک جک یک طرفه
توسط یک شیر کنترل 2*2(N.C) می توان براحتی حرکت لازم یک جک یک طرفه را تامین کرد. دیاگرام کنترلی این مجموعه در زیر نمایش داده شده است.
شکل 17-1 کنترل حرکت یک جک یک طرفه
جک یک طرفه در این طرح، در حالت نرمال شیر توسط نیروی فنر به حالت کاملا جمع خود بر می گردد، و در حالتی که توسط اپراتور و بصورت دستی شیر کنترل تحریک گردد، این جک باز خواهد شد. این ساده ترین مدار یک سیستم نیوماتیک که توسط اپراتور کنترل می شود را نشان می دهد. معمولا در دیاگرام نیوماتیکی تنها حالت نرمال شیر نمایش داده می شود و حالت تحریک شده آن از شکل قابل انتزاع می باشد.
2-3-1- کنترل حرکت یک جک دو طرفه
برای ایجاد حرکت یک جک دو طرفه در دو جهت، می توان از 2 شیر 2*2 استفاده نمود و یا مطابق شکل زیر تنها از یک شیر 2*5 بهره جست.
شکل 18-1 کنترل حرکت یک جک دو طرفه توسط شیر 2*5
مطابق شکل در صورتیکه شیر در حالت نرمال قرار گرفته باشد جک در حال بسته حرکت کرده و با تحرک شیر، جک در جهت باز شدن حرکت خواهد نمود و با قطع تحریک شیر، جک حالت موضعی خود متوقف سازیم، می بایست مطابق(شکل 19-1) از یک 3*5 استفاده نمود. در این طرح از شیرهای مقاومتی در خروجی شیر کنترل استفاده شده است تا حرکت رفت و برگشت با سرعت قابل تنظیمی صورت پذیرد.
3-3-1- کنترل شیر با استفاده از فشار پیلوت
در طراحی سیستمهای نیوماتیک، با توجه به انرژی و توان مورد نیاز در هر کاربرد، اندازه متناسب اینگونه جکها و شیرها انتخاب می گردد. برای انجام عملیات با توان بالا مسلما ابعاد جکها و شیرهای کنترلی آن متناظرا بزرگ شده و فشار مورد نیاز نیز افزایش می یابد.
شکل 19-1 کنترل حرکت یک جک دو طرفه با شیر 3*5
بدین ترتیب همانند طراحی سیستمهای قدرت در مدارهای الکتریکی می توان مدار فرمان را از مدار قدرت جدا نمود و شیرها و جکهای اصلی را در مدار قدرت قرار داده و توسط شیرهای فرمان با ابعاد فشار کاری کوچکتر، شیرهای اصلی را کنترل نمود. بدین ترتیب خطوط فشار قوی در سیستم کوتاه گردیده و امنیت سیستم بالا می رود و همچنین امکان نصب کلیه شیرهای فرمان در یک محل(اتاق کنترل) بوجود می آید. شیرهای کنترل فرمان همانگونه که قبلا بیان گردید می تواند از نوع تحریک دستی، مکانیکی یا الکترونیوماتیکی انتخاب گردد، در صورتیکه شیر کنترل حرکت اصلی توسط فشار پیلوت ایجاد شده از خروجی شیرهای فرمان به حرکت در می آید. شکل زیر یک نمونه از طراحی سیستم بدین صورت را به نمایش می گذارد که در آن خطوط فشار پیلوت با خطوط نقطه چین و بمنظور حرکت شیر اصلی بکار گرفته شده اند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 29 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله اتوماسیون توسط سیستمهای نتوماتیک