Pneumatyka jest dziedziną wiedzy obejmującą zagadnienia wykorzystania gazów lub par
(przede wszystkim sprężonego - rzadziej rozrzedzonego - powietrza) do wykonywania pracy a
także do przetwarzania i przekazywania informacji.
Łatwość wykorzystania sprężonego powietrza do wykonywania pracy mechanicznej
sprawiła, że pneumatyka, obok hydrauliki, należy do najstarszych w dziejach ludzkości technik
napędowych. Maszyny na tzw. gorące powietrze, maszyny wiatrowe i parowe wykorzystywane
były już w starożytności.
Już w XIX wieku wykorzystywano sprężone powietrze lub parę w maszynach
kopalnianych, w budownictwie lądowym i podwodnym, znane były młoty parowo-powietrzne (od
1849 r.) hamulce pneumatyczne (od 1867 r.). Już wtedy maszyny do składu czcionek drukarskich,
tzw. monotypy, wykorzystywały wiele mechanizmów pneumatycznych.
Warunki sprzyjające wykorzystaniu sprężonego powietrza na skalę przemysłową powstały
dopiero pod koniec xix wieku. Opanowanie w 1886 r. produkcji sprężarek o dużej wydajności
umożliwiło budowę sieci zasilających sprężonym powietrzem całe zakłady przemysłowe.
Przyśpieszyło to nie tylko rozwój i zakres stosowania znanych już w tym czasie narzędzi
pneumatycznych (wiertnice pneumatyczne napędzane powietrzem sprężanym za pomocą energii
wodnej zastosowano do budowy tuneli kolejowych po raz pierwszy już w 1861 r.), ale przede
wszystkim wywołało zainteresowanie zastosowaniem środków pneumatyki dla technicznego
usprawnienia przemysłowych procesów wytwarzania. Zastosowanie pneumatyki okazało się
korzystne lub niezbędne przy realizacji wielu procesów technologicznych takich jak wydobywanie
wody ze znacznych głębokości, transport cieczy, transport materiałów sypkich, transport
przedmiotów (np. poczta pneumatyczna), napylanie, suszenie, chłodzenie i mieszanie.
Wykorzystanie w końcu ubiegłego wieku sprężonego powietrza do pomiaru otworów
zapłonu w łuskach amunicji karabinowej zapoczątkowało powstanie nowej gałęzi pneumatyki -
pneumatycznych metod kontroli wymiarów i pomiarów długości. Powietrze okazało się
czynnikiem, za pomocą którego nie tylko można było wykonywać pracę mechaniczną, lecz także
uzyskiwać, przesyłać i przetwarzać informacje, co stworzyło perspektywy zastosowania
pneumatyki nie tylko do mechanizacji ale także do automatyzacji procesów przemysłowych.
Od początku lat dwudziestych XX wieku obserwuje się ścisłą współzależność rozwoju
metrologii, automatyki przemysłowej i pneumatyki. Przez długi okres, trwający do końca lat
sześćdziesiątych, kiedy to w automatyce rozpoczął się okres intensywnej elektronizacji, systemy
pneumatyczne stanowiły dominujący środek mechanizacji i automatyzacji procesów
przemysłowych.
Etap odkrywania, opracowywania i sprawdzania w praktyce przemysłowej zasad budowy
podstawowych urządzeń pneumatycznych, zarówno napędowych jaki i pomiarowo-sterujących
zakończył się około roku 1930. Na początku lat trzydziestych pneumatykę zaczęto wykorzystywać
już nie tylko w mechanizmach napędowych maszyn produkcyjnych i narzędzi ale także coraz
częściej do budowy różnego rodzaju urządzeń mechanizacyjnych, bezpośrednio wspomagających
pracę produkcyjną człowieka. Między innymi po raz pierwszy zastosowano w produkcji masowej
manipulatory z napędem i sterowaniem pneumatycznym.
Ze względu na brak funkcjonalnie i ekonomicznie konkurencyjnych technik realizacyjnych,
a także ze względu na potrzebę technicznej racjonalizacji produkcji przemysłowej, powodowaną
koniecznością obniżania kosztów wytwarzania w warunkach szybko wzrastającego kosztu pracy
1
ludzkiej, w drugiej połowie XX wieku technika pneumatyczna staje się podstawowym środkiem
racjonalizacji technicznej przemysłowych procesów produkcyjnych.
W warunkach krajów przemysłowo rozwiniętych, koszt pracy urządzeń pneumatycznych
jest od 40 do 50 razy mniejszy od kosztu pracy ręcznej. Jest on, wliczając nakłady inwestycyjne i
koszty eksploatacyjne, niższy od kosztu pracy analogicznych urządzeń hydraulicznych i
elektrycznych (pomimo znacznie wyższego kosztu energii sprężonego powietrza niż energii
elektrycznej). Korzystny ekonomicznie aspekt wykorzystania urządzeń pneumatycznych w
porównaniu z innymi technikami realizacyjnymi (elektryczną i hydrauliczną) wynika przede
wszystkim z:
prostoty konstrukcji urządzeń pneumatycznych i ich niskiej ceny,
zasad funkcjonowania zrozumiałych nawet dla użytkowników i służb obsługowo-naprawczych
o niskich kwalifikacjach,
prostoty konserwacji i obsługi, a często braku potrzeby konserwacji w trakcie całego okresu
eksploatacyjnego,
bardzo dużej trwałości urządzeń pneumatycznych (do 15 lat),
odporności na trudne warunki pracy i wpływy środowiska takich jak wilgotność, zmiany
temperatury, pola elektryczne, magnetyczne, promieniowania, zapylenia itp.,
prostoty instalacji - tzw. instalacja jednoprzewodowa - zużyty czynnik roboczy odprowadzany
jest do atmosfery, brak problemu zanieczyszczenia medium roboczego,
powszechnej dostępności czynnika roboczego, łatwości jego przygotowania i magazynowania.
Często o wyborze pneumatycznej techniki realizacji decyduje konieczność eliminacji
zagrożeń wybuchem lub porażeniem elektrycznym - usunięcie tych zagrożeń w przypadku
urządzeń elektrycznych jest trudno osiągalne i kosztowne.
Poza wymienionymi walorami, o znaczeniu techniki pneumatycznej decydują możliwości i
parametry techniczne urządzeń pneumatycznych, spośród których jako najbardziej istotne należy
wymienić niezwykle cenne właściwości pneumatycznych elementów wykonawczych, takie jak:
wysoki stosunek oddawanej mocy do masy oraz stosunek mocy do objętości elementu - pod tym
względem napędy pneumatyczne ustępują jedynie napędom hydraulicznym,
bardzo dobre właściwości dynamiczne - możliwość uzyskania przyspieszeń i prędkości ruchu
kilkakrotnie wyższych niż w przypadku napędowych urządzeń hydraulicznych i elektrycznych,
odporność na przeciążenia i awaryjną blokadę ruchu, co wymaga w przypadku napędów
elektrycznych dodatkowych urządzeń zabezpieczających,
szczególną łatwość realizacji liniowych ruchów posuwisto-zwrotnych, niezbędnych w
urządzeniach automatyzacji i robotyzacji procesów produkcyjnych, porównywalną tylko z
hydrauliczną techniką napędową.
Wymienione pozytywne cechy urządzeń pneumatycznych stanowią o trwałej i nie
malejącej pozycji urządzeń pneumatycznych w technice, pomimo konkurencji urządzeń
elektrycznych i hydraulicznych. Pozycji tej nie osłabiają wady techniki pneumatycznej, do których
należy zaliczyć:
wspomniany już wysoki koszt sprężania czynnika roboczego,
ograniczony zasięg i małą prędkość przesyłania sygnałów pneumatycznych,
hałaśliwość pracujących urządzeń - stosunkowo łatwą do usunięcia małym kosztem,
mniejszą niż w przypadku analogicznych urządzeń elektrycznych i hydraulicznych sprawność
urządzeń wykonawczych,
2
mniejsze niż w przypadku analogicznych urządzeń hydraulicznych siły napędzające, co
ogranicza możliwości stosowania urządzeń pneumatycznych do napędu ciężkich maszyn
roboczych,
zanieczyszczanie środowiska olejem wydostającym się z urządzeń pneumatycznych wraz ze
zużytym powietrzem - w przypadku stosowania jako czynnika roboczego powietrza z
domieszką mgły olejowej (coraz szerzej wprowadza się urządzenia pneumatyczne pracujące z
czynnikiem bezolejowym).
Współcześnie stosowane urządzenia pneumatyczne podzielić można na dwie klasy:
urządzenia wyspecjalizowane - przeznaczone do wykonywania ściśle określonego zadania,
opracowywane i rozwijane niezależnie od siebie dla wielu specyficznych zastosowań,
urządzenia uniwersalne - wykorzystywane do budowy wielu różnorodnych maszyn, urządzeń,
instalacji.
Wyspecjalizowanymi urządzeniami pneumatycznymi są na przykład:
urządzenia do transportu materiałów sypkich (ziarna, mąki, cementu, siana itp.)
urządzenia wentylacyjne, klimatyzacyjne, suszarnie,
pneumatyczne urządzenia stosowane w ochronie środowiska, np. w oczyszczalniach ścieków,
do rekultywacji wód,
urządzenia techniki próżniowej,
urządzenia stosowane w gazownictwie,
urządzenia budownictwa podwodnego,
urządzenia do spawania gazowego,
urządzenia do malowania, napylania, rozpylania, piaskowania, kulowania itp.,
pneumatyczne układy hamulcowe, wspomagające, sterujące, amortyzujące, ogumienie
pneumatyczne i urządzenia związane z jego wykorzystaniem w tzw. pneumatyce transportowej,
pneumatyczne urządzenia pomiarowe,
specyficzne urządzenia wykorzystywane w przemyśle włókienniczym, tekstylnym,
poligraficznym, spożywczym, hutnictwie i wielu innych,
pneumatyczne narzędzia i maszyny wykorzystywane w rolnictwie.
Specyficznym obszarem zastosowań pneumatyki stała się aparatura medyczna
diagnostyczna, rehabilitacyjna, protetyczna, stomatologiczna. Stosowane są pneumatyczne aparaty
do badania układu krążenia, układu oddechowego, urządzenia do wspomagania leczenia, protezy
kończyn. Pierwsze sztuczne serca są także aparatami pneumatycznymi.
Najnowszym obszarem zastosowań pneumatyki są tzw. mikro- i nanotechnika - działy
techniki zajmujące się tworzeniem superminiaturowych maszyn roboczych, urządzeń
transportowych, robotów.
Pomimo tak licznych zastosowań wyspecjalizowanych urządzeń pneumatycznych i ich
bezspornego znaczenia gospodarczego, znacznie większy wpływ na rozwój gospodarki, jej
racjonalizację i przyrost mocy wytwórczych ma wykorzystanie uniwersalnych urządzeń
pneumatycznych. Należy podkreślić, że stan rozwoju uniwersalnych urządzeń pneumatycznych
zdecydowanie
rzutuje
na
możliwości
wprowadzania
pneumatycznych
urządzeń
wyspecjalizowanych, ponieważ decyduje o dostępności odpowiednich materiałów, elementów i
podzespołów niezbędnych do tworzenia specjalizowanych urządzeń pneumatycznych, a także o
wiedzy i doświadczeniu kadry naukowej i technicznej związanej z dziedziną pneumatyki.
W grupie uniwersalnych urządzeń pneumatycznych istnieje wyraźny podział na dwie klasy:
urządzenia pneumatyki analogowej,
3
urządzenia pneumatyki dyskretnej (napędowo-sterujące).
Pneumatyka analogowa znalazła powszechne zastosowanie w automatyzacji procesów
ciągłych, występujących między innymi w przemyśle chemicznym, petrochemicznym,
cukrowniczym, energetycznym, spożywczym i pokrewnych. Rozwój pneumatyki analogowej, a
ogólnie automatyki analogowej, stymulowały potrzeby automatyzacji wielkich instalacji
występujących w tych przemysłach. Natomiast urządzenia pneumatyki dyskretnej są przeznaczone
do mechanizacji a następnie automatyzacji i robotyzacji różnorodnych elementarnych, na ogół
monotonnych i wymagających znacznego wysiłku, czynności produkcyjnych występujących w
przemyśle maszynowym, elektromaszynowym, przemyśle środków transportu, drzewnym,
spożywczym, hutnictwie, górnictwie, przetwórstwie, serwisie a także w rolnictwie. Do czynności
tych należą: przemieszczanie (manipulacja) narzędzi i przedmiotu obróbki w przestrzeni roboczej
maszyny technologicznej i stanowiska produkcyjnego, transportowanie materiałów, podzespołów i
odpadów produkcyjnych, sterowanie i obsługa maszyn oraz urządzeń technologicznych, czynności
związane ze składowaniem i magazynowaniem, pakowaniem wyrobów, przygotowaniem narzędzi
i osprzętu technologicznego, kontrolą prawidłowości wykonania poszczególnych operacji
technologicznych itp. Realizacja tego typu procesów, zwanych nieciągłymi lub dyskretnymi, w
porównaniu z procesami ciągłymi, wymaga znacznie większego bezpośredniego udziału człowieka
-
wykorzystania jego zdolności manualnych (ruchowo-energetycznych), sensualnych
(spostrzegania) i intelektualnych.
Pracochłonność dyskretnych procesów produkcyjnych oraz wzrastający koszt pracy ludzkiej,
szczególnie w krajach o rozwijającym się przemyśle, stwarzał już na początku XX wieku potrzebę
mechanizacji i automatyzacji tych procesów. Odpowiednim na tę potrzebę środkiem technicznym
okazał się posuwisto-zwrotny siłownik tłokowy, napędzany sprężonym powietrzem,
doprowadzanym do jego komór przez tzw. zawór rozdzielający. Siłownik taki mógł realizować
typowe dla procesów dyskretnych cyklicznie powtarzające się czynności manualne
(ruchowo-energetyczne).
W zależności od sposobu sterowania zaworem rozdzielającym siłownika pneumatycznego
manualna czynność ruchowo-energetyczna zostaje:
zmechanizowana - jeżeli zaworem steruje bezpośrednio obsługujący maszynę lub urządzenie
technologiczne robotnik,
zautomatyzowana - jeżeli zaworem steruje stałoprogramowy lub programowalny układ
sterujący, zapewniający realizację założonego cyklu ruchów siłownika, a jedynie inicjacja cyklu
pracy należy do operatora stanowiska technologicznego (lub do nadrzędnego układu
sterowania),
zrobotyzowana - jeżeli siłownik z zaworem stanowi napęd elementarnego zespołu ruchu
maszyny manipulacyjnej, realizującej cykl ruchów manipulacyjnych, niezbędnych do
wykonania określonej operacji technologicznej.
O powszechności stosowania pneumatyki napędowo-sterującej do mechanizacji, automatyzacji i
robotyzacji dyskretnych procesów produkcyjnych zdecydowały brak funkcjonalnie i ekonomicznie
konkurencyjnych środków technicznych do realizacji dyskretnych procesów produkcyjnych o
dużej przewadze przemieszczania, orientowania w przestrzeni, mocowania przedmiotów i
narzędzi o małych i średnich masach (do 25 kg) oraz niezawodność podstawowego elementu
napędu pneumatycznego - siłownika tłokowego.
Niniejsze opracowanie dotyczy wyłącznie pneumatyki dyskretnej.
4