Początkujący Czym jest pneumatyka? Symulacja pneumatyki w FluidSIM

[Marcel_S]

Pneumatyka odgrywa kluczową rolę w dzisiejszym przemyśle, będąc podstawą wielu systemów automatyzacji, robotyki oraz procesów produkcyjnych. Zrozumienie zasad działania układów pneumatycznych nie tylko pomaga w projektowaniu wydajnych i niezawodnych systemów, ale również otwiera drzwi do innowacyjnych rozwiązań technicznych. Pneumatyka znajduje zastosowanie w branżach, gdzie kluczowe znaczenie ma szybkie i niezawodne działanie systemów, a także tam, gdzie użycie energii elektrycznej lub hydraulicznej jest mniej efektywne, lub niebezpieczne. Jednym z narzędzi, które mogą Ci przybliżyć pneumatykę oraz jej zastosowanie jest program FluidSIM pozwalający na symulację schematów i systemów pneumatyki, hydrauliki i elektryki.

W tym artykule przedstawię Ci:

• Do czego służy pneumatyka?
• Czym jest FluidSIM?
• Funkcjonalności FluidSIM.
• Komponenty dostępne w FluidSIM.
• Przykład symulacji.

Pneumatyka to ciekawa i względnie łatwa dziedzina, która może urozmaicić wiele twoich projektów! Źródło zdjęcia.

 

Do czego służy pneumatyka?

Pneumatyka to dziedzina inżynierii, która zajmuje się wykorzystaniem sprężonego powietrza do wykonania pracy mechanicznej. Stosuje się ją w różnych branżach do napędzania, sterowania i automatyzacji procesów.

Na liniach produkcyjnych znajdziemy maszyny przemysłowe, którymi mogą być prasy pneumatyczne korzystające z powietrza do generowania siły przy docisku. Roboty przemysłowe korzystają z pneumatycznych przyssawek, którymi podnoszą i transportują elementy produkcyjne.

Technologia sprężonego powietrza znajduje zastosowanie w wielu branżach. Poniżej przedstawiam ciekawe i praktyczne zastosowanie pneumatyki:

1) Pneumatyczne mięśnie, które poruszają się kołami.

Miękka robotyka to dział robotyki, który zajmuje się tworzeniem robotów przy użyciu rozciągliwych materiałów. W tej dziedzinie bardzo użyteczna jest pneumatyka, dzięki której można poruszać kończynami robotów. Grupa badawcza Mazzeo stworzyła miękkiego robota mobilnego wykorzystującego powietrze do napędzania kół w robocie. Robot jest w całości elastyczny, co sprawia, że nie ma żadnych sztywnych części, dzięki czemu może bezpiecznie upadać z wysokości.

Mobilny robot pneumatyczny. Źródło zdjęcia.

2) Miękki robot wydrukowany w 3D.

Podobnym zastosowaniem robotyki miękkiej jest wykorzystanie jej przy stworzeniu czworonożnego robota kroczącego. Zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego zastosował pneumatykę w zginaniu kończyn robota, który potrafi poruszać się po nierównym terenie.

Pneumatyczny robot kroczący. Źródło zdjęcia.

3) Roboty przemysłowe z pneumatycznymi przyssawkami.

Pneumatykę chętnie stosuje się w robotyce przemysłowej. Roboty wyposażone w przyssawki pneumatyczne precyzyjnie podnoszą i przenoszą elementy, dzięki zastosowaniu sprężonego powietrza. Robot może efektywnie manipulować ładunkami o różnych kształtach.

Robot przemysłowy wyposażony w przyssawki pneumatyczne. Źródło zdjęcia.

4) Siłowniki pneumatyczne

Jednym z najpopularniejszych zastosowań pneumatyki jest zastosowanie sprężonego powietrza w siłownikach pneumatycznych. Poprzez doprowadzenie lub odprowadzenie powietrza do odpowiedniej komory w konstrukcji tego urządzenia, siłownik wykonuje liniowy ruch mechaniczny, co można wykorzystać do manipulacji obiektami lub generacją siły nacisku.

Siłowniki to bardzo ważne elementy wykorzystywane w rozwiązaniach pneumatycznych. Źródło zdjęcia.

Pneumatyka umożliwia konstrukcji takich jak elastyczne roboty kroczące czy mobilne. W przemyśle pozwala na precyzyjne manipulowanie obiektami za pomocą przyssawek pneumatycznych. Istotnym elementem pracy z takimi urządzeniami jest także symulacja tych systemów. Jednym z narzędzi, które służy do symulacji układów pneumatycznych jest FluidSIM.

 

Czym jest FluidSIM?

Jest to oprogramowanie od Festo, które służy do symulacji układów pneumatycznych, hydraulicznych i elektrycznych. Dzięki niemu możemy zaprojektować i zasymulować układ pneumatyczny ze sterowaniem elektrycznym.

Oprogramowanie jest bardzo proste i intuicyjne. Jednym z głównych atutów programu jest jego przejrzysty interfejs i metoda projektowania oparta na symbolach, które można łatwo łączyć, tworząc funkcjonalne układy. To sprawia, że FluidSIM jest idealnym narzędziem zarówno dla początkujących, którzy dopiero uczą się zasad działania systemów pneumatycznych i elektrycznych, jak i dla bardziej zaawansowanych użytkowników, chcących szybko prototypować swoje rozwiązania.

Program FluidSIM dysponuje szeregiem elementów, których zachowanie można symulować. Źródło logo Festo: FluidSIM Pneumatics V 4.0.

Ponadto elementy dostępne w oprogramowaniu posiadają zmienne parametry. Pozwala to na symulację rzeczywistych parametrów urządzeń.

 

Funkcjonalności FluidSIM

W artykule opisano funkcjonalności związane z wersją czwartą oprogramowania.

FluidSIM oferuje nie tylko możliwość rysowania schematów, ale także ich symulację, co pozwala na pełne testowanie zaprojektowanych układów.

Symulację można zatrzymywać i wykonywać krok po kroku. W parametrach symulacji dostępna jest zmiana kolorystyki niektórych elementów (kolor linii ze sprężonym powietrzem/bez, kolor wskazań elementów pod napięciem, kolor próżni). Oprócz tego można modyfikować szybkość symulacji i kompatybilność z Siemens LOGO!Soft.

Parametry symulacji.

Przykład prostej symulacji. Zgodnie z kolorystyką możemy założyć, że linie, które symbolizują przewody pneumatyczne, są pod ciśnieniem. Po załączeniu zaworu rozdzielającego powietrze znalazło się w komorze siłownika, skutkując wysunięciem tłoczyska.

Podczas symulacji istnieje możliwość zapisywania stanów urządzeń w poszczególnych chwilach. Umożliwia to State Diagram.

Wygenerowany podczas symulacji diagram funkcyjny.

Diagramy funkcyjne można rysować ręcznie za pomocą Functional diagram.

Przykład narysowanego diagramu funkcyjnego.

Możliwa jest konfiguracja i zmiana parametrów elementów i urządzeń. Oprócz tego w oknie konfiguracyjnym dostosujemy zewnętrzne obciążenia oraz profile siły.

Konfiguracja siłownika. W prawym dolnym rogu okna jest widoczny podgląd elementu po zmianie.

Parametry siłownika. Znajdziemy tutaj między innymi średnicę tłoka, kąt montażu lub pozycję początkową tłoka. Ustawienie parametrów jest ważne pod kątem testu układu, gdy chcemy zaimplementować rozwiązanie z określonymi urządzeniami.

To oczywiście nie są wszystkie dostępne funkcjonalności programu. Oprogramowanie oferuje również materiały edukacyjne na temat pneumatyki oraz wiele więcej, w tym bogatą bibliotekę komponentów.

 

Komponenty FluidSIM

FluidSIM oferuje bogaty zestaw urządzeń i komponentów, które umożliwiają tworzenie oraz testowanie zaawansowanych układów. Poniżej znajdziesz listę elementów, które mogą okazać się przydatne podczas projektowania.

1. Źródła oraz elementy związane z doprowadzaniem powietrza.

Źródła oraz elementy zasilające w FluidSIM zapewniają dostęp do sprężonego powietrza oraz jego odpowiednie przygotowanie. Dzięki temu możliwe jest tworzenie kompletnych układów, które można następnie odwzorować w rzeczywistych warunkach.

Źródło sprężonego powietrza.

 

Zespół przygotowania powietrza.

 

Zespół przygotowania powietrza.

Filtr.

Chłodnica.

Dostępne elementy źródła zasilania pneumatycznego i elementy pokrewne.

2. Urządzenia wykonawcze

Pneumatyczne urządzenia wykonawcze to elementy układów pneumatycznych, które przekształcają energię sprężonego powietrza na ruch mechaniczny. Odpowiadają za realizację określonych czynności, takich jak przesuwanie, podnoszenie, dociskanie czy obracanie elementów.

Siłownik pneumatyczny jednostronnego działania ze sprężyną.

Siłownik pneumatyczny dwustronnego działania.

Silnik pneumatyczny o dwóch kierunkach przepływu.

Dostępne elementy wykonawcze.

Należy pamiętać, że można zmieniać parametry urządzeń i elementów. Na przykład siłownik jednostronnego działania ze sprężyną można przekształcić na dwustronnego działania bez sprężyny i na odwrót.

3. Zawory

Istnieje wiele zaworów pneumatycznych, które mają zastosowanie w pneumatyce. Jedne z najpopularniejszych to rozdzielające, dławiąco zwrotne i logiczne. FluidSIM je implementuje i umożliwia za ich pomocą sterowanie pośrednie układami.

Zawór rozdzielający 3/2.

Zawór dławiąco zwrotny.

Zawór podwójnego sygnału (logiczne AND).

Część dostępnych zaworów. Dostępnych jest o wiele więcej.

Podobnie jak elementy wykonawcze zawory są w pełni konfigurowalne.

Konfiguracja zaworu rozdzielającego.

4. Układy elektryczne

FluidSIM oferuje symulację elektrycznych układów sterowania. Biblioteka symboli zawarta w programie zawiera bogatą kolekcję elementów, takich jak: przyciski, sensory, przekaźniki, styki, a nawet sterownik PLC oraz regulator PID.

Zasilanie elektryczne.

Generator funkcyjny.

Przycisk.

Cewka elektryczna.

Moduł logiczny (coś w rodzaju PLC).

Regulator PID.

Jak widzisz, istnieje wiele elementów i modułów, z których możesz skorzystać. Każdy z nich pełni określoną rolę i może zostać użyty do budowy złożonych symulacji. Kluczem jest ich odpowiednie połączenie i wykorzystanie, aby stworzyć coś funkcjonalnego i interesującego.

Zastanówmy się, jak połączyć te moduły w spójną całość i stwórzmy symulację pewnego układu.

 

Przykład symulacji

Stwórzmy uproszczoną symulację obrabiarki detali. Urządzenia ma działać z następującym algorytmem:

1. Urządzenie po włączeniu nie wykonuje żadnych ruchów.
2. Po wciśnięciu przycisku START rozpoczyna się proces obrabiania.
3. Jeżeli w którymkolwiek momencie działania algorytmu zostanie wciśnięty przycisk STOP, to wszystkie urządzenia się wyłączają.
4. Siłownik dociska detal do stołu.
5. Po dociśnięciu detalu włącza się silnik elektryczny i zaczyna obrabiać detal.
6. 3 sekundy po załączeniu silnika rozpoczyna się proces wyłączania. W tym momencie wyłącza się silnik.
7. Po 2 sekundach od wyłączenia silnika siłownik wraca na swoją początkową pozycję.

Jeżeli masz dostęp do FluidSIM, to spróbuj wykonać taki układ i przeprowadzić kilka symulacji.

Jedno z rozwiązań problemu.

Powyżej znajduje się jedno z możliwych rozwiązań tego zadania.

Po wciśnięciu przycisku START załączy się stycznik K1 podtrzymujący cały proces oraz cewkę K2, która załącza siłownik pneumatyczny.

Siłownik ma dwie pozycje. Pozycja ‘A’ to pozycja początkowa, a ‘B’ to pozycja końcowa. Dojazd tłoczyska do pozycji ‘B’ powoduje załączenie się styku ‘B’, który jest stykiem wyłącznika drogowego, co powoduje dołączenie zasilania na silnik. Silnik zaczyna się obracać i obrabiać materiał.

W tym momencie załącza się czasówka K3, która po 3 sekundach rozwiera styk NC K3. W rezultacie silnik się zatrzyma.

W tym samym czasie zwiera się styk NO K3, który załącza przekaźnik czasowy K4. Ten odlicza 2 sekundy i po tym czasie tłok wraca do swojej pierwotnej pozycji przez rozwarcie styku NC K4 w układzie po lewej stronie. Jeżeli wciśniemy przycisk STOP podczas działania układu, to cały proces zakończy się przed jego ukończeniem.

 

Przykład działania rozwiązania.

 

Podsumowanie

Pneumatyka jest kluczową dziedziną inżynierii, mającą szerokie zastosowanie w automatyce przemysłowej, robotyce oraz wielu innych branżach. Współczesne narzędzia, takie jak FluidSIM, umożliwiają modelowanie i testowanie układów pneumatycznych, hydraulicznych i elektrycznych bez potrzeby fizycznej budowy prototypów. Dzięki temu można nie tylko sprawdzać poprawność działania projektów, ale także optymalizować je pod kątem wydajności i oszczędności energii. Warto pamiętać, że nauka symulacji i projektowania w FluidSIM to nie tylko sposób na lepsze zrozumienie pneumatyki, ale także doskonała okazja do rozwijania umiejętności inżynierskich.

Edytowano 31 marca przez Marcel_S
final_tytul