Podręcznik

1. Pojęcie sygnału pneumatycznego i jego nośnika

 Dwie powyższe definicje wprowadzają już Czytelnika w zagadnienie wykorzystania pneumatyki w sterowaniu aktorami pneumatycznymi, które do realizacji swoich funkcji wymagają nośnika sygnału pneumatycznego jako:
•    głównego źródła energii w przypadku, gdy wyzwalanie aktora następuje za pośrednictwem innego nośnika sygnału, np. prądu elektrycznego a do uzyskania siły użytecznej aktora niezbędne jest sprężone powietrze czy innych gaz techniczny;
•    głównego i pomocniczego źródła energii w przypadku, gdy do uzyskania siły użytecznej aktora niezbędne jest sprężone powietrze czy innych gaz techniczny, a wyzwalanie aktora następuje za pośrednictwem nośnika sygnału pneumatycznego.

 Następujące poniższe cechy pneumatyki spowodowały jej bardzo szerokie wykorzystanie:
•    możliwość użycia sprężonego powietrza w dowolnym miejscu ze względu na dostępność powietrza oraz mobilność urządzeń pozwalających na jego sprężanie;
•    łatwość transportu sprężonego powietrza w obrębie hali produkcyjnej czy na pokładzie podwozi zrobotyzowanych pojazdów mobilnych;
•    łatwość magazynowania sprężonego powietrza w zbiornikach ciśnieniowych o dużej pojemności w stacjach przygotowania powietrza lub w mniejszych zbiornikach ciśnieniowych podwozi zrobotyzowanych;
•    duża odporność sprężonego powietrza na wahania temperatury otoczenia;
•    możliwość użycia sprężonego powietrza do uruchamiania aktorów zainstalowanych w miejscach lub pojazdach mobilnych, które muszą poruszać się w środowisku zagrożonym wybuchem lub pożarem jak również w procesach produkcji, które muszą spełniać wysokie wymagania odnośnie czystości produkcji;
•    aktory pneumatyczne charakteryzują się dużą odpornością na przeciążenie łącznie z przeciążeniem doprowadzającym do zatrzymania działania aktora oraz charakteryzują się dużymi momentami rozruchowymi;
•    aktory pneumatyczne posiadają małą masę przypadającą na jednostkę mocy oraz są odporne na uszkodzenia i łatwe w naprawie.
Następujące poniższe wady pneumatyki należy uwzględniać przy zamiarze jej wykorzystania:
•    ściśliwość sprężonego powietrza oraz niskie jego ciśnienie (np. w porównaniu do hydrauliki);
•    duży hałas emitowany przez urządzenia sprężające wymaga odseparowania ich w specjalnych do tego celu wydzielanych pomieszczeniach;
•    straty spowodowane ewentualnymi nieszczelnościami instalacji pneumatycznych zwiększają koszt wytworzenia sprężonego powietrza;
•    występuje zazwyczaj konieczność olejenia sprężonego powietrza, co wpływa na zanieczyszczenie atmosfery na skutek wypływu medium z aktora. 
Dla formalności należy podać, że pomimo, iż możliwe jest sprężenie powietrza lub innego gazu technicznego do wysokiej lub bardzo wysokiej wartości, to już jej użyteczna wartość w aktoryce powinna cechować się ustalonymi zasadami. Po pierwsze, z punktu widzenia dokładności działania aktorów pneumatycznych celowe jest stosowanie czynnika roboczego o możliwie małej wartości ciśnienia osiągając przy tym zmniejszanie strat eksploatacyjnych na skutek ewentualnych nieszczelności przewodów ciśnieniowych oraz na skutek stosowania mniej wydajnych, czyli mniej kosztownych układów przygotowania sprężonego medium. Po drugie, z punktu widzenia maksymalizacji użytecznego sygnału, w szczególności, gdy żąda się od aktora dużych sił lub momentów obrotowych, doprowadzone do aktora ciśnienie sprężonego medium powinno być z kolei możliwie wysokie, aby zmniejszyć przede wszystkim gabaryty aktora, które byłyby większe, gdyby tenże był zasilany małą wartością ciśnienia medium. 
Jak widać z powyższego wybór wartości ciśnienia, przy jakim powinien pracować aktor pneumatyczny lub na jakie ciśnienie powinien być zaprojektowany jest pewnym kompromisem między wymogami uzyskania dokładności działania aktora a uzyskaniem odpowiedniej siły użytecznej, która zostanie wytworzona w tym aktorze. Ten kompromis musi wypracować przede wszystkim projektant lub producent konkretnego aktora pneumatycznego. Do użytkownika zaś systemu, w którym zostanie wykorzystany konkretny aktor pneumatyczny należy zapewnienie zgodnie z parametrami technicznymi aktora odpowiedniej wartości ciśnienia medium do prawidłowego jego działania.         
Rozważmy na początek na przykładzie aktora pneumatycznego dwa przypadki doboru przez użytkownika wartości ciśnienia medium roboczego: pierwszy przypadek, w którym użytkownik prawidłowo dobrał ciśnienie sprężonego powietrza oraz drugi przypadek, w którym użytkownik dobrał wartość ciśnienia  nieprawidłowo. Te dwa przypadki ilustruje rysunek 3. 

Rysunek 3: Siłownik membranowy w aspekcie doboru sprężonego medium: a) prawidłowo, b)nieprawidłowo

Rysunek 3a) ilustruje dobór prawidłowy zakresu ciśnień medium roboczego dla pracy siłownika membranowego. Sprężone powietrze pod ciśnieniem P1 wypełnia przestrzeń ciśnieniową nad membraną, co powoduje jej ugięcie w kierunku działania medium, czyli ku dołowi oraz pionowy ruch trzpienia roboczego, zakończonego „korkiem”, który zamyka zgodnie z przeznaczeniem gniazdo. Opisane czynności, tzn. zamykanie oraz otwieranie gniazda mogą się wielokrotnie powtarzać na skutek zastosowania sprężyny. Zanik ciśnienia P1 po wcześniejszym zamknięciu gniazda powoduje natychmiastowe odciągnięcie korka. 
W zależności od sposobu wykorzystania siłownika membranowego z rysunku 3a) może on zamykać/otwierać gniazdo dwustanowo, tzn. gniazdo zamknięte przy istnieniu ciśnienia P1 oraz gniazdo otwarte przy zaniku ciśnienia P1, lub może ten siłownika zamykać/otwierać gniazdo analogowo w zależności od zakresu ciśnienia medium nad membraną, przy czym można przyjąć, że wartość ciśnienia określona poziomem P1 jest wartością maksymalną. Przy takim sterowaniu analogowym osiągnie się już stopień otwarcia gniazda za pomocą trzpienia roboczego.
Rysunek 3b) ilustruje dobór nieprawidłowy zakresu ciśnień medium roboczego dla pracy siłownika membranowego. Sprężone powietrze pod ciśnieniem, tak jak na rysunku 3a) również wypełnia przestrzeń ciśnieniową nad membraną, jednak pod ciśnieniem P2, które jest znacznie większe niż ciśnienie P1. Powoduje to owszem ugięcie membrany oraz pionowy ruch trzpienia roboczego, ale ruch o zakresie nie przewidzianym do tego wykorzystania siłownika. Końcówka trzpienia zakończonego „korkiem” zamyka gniazdo, jednak ulega trwałemu wykrzywieniu. Przy takiej awarii siłownik membranowy powinien zostać wymieniony na nowy, gdyż nie nadaje się już do ponownego wykorzystania zgodnie z pierwotnym przeznaczeniem.