Podręcznik

1. Idea wykorzystania aktorów pneumatycznych zamiast pracy rąk ludzkich

Z definicji aktora, podanej w punkcie 1.1 jasno wynika, że jest to urządzenie nastawcze, które we współczesnym rozumieniu automatyzacji zastąpiło człowieka, jako dotychczasowego źródła sił i momentów, niezbędnych do przestawiania różnych mechanizmów. Być może nazwanie muskułem pneumatycznym wynalezionego w latach 50-tych XX. wieku rodzaju siłownika pneumatycznego jednostronnego działania było rodzajem hołdu dla pracy człowieka, która przyczyniła się do rozwoju otaczającej nas rzeczywistości. (Czy na lepsze? Każdy sam osądzi).

Analizując pracę muskułu pneumatycznego dochodzimy do wniosku, że nazwa ta wcale nie jest tylko hołdem, bowiem rozkład siły generowanej przez ten siłownik jest bardzo podobny do rozkładu siły, która generowana jest w biologicznym mięśniu człowieka. To z kolei pozwala łatwiej odwzorować przy pomocy muskułu pneumatycznego działanie „biologicznych” mięśni w protezach rożnych kończyn czy robotach humanoidalnych, czyli mających cechy ludzkie. Rysunek 39 ilustruje przykład tego aktora pneumatycznego. [Źródło: Robotics&Multibody Mechanics Research Group, Vrije Universiteit Brussel, Belgium]. (Szerzej o muskułach przemysłowych będzie mowa w dalszej części modułu 2-go).

 

 

Rysunek 39: Muskuł pneumatyczny i jego praca pod ciśnieniem: p₁<p₂<p₃

Już pobieżna analiza działania muskułu pneumatycznego z rysunku 39 nie pozostawia wątpliwości: aktor ten „puchnie” na skutek doprowadzonego doń sprężonego powietrza i skraca swoją długość mierzoną między jego dwoma widocznymi zaciskami. W przypadku zamocowania jednego zacisku muskułu na stałe, zaś drugiego zacisku do ruchomego elementu, który ma być ciągnięty, puchnięcie muskułu spowoduje wykonanie pracy. Ilustruje to rysunek 40.

Rysunek 40: Wykonanie „pracy” przez muskuł pneumatyczny

Do muskułu pneumatycznego z rysunku 40a) nie dostarczono sprężonego medium lub dostarczono, ale o takiej wartości (ciśnienie p₁), że siłownik ten nie wykonuje pracy. Widać to po ciężarze spoczywającym na podstawie. W momencie dostarczenia do tego sztucznego muskułu (taka nazwa też funkcjonuje) ciśnienia p₃ (które jest znacznie wyższe od ciśnienia p₁), następuje właściwa praca muskułu – podnosi on ten ciężar na skutek swoich właściwości, czyli powiększenie przekroju poprzecznego kosztem zmniejszenia swojej długości (z l_max do l_min).   
Należy nadmienić, że już ten prosty przykład wykorzystania siłownika pneumatycznego jednostronnego działania (ciągnący) jako aktora pokazuje, że urządzenia te we współcześnie realizowanych procesach produkcyjnych czy sterowaniu urządzeniami mechatronicznymi w pojazdach mobilnych muszą być montowane wespół z różnymi innymi elementami kontrolno-sterującymi, „towarzyszami” ich pracy. Przyjęcie założenia, że praca muskułu z rysunku 40 ma polegać na maksymalnym wyproście (ciśnienie p₁, długość l_max) lub maksymalnym ugięciu (ciśnienie p₃, długość l_min) może eliminować elementy towarzyszące, ale już unoszenie ciężaru za każdym razem na żądane różne wysokości między tymi dwoma skrajnymi długościami (na rysunku 40 znak „???”) już narzuci wykorzystanie elementów towarzyszących pracy muskułu pneumatycznego, ponieważ istotne z punktu widzenia charakterystyki tego siłownika mają charakter nieliniowy. Rysunek 41 ilustruje jedną z nich. [Źródło: ibidem]. 

Rysunek 41: Charakterystyka generowanej siły F nieobciążonego muskułu o początkowej długości l_max 

Rysunek 41 pokazuje, że charakterystyki nieobciążonego ciężarem muskułu pneumatycznego przy dowolnej wartości ciśnienia mają charakter nieliniowy. Obciążenie siłownika dopuszczalnym lub znamionowym ciężarem zgodnie z rysunkiem 40 nie poprawi charakterystyk. Co najwyżej będą one bardziej „wybrzuszone” w kierunku osi x. Zatem, aby uzyskać żądaną wysokość uniesienia ciężaru (żądane skrócenie muskułu) elementem towarzyszącym musi być odpowiedni czujnik, np. o sygnale analogowym, wbudowany w podstawę pod ciężarem. (Czytelnik zapewne domyślił się, że urządzeniami na pewno towarzyszącymi muskułowi są zawory sterujące dopływem sprężonego medium do jego wnętrza). Koncepcję z czujnikiem ilustruje rysunek 42.

Rysunek 42: Pomiar wysokości czujnikiem analogowym