Podręcznik

Materiał do tej pory zaprezentowany Czytelnikowi wyraźnie pokazał, że w rozumieniu mechatroniki aktorem pneumatycznym, który z definicji wytwarza siłę lub moment, odpowiedzialne za ruch złożonego mechanizmu nie może być wyłącznie pojedynczy siłownik pneumatyczny. Zatem aktorem pneumatycznym w rozumieniu mechatroniki jest zespół złożony z odpowiedniego siłownika jako przetwornika energii sprężonego medium oraz złożony z odpowiedniego zaworu rozdzielającego, jako nastawnika energii sprężonego medium. Schemat aktora pneumatycznego według tak przyjętych założeń wygląda jak na rysunku 48.

Sygnał nastawczy generowany jest w celu uruchomienia aktora pneumatycznego. W „starym” wydaniu jego rozwiązania, czyli wtedy, gdy czynnik ludzki odgrywał rolę w sterowaniu procesami, sygnałem nastawczym było np. pobudzenie ręką przycisku lub dźwigni, które połączone były z trzpieniem otwierającym lub zamykającym przepływ sprężonego medium, które dalej było wykorzystywane. W dzisiejszym rozumieniu budowy aktorów sygnałem nastawczym jest sygnał elektryczny dla cewki elektrozaworu lub sygnał pneumatyczny, który pochodzi, a jakże, z wyzwolonego ręcznie przycisku sterującego trzpieniem zaworu rozdzielającego, umieszczonego na przykład na pulpicie sterującym. Zaznaczmy, że sygnał nastawczy może być monostabilny (czyli 0$\rightarrow$1$\rightarrow$0 lub 1$\rightarrow$0$\rightarrow$1) lub astabilny (czyli 0$\rightarrow$1 lub 1$\rightarrow$0).
Zadaniem nastawnika energii medium jest przekazanie dalej doprowadzonej doń energii sprężonego medium celem wyzwolenia przetwornika energii. W starym wydaniu jego rozwiązania nastawnikiem był np. odlew aluminiowy z rozmieszczonymi weń kanałami oraz umieszczonym tam odpowiednim trzpieniu, który zmieniając swoje położenie otwierał lub zamykał przepływ przez ten odlew sprężonego medium. Często takie rozwiązanie jest dalej wykorzystywane wespół z przyciskami sterującymi pobudzanymi dłonią. W nowym wydaniu nastawnikiem jest elektrozawór, którego od poprzednika różni to, iż trzpień tego elektrozaworu poruszany jest nie dłonią, ale na skutek oddziaływania np. pola magnetycznego. W tym rozwiązaniu nastawnika często do jego prawidłowego działania wykorzystywana jest energia pomocnicza, którą najczęściej jest to samo sprężone medium, które przeznaczone jest do doprowadzenia do przetwornika energii. Takie rozwiązanie nazywamy nastawnikiem pośredniego działania w odniesieniu do nastawnika bezpośredniego działania, który nie wymaga energii pomocniczej. Należy przypomnieć, że zdarza się, iż nawet w dobie dużego rozwoju urządzeń mechatronicznych w dalszym ciągu stosowane są nastawniki sterowane ręką ludzką. Może to wynikać po części z przyzwyczajenia się do tego typu operacji jak również z niezawodności całego urządzenia lub systemu, gdzie taki nastawnik w dalszym ciągu znajdzie swoje miejsce. Rysunek 49 ilustruje dla przypomnienia konstrukcję nastawnika w „starym” oraz nowym wykonaniu.    

Na rysunku 49a) widać, że kierunek dźwigni z lewej do prawej strony (zgodnie z ruchem wskazówek zegara) zwiększa przepływ sprężonego medium przez nastawnik (uwidoczniona na rysunku „narastająca” wielkość białych pól na tarczy nastawnika). Rysunek 49b) pokazuje z kolei nastawnik sterowany elektromagnetycznie poprzez wykorzystanie cewki sterującej. Widoczne niebieskie pokrętło pozwala na ręczne sterowanie medium.
Przetwornikiem energii medium są z kolei wszelkiego rodzaju siłowniki pneumatyczne, których jeden rodzaj, czyli sztuczny muskuł już został Czytelnikowi pokazany. Do przetworników energii medium zaliczymy więc m.in. siłowniki jednostronnego i dwustronnego działania, dalej siłowniki membranowe, które wykorzystywane są do sterowania nastawnikami, jak również do przetworników energii zaliczymy również i silniki pneumatyczne. Rysunek 50 ilustruje przetwornik energii sprężonego powietrza firmy Conflow Spa [Źródło: automatyka.pl].    

Rysunek 50: Przetwornik energii sprężonego powietrza membranowy

Widoczny na rysunku 50 przetwornik energii sprężonego powietrza membranowy umożliwia wykorzystanie do dalszego mechanicznego sterowania widoczny na rysunku ruchomy trzpień. Trzpień ten porusza się dół-góra zgodnie z ruchem membrany, która poddaje się działaniu sprężonego medium. Trzpień ten może poruszać inny nastawnik dla kolejnego przetwornika energii celem uzyskania sterowanie dużym przetwornikiem energii, którego wyzwolenie w inny sposób nie byłoby możliwe. Taki rodzaj sterowania wielostopniowego może być przydatny w realizacji procesów w przemyśle petrochemicznym. 
Dotychczasowa wiedza, że sygnały nastawcze dla nastawników nie mają nic wspólnego ze sprężonym medium, a co najwyżej to medium może tylko wspomagać pracę nastawników ma ugruntowane podstawy w praktycznej realizacji aktorów pneumatycznych. Przypomnijmy, że w nastawniku z rysunku 49a) sygnałem nastawczym jest ręka, zaś z rysunku 49b) sygnałem nastawczym jest sygnał elektryczny (lub/i ręka). Oba nastawniki mogą być pierwszymi członami aktora pneumatycznego (według rysunku 48).
Dotychczasowa (również) ugruntowana wiedza mówi, że zadaniem nastawników jest dostarczanie energii sprężonego medium do ogólnie siłowników pneumatycznych, które wykonują pracę w postaci dostarczania dla układu mechanicznego siły lub momentu, czyli wszystkiego tego, czego wymaga się od aktora. Nie trzeba przy tym dodawać, jakie urządzenia pneumatyczne większość inżynierów zaliczy do siłowników pneumatycznych. 
Należy zaznaczyć, że rozwój urządzeń i układów mechatronicznych musiał sprostać potrzebom współczesnego przemysłu, do którego branż może zaliczyć procesy produkcji czy urządzenia mechatroniczne w pojazdach mobilnych. W niektórych przypadkach dotychczas istniejące poglądy i wiedza na temat opracowania i używania aktorów pneumatycznych musiały zostać zmienione lub rozszerzone. Aby to udowodnić wystarczy zadać Czytelnikowi podchwytliwe pytanie: czy zbiornik ciśnieniowy może być elementem aktora pneumatycznego, który wytwarza siłę użyteczną, np. rodzajem siłownika jednostronnego działania - pchający?
 Na pierwszy rzut oka to pytanie może wydawać niedorzeczne dla inżyniera a odpowiedź będzie brzmiała: nie. Jednak, gdy dodamy, że zbiornik ten może być elastyczny, np. wykonany z odpowiednio wytrzymałej gumy, która może się rozciągać oraz, że ta guma może być tak zamocowana między dwoma naprzeciwległymi płaszczyznami, że jedna z nich powinna być od drugiej odsuwana, to już odpowiedź powinna być inna: tak. Otrzymaliśmy w ten sposób rodzaj siłownika pneumatycznego jednostronnego działania, zbliżonego ideą do sztucznego muskułu, ale nie ciągnący tylko pchający, określany nazwą: miech pneumatyczny. Siłownik taki ilustruje rysunek 51.

Zarówno w przypadku sztucznego modułu tak i w przypadku miecha pneumatycznego oba te siłowniki nie mogą przenosić obciążeń poprzecznych. „Kinematycznie” powinny być zabudowane w układzie, dla którego dostarczają siłę odpowiednio ciągnącą i pchającą, aby opór działający na te siłowniki występował tylko osiowo. Przykład wariantu zabudowy kinematycznej sztucznych modułów w porównaniu z miechami pneumatycznymi ilustruje rysunek 52.
Analizując rysunek 52 zauważamy, że w celu uzyskania użytecznej siły F - pchającej, która ma być uzyskana poprzez działanie w każdym przypadku siłowników jednostronnego działania wykorzystano układy kinematyczne z tzw. jarzmem. W jarzmie tym przesuwa się trzpień w kierunku dolnym, dając w efekcie siłę pchającą F.  
Siła F pomimo tego, że posiadająca w obu przypadkach taki sam kierunek działania została uzyskana z dwóch rodzajów siłowników jednostronnego działania: rysunek 52a) ciągnący, zaś rysunek 52b) pchający.

Rysunek 52: Zabudowa siłowników pneumatycznych jednostronnego działania: a) sztuczny muskuł; b) miech pneumatyczny

Element kinematyczny, który na to „pozwolił” to sprężysty płaskownik ze wstępnym łukowym wygięciem, który na obu swoich końcach został umocowany przegubowo, przy czym podstawa górnego mocowania przegubu jest na przytwierdzona na stałe. W wyniku prostowania płaskownika, co odbywa się przy użyciu siłowników następuje i jego wydłużanie. Ponieważ dolny koniec tego elementu sprężystego zamocowany jest przegubowo do ruchomego trzpienia, to prostowanie płaskownika wprawia w ruch trzpień z dostępną do wykorzystania siłą F jako pchającą.   
Należy podkreślić, że w naszych rozważaniach nie interesuje nas ani wartość siły F ani jej odcinek działania. Wartym zauważenia jest przede wszystkim fakt, iż oba siłowniki pneumatyczne są zamocowane tak, aby siła użyteczna, płynąca z ich konstrukcji działała tylko w osi tychże oraz pozostałość konstrukcji kinematycznej nie oddziaływała na siłowniki w innym kierunku jak tylko osiowo.