Wie wählt man ein Pneumatik-Magnetventil für einen einfachwirkenden Pneumatikzylinder aus?

Ein einfachwirkender Pneumatikzylinder ist ein Linearantrieb und realisiert einen Arbeitshub durch Befüllen des Zylinders mit Druckluft. Der Rückhub wird in der Regel durch eine Feder ausgeführt. Der Zylinder hat eine Anschlussöffnung, die entweder zum Füllen oder zum Entlüften des Zylinders dient. Zur Steuerung des Zylinders wird ein 3/2-Wege-Ventil verwendet. 3/2-Wege bedeutet drei Anschlüsse und zwei Positionen: ein Anschluss ist mit der Druckluftquelle verbunden, ein Anschluss wird als Auslass benötigt und der dritte Anschluss ist mit dem Zylinder verbunden. Das Ventil hat zwei Stellungen: Füllen oder Entlüften der Flasche. Die erforderliche Ventilgröße kann berechnet werden, wenn die Eigenschaften des Zylinders und der Anwendung bekannt sind.

Grundprinzip des einfachwirkenden Zylinders

Ein Pneumatikzylinder ist ein Linearantrieb, der mit Druckluft arbeitet. Die Hauptbestandteile des Zylinders sind der Kolben, die Kolbenstange, das Zylinderrohr, Dichtungen und Verschlüsse. Einfachwirkende Zylinder haben ebenfalls eine Feder im Inneren des Zylinders. Ein einfach wirkender Zylinder arbeitet mit Druckluft, um den Kolben in eine Richtung zu bewegen, und Federkraft, um in die Grundstellung zurückzukehren. Die Arbeit kann in der Luftrichtung ausgeführt werden. Der Zylinder hat einen Anschluss, der sowohl für die Zufuhr als auch für die Entlüftung von Druckluft verwendet wird.

Es gibt zwei Arten von einfachwirkenden Zylindern: federrückstellende und federausfahrende. Der häufigste Typ ist der Federrücklaufzylinder. Beim Federrücklaufzylinder befindet sich die Feder zwischen dem vorderen Ende des Zylinders und dem Kolben (um die Kolbenstange). Bei dieser Konstruktion fährt die Kolbenstange aus, wenn dem Zylinder Druckluft zugeführt wird. Sobald die Luftzufuhr unterbrochen wird, zieht sich die Kolbenstange durch Federkraft zurück. Der federausgezogene Zylinder funktioniert andersherum. Der Kolben zieht sich zurück, wenn Druckluft zugeführt wird. Wenn die Luftzufuhr abgeschaltet wird, drückt die Feder den Stab heraus. Bei den federbelasteten Zylindern befindet sich die Feder zwischen dem Kolben und dem hinteren Ende des Zylinders.

Die Verwendung von einfachwirkenden Zylindern hat gegenüber doppeltwirkenden Zylindern einige Vorteile: weniger Schläuche, weniger Druckluftverbrauch und weniger Verdrahtung für das System sind erforderlich. Einfachwirkende Zylinder haben auch Nachteile: Die Feder benötigt Platz und begrenzt den Arbeitshub des Zylinders. Außerdem reduziert die Federkraft die pneumatische Kraft und begrenzt die resultierende Kraft des Zylinders.

Die einfachwirkenden Zylinder können durch die folgenden Schlüsselparameter spezifiziert werden:

• Länge des Hubs
• Bohrungsgröße
• Durchmesser der Stange
• Federkraft
• Systemdruck

Der Hub ist der Abstand zwischen der Endposition und der Grundposition (Länge der Bewegung). Die Bohrungsgröße ist der Durchmesser des Kolbens. Um den richtigen Zylinder auszuwählen, beachten Sie bitte die Bemessungsmethode des Zylinderherstellers. Der einfachwirkende Zylinder wird in der Regel durch ein Dreiwegeventil, z. B. ein pneumatisches Magnetventil, gesteuert. Ein Anschluss ist mit der Druckluftquelle verbunden, der zweite Anschluss dient der Luftzufuhr/Entlüftung des Zylinders und der dritte Anschluss ist ein Abluftanschluss.

Grundprinzip der pneumatischen Magnetventile

Funktionsprinzip

Pneumatische Magnetventile werden zur Steuerung der Durchflussrichtung von Druckluft verwendet. Ein bewegliches Teil im Inneren des Ventils sperrt oder öffnet die Anschlüsse des Ventils. Der bewegliche Teil wird als Schieber oder Kolben bezeichnet. Die Bewegung des Steuerkolbens kann auf zwei Arten gesteuert werden: im direkten oder im indirekten Betrieb.

Beim Direktbetrieb wird der Steuerkolben direkt durch den Magneten betätigt. Direktgesteuerte Ventile sind unabhängig vom Systemdruck und können daher für niedrige Drücke oder Vakuum verwendet werden.

Bei der indirekten Betätigung wird der Steuerkolben nicht direkt durch den Magneten betätigt. Das Ventil nutzt den Systemdruck, um den Schieber zu bewegen. Dazu wird ein zusätzliches Pilotventil eingesetzt. Das Pilotventil ist ein kleines, direkt betätigtes 3/2-Wege-Ventil. Das Vorsteuerventil versorgt einen kleinen Druckluftzylinder im Inneren des Ventils mit Druckluft. Die Druckluft in diesem Zylinder übt eine Kraft auf den Kolben aus und betätigt den Schieber, um das Ventil zu schalten. Auf diese Weise kann ein relativ kleiner Magnet zum Schalten des Ventils verwendet werden. Diese Ventile werden als intern vorgesteuert bezeichnet und benötigen zum Schalten einen Eingangsdruck. Daher können diese Ventile nicht für Vakuumanwendungen verwendet werden, es sei denn, das Vorsteuerventil wird mit einer externen Druckluftquelle betrieben (extern vorgesteuert).

Pneumatische Magnetventiltypen

Es sind verschiedene Arten von pneumatischen Magnetventilen erhältlich. Die Ventilfunktion ist immer abhängig von der Anwendung. Die häufigsten Ventilfunktionen in pneumatischen Systemen sind:

• 5/2 mono-stabil
• 5/2 bi-stabil
• 5/3 geschlossenes Zentrum
• 5/3 Abgaszentrum
• 5/3 Druckzentrum
• 3/2 bi-stabil
• 3/2 normal offen (NO)
• 3/2 normal geschlossen (NC)
• 2/2 normal offen (NO)
• 2/2 Öffner (NC)

Das 3/2-Wege-Ventil kann normal offen (NO) oder normal geschlossen (NC) sein. Ein stromlos offenes Ventil lässt die Luft von Anschluss 1 nach Anschluss 2 strömen, wenn es nicht betätigt wird. Wird die Magnetspule erregt, schaltet das Ventil und die Luft wird von Anschluss 2 nach Anschluss 3 entlüftet. Ein stromlos geschlossenes Ventil funktioniert in umgekehrter Weise. Wenn die Magnetspule stromlos ist, wird die Luft von Anschluss 2 nach Anschluss 3 entlüftet. Sobald die Magnetspule erregt ist, schaltet das Ventil und Druckluft kann von Anschluss 1 nach 2 strömen. Normalerweise geschlossene Ventile sind am weitesten verbreitet. Es gibt auch NO/NC-Ventile, die in beide Richtungen verwendet werden können (NO/NC).

Die 3/2-Wege-Magnetventile können mono- oder bi-stabil sein. Monostabile Ventile sind oft federrückgestellt und funktionieren wie eine Türklingel: Sie bleiben geschaltet/betätigt, solange der Magnet unter Spannung steht. Die bi-stabile Version hat oft zwei Magnete und funktioniert wie ein Lichtschalter; sie wird mit einem Impuls des einen Magneten geschaltet und mit einem Impuls des anderen Magneten zurückgeschaltet.

Zur Steuerung eines einfachwirkenden Zylinders wird ein 3/2-Ventil verwendet. Das 3/2-Ventil hat drei Anschlüsse und zwei Stellungen. Die Anschlüsse sind IN (1 oder P), OUT (2 oder A) und EXHAUST (3 oder R). Das Ventil hat zwei Stellungen: eine zur Druckbeaufschlagung des Zylinders (Luft strömt von Anschluss 1 nach 2, Anschluss 3 ist geschlossen) und die andere zur Entlüftung des Zylinders in den Auspuff (Luft strömt von Anschluss 2 nach 3, Anschluss 1 ist geschlossen). Für den Anschluss an die IN- und OUT-Ports können verschiedene Anschlüsse verwendet werden. Zur Verringerung des Geräuschpegels kann ein Schalldämpfer in die Auslassöffnung eingebaut werden. Die Grundfläche des Ventils (Montagebohrungen) wird vom Hersteller oder von Normen wie der NAMUR- oder ISO-Norm vorgegeben. Die Ventile können auch auf einer Basis oder einem Verteiler montiert werden.

Ventilauslegung

Um die geeignete Ventilgröße zu bestimmen, müssen der Luftverbrauch des Pneumatiksystems und der erforderliche Luftdurchsatz berechnet werden. Für die Berechnung kann das Gesetz von Boyle-Charles (pV=nRT) verwendet werden. Im Falle eines einfachwirkenden Zylinders sind das Volumen des Zylinders, die Schlauchlänge, die Betriebshäufigkeit und der Systemverlust für die Berechnung relevant.

wo:

• A: Druckaufnahmefläche [mm2 ]
• a: Fläche des inneren Rohrquerschnitts [mm2 ]
• p: Versorgungsdruck [MPa] (1MPa = 10bar)
• N: Betriebsfrequenz [Zyklus/min]
• L:Zylinderhub [mm]
• l: Länge der Rohrleitung [mm]
• t: Gesamthubzeit [s]
• T: Temperatur [K] (K = °C + 273,15)

Die obigen Formeln gelten für A.N.R.-Bedingungen. Das Symbol A.N.R. ist eine französische Abkürzung für "conditions de l'atmosphère normale de rèfèrence", was soviel bedeutet wie "normale atmosphärische Referenzbedingungen" (20℃, 1013mbar, Luftfeuchtigkeit (relativ) 65%).

Beispiel

In diesem Beispiel enthält ein pneumatisches System einen einfachwirkenden Federrücklaufzylinder mit den folgenden Parametern:

• Systemdruck = 0,5 MPa (5 bar)
• Temperatur = 293K (20°C)
• Hub des Zylinders (L) = 50 mm
• Bohrungsgröße / Kolbendurchmesser = 40 mm

Um den Zylinder mit dem 3/2-Ventil zu verbinden, wird der folgende Schlauch verwendet:

• Länge der Rohrleitung (l) = 2 m
• Innendurchmesser des Rohrs (d) = 4 mm

Die erforderliche Betriebsfrequenz (N) beträgt 50 Zyklen/min.

Die Druckaufnahmefläche lässt sich aus der Bohrungsgröße berechnen:

Der innere Bereich des Rohres ist:

Nun kann der Luftverbrauch zum Zeitpunkt der Extrusion (Q) berechnet werden. In diesem Fall ist dies auch der Luftverbrauch für einen Zyklus:

Der Luftverbrauch/Minute beträgt:

Die Gesamthubzeit (t) beträgt 0,6 s.

Der erforderliche Luftstrom:

Nach der Berechnung des Luftverbrauchs und des erforderlichen Luftstroms kann das Ventil ausgewählt werden. Die Datenblätter der Ventile müssen überprüft werden, um die geeigneten Ventile zu finden. Alle Datenblätter enthalten Informationen über die Durchflussmenge der Ventile (siehe Abbildung unten). Die Durchflussmenge des gewählten Ventils muss höher sein als der erforderliche Luftdurchsatz des Systems. Bitte beachten Sie, dass alle pneumatischen Systeme einen gewissen Luft- und Druckverlust aufweisen!

In diesem Beispiel muss der Luftdurchsatz des Ventils über 50 ^dm3/min liegen, während der Systemdruck 0,5 MPa beträgt. Die Durchflussmenge in ^dm3/min ist gleich l/min. Der MPa-Wert kann auch in bar geändert werden, so dass 0,5 MPa einem Druck von 5 bar entspricht. Mit Hilfe des Durchflussdiagramms kann festgestellt werden, dass das kleinste Ventil (Typ PS-32AS-AM5) für dieses System ausreichend groß ist. Bei 5 bar ist das Ventil in der Lage, etwa 300 l/min Druckluft zu liefern.

Das ausgewählte Ventil ist in der Lage, den einfachwirkenden Zylinder zu betätigen, aber die Betriebsfrequenz des Zylinders (Kolbengeschwindigkeit) kann höher sein als erforderlich, da die Durchflussmenge des Ventils nicht mit der berechneten erforderlichen Durchflussmenge übereinstimmt. Die Geschwindigkeit des Kolbens kann über ein Drosselventil eingestellt werden, das an der Auslassöffnung des Magnetventils angebracht ist. Das Material des Ventils, die Umgebung (Staub, Wasser oder andere chemische Tröpfchen, Temperatur des Mediums, Umgebungstemperatur), die IP-Stufe, der minimale und maximale Druck und die Spannung sind weitere wichtige Faktoren für die Auswahl. Die richtige Ventilgröße allein reicht nicht aus, um ein geeignetes pneumatisches System zu bauen.