5.6 Simulering av styringssystemer

Når luft blir et verktøy

Du har sikkert hørt den karakteristiske 'psjt'-lyden fra en muttertrekker på et bilverksted, eller en pneumatisk sylinder som dytter en eske videre på et samlebånd. Bak alt dette ligger pneumatikk -- kunsten å bruke komprimert luft til å overføre kraft og bevegelse. Pneumatiske systemer er rene, raske og sikre, og derfor svært vanlige i industrien.

Det hele starter med en kompressor, som suger inn vanlig atmosfærisk luft og presser den sammen til høyere trykk. Det finnes tre vanlige typer. Stempelkompressoren bruker et stempel til å komprimere luften og er vanlig i små anlegg. Skruekompressoren bruker to roterende skruer og er vanlig i industrien. Rotorkompressoren bruker roterende lameller og er kompakt og stillegående.

Hvor mye trykk trenger vi? Det varierer med oppgaven. Håndverktøy bruker typisk 6--8 bar, industriautomasjon 4--6 bar, og enkelte spesialprosesser opp mot 40 bar. Til sammenligning er det atmosfæriske trykket rundt oss bare cirka 1 bar.

Legg merke til at trykknivåene her er mye lavere enn i hydraulikk, der vi snakket om hundrevis av bar. Det er en av de viktigste forskjellene mellom de to teknologiene, og den henger sammen med at luft -- i motsetning til olje -- lar seg presse sammen. Den egenskapen gir pneumatikken både dens styrker og dens begrensninger, som vi skal se.

Ren luft og styrte sylindere

Du kan ikke bare ta luften rett fra kompressoren og sende den inn i verktøyene -- den er full av problemer. Komprimert luft inneholder partikler, vann og oljerester, og må derfor behandles først. Hjertet i dette er FRL-enheten, som står for Filter-Regulator-Lubrikator. Filteret fjerner partikler, vann og olje. Regulatoren justerer trykket ned til riktig nivå for utstyret. Og lubrikatoren tilfører en fin smøreolje-tåke til verktøy som trenger smøring. Ren, tørr luft med riktig trykk gir lang levetid og pålitelig drift.

Fuktighet er en spesiell plage, så i tillegg brukes ofte en lufttørker. En kjøletørker kjøler luften slik at vannet kondenserer ut, mens en adsorpsjonstørker bruker et tørremiddel til å suge fukten. Fuktig luft kan nemlig gi rust, frysing og dårlig funksjon.

Når luften er ren, gjør komponentene jobben. Sylinderen omgjør lufttrykk til lineær bevegelse -- en enkeltvirkende presses ut av trykk og tilbake av en fjær, en dobbeltvirkende presses begge veier. Ventilene styrer luftstrømmen, og de navngis etter porter og posisjoner: en 3/2-ventil har 3 porter og 2 posisjoner (enkel på/av), en 5/2-ventil har 5 porter og 2 posisjoner (for dobbeltvirkende sylinder), og en 5/3-ventil har en ekstra midtposisjon. Ventilene kan aktiveres manuelt med knapp eller spak, mekanisk med rulle, elektrisk med solenoid, eller pneumatisk med pilottrykk.

La oss kontrollere kraften i en sylinder. En dobbeltvirkende sylinder med stempeldiameter 50 mm ved 6 bar har areal $A = \pi \times (0{,}025)^2 \approx 0{,}00196\ \text{m}^2$. Kraften blir $F = p \times A = 600\,000 \times 0{,}00196 \approx 1176$ N, altså cirka 1,2 kN. Trekker vi fra 10--20 % friksjon i tetningene, gjenstår omtrent 1 kN -- nok til å løfte rundt 100 kg.

Luft eller olje? Riktig verktøy til jobben

Når skal du velge pneumatikk og når hydraulikk? Det avhenger helt av oppgaven, og forskjellene er tydelige. Pneumatikk bruker luft, som er komprimerbar, ved 6--10 bar; hydraulikk bruker olje, som praktisk talt ikke lar seg presse sammen, ved 100--350 bar. Derfor gir pneumatikk moderat kraft, mens hydraulikk gir svært høy kraft. Men pneumatikk er til gjengjeld raskere, mens hydraulikk er mer presis.

De andre forskjellene følger samme logikk. Pneumatikk er rent -- luften slippes bare ut i atmosfæren -- mens hydraulikkolje må samles opp og er en miljøfare. Pneumatikk er støyende på grunn av luftutslippet, men har ingen brannfare og er billigere; hydraulikk er stillere, men har brannfarlig olje og er dyrere. Pneumatikk er også mindre følsom for temperatur.

Hvordan bruker du dette i praksis? Tre eksempler der pneumatikk vinner: i matvareindustrien, fordi luftlekkasje ikke forurenser produktene; i raske pick-and-place-roboter for lette gjenstander, fordi luft gir kjapp og enkel bevegelse; og i eksplosjonsutsatte miljøer, fordi trykkluft ikke gir brannfare.

Men tenk på en presse som skal trykke med $50\,000$ N. Med pneumatikk ved 6 bar trenger du et stempelareal på $0{,}083\ \text{m}^2$ -- en diameter på rundt 33 cm, upraktisk stort og med enormt luftforbruk. Med hydraulikk ved 200 bar holder det med $250\ \text{cm}^2$, altså cirka 18 cm diameter. Her vinner hydraulikk klart. Tommelregelen er: for kraft over cirka 5--10 kN er hydraulikk nesten alltid best, mens pneumatikk er overlegen til raske, lette oppgaver i rene miljøer. Og husk frysefellen: når komprimert luft ekspanderer i en sylinder, kjøles den ned, så i et kaldt lager kan fukten fryse og blokkere ventiler -- løsningen er lufttørker og vannfeller.

Oppsummering

Vi har sett hvordan komprimert luft blir et verktøy. Kompressoren -- stempel, skrue eller rotor -- lager trykkluft på typisk 6--8 bar, langt lavere enn hydraulikkens hundrevis av bar, fordi luft lar seg presse sammen.

Før bruk renses luften i en FRL-enhet (Filter-Regulator-Lubrikator) og tørkes for å fjerne fukt som gir rust og frysing. Sylindere omgjør trykket til bevegelse, og ventiler -- som 3/2, 5/2 og 5/3 -- styrer luftstrømmen, aktivert manuelt, mekanisk, elektrisk eller pneumatisk.

Valget mellom pneumatikk og hydraulikk følger oppgaven: pneumatikk er rent, raskt, billig og brannsikkert, men gir moderat kraft og mindre presisjon; hydraulikk gir svært høy kraft og presisjon, men med oljesøl, brannfare og høyere kostnad. Tommelregelen er pneumatikk til raske, lette oppgaver i rene miljøer, og hydraulikk når du trenger stor kraft. Med begge i verktøykassa kan du velge riktig teknologi til hver jobb.