Systemy próżniowe

Idea próżni

W teorii przez próżnię rozumiemy przestrzeń kompletnie pozbawioną materii, nazywaną również „próżnią absolutną”. W praktyce taki stan jest nie do uzyskania. Próżnia oznacza wtedy podciśnienie – czyli ciśnienie niższe niż atmosferyczne. Stan ten charakteryzuje również niższa niż normalnie gęstość cząstek. Wyrażenie „próżnia”, „ciśnienie negatywne” oznaczają ciśnienie poniżej ciśnienia atmosferycznego, spowodowanego ciężarem istniejącej na Ziemi masy powietrza. Przyjmuje się, że na poziomie morza ciśnienie atmosferyczne wynosi 1013 hPa (mBar).

Próżnia przemysłowa od -20 kPa do -99 kPa (od -20% do 99% próżni) wytwarzana jest przez pompy pneumatyczne – generatory podciśnienia (eżektory) wykorzystujące zasadę dyszy Venturi’ego lub poprzez pompy mechaniczne , np. łopatkowe, tłokowe, membranowe, napędzane elektrycznie aplikacje: podnoszenie, przenoszenie, automatyzacja.

WYTWARZANIE PODCIŚNIENIA

Urządzenia wytwarzające podciśnienie dzielimy na:

generatory elektryczne – pompy mechaniczne: np. łopatkowe, tłokowe, membranowe
generatory pneumatyczne (tzw. eżektory) – wykorzystujące zasadę działania dyszy Venturi’ego

Dobór generatora podciśnienia

Dobranie do aplikacji generatora podciśnienia o odpowiednim przepływie nie jest proste. Wymaga wliczenia wszystkich objętości, w których będzie panować podciśnienie, począwszy od przyssawek aż do generatora podciśnienia. Wymagana też jest analiza podnoszonego obiektu (nierówności jego powierzchni, stopień jej przepuszczalności). Ważną sprawą jest czas i tempo działania oraz stopień podciśnienia, jaki chcemy osiągnąć. Aby uprościć dobór generatora podciśnienia stworzono tabelę, pokazującą przepływy wymagane przez przyssawki, w powiązaniu z ich średnicami. Narzędzie to pozwala na dobór generatora podciśnienia ze względu na ilość użytych w aplikacji przyssawek.

SCENTRALIZOWANE I ZDECENTRALIZOWANE SYSTEMY PODCIŚNIENIA

Układ scentralizowany

W układzie tym występuje 1 generator podciśnienia i podłączone do niego przyssawki.

Zalety: użycie tylko jednego, większego generatora podciśnienia i tylko jednego filtra (wymiana w przyszłości tylko 1 zużytej wkładki filtrującej).

Układ zdecentralizowany

Każda przyssawka w systemie ma swój generator podciśnienia (eżektor).

Zalety: możliwość sterowania każdą z przyssawek z osobna (poprzez oddzielenie sterowanie zasilaniem każdego eżektora z osobna); szybszy czas włączenia/wyłączenia przyssawek, generator podciśnienia odpręża tylko 1 przyssawkę, a nie całą grupę.

Dobór przewodów, filtrów i zaworów w systemie podciśnieniowym

Główna zasada:

Filtry, zawory zwrotne, elektrozawory, rozdzielacze i przewody w instalacji podciśnienia muszą być dobrane do wielkości przyłącza w generatorze podciśnienia. Np. gdy generator ma przyłącza podciśnienia 3/4″, filtr oraz przewody powinny mieć też tą samą wielkość otworu przelotu wewnętrznego. Przewody bezpośrednio przy przyssawkach powinny mieć średnicę przelotu równą średnicy przyłącza przyssawki lub jej mocowania (np. kompensatora poziomu).

Przyssawki

Przyssawki są elementami układu podciśnieniowego, niezbędnymi wszędzie tam, gdzie występuje potrzeba podniesienia, chwycenia i manipulowania elementami płaskimi, lub innymi „trudnymi” do uchwycenia standardowymi metodami. Przyssawki idealnie sprawdzają się przy przedmiotach nie mających uchwytu, delikatnych, kruchych i łatwych do zdeformowania lub uszkodzenia.

Przyssawki przylegają do obiektu, gdy ciśnienie na zewnątrz (atmosferyczne) jest większe od ciśnienia panującego pomiędzy przyssawką a powierzchnia obiektu.

Aby wytworzyć podciśnienie wewnątrz przyssawki, musi ona być podłączona do generatora podciśnienia (eżektora lub pompy). Siła podnoszenia przyssawki zależy od stopnia osiągniętego w jej wnętrzu podciśnienia i zdolności kompensacji jego strat w generatorze podciśnienia.

Przyssawki mogą mieć różne kształty: płaskie, eliptyczne, stożkowe, mogą posiadać mieszki. Do przyssawek można podłączyć różne akcesoria: filtry, zawory odcinające, kompensatory poziomu, itp. Każda przyssawka przystosowana jest do konkretnej aplikacji i typu chwytanych przedmiotów.

Dobór przyssawek

Przyssawki współpracują z różnymi materiałami. Dla porządku, materiały te można ogólnie pogrupować wg poniższych kategorii:

METALE: duże obciążenia, duże rozmiary, średnia ilość cykli/min., zanieczyszczone powierzchnie
TWORZYWA SZTUCZNE: lekkie obciążenia, rozmiary od małych do średnich, nieregularne kształty, brak zanieczyszczeń an powierzchni
DREWNO: chropowate powierzchnie, lekko zdeformowane, średnie obciążenia, brak zanieczyszczeń powierzchni
PAPIER: lekkie i giętkie materiały, duża ilość cykli pracy, odporność na ścieranie.

Ze względu na kształt, przyssawki (najogólniej) można podzielić na dwa typy:

przyssawki płaskie
przyssawki mieszkowe

Ze względu na rodzaj ruchu podczas przenoszenia elementu, aplikacje można podzielić na dwie grupy:

ruch poziomy – aplikacje, w których obiekt jest unoszony i przenoszony równolegle do jego powierzchni
ruch pionowy- aplikacje, w których obiekt jest dźwigany do góry i podnoszony prostopadle do jego powierzchni

Przyssawki firmy PNEUMAX podzielono wg poniższych serii:

przyssawki płaskie – seria TP – przyssawki do użycia przy przenoszeniu płyt i w tych aplikacjach, w których siłą działa pionowo i poprzecznie do chwytanej powierzchni. Wewnętrznie wzmocnione i stabilne przyssawki serii TP nadają się również do przenoszenia cięższych obiektów.
przyssawki płaskie, standardowe – seria TN – standardowe przyssawki, do użycia w aplikacjach nie stawiających wysokich wymagań. Najczęściej do pracy z ciężkimi przedmiotami przesuwanymi równolegle względem chwytanej płaszczyzny.
przyssawki mieszkowe – seria TS – przyssawki mieszkowe najlepiej sprawdzają się w aplikacjach, gdzie lekkie przedmioty dźwigane są pionowo w stosunku do płaszczyzny uchwytu. Budowa mieszkowa daje efekt „odklejenia” i dźwignięcia na kilka cm arkusza od stosu materiału zaraz po kontakcie z przyssawką i po podaniu podciśnienia, a niezależnie od ruchu samej automatyki. Dodatkowo umożliwia kompensację występujących nieregularności kształtu i wysokości podnoszonych przedmiotów. Przyssawki mieszkowe zalecane są do aplikacji gdzie występują lekkie przedmioty takie, jak: kartki papieru, cienkie arkusze blachy, panele, deski, itp. Dzięki dużej elastyczności przyssawki mieszkowe mogą kompensować nierówności powierzchni, mogą chwytać elementy z pochyłych powierzchni. Nieodpowiednie do dźwigania dużych ciężarów.
przyssawki o zwiększonym tarciu, płaskie lub mieszkowe (okrągłe lub owalne) – przyssawki o zwiększonym tarciu zaprojektowano specjalnie do aplikacji,w których chwytane powierzchnie podczas przenoszenia są poddane dużemu przyspieszeniu i hamowaniu, a dodatkowo są mokre, zaolejone (śliskie). Przykładem takiej sytuacji może być powierzchnia arkusza blachy w procesie jej formowania w prasie, mokre płyty marmurowe, szklane, itp. Doskonale sprawdzają się w przemyśle AUTOMOTIVE. Odpowiednie dla działania pionowego i poprzecznego w stosunku do chwytanej powierzchni.
przyssawki wykonane z pianki gumowej – przyssawki ze specjalnej mieszanki pianki gumowej o specjalnej gęstości pozwalającej na uchwyt bardzo nierównych powierzchni o surowej strukturze. Polecane do podnoszenia obiektów takich jak: arkusze ryflowanej blachy, surowe drewno, marmur, kostka brukowa, cegły, elementy betonowe, itp. Przyssawki piankowe nie są rekomendowane przy przesuwaniu równoległym do płaszczyzny przedmiotu dźwiganego gdy powierzchnia jest zaolejona.

Dobór materiału przyssawki

Materiał, z którego wykonana jest przyssawka należy dobierać indywidualnie do każdej aplikacji. Przy doborze przyssawki należy wziąć pod uwagę poniższe czynniki:

chropowatość powierzchni materiału przenoszonego oraz jego temperaturę
waga i rozmiar obiektu chwytanego
obecność chemikaliów na chwytanej powierzchni, np. olej, rozpuszczalniki, itp.
skomplikowanie ii intensywność wykonywanej przez przyssawki pracy w danym procesie
czy chwytana powierzchnia wymaga dodatkowego oczyszczenia z drobin, pyłu, itp., mogącego pojawiać się po poprzednim procesie.

Siła trzymania przyssawki

Siła jest proporcjonalna do wielkości podciśnienia we wnętrzu przyssawki oraz do jej średnicy.

teoretyczna siła trzymania (Ft):

Ft = powierzchnia przyssawki x poziom próżni ( w%)

efektywna siła trzymania (Fe):

Fe = Ft – 50%

Współczynnik bezpieczeństwa (K):

stosowany jest aby zapewnić właściwe bezpieczeństwo i pewność uchwytu, zależnie od rodzaju ruchu i przeciążeń przy przenoszeniu, różni się w zależności od typu aplikacji

K=2: dźwiganie i przenoszenie w poziomie

K=4: dźwiganie w pionie, pozioma siła przenoszenia i ruch wzdłuż więcej niż 1 osi (robotyka)

K=6: dźwiganie w pionie i ruch (obrót) wzdłuż więcej niż 1 osi (robotyka)

Wymagany poziom podciśnienia podczas uchwytu

W praktyce nie istnieje całkowicie nieprzepuszczalna dla podciśnienia powierzchnia. W przypadku powierzchni porowatych, nieregularnych(drewno, karton) występuje wyciek powietrza w kierunku działania podciśnienia. W takim przypadku istnieje konieczność utrzymania dużego przepływu podciśnienia aby skompensować ubytek podciśnienia oraz podtrzymać uchwyt przyssawki. Uzyskuje się to poprzez odpowiednio niski poziom podciśnienia oraz większe średnice przyssawek.

W przypadku materiałów sztywnych i gładkich (bez porów), takich jak: metal, gruby plastik, szkło, itp. przepływ podciśnienia jest po uchwyceniu minimalny lub żaden. W takim przypadku można użyć bardziej kompaktowych przyssawek o mniejszej średnicy i zwiększyć poziom próżni. Podsumowując:

materiały porowate: poziom podciśnienia w granicach 35-60%
materiały gładkie, nieporowate: poziom podciśnienia w granicach 55-80%

Określenie średnicy przyssawek

Po wybraniu typu i materiału przyssawek należy dobrać ich średnicę- parametr D. Do obliczenia średnicy D przyssawki wykorzystujemy następujące parametry i wzory:

K – współczynnik bezpieczeństwa

V – stopień podciśnienia (-kPa)

n – liczba przyssawek w aplikacji

m – masa do przemieszczenia (kg)

Podane poniżej wzory na obliczenie średnicy przyssawki, zależne od jej kształtu:

Wybór uchwytu do przyssawek