امروزه، پنوماتیک نقش مهمی را در تولید دستگاه‌های مختلف و علم مکاتروتیک ایفا می‌کند. به کمک پنوماتیک است که شیرها، انرژی حاصل از گازهای فشرده را کنترل می‌کنند. دستگاهی که این انرژی را به حرکت تبدیل می‌کند موسوم به «محرک پنوماتیک» (Actuator) است. محرک‌های پنوماتیکی به طور معمول قدرت خود را از کمپرسورهای الکتریکی تامین می‌کنند و می‌توانند حرکاتی خطی یا دورانی را بوجود آورند.
پنوماتیک به فناوری هوای فشرده می‌گویند اما در برخی موارد باید آن‌را نوعی سیستم کنترل خودکار به شمار آورد. گاز فشرده که به طور معمول، هوای خشک یا غیرخشک است که بمنظور راه‌اندازی یک عملگر، انجام کار و متوقف کردن آن مورد استفاده قرار می‌گیرد. پنوماتیک در گذشته به سادگی سیستم تنفسی انسان یعنی فشردن هوا در شش‌ها بود. این هوای فشرده می‌توانست در ادامه آتشی را شعله‌ور کند یا یک تیر را رها سازد. کلمه پنوماتیک ریشه‌ای یونانی به معنای «دمیدن» دارد.
سیستم پنوماتیک چیست؟
سیستم پنوماتیک به سیستمی می‌گویند که از هوای فشرده برای انجام کار استفاده می‌کند. این سیستم، هوا را جذب و به مدار منتقل می‌کند تا انرژی مورد نیاز تامین شود. به این ترتیب، سیستم‌های پنوماتیکی کاربرد گسترده‌ای در صنایع دارند.
سیستم پنوماتیکی را می‌توانید در صنایع و حتی زندگی روزمره مشاهده کنید. به طور مثال، دریل‌های دندان‌پزشکی از نیروی پنوماتیکی برای جرم‌گیری دندان‌ها بهره می‌گیرند. برخی از سازها در موسیقی نیز جهت عملکرد مناسب خود از هوا کمک می‌گیرند.
می توانید برای تهیه تجهیزات پنوماتیک با ابزار کنترل همراه شوید
یک سیستم پنوماتیک از چه اجزای مهمی تشکیل شده است؟
اجزای سیستم پنوماتیک
سیلندرها
سیستم پنوماتیک از طریق تبدیل نیرو به انرژی پتانسیل کار می‌کند و در ادامه، این انرژی پتانسیل با عمل محرک یا سیلندر به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود. به طور معمول، تبدیل انرژی از طریق پیستون و شاتون قابل انجام است. پیستون، حرکتی خطی به شکل بالا و پایین یا چپ و راست خواهد داشت.
در سیلندرهای پنوماتیک به طور معمول، هوای فشرده، پیستون را تنها در یک جهت حرکت می‌دهد. در پایان حرکت پیستون، در اثر خروج هوا، خلاء ایجاد می‌شود که این خلاء به کمک یک فنر، سبب بازگشت پیستون به محل اولیه خود خواهد شد.
شیرها
یکی از وظایف مهم و حیاتی در سیستم پنوماتیک بر عهده شیرهای کنترلی می‌باشد. در محفظه های محبوس فشار زیادی وجود دارد. شما باید بتوانید این فشار را کنترل نموده و به خوبی هدایت نمایید. از همین رو از شیرهای مذکور برای سد نمودن راه هوا؛ تغییر مسیر و همچنین هدایت نیروی به وجود آمده استفاده می‌شود. شیر برقی فوق را می‌توان به صورت دستی یا مکانیکی، پدالی، بادی، مغناطیسی یا الکتریکی باز یا بسته نمود. در واقع نوع صنعت شما مشخص می‌نماید که عملکرد این شیرها باید به چه نحوی باشد.
شیر پنوماتیک
عملکرد شیر های پنوماتیکی، کنترل فشار یا کنترل میزان جریان می‌باشد و بر اساس نوع طراحی، شیر ها دارای دسته بندی زیر می‌باشند:
شیرهای راه دهنده (شیر کنترل جهت جریان)
عناصر سیگنال دهنده (ورودی)
شیر های یکسو کننده
شیر های قطع و وصل
عناصر پردازشگر
شیر های کنترل جریان
شیر های کنترل فشار
عناصر کنترل.
اتصالات
طبیعتا برای اینکه بتوان یک سیستم پنوماتیک را راه اندازی نمود، لازم است تا از اتصالات محکمی نیز بهره برد. باید در نظر داشته باشید که انرژی تولید شده در این سیستم ها بسیار زیاد است و به همین دلیل مقاومت اتصالات نیز می‌بایست بسیار زیاد باشد. به صورت کلی باید در نظر داشته باشید که یک سیستم پنوماتیک و اجزای آن بسیار تحت فشار می‌باشند. به همین دلیل نشت کوچکترین هوایی می‌تواند عملکرد کل سیستم را از بین ببرد. در همین راستا مهندسان قبل از فعالیت سیستم باید این اتصالات را به صورت کاملا دقیق آب بندی نمایند. معمولا برای اینکه اتصالات مذکور دارای کیفیت خوبی باشند، از پلیمر و فلز برای تهیه آنها استفاده می‌شود.
در برخی از صنعت ها نیز که آب بندی اتصالات بسیار مهم می‌باشد از اورینگ ها کمک گرفته می‌شود تا بتوان میزان استحکام و مقاومت را افزایش داد.
لوله ها و شیلنگ ها
برای اینکه بتوان هوای ذخیره شده در محفظه های بسته و انرژی آنها را به خوبی کنترل نمود و به مکان مناسب انتقال داد، نیاز است تا از لوله ها و شیلنگ های مناسب نیز بهره ببرید. در واقع می‌توان بیان داشت که لوله ها و شیلنگ ها در ساختار پنوماتیک، وظیفه انتقال نیرو از مخزن به سمت عملگرها را بر عهده دارند. در زمان تهیه این موارد باید دقت نمایید که انعطاف پذیری آنها اهمیت بالایی دارد. لذا گاها نیاز است تا شما از آنها بتوانید در هر مکانی استفاده نمایید. از همین رو شیلنگ ها را اغلب از جنس هایی همچون پلی اتیلن، پلی اورتان، پلی آمید یا مواردی از این خانواده می‌سازند. در این شرایط آنها از یک سو مقاومت بالایی را فراهم می‌آورند و از سوی دیگر محدودیت مکانی را از بین می‌برند.
بخش خلاء
زمانی که فشار به شکل قابل ملاحظه‌ای از فشار اتمسفریک کمتر شود، خلاء ایجاد خواهد شد. برای بوجود آوردن چنین شرایطی باید تمامی هوای محبوس خارج شود و به همین منظور از تولیدکنننده‌های خلا یا پمپ‌های خلاء استفاده می‌شود. این پمپ‌های خلا، هوای فشرده را از طریق یک دیفیوزر خارج می‌کنند و سبب ایجاد خلا می‌شوند.
تهیه و آماده سازی هوا
به هنگام فشرده سازی هوا، گرما ایجاد می‌شود و زمانی که این هوا سرد شود، میعان بوجود خواهد آمد که تامین هوای فشرده را دچار مشکل می‌کند. علاوه بر این، در اجزای تشکیل‌دهنده هوا ناخالصی‌هایی همچون گرد و غبار و ذرات معلق وجود دارد. اگر هوای فشرده حاوی این آلاینده‌ها وارد بخش‌های سیستم پنوماتیک مانند شیرها، سیلندرها و لوله‌ها شود، به طور قطع در عملکرد دستگاه اختلال ایجاد می‌کند و در نهایت، سبب از کار افتادن دستگاه خواهد شد.
به منظور حفظ عملکرد مناسب سیستم، باید هوای فشرده، فیلتر شود. به سادگی می‌توان از یک فیلتر هوا برای این کار استفاده کرد اما باید فشار ورودی به سیستم را به کمک رگولاتور فشار باید رصد کرد. علاوه بر این، هوای خشک ورودی نیز نیاز به روانکاری دارد تا سبب آسیب به تجهیزات پایین‌دستی نشود.
طرز کار سیستم پنوماتیک
توان منتقله
برای اینکه بتوان نیرو را در لوله ها به حرکت درآورد از شیرها استفاده می‌شود. شیرها مسیر حرکت را مشخص می‌نمایند. شیرها می‌توانند انرژی را به سمت موتورها و سیلندرها منتقل نمایند. موتورها در این مرحله نیروی سیال را به نیروی مکانیکی تبدیل می‌نمایند. باید توجه داشته باشید که در سیستم پنوماتیک منظور از ماده سیال، هوای سیال می‌باشد. این هوا دارای فشار زیادی است. برای اینکه بتوان این سیال را به وجود آورد، لازم است تا در مسیر انتقال هوا از یک کمپرسور استفاده نمود تا هوا متراکم شود. در این مرحله می‌توان میزان فشار را نیز کنترل کرد.
سیال منتقل کننده
استفاده از سیال منتقل کننده انرژی می‌تواند به سلامت سیستم پنوماتیک کمک شایانی نماید. اگر این سیال وجود نداشته باشد، اتصالات و لوله های انتقال دهنده در معرض فشار زیاد دچار مشکل می‌شوند. البته موضوع دیگری که در این سیستم های انتقال دهنده باید به آن دقت نمایید، دمای هوا است. شما باید دمای هوا و سیال را کاهش دهید تا به سیستم انتقالی آسیبی وارد نکند. از همین رو به واحد مجزایی برای خنک سازی سیستم و خشک کردن هوا نیز نیاز خواهید داشت. در نهایت هوای تراکم پذیر و دارای انرژی بالا، داخل مخزن ها نگهداری می‌شود.
از پنوماتیک در چه مواردی استفاده می شود؟
با اتصال اجزای سیستم پنوماتیک به یکدیگر، ابزارهای کاربردی مختلفی ساخته خواهند شد. هرآن‌چه توسط سیستم‌های الکتریکی و هیدرولیکی انجام می‌شود را می‌توان به کمک سیستم‌های پنوماتیک نیز عملی کرد البته در خصوص اینکه کدامیک از این دو سیستم بهتر عمل می‌کنند در ادامه بحث خواهد شد.
ماشین‌آلات صنعتی نسبت به سایر دستگاه‌ها از پنوماتیک بهره بیشتری می‌برند. همچنین در علم رباتیک برای جابجایی بازوهای ربات‌ها نیز می‌توان از سیستم‌های پنوماتیکی به همراه سیستم‌های الکتریکی و مکانیکی کمک گرفت. در صنایع لبنی برای تهیه شیر دام‌ها از دستگا‌های پنوماتیک استفاده می‌کنند.
در گذشته (قرن نوزدهم میلادی)، سیستم‌های پنوماتیک در بانک‌ها، بیمارستان‌ها و رستوران‌ها جهت انتقال کالاها از طریق لوله‌های هوا مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
برای متوقف کردن خودروهای سنگین یا قطارها از ترمزهای بادی بهره می‌گیرند.
پنوماتیک و هیدرولیک کدامیک بهتر هستند؟
هر دو سیستم پنوماتیکی و هیدرولیکی بمنظور انتقال نیرو خاصه نیروهای رفت و برگشتی مورد استفاده قرار می‌گیرند و بدون نیاز به استفاده از تسمه یا دنده، با فاصله‌ای زیاد از کمپرسور خود، کارکرد مناسبی دارند. همچنین، هر دو سیستم با وجود وزن کم، قدرت بسیار زیادی را فراهم می‌کنند. برای مقایسه این دو سیستم باید عواملی همچون توان تولیدی، دقت، کنترل، سادگی استفاده، ایمنی و شرایط عملیاتی را مد نظر قرار داد.
توان تولیدی
در شرایطی که توان تولیدی متوسط و سرعت بالا نیاز داشته باشیم و در عین حال، دقت نیز اهمیت چندانی نداشته باشد، سیستم‌های پنوماتیک به هیدرولیک ترجیح داده می‌شوند. همچنین در شرایطی که دمای هوا متغیر باشد، در عملکرد سیستم پنوماتیک اختلال ایجاد خواهد شد.
دقت
ماشین‌آلات پنوماتیکی به طور کلی - البته نه همیشه - نسبت به سیستم‌های هیدرولیکی دقت و سرعت پاسخ‌دهی پایین‌تری دارند که علت این امر را به طور عمده باید در تراکم‌پذیری و خواص این گاز به عنوان گاز واقعی (غیرایده‌آل) یا گاز ایده‌آل جستجو کرد. همچنین، دستگاه‌های پنوماتیک، دستگاه‌هایی گران‌قیمت با کارآمدی پایین هستند چراکه انرژی الکتریکی زیادی برای شروع به کار کمپرسور مصرف می‌شود.
کنترل
در مقایسه با موتورهای الکتریکی که دارای چرخ‌دنده‌های سنگین به همراه اینرسی بالا هستند، ابزارهای پنوماتیکی برای شروع و پایان کار به قدرت زیادی نیاز ندارند. از این‌رو، بسته به نوع استفاده، هریک از سیستم‌های پنوماتیکی یا هیدرولیکی مزیت‌های خود را دارند.
سادگی استفاده
ابزارهای پنوماتیکی به طور کلی از نیرو و فشار کمتری بهره می‌گیرند. در نتیجه، ابعاد کوچک‌تر و وزن سبک‌تری خواهند داشت. ابزارهای پنوماتیکی را همچنین می‌توان از پلاستیک‌های سبک تهیه کرد درحالیکه ابزارهای هیدرولیکی باید از قطعات فلزی ساخته شوند تا توانایی تحمل نیروها و فشارهای بیشتر را داشته باشند.
ایمنی
در هریک از این سیستم‌ها احتمال نشت گازها و سیالات وجود دارد. برای آب‌بندی مناسب سیستم‌های هیدرولیکی باید از کاسه‌نمدها و اورینگ‌های مناسب بهره برد. علاوه بر این، با توجه به این که سیالات هیدرولیکی، اشتعال‌پذیر هستند، ایمنی کمتری نسبت به سیستم‌های پنوماتیکی دارند.
شرایط عملیاتی
با توجه به اینکه ماشین‌های هیدرولیکی برای کارکرد خود از روغن استفاده می‌کنند، نیازی به روانکاری مجزا ندارند و کارکرد آنها با صدای کمتری همراه است.
کاربرد پنوماتیک
مزایای سیستم پنوماتیک:
هوا ارزان است: برای اینکه یک سیستم پنوماتیکی بتواند فعالیت نماید، نیاز است تا شما حجم قابل توجهی هوا در اختیار داشته باشید. خوشبختانه کره زمین پر از هوا می‌باشد و این ماده اولیه نیز بسیار ارزان است. از همین رو به راحتی می‌توانید هوا را جمع آوری نموده و آن را ذخیره کنید. گاها نیز مشاهده شده است که برخی از صنایع هوا را برای مدت زمان زیادی نگهداری می‌کنند بدون آنکه نگران خراب یا فاسد شدن آن باشند
تجدید پذیر است: شما می‌توانید از این ماده اولیه استفاده نموده و زمانی که کارتان به اتمام رسید، آن را مجدد آزاد نمایید. سیستم مذکور به هیچ وجه محیط شما را آلوده نمی‌نماید. لازم به ذکر است که سیستم فوق به این دلیل کارآمد است که ماده اولیه آن عمر طولانی دارد. از همین رو می‌توان بیان داشت که هوا به راحتی خراب نمی‌شود، لذا می‌توانید برای مدت زمان زیادی نیز از آن استفاده کنید.
طراحی ساده ای دارد: یکی دیگر از مزیت هایی که باید حتما برای سیستم های پنوماتیکی در نظر بگیرید، این مورد می‌باشد که آنها بسیار ساده طراحی و اجرا می‌شوند. شما می‌توانید در سیستم های کنترلی خود به راحتی از آنها بهره ببرید.
این سیستم ها با محیط سازگاری بالایی دارند. زمانی که شما هوای فشرده را در محیط آزاد می‌کنید، باید توجه داشته باشید که هیچگونه گرد و غبار و آلودگی در خود ندارد لذا محیط زندگی را کثیف نمی‌نماید.
کار کردن با سیستم های پنوماتیکی بسیار آسان و ایمن است. قطعاتی که در این سیستم ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، اگر در برابر دمای زیاد قرار بگیرند، دچار آتش سوزی نمی‌شوند.
به صورت کلی استفاده از سیستم پنوماتیکی بسیار مقرون به صرفه است.
معایب سیستم پنوماتیک:
اما در کنار تمام مزایایی که در بالا بیان شد، باید عنوان نمود که سیستم پنوماتیکی دارای نقاط ضعفی نیز است که جای تامل دارد. برخی از مهمترین نکات منفی به قرار زیر هستند:
گاها کاهش دقت را در این سیستم ها می‌توان مشاهده نمود. در سیستم های پنوماتیک اگر که جریان هوا و فشار کم گردد، مشاهده می‌شود که دقت دستگاه نیز پایین می‌آید. این مورد بر عملکرد قطعات تاثیر منفی می‌گذارد. از همین رو گفته می‌شود که کاهش فشار باعث کاهش راندمان و خروجی دستگاه می‌گردد.
نمی‌تواند بار زیادی را تحمل نماید. یکی دیگر از نقدهایی که بر این سیستم وارد می‌شود، ظرفیت کم آن است. اگر بارهای شما یا صنعتی که قصد استفاده از سیستم پنوماتیک را در آن دارید، ظرفیت بالایی نیاز داشته باشد، پنوماتیک گزینه خوبی نخواهد بود.
گاها مشاهده شده است که سرعت کار در سیستم های فوق غیریکنواخت است. به این معنا که اگر فشار هوا پایین بیاید، سرعت پیستون ها و عملگرها نیز به همان اندازه کم خواهد شد. کم و زیاد شدن فشار بر روی پیستون ها فشار زیادی را تحمیل می‌نماید. لذا امکان خراب شدن دستگاه وجود دارد.
سر و صدای زیاد: این مورد شاید بزرگترین و اساسی ترین ایراد یک سیستم پنوماتیک باشد. گاها بلندی صدای تولید شده در این سیستم همانند صدای انفجار است. البته امروزه از روش هایی برای کاهش این صداها استفاده شده است ولیکن همچنان سیستم فوق یکی از سیستم های پر سر و صدا در صنعت محسوب می‌شود. سر و صداهای سیستم مذکور در زمان خروج هوای فشرده به مراتب بلندتر و آزار دهنده تر است.
با تمام این تفاسیر باید بدانید که پنوماتیک دارای پتانسیل بسیاری است. می‌توان آن را به عنوان یک منبع تجدید پذیر در نظر گرفت. جالب است که بدانید امروزه مهندسان به دنبال روش هایی هستند که از این انرژی برای روشن نمودن ماشین و حرکت آن استفاده کنند. با توجه به اینکه در زندگی فعلی فراهم آوردن مواد اولیه صنایع بسیار دشوار است، استفاده از این سیستم می‌تواند تا حد زیادی مشکلات را برطرف نماید.
