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Nov 30, 2023

Ventile für Pneumatikzylinder und Aktoren

In der pneumatischen Welt sind Ventile das Äquivalent von Relais, die den Durchfluss steuern

In der pneumatischen Welt sind Ventile das Äquivalent von Relais, die den Stromfluss in Automatisierungssystemen steuern. Anstatt elektrische Energie an Motoren, Antriebe und andere Geräte zu verteilen, verteilen pneumatische Ventile Luft an Zylinder, Aktuatoren und Düsen.

Pneumatikventile, auch Wegeventile genannt, werden auf verschiedene Arten aktiviert, darunter manuell, magnetbetätigt und luftgesteuert (Abbildung 1). In ihrer einfachsten Form können 2-Wege- und 3-Wege-Ventile normalerweise offen (NO) oder normalerweise geschlossen (NC) sein – Begriffe, die sich auf ihren Normalzustand ohne angelegte Stromversorgung beziehen. Ein weiteres sehr verbreitetes Ventil ist ein 4-Wege-Ventil, das Zu- und Abluft zwischen zwei Auslassanschlüssen umschaltet.

Manuell aktivierte Ventile werden normalerweise durch ein Fußpedal, einen Kipphebel, einen Griff, einen Knopf oder einen Druckknopf geöffnet und geschlossen. Ein Bediener steuert die aktivierte Position des Ventils und einer Feder, oder der Bediener bringt das Ventil in seine Ausgangsposition zurück.

Magnetventile verwenden eine elektrische Spule, um die Position eines Tellers, Kolbens oder Schiebers zum Öffnen oder Schließen eines Ventils zu steuern. Typische Magnetsteuerspannungen sind 12 VDC, 24 VAC/DC, 120 VAC oder 240 VAC.

Luftgesteuerte Ventile werden von einer externen Luftquelle betrieben, beispielsweise einem magnetgesteuerten Ventil an einem entfernten Ort. Das Ventil kann auch intern luftgesteuert sein, was die Verwendung eines kleineren integrierten Elektromagneten ermöglicht, um ein Luftsteuersignal zur Steuerung des größeren Ventilschiebers bereitzustellen.

Bei pneumatischen Ventilen gibt die Konfiguration bzw. der Ventiltyp an, wie Luft an das Gerät angeschlossen und durch das Ventil geschaltet wird. Diese Konfiguration hat einen starken Einfluss auf das Gerät, das das Ventil steuert. Dies zu verstehen ist entscheidend für die Spezifikation des richtigen Ventils für die Anwendung.

Ventilkonfigurationssymbole müssen interpretiert werden. Das pneumatische Symbol für ein Ventil besteht aus drei Teilen: Betätigung (wie das Ventil betätigt wird), Position (Anzahl der Positionen und Anschlüsse) und Durchfluss (wie die Luft durch das Gerät strömt). Die Betätigungsmethoden befinden sich links und rechts vom Symbol und können als Schieben der Kästchen nach links oder rechts angesehen werden. Die Anzahl der Kästchen gibt die Anzahl der Positionen an – typischerweise zwei oder drei. Der Zuluft- oder Abluftstrom für jede Position wird durch die Informationen in jedem Feld definiert.

Jede Ventilposition verfügt über einen oder mehrere Strömungswege und die Pfeile in jedem Kästchen stellen den Luft- und Abgasstrom dar. Der Punkt, an dem jeder Pfad eine Box berührt, wird als Port bezeichnet. Um die Anzahl der Ports zu bestimmen, muss man ein einzelnes Kästchen des Symbols zählen. Der Flussweg kann auch blockiert sein, was durch ein „T“-Symbol angezeigt wird.

Die Anzahl der Anschlüsse und Positionen definiert die Art der Arbeit, für die ein Ventil ausgelegt ist. Daher ist die Auswahl dieser Optionen eine wichtige Konstruktionsentscheidung. Ein 2-Wege- oder 2-Wege-Ventil mit 2 Positionen verfügt über einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss. Dieser Ventiltyp ist ein- und ausschaltbar und bietet keine Möglichkeit, den Luftdruck abzulassen, es sei denn, dies ist seine einzige Funktion.

Die Anzahl der verschiedenen Wege, über die Luft in das Ventil hinein oder aus ihm heraus strömen kann, werden als „Wege“ bezeichnet, während die verschiedenen verfügbaren Zustände als „Positionen“ bezeichnet werden. Ventile, die üblicherweise in industriellen Anwendungen verwendet werden, haben entweder eine 2-, 3- oder 4-Wege-Konfiguration; 2- und 3-Wege-Ventile haben 2 Positionen, während 4-Wege-Ventile entweder 2 oder 3 Positionen haben können.

Gängige Pneumatikventiltypen sind:

2-Port (2-Wege), 2-Positionen

3-Port (3-Wege), 2-Positionen

5 Anschlüsse (4-Wege), 2 Positionen

5-Port (4-Wege), 3-Positionen

Durch Hinzufügen eines dritten Anschlusses kann das 3-Wege-Ventil mit 3 Anschlüssen und 2 Positionen sowohl Druck zuführen als auch ablassen. Die drei Anschlüsse sind Lufteinlass, Luftauslass und Auslass. Während das Ablassen des Drucks für die Zylinderbewegung wichtig ist, funktioniert dieser Ventiltyp nur bei Anwendungen wie einfachwirkenden Zylindern mit Federrückstellung oder bei Luftabblasanwendungen wie dem Blasen von Spänen in einem Bearbeitungsprozess gut.

Durch das Hinzufügen von zwei weiteren Anschlüssen wird das Ventil zu einem Ventil mit 5 Anschlüssen (4-Wege) und 2 Positionen. Ein 5-Wege-Ventil ist technisch gesehen ein 4-Wege-Ventil, da zwei Anschlüsse zum Entlüften offen sind. Dies geschieht hauptsächlich, um die Ventilkonstruktion zu vereinfachen. Dies ist das beliebteste Wegeventil, da es doppeltwirkende Zylinder aus- und einfahren kann und so ein breites Spektrum an Steuerungsmöglichkeiten bietet. Dieser Ventiltyp umfasst einen Einlassanschluss, zwei Auslassanschlüsse und zwei Auslassanschlüsse. In einer 2-Positionen-Konfiguration strömt ein Ausgang Luft vom Einlass und der andere leitet Luft zu einem Auslassanschluss. Beim Schalten des Ventils sind die beiden Ausgänge im entgegengesetzten Modus. Dies ist die gebräuchlichste Methode zum Aus- und Einfahren eines doppeltwirkenden pneumatischen Stellantriebs, wobei eine Seite des Zylinders unter Druck gesetzt und die andere entlüftet wird.

Beachten Sie, dass 2-Positionen-Einzelmagnetventile über eine Federrückstellung verfügen. Wenn also bei einem erregten Ventil der doppeltwirkende Zylinder, an den es angeschlossen ist, ausfährt, fährt dieser Zylinder ein, wenn die Stromversorgung verloren geht (z. B. wenn ein Not-Aus-Schalter gedrückt wird), die Luft jedoch weiterhin eingeschaltet bleibt. Wenn der Not-Aus-Schalter wie empfohlen auch den Luftdruck im System verringert, fährt der Zylinder zurück, sobald der Druck wiederhergestellt ist, es sei denn, das Ventil wird wieder mit Strom versorgt.

Wenn ein 2-Positionen-Doppelmagnetventil über eine Rastfunktion verfügt, wird der Ventilschieber in der Position gehalten, in der er sich zum Zeitpunkt der Aktivierung des Not-Aus-Schalters befand. Wenn sich der Zylinder beim Drücken des Not-Aus-Schalters in der Mitte des Hubs befand und erneut Luft zugeführt wird, weist das Ventil den Zylinder an, die Bewegung in die ursprünglich aktivierte Position fortzusetzen, selbst wenn beide Magnetventile am Ventil deaktiviert sind. Diese Bewegung kann aufgrund der beibehaltenen Ventilposition Probleme verursachen; Beispielsweise kann eine unbeabsichtigte Bewegung des Zylinders nach einem Notstopp zu Schäden am Werkzeug führen und sollte bei der Konstruktion untersucht werden.

Das 5-Wege- oder 4-Wege-Ventil mit 3 Positionen bietet eine Mittelposition, die entweder zum Entlüften oder Blockieren des Drucks festgelegt werden kann, wenn keiner der Ventilmagnete betätigt wird. Diese Ventile werden typischerweise in Anwendungen eingesetzt, bei denen es erforderlich ist, einen Zylinder mitten im Hub anzuhalten. Sie werden auch verwendet, um einen Zylinder schrittweise zu bewegen oder zu verfahren, oder wenn während eines Notstopps Luft entweichen muss und nach dem erneuten Zuführen von Luft keine Bewegung des Zylinders zulässig ist, bis eine Reset- oder Starttaste gedrückt wird.

Bei der Verwendung dieser Ventile ist Vorsicht geboten, da ein zusätzlicher Steuerungsaufwand entsteht. Mittelblock-3-Positionsventile können Luft einschließen und bei Not-Aus-Bedingungen unerwartete Bewegungen verursachen, insbesondere wenn das Werkzeug verklemmt ist. Um diesem Zustand entgegenzuwirken, sollte die gesamte Energie – einschließlich der eingeschlossenen Luft – entfernt werden, wenn ein Not-Aus gedrückt wird. Es kann auch Luft austreten, wodurch der Zylinder driftet oder herunterfällt.

Ein mittleres Auslassventil mit 3 Positionen leitet den gesamten Druck an einen Zylinder ab, wenn ein Notstopp erfolgt oder beide Magnetventile stromlos sind. Während des Startvorgangs ist keine Luft vorhanden, um den Luftstrom zum Zylinder zu steuern, was zu sehr hohen und möglicherweise schädlichen Zylindergeschwindigkeiten während des ersten Maschinenzyklus führt. Um diesen Zustand zu verhindern, müssen beim Start beide Seiten des Zylinders mit Luftdruck beaufschlagt werden.

Der Formfaktor des Ventils hängt häufig von seiner Verwendung ab. Dies umfasst sowohl die interne Konfiguration als auch das externe Design. Zu den üblichen internen Konfigurationen gehören Teller, Membran und Spule. Sitzventile werden normalerweise direkt magnetbetätigt, ähnlich einem Absperrschieber in einer 2-Wege-2-Positions-Anwendung. Ein Pilotkolben, der über einen Pilotanschluss zugänglich ist, bewegt den Ventilschaft und öffnet das Ventil. Membranventile funktionieren ähnlich wie ein Tellerventil, isolieren jedoch mithilfe der Membran das Betätigungsmagnetventil physisch vom Ventil und vom Arbeitsmedium. Schieberventile, entweder direkt oder vorgesteuert, werden häufig bei Ventilen mit 4-Wege-, 2- und 3-Positionen-Gehäuseanschlüssen verwendet. Bei diesen Schieberventilen handelt es sich um Kolben mit Dichtungen, die sich bei Verschiebung entlang einer Bohrung bewegen und je nach Position Öffnungen öffnen oder schließen. Sie bieten eine vereinfachte Möglichkeit, die Strömungswege zu ändern, sind leicht zu betätigen und werden nicht durch Druck beeinflusst.

Der äußere Formfaktor vieler Ventile macht sie stapelbar, sodass mehr Ventile auf kleinerem Raum Platz finden. Einige Ventile lassen sich einfacher einzeln montieren als andere und einige können entweder einzeln oder als Teil eines Verteilers montiert werden. In Anwendungen mit einer hohen Anzahl pneumatischer Ventile möchten Konstrukteure möglicherweise kompakte, modulare Ventile mit Verteilermontage in Betracht ziehen.

Ventile verfügen über drei primäre elektrische Anschlussmethoden: fest verdrahtet, modular verkabelt oder digitale Kommunikation. Viele Ventile verfügen über einen integrierten Stecker mit abnehmbaren Anschlussleitungen oder einen DIN-Stecker.

Modulare Verkabelung wird typischerweise bei Ventilkonfigurationen mit Verteilermontage verwendet. Diese Verkabelung besteht normalerweise aus einem D-Sub-Stecker, der in den Verteilersockel eingebettet ist. Dies bietet eine effiziente und saubere Integrationsmöglichkeit für große pneumatische Systeme.

Ethernet/IP und andere digitale Kommunikationsprotokolle werden immer beliebter, um einzelne diskrete Drähte durch ein einziges Kabel zu ersetzen. Dies ist besonders effektiv, wenn eine große Anzahl von Ventilen auf kleinem Raum aktiviert werden muss. Dies kann auch die Kosten auf der Controller-Seite des Systems senken, indem ein einziger Kommunikationsport anstelle mehrerer Ausgangsmodule verwendet wird.

Für den Anschluss von Pneumatikschläuchen an die Ventile stehen außerdem verschiedene Gewindeanschlüsse oder Steckanschlüsse zur Verfügung. Ein Ventiltyp mit 5 Anschlüssen (4-Wege) und 2 Positionen ist häufig die beste Wahl für eine pneumatische Richtungssteuerungsanwendung. Das Hinzufügen einer manuellen Bedienfunktion und einer Kontrollleuchte am Stromanschluss erleichtert die Wartung, daher sollten diese Optionen in Betracht gezogen werden.

Abbildung 2F ist ein mediengetrenntes 2-Wege-Membranventil zur Verwendung mit Gasen oder Flüssigkeiten, bei dem die Metallbearbeitungskomponenten der Ventile nicht mit dem Arbeitsmedium in Kontakt kommen. Das Ventilsymbol ist dasselbe, unabhängig davon, ob es sich um ein Teller-, Membran- oder Schieberventil handelt.

Das stapelbare 3-Wege-Wegemagnetventil in Tellerbauweise (Abbildung 2G) bietet einen 2-Positionen-Betrieb mit normalerweise geschlossener Federrückstellung. Das Design ermöglicht den alleinigen Einsatz dieses Ventils oder den Einsatz mehrerer Ventile in Kombination mit einer gemeinsamen Luftversorgung. Das Ventilsymbol ist dasselbe, unabhängig davon, ob es sich um ein Teller-, Membran- oder Schieberventil handelt.

Das dreiteilige (3-Wege-)Schieberventil mit Gehäuseanschluss (Abbildung 2H) hat keine Anschlüsse, was bedeutet, dass der Magnet den Schieber bewegt. Das Einzelmagnetventil bietet einen 2-Positionen-Betrieb mit normalerweise geschlossenem Federrücklauf und die Doppelmagnetventile bieten einen 2-Positionen-Betrieb mit bestromtem Öffnen/bestromtem Geschlossen.

Das 5-Wege-Schieberventil (Abbildung 2I) mit Gehäuseanschlüssen verfügt über Einzelmagnetventil, Federrückstellung oder Doppelmagnetventil mit 2 Stellungen. Darüber hinaus verfügen Doppelmagnetventile über einen 3-Positionen-Betrieb in der Mitte geschlossen oder in der Mitte der Entlüftung. Sie können in einzelnen Ventilanwendungen verwendet werden oder mehrere Ventile können vor Ort auf Verteilern montiert werden, was die Rohrverbindungen vereinfacht.

Kompakte modulare Ventile bieten eine flexible Lösung und ermöglichen das Mischen von Ventilgrößen nach Bedarf mit 3-Wege-/2-Positions- (2 Schieberventilen), 5-Wege-/2-Positions- und 5-Wege-/3-Positionsventilen. Es sind Einzelmagnetventile mit Federrückstellung oder Doppelmagnetventile pro Ventil und bis zu 16 Ventile (maximal 16 Magnetventile) pro Verteilerbaugruppe möglich.

Dieser Artikel wurde von AutomationDirect, Cumming, GA verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Februarausgabe 2020 des Motion Design Magazine.

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