Kapaliny a vzduch, které hýbou světem kolem nás
Tématem úvodního čísla TechMagazínu nastupujícího roku 2015 je svět automatů a robotů, a zejména systémů, které tato zařízení pohánějí. Z prvků, které fungují v automatických systémech a zařízeních, obstarává pohyb mechanických součástí nejčastěji elektřina, nebo stlačený vzduch, a (nestlačitelné - resp. přesněji řečeno téměř nestlačitelné)** kapaliny. A právě posledním dvěma zmíněným je věnována i tématická příloha tohoto vydání.
Pneumatika a hydraulika jsou už po staletí základem pohyblivých mechanických systémů. Za starých dob byly vynalézány automaty využívající jejich fyzikálních principů spíše zábavnou věcí v podobě různých důmyslných systémů, jaké představují např. výtvory antického vynálezce, konstruktéra a filozofa Hérona. V novověkých dějinách zase udivovaly publikum různá zařízení Leonarda da Vinciho a jeho současníků, kteří rovněž vytvořili řady pozoruhodných technických řešení (některými se dokonce inspiroval samotný Leonardo), ovšem nebyli tak proslulí jako da Vinci a tak na ně historie časem téměř zapomněla. V moderní podobě se s pneumatickými a hydraulickými systémy setkáváme naopak většinou v průmyslové podobě.
Ve službách průmyslu
Uplatňují se ve strojírenství od automobilového průmyslu přes plastikářské stroje, až po nejrůznější dopravníky na montážních linkách či v logistice, v potravinářském a farmaceutickém průmyslu (kde musejí splňovat nejnáročnější kritéria), v těžebním průmyslu a stavebnictví (stavební stroje by bez nich nemohly nabídnout svoje extrémní výkonové parametry), ale třeba i v kulturní sféře v podobě divadelní techniky, která zajišťuje scénografické efekty. O dopravě ani nemluvě - bez těchto systémů by nefungovala auta, vlaky ani letadla. Lze bez nadsázky říci, že jsou to právě hydraulické a pneumatické systémy, které umožňují realizovat automatizovaná řešení a dávají náš svět do pohybu.
I když jsou tyto dva typy pohonu v zásadě velmi podobné, fungují na základě obdobných principů převodu mechanické energie s využitím plynného či kapalného média a používají obdobné komponenty (oba systémy vyžadují kompresor nebo čerpadlo, ventily a aktuátory k ovládání síly a rychlosti) i terminologii, každý z nich má své silné a slabší stránky, které jsou často předmětem diskusí při posuzování a volbě nejvhodnějšího řešení.
Pneumatické systémy jsou bezpečnější pro použití ve vlhkém nebo korozivním prostředí, ale také odolnější častému čištění. Tato zařízení lze montovat i v těsné blízkosti daného procesu (zatímco doprovodná elektronika je umístěna v rozvaděči v dostatečné vzdálenosti před možným poškozením, což zjednodušuje instalaci a údržbu). Také ovládací prvky pro pneumatické soustavy jsou obvykle menší než např. servopohony u elektromechanických systémů, což znamená nižší nároky na objem vnitřního prostoru rozvaděče.
Uplatňují se často např. v automatizovaných manipulačních systémech typu „pick-and-place”, kde nabízejí výhodu nižších prostorových i energetických požadavků, i menší náročnost na programování řídicího software.
Klasické pneumatické systémy jsou v automatizaci často používané pro svoji jednoduchost, nízkou cenu a snadnou údržbu, ovšem mají složitější možnost řízení rychlosti pneumatických pohonů, problémem je přesnost zastavení mimo koncové polohy a horší dynamické vlastnosti v případě nízkých rychlostí (pod 50 mm.s-1).
Vzduchové kompresory v pneumatických systémech mají však i svá omezení pokud jde o objem vzduchu, který dokážou stlačit a část energie je „ztracena” převodem na teplo (které ovšem lze zase využít pro jiné účely), což u hydraulických systémů, které nabízejí i práci s velmi vysokými silami a tedy i vysoký výkon, nehrozí.
Obecně lze říci, že pneumatické systémy nabízejí vysokou rychlost do pohybu uváděných součástí díky takřka bleskové expanzi uvolněného vzduchu, hydraulické zase vysokou hustotu výkonu díky enormním silám, které nabízí praktická nestlačitelnost jejich provozních kapalin při vhodném poměru pístů. Záleží tedy jako vždy především na aplikacích, pro které jsou dané technologie určeny. Hydraulika se uplatní hlavně tam, kde je vyžadováno působení velkých sil, pneumatická zařízení jsou zase vhodná např. pro automatizované procesy při výrobě a montáži relativně lehkého charakteru, kde je důležitá hlavně rychlost (nicméně i ona umožňuje vyvinout značnou sílu).
To nejlepší z obou systémů
Ovšem tyto nevýhody každé ze zmíněných technologií umožňuje do značné míry odstranit řešení v podobě jejich kombinace, kterou představuje kategorie pneumaticko-hydraulických systémů, jež sdružují výhody obou. Využívají jak stlačený vzduch (pro řízení směru pohybu pohonu), tak hydraulickou kapalinu (ta zajišťuje dynamické vlastnosti pohybu pohonu). Využitím hydraulické kapaliny, která působí na obou stranách pístu válce, dojde k odstranění vlastnosti vzduchu - stlačitelnosti - v případě, kdy je tato vlastnost v určité části systému nežádoucí (v řadě případů je však stlačitelnost vzduchu, resp. jeho rychlá expanze a prudké zvětšení objemu výhodou). Pneumaticko-hydraulické systémy jsou často nasazovány v aplikacích, kde je nutno zabezpečit pohony proti nežádoucímu posuvu po vypnutí přívodu stlačeného vzduchu, pro zastavení v mezipolohách, či zajištění v koncové poloze, pro kontrolu rychlosti pohybu pohonů, pro odstranění nežádoucího skokového pohybu pneumatických pohonů při nízkých rychlostech atd.
Při konstruování moderních hydraulických i pneumatických systémů se v široké míře uplatňuje simulace navrhovaného řešení, která ještě před jeho fyzickou realizací dokáže zjistit jeho slabá či kritická místa, prověřit jeho vhodnost, pro danou aplikaci a navrhnout případné změny pro optimalizaci systému.
Roboty i roboti
K nejatraktivnějším zařízením, kde se pneumatické a hydraulické systémy uplatňují, patří roboti (tedy správně řečeno spíše roboty, pokud se bavíme o průmyslových zařízeních, nicméně v tomto segmentu se objevuje i stále více robotů ve formě bližší humanoidním bytostem, pro které korektní lingvistická forma výrazu robot už vypadá poněkud škrobená, protože je koneckonců (mj. i díky relativně vysokému stupni vlastní umělé inteligence) začínáme už sami považovat spíše za své umělé „parťáky”, než čistě mechanické neživotné stroje.
Od svých počátků v minulém století učinil vývoj v robotice obrovský skok kupředu a mechaničtí pomocníci usnadňují lidem práci, zejména tu rutinní a namáhavou v průmyslové výrobě v mnoha oborech. Jejich sofistikovanější kolegové už dokážou provádět i složité lékařské zákroky včetně nejnáročnějších operací, a roboti se už dostali i do vesmíru - pracují na mezinárodní kosmické stanici, skvělou práci odvedli na vzdálených kosmických tělesech - na Měsíci, na Marsu i v hlubinách vesmíru, kam se člověk ještě nedostal anebo ani nemá šanci kvůli extrémním podmínkám dostat. A v neposlední řadě se s nimi počítá jako se skutečnými pomocníky pro handicapované lidi se zdravotním postižením, vyžadující speciální lékařskou i běžnou domácí péči, nebo pro seniory. Baví naše děti, pomáhají nám řídit auta, letadla a lodě, ale pozor, mají i svou temnou stránku - naučili jsme je už také zabíjet...
** I když jsou obecně považovány za nestlačitelné, částečně stlačitelné hydraulické kapaliny, konkrétně oleje jsou - ca každých 7 MPa je stlačí o 0,5 %, ovšem jen do určité míry, dané fyzickou odolností hydraulického válce, než po jejím překročení povolí materiál.
Hydraulické a pneumatické systémy se uplatňují všude v průmyslu i technice kolem nás - bez nich by nefungovaly ani technologické vrcholy své doby jako Citroën DS 19 zvaný „žabák" s hydropneumatickým pérováním, či nadzvukový Concorde
544
