01-ทฤษฎีนิวแมติกส์

1. ทฤษฎเี ก่ียวกบั นิวแมติกส์ 1 .1 ประวัตคิ วามเป็ นมา วิชานิวแมตกิ ส์เป็นหน่ึงในจานวนวิทยาการที่มมี านานแลว้ และถกู พฒั นาอยา่ งต่อเน่ือง เช่น ตวั อยา่ ง ของการที่มนุษยร์ ู้จกั การใชล้ มอดั ไดแ้ ก่ การใช้ “ ไมซ้ างเป่ าลกู ดอก ” เพอ่ื การลา่ สตั วใ์ ชใ้ น การดารงชวี ติ ในการน้ีลมจะถกู อดั เขา้ ไปในปอดของมนุษย์ จากน้นั ทาการปล่อยลกู ดอกไปยงั เหยอ่ื ระบบนิวแมตกิ ส์ หมายถงึ ระบบทางานโดยใชอ้ ากาศเป็นตวั ส่งกาลงั ในการขบั เคล่อื นอปุ กรณ์ ทางานของเครื่องจกั รต่างๆ เช่น กระบอกสูบลม หรือมอเตอร์ลม เป็นตน้ นิวแมติกส์ (pneumatic) มาจากคาวา่ นิวมา (pneuma) เป็นภาษากรีกโบราณ หมายถงึ ลมหรือลม หายใจ ทางปรัชญา หมายถึง วิญญาณ เป็นการศกึ ษาเก่ียวกบั ลมและลมที่เคลอ่ื นที่ ลมอดั จึงเป็น พลงั งานเก่าแก่ท่ีมนุษยร์ ู้จกั นามาใชป้ ระโยชนเ์ ป็นเวลาหลายพนั ปี มาแลว้ ประมาณ 3 , 000 ปี ก่อนคริสตศ์ กั ราช มนุษยไ์ ดร้ ู้จกั วธิ ีการถลงุ แร่ ทองคา ทองแดง ดีบุก และ ใชล้ กู สูบเป่ าไฟในการช่วยถลุงแร่ ต่อมาเทซิเบียส (Ktesibios) ชาวกรีกโบราณไดส้ ร้างปื นใหญ่โดย ใชล้ มอดั เป็นตวั ส่งกาลงั เมือ่ 2 , 000 กว่าปี มาแลว้ และคนป่ าไดใ้ ชล้ มอดั เป่ าลกู ดอกจากกระบอกไม้ ไผส่ าหรับหาอาหารหรือป้ องกนั ตวั ในส่วนของการพฒั นาทางอุตสาหกรรม มกี ารคิดคน้ เครื่องมอื ใชล้ มอดั เป็นตวั ส่งกาลงั เช่น การทาเหมืองแร่ การเจาะอุโมงค์ การสร้างทางรถไฟ ก่อนปี ค.ศ. 1860 เจอร์เมน ซมั เมลเลอร์ (Grmain Soommeiller) ไดป้ ระดิษฐเ์ ครื่องเจาะหินสร้างอโุ มงคท์ ่ีเมาทซ์ ีนิส (Mt. Cenes) ประเทศ สวิตเซอร์แลนด์ นอกจากน้ีปี ค.ศ. 1927 บริษทั มาสชิเนเฟบริก เอสลงิ เจน (Maschinenfabrick Esslengen) ประเทศเยอรมนี ไดส้ ร้างรถจกั ร ดีเซลที่ใชน้ ิวแมติกสเ์ ป็นตวั ส่งกาลงั โดยใชม้ อเตอร์ชนิดดีเซลขบั เคร่ืองอดั ลมไปยงั กระบอกสูบ 2 ตวั โดยผา่ นตวั ปรับความดนั ทานองเดียวกบั แรงอดั ของเคร่ืองไอน้า แต่มปี ัญหายงุ่ ยากมากจึงไม่มกี ารสร้างรถจกั รดีเซลชนิดนิวแมติกส์ ปัจจุบนั รถจกั รดีเซลจะทางาน โดยใชไ้ ฮดรอลิกเป็นตวั ส่งกาลงั และยงั มเี คร่ืองมอื ขนาดเลก็ ท่ีใชห้ ลกั การอดั ลม เช่น คอ้ นลม เครื่องไสไม้ สวา่ น เครื่องขดั กระดาษทราย เคร่ืองเลื่อย เป็นตน้

การใชเ้ ครื่องจกั รแทนแรงคน ทาใหล้ มอดั เป็นท่ีนิยมกนั อยา่ งแพร่หลายในโรงงาน อุตสาหกรรม โดยววิ ฒั นาการจากการใชร้ ะบบการทางานงา่ ยๆ แบบธรรมดาเป็นการทางานโดย อตั โนมตั ิ เช่น เบรกลมของรถไฟ การจบั ยดึ ชิ้นงาน สายพานลาเลยี ง แขนกล (robot) และอ่นื ๆ และใน ปัจจุบนั ได้ มกี ารนาลมอดั มาใชส้ าหรับงานต่าง ๆ อยา่ งกวา้ งขวาง ไดแ้ ก่ งานการ ประกอบชิ้นส่วนในโรงงานอตุ สาหกรรม งานการบรรจุหีบห่อ งานดา้ นกระบวนการผลิตอาหาร งานเช่ือมโลหะ งานขนยา้ ยวสั ดุที่มนี ้าหนกั เบา งานพิมพ์ และงานอ่ืน ๆ อีกมากมาย 1.2 ลักษณะเฉพาะท่ีสาคญั ลกั ษณะเฉพาะท่ีสาคญั ทางนิวแมตกิ สส์ ามารถนามาเปรียบเทียบกบั ระบบไฮดรอลกิ ได้ ดงั ต่อไปน้ี 1. โดยทว่ั ไปวงจรนิวแมติกส์มีค่าความดนั ระหวา่ ง 4-7 กิโลกรัมแรง/ตารางเซนติเมตร ( kgf-cm 2 ) ซ่ึงมคี ่านอ้ ยกวา่ ความดนั ที่ใชใ้ นวงจรไฮดรอลิก ดงั น้นั จึงเหมาะสาหรับงานเบา ๆ 2. แมว้ ่ากาลงั ทางนิวแมติกส์จะมีประสิทธิผลนอ้ ยกว่ากาลงั ทางไฮดรอลกิ ในเร่ืองการควบคุม ความเร็วรอบหมุนและการหมนุ ระหวา่ งกลาง เพราะคุณสมบตั ิอดั ตวั ไดง้ ่ายของลม แต่พลงั งานนิว แมติกส์สามารถเก็บไวไ้ ดใ้ นถงั เก็บ ในกรณีของการทางานแบบเป็นช่วง อาจใชเ้ คร่ืองอดั อากาศที่มี ความจขุ นาดเลก็ แลว้ เกบ็ พลงั งาน นิวแมติกส์ไวใ้ ชง้ านหนกั ในระยะเวลาอนั ส้นั 3. ลมอดั มคี ่าความตา้ นทานในการไหลนอ้ ย จึงสามารถทางานไดเ้ ร็วกวา่ กาลงั ในระบบไฮดรอลกิ 4. พลงั งานในระบบนิวแมติกสจ์ ะถกู ส่งผา่ นท่อเพอื่ ขบั ใหก้ ลไกลทางานที่ความเร็วตอ้ งการไดอ้ ยา่ ง อิสระโดยเครื่องควบคุมความเร็ว และที่แรงขบั เคล่อื นที่ตอ้ งการโดยวาลว์ ควบคุมความดนั 5. ระบบไฮดรอลิกมกั มีการรั่วไหลของน้ามนั ซ่ึงอาจจะทาใหเ้ กิดไฟไหม้ และ/หรือ ทาใหเ้ กิดสิ่ง สกปรกข้ึน ในขณะที่ในระบบลมอดั ไมม่ ีปัญหาดงั กล่าวเกดิ ข้ึนถา้ วงจรถกู สร้างข้นึ อยา่ งถกู ตอ้ ง 6. ในโรงงานส่วนใหญ่ ลมอดั ถกู นามาใชป้ ระโยชนส์ าหรับงานอ่ืนอยแู่ ลว้ แต่สาหรับระบบไฮดรอ ลิกจาเป็นตอ้ งมชี ุดตน้ กาลงั ( Power Uint) 7. ระบบไอรดรอลกิ มีขอบเขตอุณหภูมกิ ารทางานต่า คือ ระหว่าง 60-70 องศาเซลเซียส เมื่อ เปรียบเทียบกบั ระบบลมอดั แลว้ ระบบลมอดั มคี วามสามารถในการมใชง้ านโดยท่ีอณุ หภมู ิสูงถงึ 160 องศาเซลเซียส ท้งั น้ีข้ึนอยกู่ บั การเลือกอปุ กรณ์การทางานท่ีเหมาะสม

1.3 การใช้อากาศอดั เป็ นตัวกลาง เนื่องจากระบบอตั โนมตั ิ โดยเฉพาะในระบบอตั โนมตั ิเลก็ ๆ มปี ัญหาบางอยา่ งทาใหพ้ บว่า ไมม่ ีตวั กลางการทางานใดที่สามารถนามาใชไ้ ดง้ ่ายกว่าและประหยดั กวา่ ระบบนิวแมตกิ สด์ งั น้นั ขอ้ ดี ของระบบน้ีอาจแบ่งหวั ขอ้ ไดด้ งั ต่อไปน้ี 1. อากาศมีปริมาณที่ไม่จากดั ในทุก ๆ แห่ง 2. อากาศอดั สามารถส่งผา่ นไปตามท่อไดง้ ่าย แมว้ ่าจะมรี ะยะทางไกลกต็ าม 3. อากาศอดั สามารถกกั เกบ็ ไวไ้ ด้ 4. อากาศอดั ไมม่ ีความจาเป็นจะตอ้ งส่งกลบั มา สามารถระบายทิ้งไปในบรรยากาศไดห้ ลงั จากการ ใชง้ านแลว้ 5. อากาศอดั ไม่มีความรู้สึกไวต่อความเบ่ียงเบนของอุณหภูมิ ซ่ึงทาใหก้ ารทางานมี ความแน่นอนสูง แมว้ า่ จะอยใู่ นสภาวะ อณุ หภมู สิ ูงมาก ๆ ก็ตาม 6. อากาศอดั ไม่เกิดการระเบิดง่าย ดงั น้นั จึงไมม่ คี วามจาเป็นตอ้ งมีอุปกรณ์พเิ ศษราคาแพงอนื่ ๆ เพ่อื ใชป้ ้ องกนั การระเบดิ 7. อากาศมีความสะอาดในระดบั หน่ึง ซ่ึงมีความสาคญั มากโดยเฉพาะในกรณีอุตสาหกรรมที่ เก่ียวกบั อาหาร การทอผา้ ผา้ ขนสตั ว์ และเคร่ืองหนงั 8. ชิ้นส่วนของการทางานสาหรับอากาศอดั เป็นแบบง่าย ๆ และมีราคาถกู ในการสร้าง 9. อากาศอดั มีความเร็วสูง ดงั น้นั อตั ราความเร็วของการทางานจะสูงดว้ ย 10. ความเร็วและแรงของอุปกรณ์ทางานในระบบนิวแมติกส์ สามารถปรับแต่งไดต้ ามตอ้ งการ 11. เครื่องมือและอุปกรณ์ทางานระบบนิวแมตกิ ส์ สามารถป้ องกนั งานเกนิ กาลงั ได้ 12. การเคลอ่ื นท่ีในทางตรง สามารถทางานไดโ้ ดยตรง นอกจากขอ้ ดดี งั กล่าวมาแลว้ น้นั ระบบที่ใชอ้ ากาศอดั กม็ ีขอ้ เสียเช่นเดียวกนั ดงั ตวั อยา่ ง ดงั ต่อไปน้ี 1. อากาศอดั เป็นตวั กลางที่ค่อนขา้ งแพงเมอ่ื เปรียบเทียบกบั การแปลงของพลงั งานอ่นื ๆ (อยา่ งไรก็ ตามจะถกู ชดเชยจากราคาของอปุ กรณ์ที่มรี าคาถกู และเป็นแบบง่าย ๆ) 2. อากาศอดั ตอ้ งการสภาวะแวดลอ้ มท่ีดี ตอ้ งไมม่ ฝี ่ นุ หรือความช้ืน 3. เป็นไปไดย้ ากทจ่ี ะไดค้ วามเร็วของกระบอกสูบใหม้ ีค่าคงที่สม่าเสมอ 4. อากาศอดั จะประหยดั เฉพาะท่ีใชแ้ รงขยายถึงจุดหน่ึงเท่าน้นั โดยปกติแลว้ ใชค้ วามดนั ท่ี600 kPa (6 bar) ขอ้ จากดั ของแรงอยทู่ ่ีประมาณ 20,000-30,000 นิวตนั ข้ึนอยกู่ บั ความเร็วและระยะทางที่ ทางาน ถา้ ตอ้ งการแรงมากกว่าน้ีควรใชร้ ะบบไฮดรอลิก 5. การระบายออกของอากาศมเี สียงดงั (ปัจจุบนั มีทางแกไ้ ขคือ ใชอ้ ุปกรณ์เก็บเสียง ( silencer) )

6. ละอองของน้ามนั ผสมกบั อากาศ ที่ใชส้ าหรับหล่อลน่ื ในระบบนิวแมติกส์จะถกู ระบายออกสู่ บรรยากาศ ทาใหเ้ กิดมลภาวะ (ปัจจุบนั สามารถหลกี เลี่ยงได้ โดยใชอ้ ุปกรณ์ชนิดท่ีไมต่ อ้ งการสาร หล่อลื่น (non-lubricated) ตารางท่ี 1.1 เปรียบเทียบระบบนิวแมตกิ ส์กบั ระบบไฮโดรลิก ระบบนิวแมตกิ ส์ ระบบไฮดรอลกิ 1. ความดนั ใชง้ านประมาณ 6 บาร์ (bar) ไม่เกิน 1. ความดนั ใชง้ าน 60 บาร์ (bar) ถา่ ยทอดกาลงั 10 บาร์ (bar) ถ่ายทอดกาลงั งานไดน้ อ้ ย งานไดม้ าก 2. ลมอดั มกี ารยบุ ตวั เมอื่ มอี ณุ หภมู เิ ปลยี่ นหรือ 2. น้ามนั มีความหนาแน่นมากกว่า โอกาสยบุ ตวั ถกู แรงกด ทาใหก้ า้ นสูบเคล่ือนท่ีไมส่ มา่ เสมอ มนี อ้ ย 3. ลมอดั สะอาดไม่ตอ้ งมีท่อไหลกลบั 3. อาจมกี ารร่วั ไหลของน้ามนั ทาใหเ้ กิด อนั ตรายไดแ้ ละมที ่อไหลกลบั ลงถงั 4. อปุ กรณ์มีขนาดเลก็ ราคาถกู 4. อุปกรณ์มีขนาดใหญ่ ราคาแพง 5. ไม่เกิดอนั ตราเมอื่ เกดิ อุบตั ิเหตุ เพราะลมอดั 5.เมอ่ื เกิดอุบตั ิเหตุจากท่อแตกและเกิดอนั ตราย ไมต่ ิดไฟและไม่ระเบิด มากเพราะน้ามนั ไฮดรอลิก ติดไฟได้ 6. อณุ หภมู ิใชง้ านสูง ประมาณ 160 องศา 6. อุณหภมู ใิ ชง้ านไม่เกิน 70 องศาเซลเซียส เซลเซียส 7. ตอ้ งมอี ปุ กรณ์ช่วยผสมน้ามนั หลอ่ ลนื่ 7. อปุ กรณ์หล่อล่นื ดว้ ยตนเอง ตารางท่ี 1.2 เปรียบเทียบระบบนิวแมตกิ ส์กบั ระบบไฟฟ้ า หวั ข้อเปรียบเทยี บ ระบบนวิ แมตกิ ส์ ระบบไฟฟ้ า เคร่ืองกาเนิดไฟฟ้ า ตน้ กาลงั เคร่ืองอดั อากาศหรือคอมเพรสเซอร์ สวิตช์ รีเลย์ อปุ กรณ์ควบคุม วาลว์ ควบคุมทิศทาง วาลว์ ปรับอตั ราการไหล วาลว์ มอเตอร์ไฟฟ้ า หลอดไฟ ควบคุมความดนั สายไฟ อุปกรณ์ทางาน กระบอกสูบ มอเตอร์ลม อุปกรณ์ส่งกาลงั ท่อลม

1.4 ส่วนประกอบของระบบนิวแมตกิ ส์ 1. ตน้ กาลงั คือ มอเตอร์หรือเคร่ืองยนต์ 2. เคร่ืองอดั อากาศ (compressor) ทาหนา้ ท่ีเปลีย่ นพลงั งานไฟฟ้ าเป็นพลงั งานแรงดนั (ลมอดั ) ที่มี ความดนั สูง 3. เครื่องระบายความร้อนลมอดั (heat exchange) ทาหนา้ ที่ระบายความร้อนลมอดั ก่อนนาไปใช้ งาน เนื่องจากอากาศ ที่ถกู อดั ใหม้ คี วามดนั สูงจะทาใหอ้ ณุ หภมู ิอากาศสูงข้ึนตามไปดว้ ย 4. เครื่องกรองลมท่อส่งลมอดั (main air filter) ทาหนา้ ท่ีกรองลมอดั ก่อนนาไปใชง้ าน เน่ืองจาก อากาศมีความช้นื และ ฝ่ นุ ละออง 5. ถงั เกบ็ ลมอดั ทาหนา้ ท่ีเก็บกกั ลมที่ทาการอดั และจ่ายลมออกดว้ ยความดนั สมา่ เสมอ 6. เครื่องทาอากาศแหง้ (air dryer) ทาหนา้ ท่ีกาจดั ความช้ืนออกจากลมอดั ป้ องกนั การเกิดหยดน้า กลน่ั ตวั ในระบบซ่ึงจะทาความเสียหายใหอ้ ุปกรณ์อน่ื ได้ 7. อุปกรณ์กรองลม (air filter) ทาหนา้ ที่คลา้ ยเคร่ืองกรองลมท่อส่งลมอดั 8. ชุดควบคุมและปรับคุณภาพลมอดั (service unit) ติดต้งั ใกลก้ บั อปุ กรณ์ทางานหรือเคร่ืองจกั ร เพ่อื กรองความช้ืน ปรับความดนั ของลมอดั และผสมน้ามนั หลอ่ ลืน่ ก่อนใชง้ าน ประกอบดว้ ย 1. อปุ กรณ์กรองลม (air filter) ทาหนา้ ที่กรองลมใหส้ ะอาดและดกั ความช้ืน 2. อปุ กรณ์ควบคุมความดนั ลมอดั (pressure regulating value) ทาหนา้ ที่รักษาความดนั ใชง้ าน ใหอ้ ยคู่ งท่ี ถึงแมค้ วามดนั ตน้ ทางจะเปลยี่ นแปลง 3. อุปกรณ์ผสมน้ามนั หลอ่ ลืน่ (oil lubricator) ทาหนา้ ที่ผสมน้ามนั หล่อลื่นใหก้ บั ลมอดั เพ่อื ป้ องกนั การเสียดสีของ อปุ กรณ์ทางานที่มีการเคล่อื นท่ีในระบบ 9. อปุ กรณ์ควบคุมทิศทางลมอดั ไดแ้ ก่ วาลว์ ชนิดต่างๆ ทาหนา้ ที่เปลี่ยนทิศทางการเคล่ือนที่หรือ เปลยี่ นทิศทางการทางานของระบบ ประกอบดว้ ย 1. วาลว์ ควบคุมทิศทาง ทาหนา้ ท่คี วบคุมลกู สูบเคลื่อนท่ีเขา้ หรือเคลอ่ื นท่ีออก 2. วาลว์ ปรับความเร็ว ทาหนา้ ที่ควบคุมลมอดั ใหม้ ปี ริมาณมากนอ้ ยตามตอ้ งการ ทาใหล้ กู สูบ เคล่ือนที่ชา้ หรือ เร็ว ไดแ้ ก่ วาลว์ ปรับอตั ราการไหลและวาลว์ คายไอเสีย 10. อุปกรณ์ทางาน (working element) ทาหนา้ ที่เปลีย่ นพลงั งานแรงดนั (ลมอดั )เป็นพลงั งานกล ไดแ้ ก่ กระบอกสูบ มอเตอร์ลม 11. อปุ กรณ์เกบ็ เสียงหรือตวั เกบ็ เสียง (air silencer) ทาหนา้ ที่กรองสียงลมหรือเกบ็ เสียงลมอดั ที่ออก จากรูระบายลมท้ิงไมม้ ีเสียงดงั