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Aus Raspberry Pi Geek 12/2018

RasPi steuert Halloween-Geister

© wklzzz, 123RF

Unter Kontrolle

Martin Mohr

Traditionell stellen wir alljährlich ein selbst gebautes Halloween-Gespenst vor. Die pneumatischen und elektronischen Grundlagen erklärt dieser Artikel.

Dieses Jahr kommen im Halloween-Projekt wenig bekannte, aber interessante Komponenten zum Einsatz. Dieser Artikel beschreibt, wie Sie mithilfe von komprimierter Luft, also Pneumatik, ein Skelett zum Leben erwecken. Richtig spannend wird es aber, wenn Sie diese pneumatischen Komponenten mit elektrischen Signalen ansteuern. Das nennt sich Elektropneumatik. Als Steuerelement dient ein Pixtend-Controller, an dem ein RasPi hängt.

Pneumatik

Bei Pneumatik geht es darum, mit komprimierter Luft Aktoren zu bewegen (siehe Kasten “Unter Druck”). Diese Aktoren bestehen meist aus Zylindern, mit denen Sie eine lineare Bewegung erzeugen. Genau dies macht die Pneumatik für Bastler so interessant, denn sie ist mit elektrischen Antrieben nur schwer zu erzeugen. Sie benötigt dafür immer komplizierte Getriebe, um aus der Drehbewegung eines Motors eine lineare zu erzeugen.

Unter Druck

Bevor wir uns in die Welt der Pneumatik begeben, sollten wir uns noch einmal einige Grundlagen ansehen. Der Luftdruck ist eine der wichtigsten Größen in der Physik, ähnlich der elektrischen Spannung. Er gibt den Grad an, mit dem Luft komprimiert ist. Sie geben diesen üblicherweise in Bar, manchmal in Pascal an. Ein Bar entspricht 100 000 Pascal. Eine einen Meter hohe Wassersäule erzeugt an deren Boden näherungsweise 0,1 Bar Druck, entsprechend beträgt er in fünf Metern Tiefe etwa 0,5 Bar.

Handelsübliche Kompressoren liefern einen Druck von 8 Bar, was einer Wassersäule von etwa 80 Metern entspricht. Dass heißt, sie bauen ziemlich viel Kraft auf. Die Kraft, die ein Zylinder erzeugt, hängt ab von der Größe der Kolbenfläche und dem verwendeten Luftdruck. Je größer die Kolbenfläche, desto mehr Kraft erzeugt er.

In der Pneumatik gibt es viele unterschiedliche Komponenten. Diese haben aber alle sehr leicht verständliche Schaltsymbole. Das ermöglicht es, fast immer direkte Rückschlüsse auf die Funktionsweise des Bauteils zu ziehen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Diese Liste zeigt die Symbole pneumatischer Bauteile, die in diesem Workshop zum Einsatz kommen.

Abbildung 1: Diese Liste zeigt die Symbole pneumatischer Bauteile, die in diesem Workshop zum Einsatz kommen.

Kompressor

Der Kompressor [1] hat aus naheliegenden Gründen ein zentrale Rolle: Er erzeugt die Druckluft, die alle anderen Geräte versorgt. Fast alle Kompressoren besitzen einen Tank, um die Druckluft zu speichern. Je größer der Tank, desto seltener springt der Kompressor an, um diesen wieder mit Luft zu füllen.

Die meist im Kompressor integrierte Wartungseinheit besteht aus einer Kombination unterschiedlicher Geräte. Die Druckluft strömt als Erstes durch einen Lufttrockner. Das ist notwendig, da viele Bauelemente in der Pneumatik aus Metall bestehen. Bildet sich in diesen Kondenswasser, würden sie korrodieren.

Im Trockner befindet sich oft ein Filter, der feine Partikel, wie Staub, zurückhält. Anschließend strömt die Luft durch ein Ventil, über das Sie den Druck hinter der Wartungseinheit einstellen. Oft erzeugt der Kompressor viel höhere Drücke, als für eine Anlage nötig wären. So gleichen Sie eventuelle Verluste auf dem Weg zur Anlage aus. Außerdem springt der Kompressor so nicht zu oft an.

Die letzte Komponente der Wartungseinheit ist der Luftöler. Er erzeugt einen feinen Ölnebel in der Druckluft. Dieser Nebel ölt die dahinterliegenden Pneumatikgeräte von innen. Beachten Sie, dass hier ein spezielles säurefreies Öl zum Einsatz kommt, da andere Sorten die pneumatischen Komponenten womöglich beschädigen.

Zylinder

Die Zylinder sind die Arbeitsgeräte in der Pneumatik. Es gibt sie in einfach und doppelt wirkender Funktion. Beim einfach wirkenden Zylinder fährt ihn die Druckluft aus. Steht kein Druck an, drückt eine Feder den Kolben wieder zurück. Der doppelt wirkende verwendet für beide Bewegungsrichtungen Druckluft. Beim Ansteuern von Zylindern ist es wichtig, darauf zu achten, dass ein Ventil vorhanden ist, um den Druck abzubauen.

Achten Sie bei Zylindern darauf, für welchen Betriebsdruck sie sich eignen. Bei zu hohen Drücken nehmen sie Schaden. Fallen die Kolben ungebremst in die Endlage, verkürzt das ebenfalls die Lebensdauer. Um das zu verhindern, gibt es solche mit eingebautem Dämpfer. Diese kosten allerdings etwas mehr. Achten Sie generell darauf, die Zylinder nicht zu schnell zu betreiben; drosseln Sie den Luftstrom.

Drossel und Ventile

Mit der Drossel steuern Sie den Luftstrom. Sie erlaubt es, Zylinder langsam ein- und auszufahren. Eine einfache Drossel wirkt in beide Richtungen. Außerdem gibt es solche mit einem zusätzlichen Rückschlagventil. Achten Sie bei diesen auf die Einbaurichtung, sonst drosselt sie nicht.

Ventile gehören zu den kompliziertesten Bauelemente in der Pneumatik. Es gibt sie ebenfalls in unterschiedlichen Ausprägungen. Die Schaltbilder der Ventile zeigen auf einen Blick ihre Funktionsweise. Der Anschluss P steht immer für den Pressluftanschluss. Die Anschlüsse A und B führen zum Zylinder, R und S kennzeichnen die ausströmende Luft.

Pneumatische Ventile heißen generell X/Y-Wege-Ventil. X gibt dabei die Anzahl der Anschlüsse an, Y nennt die Anzahl der möglichen Schaltzustände des Ventils. Übliche Ausprägungen sind 3/2, 5/2 und 5/3.

Bei Ventilen ist es wieder sehr wichtig, auf den korrekten Druck beim Betrieb zu achten. Normalerweise liegt dieser zwischen 1,5 und 8 Bar. Es gibt mehrere Möglichkeiten Ventile zum Schalten zu bringen. Im vorliegenden Projekt kommen ausschließlich solche mit elektrischer Steuerung zum Einsatz.

In der Pneumatik kommt es oft vor, dass Druckluft gerade beim Schalten von Ventilen schlagartig entweicht. Um dieses laute Knallen abzumildern, sitzen Schalldämpfer an allen Anschlüssen für die Abluft.

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