EN Новости приводной техники
и промышленной автоматизации
Всероссийский инженерный портал

Камоцци Пневматика: пневмоприводы для управления массивными объектами

Задачи перемещения массивных объектов часто актуальны в промышленности. В некоторых случаях подвижное массивное тело не имеет неразрывной механической связи со штоком пневмоцилиндра, когда привод выполняет функцию, например, толкателя. Такие задачи не требуют особого подхода в проектно-конструкторской работе. Но есть класс задач, где объект управления, обладающий большой массой, неразрывно связан выходным звеном пневматического привода. Такие исполнительные цилиндры всегда относятся к категории транспортных и решают две важные задачи – противодействие внешним силам и перемещение объекта в заданную точку с требуемой скоростью, ускорением разгона и с плавным торможением в конце хода.  И производители, и потребители пневматического оборудования часто их называют «цилиндрами с демпфированием», подразумевая, что в конструкции таких цилиндров должна быть зона торможения в конце хода, которая способна существенно уменьшить или полностью свести к нулю весь запас кинетической энергии, который привод успел накопить. Торможение происходит на последнем участке движения поршня за 10… 50 мм до конца рабочего хода (длина тормозных втулок зависит от серии цилиндра и диаметра его поршня) и реализовано за счет уменьшения площади отверстия сброса воздуха в атмосферу при подходе поршня к крышке, когда тормозные втулки поршня В входят в зону работы тормозной манжеты А (рис.1). Система торможения реализована конструктивно и срабатывает автоматически, обеспечивая ступенчатое уменьшение площади сечения отверстия (канал С) для сброса воздуха в атмосферу. Регулирование положения дросселирующего винта в конструкции крышек цилиндра приводит к созданию воздушной подушки в конце хода, т.е. к увеличению давления в полости сброса воздуха и, как следствие, изменению знака ускорения и последующему уменьшению скорости.

           Рис.1

Не всегда регулировка винта способна решить задачу эффективного рассеивания кинетической энергии. При затяжке винта может наблюдаться пневматический отскок поршня с дальнейшими затухающими  колебаниями не только скорости, но и координаты поршня цилиндра. В этот момент давление в полости сброса мгновенно увеличивается в разы и десятки раз, существенно превышая допустимые для конструкции цилиндра значения. При откручивании же винта энергия превращается в удар поршня в крышку. Сила такого удара может быть существенна и в краткосрочном периоде работы приводить к разрушению или самого цилиндра, или технологического оборудования, составным элементом которого он является. В таких задачах сила инерции является добавочной силой к динамической нагрузке, а эффективность системы торможения в конце хода цилиндра ограничена значением перемещаемой массы и квадратом достигаемой в момент удара скорости.  Для того чтобы гарантировать корректную работу цилиндров, Camozzi приводит графики  для соответствующих их типоразмеров, ограничивающие массу объекта и/или его скорость (рис. 2). Приведем пример, в котором цилиндр в горизонтальной плоскости по направляющим с подшипниками качения (коэффициент трения 0,002) перемещает объект массой 100 кг со скоростью 600 мм/с. Если в этой задаче учитывать только силу противодействия движению – силу трения, то достаточно установить цилиндр самого маленького типоразмера. Но по графику видно, что потребуется цилиндр с диаметром поршня не менее 63 мм!

Рис.2

Другой пример, в котором масса объекта 500 кг и скорость движения 0.8 м/с  дают нерабочую точку даже для цилиндра с диаметром  125 мм. В таких задачах при инженерном синтезе системы «привод – массивный объект» всегда требуется особый подход. Только в упаковочной отрасли, где производительность машин всегда высока, можно выделить несколько подобных задач: привод вертикальной подачи нагревательного элемента «утюга» для запайки платинки на автоматах розлива, привод подвижной плиты матрицы термофосовочного станка до точки рубки,  привод подачи преформы в машинах выдува ПЭТ–тары и др.

Рассмотрим в качестве примера привод на базе пневмоцилиндра с диаметром поршня 50 мм и рабочим ходом 400 мм, перемещающий объект массой 50 кг. Известно, что устройством, определяющим скорость движения цилиндра, является дроссель, установленный в полость сброса воздуха в атмосферу, расход которого должен быть меньше расхода распределителя. В этой задаче расход распределителя составляет 700 Нл/мин, расход дросселя на выхлопе равен 300 Нл/мин, расход дросселя в крышке системы торможения равен 50 Нл/мин.

При выдвижении штока цилиндра (рис. 3) наблюдаются две важные проблемы – колебательность скорости на основном рабочем ходе и неспособность привода обеспечить эффективность в режиме торможения, режимы разделены вертикальной линией.

Рис. 3.

1 – скорость, м/с; 2 – ход, м; 3- давление в бесштоковой полости цилиндра, бар; 5 – давление в штоковой полости цилиндра, бар

Несмотря на то, что винт дросселя существенно затянут, и последний должен стабилизировать скорость движения, на графике в основной фазе движения видны существенные колебания скорости, привод движется рывкообразно, разгоняясь до 0.9 м/с и далее замедляясь до 0.5 м/с, пока не входит в зону торможения, где скорость резко падает до нуля и даже меняет свой вектор. В этот момент наблюдается пневматический отскок поршня, а давление в штоковой полости мгновенно достигает в первом колебании 25 бар! и во втором колебании 18 бар. Такой характер основного движения и торможения в конце хода не является допустимым как с точки зрения жизненного цикла пневмоцилиндра, так и технологического процесса, который он должен обеспечить.

Система торможения в конце хода цилиндра не всегда способна плавно гасить скорость движения и, как видно, не является средством демпфирования, т.е. средством предотвращения  или гашения колебаний скорости. Поэтому цилиндры «с демпфированием» правильно называть цилиндрами «с системой торможения в конце хода».

Проблема 1. Колебательность скорости.

Колебательность скорости пневматических приводов на основном ходе связана со сжимаемостью воздуха, где подвижный поршень и механически связанный с ним массивный объект являются маятником, подвешенным на двух воздушных пружинах, функцию которых выполняют воздушные камеры пневмоцилиндра, а с точки зрения теории управления – колебательным звеном. Жесткость пневматических цилиндров в совокупности с массой перемещаемого объекта определяют частоту, где может наблюдаться колебательный всплеск. Жесткость определяется давлением, а также геометрическими размерами цилиндра: чем выше давления в полостях, чем больше площадь поршня и чем меньше длина хода, тем цилиндр пропорционально более жесткий, а значит более управляемый и устойчивый к внешним возмущениям. По этой причине в пневматике для высокоточных следящих приводов, работающих в замкнутом контуре и перемещающих массивные объекты, есть золотое правило – диаметр поршня цилиндра должен быть не меньше половины длины его хода. Первое и, возможно, одно из самых дешевых решений стабилизации скорости основного движения – увеличение рабочего давления и диаметра поршня цилиндра.

Рассмотрим тот же пример, что был описан выше, сохранив те же параметры привода и перемещаемого объекта, но заменив распределитель, наполняющий бесштоковую полость с расходом 700 Нл/мин (рис. 4а) на распределитель с расходом 330 Нл/мин, что всего на 10% больше, чем расход дросселя на сброс из штоковой полости (рис. 4б). Рабочая характеристика скорости цилиндра на основном ходе при этом сглаживается. Избыточный расход на наполнение при управлении инерционными объектами является не только бесполезным, но и вредным возмущением, склоняющим систему к колебаниям. При этом этот расход почти не влияет на результирующее время перемещения объекта, и при переключении распределителя от него не зависит время простоя цилиндра перед стартом, когда приводу противодействует существенная внешняя сила. Второе правило – расход распределителя должен быть всего 10-20% больше расхода дросселя.

Рис 4а. 1 – скорость, м/с; 2 – ход, м                               Рис 4б. 1 – скорость, м/с; 2 – ход, м

Рассмотрим пример, где линейный пневмоцилиндр с помощью рычажной передачи управляет вращением поворотного стола, на котором расположено массивное технологическое оборудование. Несмотря на невысокую скорость вращения, размеры стола и перемещаемая масса создают существенный момент инерции. Пространство под столом в таких системах ограничено, и не всегда есть возможность установки габаритного цилиндра. Для решения задач стабилизации скорости движения применяются гидродемпферы. Эти устройства подключаются параллельно с приводом и реализуют задачу, в которой силовое движение реализует пневмоцилиндр, а скорость настраивается и регулируется винтом гидродемпфера.

Гидравлический демпфер (рис. 5) представляет собой гидравлический цилиндр с компенсирующей последовательно или параллельно закрепленной емкостью. Масло в двух полостях находится в замкнутой системе, и при движении силового цилиндра перетекает из одного резервуара в другой через регулируемый дроссель. Настройка дросселя гидродемпфера позволяет регулировать скорость пневмоцилиндра в диапазоне от 15 мм/мин до 14 м/мин. Такие устройства могут стабилизировать скорость движения и обеспечить эффективное торможение инерционных объектов с массой до 500 кг.

Рис. 5. Гидродемпферы Camozzi. Серия 43

Гидродемпферы способны сгладить возможное изменение скорости в том числе в задачах, где при движении внешняя нагрузка меняется ступенчато. Существует несколько модификаций гидродемпферов, расширяющие границы их применений. Кроме возможности выбора устройства с регулировкой скорости прямого или обратного хода (рис. 6. HI01), они могут быть снабжены пневматически управляемыми распределителями. HI03 - cхема с регулированием скорости и клапаном остановки позволяет жёстко удерживать шток цилиндра в промежуточном положении, в том числе в аварийных режимах. HI05 – схема с регулированием скорости и клапаном быстрого хода позволяет в части рабочего хода реализовать быстрое движение, а во второй части движение со стабильной скоростью, например, быстрая подача рабочего инструмента и дальнейшая реализация технологического процесса со стабильной скоростью. HI07 – схема с регулированием скорости, клапаном быстрого хода и клапаном остановки – обладает возможностями всех описанных схем. Третье правило – для реализации высокой стабильности скорости движения массивного объекта управления, для ступенчато изменяющейся внешней нагрузки при требованиях к плавности хода, для реализации медленных ползучих скоростей (от 15 мм/мин) необходимо применять гидродемпферы.

                                                                             Рис.6

Проблема 2. Плавное торможение больших инерционных масс в конце хода.

Безусловно, гидродемпферы способны не только управлять скоростью на основном ходе, но и плавно притормаживать объект в завершающей фазе движения, гася и скорость, и колебания скорости. Но что делать, когда требуется безударно и без отскоков тормозить объект со скоростей более 0.3 м/с и решать задачу более дешевыми средствами?

Для решения таких задач есть 3 способа плавного рассеивания кинетической энергии:

 - внешние амортизирующие устройства, которые ставятся в конце хода привода

 - внешние блоки управления или конструктивные изменения в самом цилиндре, делающие систему торможения многоступенчатой

 - схемотехнические решения для борьбы с колебаниями скорости за счет увеличения «мертвого» объема цилиндра и сглаживания пульсаций давления в фазе торможения.

Об этих и других решениях, предлагаемых Камоцци, мы поговорим в наших следующих публикациях.

Александр Николаевич Харченко

к.т.н., начальник Учебно-научного центра

ООО «Камоцци Пневматика»

+7 495 786 65 85

www.camozzi.ru

did.camozzi.ru

Теги

Комментарии
Пока еще нет ни одного комментария. Ваш может быть первым!
Добавить комментарий