Камоцци Пневматика: пневмоприводы для управления массивными объектами

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

Вы можете прочитать Часть 2 данной статьи, перейдя по ссылке:

/news/stati/pnevmatika/kamotstsi-pnevmatika-pnevmoprivodi-dlya-upravleniya-massivnimi-obektami/