EN Новости приводной техники
и промышленной автоматизации
Всероссийский инженерный портал

ПНЕВМОПРИВОДЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МАССИВНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Вы можете прочитать Часть 1 данной статьи, перейдя по ссылке:

http://privod.news/news/stati/pnevmatika/kamotstsi-pnevmatika-pnevmoprivodi-dlya-upravleniya-massivnimi-obektami/

ЧАСТЬ 2.

В предыдущей статье мы говорили о влиянии инерции на характер скорости движения пневмоприводов. В решении таких задач требуется как учитывать влияние массы объекта как на этапе разгона и стабилизации скорости движения, так и уделять особое внимание плавности торможения в конце хода. Естественными диссипативными силами для снижения энергии движения являются силы сухого и вязкого трения в самом цилиндре (их значение мало), а также сила трения скольжения перемещаемого по поверхности объекта, ее значение также может быть невелико, что усложняет процесс торможения. Однако при определенных настройках и синтезе энергетических параметров привода цилиндры и управляющая аппаратура из стандартного каталога пневматики могут решать задачи, находящиеся за границей осязаемых возможностей приводов и их промышленных применений.

Решение 1. Использование стандартных цилиндров

Рассмотрим пример повышения быстродействия системы, где, используя стандартный цилиндр с диаметром поршня 50 мм, за минимальное время необходимо переместить на полный рабочий ход 250 мм объект массой 300 кг перейти по ссылке. Движение происходит в горизонтальной плоскости по направляющей с подшипниками качения и низким коэффициентом трения, расход силового распределителя Q1 равен 400 Нл/мин. Фазовый портрет желаемой системы представляет собой перевернутую параболу, где 50% рабочего хода длится разгон и 50%  хода – торможение. При разгоне больших масс график скорости имеет колебательный затухающий характер, при этом первая половина периода синусоиды характеристики скорости близка к желаемой параболе. Амплитуды затухающих колебаний будут тем больше, чем больший расход Q2 обеспечивает дроссель на выхлопе (рис. 1). При этом регулировка дросселя важна не для того, чтобы обеспечить максимальную или среднюю скорость движения, -  она помогает получить минимальную скорость в нижнем экстремуме в момент, когда поршень цилиндра достигает точки, где втулки на поршне входят в зацепление с тормозными манжетами и начинается зоны торможения, назовем ее точкой А. При расходах дросселя Q2 250 и 200 Нл/мин скорость цилиндра в точке начала работы системы внутреннего торможения недопустимо высока и составляет 710 и 500 мм/сек. При расходах дросселя 40 и 50 мм/сек скорости в момент достижения той же точки А малы, однако время полного хода недопустимо велико, а колебания скорости приводят к вибрациям оборудования. Наилучшая характеристика скорости может быть получена при расходе дросселя 140 Нл/мин, где скорость в точке А уже невелика и составляет 200 мм/сек, при этом выполняются требования к сокращению времени рабочего хода до 900 мс. 

Рис. 1

Взяв за основу полученную характеристику скорости, настроим интенсивность торможения с помощью винта в крышке цилиндра. При расходе в канале тормозного винта 40 Нл/мин и менее будет наблюдаться недопустимый пневматический отскок поршня цилиндра, при расходе 70 Нл/мин скорость достигнет нуля и снова начнет расти. Расход 90 Нл/мин  позволяет получить удовлетворительный процесс торможения инерционной массы 300 кг, при этом скорость в момент удара поршня в крышку не превысит 80 мм/сек.

Рис. 2

На практике для решения задач повышения быстродействия приводов с массивными объектами часто приходится согласованно перенастраивать основной дроссель и дроссель тормозного канала для получения наилучшего процесса регулирования. 

Решение 2. Цилиндры с автоматической настройкой системы торможения

Этого не требуется в новой серии миницилиндров  –  Серии 23 с автоматической системой настройки интенсивности торможения в конце хода (рис. 3) перейти по ссылке.  Благодаря запатентованной технологии процесс торможения всегда оптимален и не требует отладки в широком диапазоне масс объектов и скоростей движения, поэтому в крышках этого цилиндра отсутствуют  регулировочные винты. Такое решение позволяет исключить необходимость перенастройки системы торможения в процессе эксплуатации цилиндра при возможных изменениях  давления питания или при возрастании силы трения. Исключены и возможные ошибки некорректной настройки, связанные с человеческим фактором.

Эта серия доступна в размерном ряде с диаметрами поршня  16, 20 и 25 мм и рабочим ходом до 500 мм и выполнена в соответствии со стандартом присоединений ISO 6432. В момент торможения цилиндр сохраняет плавность движения и гарантирует безударную остановку, гасит вибрации и шум, что, в свою очередь, обеспечивает высокую надежность и высокую производительность в течение всего времени эксплуатации.  Данная система основана на применении особых втулок с точно выверенными по размеру и расположению отверстиями и позволяет пневмоцилиндру автоматически подстраиваться под различные комбинации скоростей и перемещаемых масс перейти по ссылке.

Рис. 3

Во время свободного хода сжатый воздух, содержащийся в полости (А), проходит через манжету (B) и сбрасывается через порт (C). Когда тормозная втулка (D) достигает манжеты (B), сжатый воздух из полости (A) проходит в начале через отверстия (E) и только потом сбрасывается через порт, воздушная подушка вызывает процесс торможения. При дальнейшем движении поршня (F) отверстия (E) один за одним перестают участвовать в сбросе сжатого воздуха, тем самым понижая расход через тормозную втулку (A), плавно изменяя величину торможения. Движение поршня (F) заканчивается, когда тормозная шайба (H) упирается в крышку (G).  Наличие тормозной шайбы позволяет погасить оставшуюся кинетическую энергию без шума и вибраций.

Решение 3. Гидроамортизаторы

Эффективным средством торможения и демпфирования колебаний скорости в конце хода являются гидроамортизаторы (рис. 4) перейти по ссылке. Они обеспечивают безударную и бесшумную остановку автоматически без настройки коэффициента демпфирования и являются самокомпенсирующимися, возвратная пружина в корпусе восстанавливает положение штока для следующего цикла торможения.  Это приводит к повышению производительности оборудования и увеличению его срока службы, снижению расходов на его ремонт, снижению шума и вибраций. Гидроамортизаторы способны исключать удар на скоростях от 0.3 до 5 м/с для объектов массой от 6 до 270 кг и гасить энергию удара до 147 Нм при работе с частотой от 10 до 80 циклов в минуту.

      

          Рис. 4

Определение размеров гидроамортизаторов Серии SA сводится к простым инженерно-физическим расчетам. Ключевыми исходными параметрами являются масса амортизируемого объекта , скорость привода в момент достижения точки установки гидроамортизатора , сила, воздействующая на объект в направлении его движения , количество циклов за час . На примере решения двух типовых задач механики рассмотрим подход к правильному выбору этих устройств.

В первом примере рассматривается случай, когда требуется остановить груз, движущийся по конвейеру (рис. 5). Масса груза , скорость его движения , длина торможения , количество циклов в час , коэффициент трения между грузом и поверхностью конвейера .

 

Рис. 5

Необходимо рассчитать кинетическую энергию за цикл:

Следующим шагом определяется работа движущей силы:

где  – движущая сила цилиндра при прямом ходе.

Полная энергия за цикл, равная сумме кинетической энергии и работы движущей силы, это первый параметр, значение которого будет сравниваться со значением, приведенным в каталоге Camozzi. Формула расчета:

Далее необходимо вычислить полную энергию за час:

На последнем шаге вычисляем значение приведенной массы и используем его для сравнения с данными каталога:

Технические характеристики амортизаторов из каталога необходимо выбирать по значению большие, чем полученные расчетные значения:

Исходя из проведенных расчетов и сравнения делаем вывод, что для решения поставленной задачи необходимо выбрать модель амортизатора SA-0806. Этот выбор также удовлетворяет требованиям по максимальному количеству циклов в минуту  и ходу демпфирования .

Второй пример – остановка поворотного стола (рис. 6). В данном примере масса груза  , угловая скорость , внешний крутящий момент , радиус относительно оси вращения , радиус от оси вращения до оси  гидроамортизатора  . Рабочий ход гидроамортизатора , количество циклов в час .

Рис. 6

Определяем момент инерции, который возникает при вращении массы груза относительно вертикальной оси вращения:

Определяем кинетическую энергию за цикл:

Далее определяем угол приложения силы  в момент контакта груза с гидроамортизатором:

Полная энергия за цикл равна:

По известной формуле рассчитываем полную энергию за час:

Скорость в момент удара находим по формуле:

В конце вычисляем значение приведенной массы:

Технические характеристики амортизаторов из каталога необходимо выбирать по значению большие, чем полученные расчетные значения:

По расчетным данным выбираем модель гидроамортизатора SA-2015. В каталоге Camozzi перейти по ссылке вы найдете и другие примеры расчета гидроамортизаторов для линейных и угловых перемещений объектов в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Решение 5. Многоступенчатое торможение

Еще один способ плавно и безударно останавливаться в конце хода – двуступенчатая система торможения, реализованная в самом цилиндре (рис. 7). Удлинённая тормозная втулка в два этапа входит в рабочие зоны двух тормозных контуров, каждый раз в нижнем экстремуме ниспадающей синусоиды скорости. Подобные приводы Camozzi интегрирует в вагоны метрополитена, где для минимизации простоя состава на станциях важна скорость закрывания массивных дверей и их безударный останов.  Такие цилиндры не являются стандартными, как правило, они проектируются и поставляются уже с преднастроенными параметрами торможения для встраивания в серийно выпускаемые станки,  технологические машины и транспорт.

Рис. 7

Решение 6. Схемотехника

Альтернативой конструктивному изменению цилиндров может являться изменённая принципиальная схема привода и дополнительный алгоритм управления торможением. Многоступенчатое торможение можно реализовать, используя сигнал с датчика, установленного на цилиндре в точке начала первой фазы торможения. Этот сигнал служит условием для переключения вспомогательного распределителя, активизирующего сброс воздуха через дроссель с меньшей пропускной способностью. Вторая фаза торможения реализуется системой внутреннего торможения самого цилиндра (рис. 8а.)

              

Аналогичная схема, но не требующая установки датчиков (рис. 8б), включает на выхлопе систему «дроссель-полость-дроссель». Дроссель Д1 настраивается на требуемую технологическую скорость основной фазы рабочего хода. Дроссель Д2, связывающий промежуточный ресивер с атмосферой, должен обеспечивать в разы меньшую пропускную способность. Объем ресивера Р выбирается меньшим, но соразмерным с объемом опустошаемой полости пневмоцилиндра. Цилиндр необходимо использовать без средств внутреннего торможения или самостоятельно демонтировать тормозные манжеты.  Таким образом имитируется увеличение «мертвого» объема полости цилиндра. В основной фазе движения воздух из опустошаемой полости цилиндра заполняет полость ресивера, объем полости цилиндра уменьшается, а давление в полости ресивера растёт, создавая нарастающее сопротивление движению, тем самым снижая расход дросселя Д1, который зависит не только от площади его внутреннего канала и давления на входе – в полости цилиндра, но и от давления на выходе – в полости ресивера Р. Когда остаточный ход цилиндра становится мал, а давление в ресивере приблизилось к давлению в полости цилиндра, расход через дроссель Д1 линейно стремится к нулю, тогда влияние последнего дросселя Д2 в системе становится более существенным, привод продолжает движение, плавно притормаживает и останавливается.

Схемы на рисунках 8в и 8г близки с точки зрения физического эффекта. В прошлой статье мы говорили о том, что при разгоне больших масс за счет инерции в полости сброса возникает дополнительная компрессия воздуха. Схемы позволяют вернуть в магистраль питания избыточно высокое давление (рис. 8в), открыв распределитель перекачки по сигналу с датчика, или сбросить его в атмосферу (рис. 8г)с помощью регуляторов сброса давления Серии VMR перейти по ссылке, работающих по принципу регулируемого обратного клапана и обеспечивающих сброс в атмосферу, если давление в полости превысило давление настройки (рис. 9).

Рис. 9

В некоторых задачах, когда доминирующее влияние на характер торможения оказывает скорость движения объекта, а масса его сравнительно мала, то силовой распределитель структуры 5/2 целесообразно заменить на сдвоенный распределитель структуры 2х3/2 (рис. 10) перейти по ссылке. Это позволит в завершающей фазе движения кратковременным управляющим импульсом связать полость сброса с магистральным давлением, притормозив объект пневматической пружиной.

Рис. 10

Решение 7. Пропорциональное регулирование

Совершенным способом управлять скоростью движения массивного объекта является установка пропорционального распределителя, способного воспроизводить желаемый расход на сброс в атмосферу согласно входному электрическому сигналу перейти по ссылке. Этот дистанционно управляемый дроссель может обеспечить любой как линейный, так и нелинейный вид регулировочной характеристики, т.к. это уравнение в программе ПЛК зависимости площади эффективного сечения регулятора от координаты или от времени с эмпирически подбираемыми коэффициентами.   При этом, выбирая пропорциональный распределитель с большой пропускной способностью, можно задать вид характеристики скорости не только на этапе плавного безударного торможения, но и на этапах разгона и движения с желаемой скоростью (рис 11).

Рис. 11

Пропорциональные распределители все более активно интегрируются в российские производства, и их номенклатура в каталоге Camozzi непрерывно растёт, совершенствуются статические характеристики и развиваются электрические и цифровые интерфейсы связи с ПЛК (рис. 12).

Рис. 12

В этой и предыдущей статье описана лишь часть возможностей управления массивными объектами с помощью пневматических приводов. Отдельного внимания заслуживает номенклатура  электрических линейных приводов Camozzi, априори являющихся более жесткими системами и  обладающих существенно более высокими динамическими свойствами, которые важны при быстрых перемещениях больших масс.  Технический центр Камоцци обладает не только практическими навыками в выборе типа привода и его оптимальной структуры, но и программами моделирования, способными с высокой точностью проводить компьютерные эксперименты, моделируя работу пневматических и электрических приводов в составе Вашего оборудования без его останова и переналадки,  верифицировать параметры приводов, оптимизировать алгоритмы управления ими, совершенствовать текущую технологию или вместе с Вами развивать решения нового поколения, минимизируя состав и  стоимость аппаратных  компонентов и повышая производительность технологических узлов Ваших автоматических линий.

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