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
