Пневматични позициониращи системи

• Точността на позициониране е от критично значение за динамиката, качеството и производителността в редица индустриални приложения
  
  
• В съвременната индустрия се използват базирани на различни технологии за позициониране системи
  
  
• Електромеханичните, електропневматичните и сервопневматични системи демонстрират разнообразни преимущества в различни приложения

Точността на позициониране е от критично значение за динамиката, качеството и производителността в редица индустриални приложения, особено при високоскоростните системи за автоматизация на разнообразни промишлени задачи. Всяко движение в една автоматизирана последователност е необходимо да бъде максимално прецизно не само като позиция в пространството, но и като времева синхронизация.

В съвременната индустрия се използват базирани на различни технологии за позициониране решения, включително електромеханични, класически пневматични, електропневматични и сервопневматични системи. Те демонстрират разнообразни преимущества в различни приложения, а в настоящата статия ще разгледаме някои от ключовите им специфики.

Електромеханично или електропневматично позициониране

Електромеханичното позициониране е най-популярният сред изброените подходи в съвременната практика. При електромеханичните позициониращи системи (EMPS) линейни механизми, като профилирани релси, сачмено-винтови двойки или задвижвани от електромотори линейни модули повдигат, преместват и поставят компонентите на правилните места. С такива решения може да се постигне изключителна точност, но при тях са налице някои конструктивни недостатъци, които могат с времето да увеличат общите производствени разходи и да повлияят на производителността.

През последните години широка популярност добива алтернативна стратегия за позициониране, осъществявана чрез електропневматични системи (EPPS). Те използват клапани с електрическо задвижване, които управляват въздушния поток или налягането в системата, за да преместят изпълнителния механизъм до желаното местоположение.

Типични компоненти на EPPS системите са: пневматичен цилиндър, електропневматични регулатори за налягане, контролер за позиция и сензор за измерване на разстояние. Пневматичните цилиндри могат да бъдат както със, така и без бутален прът. Част от тези решения използват пропорционално управление на налягането с директно действие с цел постигане на подобрена прецизност и по-висока ефективност при позиционирането. Системите за електропневматично позициониране с управление на налягането се характеризират с по-висока точност в сравнение с конвенционалните пневматични системи и с вариантите, базирани на управление на въздушния поток.

EPPS системите превъзхождат EMPS аналозите си в редица практически сценарии. Сред преимуществата им са повишената производителност и повторяемост и по-ниските общи разходи за притежание. Преимущество на електропневматичните решения е и по-голямата свобода по отношение на дизайна, която осигуряват разнообразните възможности за монтаж и системно интегриране.

Прецизното позициониране се отнася не само до точното местоположение на крайната точка на изпълнителния механизъм в края на работния му ход, но и до точността на позицията му във всеки произволен момент и във всяка избрана точка по работната траектория в цялата автоматизирана последователност. В допълнение, за да бъде рентабилно, едно решение в сегмента е необходимо още да гарантира добро съотношение между цена и качество, както и отлична енергийна ефективност.

EMPS системите на теория покриват тези изисквания, но в рамките на дългосрочната им експлоатация се появяват различни проблеми, като прегряване и износване. Те налагат престои за охлаждане и ремонти, които могат да достигнат до цели 50% от общото им сервизно време.

Пневматичните позициониращи системи не включват механични компоненти, подлежащи на прекомерно загряване. Това позволява използването им в работен режим в 100% от времето. Те са и значително по-енергийноефективни от аналозите си, които се нуждаят от електричество за поддържане на позицията, но се рестартират при загуба на захранване.

Предимства на пневматичното позициониране

Проблемите, свързани със загуба на позицията при отпадане на захранването, не важат за пневматичните системи и в частност за вариантите, базирани на управление на въздушния поток. При тях вентил в центъра на конструкцията блокира потока и в двете посоки, а буталото на цилиндъра автоматично застава в неподвижна позиция. Ако подаването на електроенергия към системата спре, тя не се рестартира и не се допуска загуба на позицията, което прави възстановяването на работата много по-бързо и лесно. Същото важи и за позициониращите системи с управление на налягането, базирани на нормално затворени клапани.

Друго важно предимство на пневматичните компоненти е, че та са сравнително лесни и икономични за ремонтиране, а изискванията им за поддръжка са относително ниски. При счупване или износване на пневматичните цилиндри те могат да бъдат поправени или подменени с малко средства. При проблеми с електромеханичните позициониращи системи обаче често се налага закупуването на скъпо електрическо задвижване. В редица случи дори само окабеляването в една EMPS конфигурация струва повече от цяла пневматична система. Всичко това прави пневматичните решения за позициониране много по-достъпни и икономически изгодни в дългосрочен план.

В допълнение към подобрената прецизност, пневматичните системи се отличават и с по-висока надеждност. Повечето модели на пазара, комбиниращи контролни клапани, цилиндри и прости сензори, разчитат на контрол на посоката на въздушния поток за управление на позиционирането. Едно такова решение традиционно осъществява мониторинг на позицията на буталото и на база обратната връзка контролерът взема решение накъде е необходимо да бъде насочен потокът, за да се постигне желаната позиция на изпълнителния механизъм. Това се постига чрез задвижването на съответния клапан и пропускането на въздушната струя да навлезе в подходящия цилиндър, който избутва изпълнителния механизъм до точната позиция. Обръщането на посоката на клапана прибира буталото в обратна посока.

Клапаните за такава конфигурация се избират на база отвора и хода на пневматичния задвижващ механизъм. Масовият дебит на въздушния поток може да варира от 0 до 1000 литра в минута (lpm).

Въпреки множеството си предимства, технологията има и някои недостатъци, поначало присъщи на пневматичните системи. Те е трудно да бъдат идеално уплътнени, което означава, че нарастващата или периодична загуба на налягане е неизбежна.

При системите за позициониране чрез управление на посоката на въздушния поток незначителните въздушни течове причиняват леко изместване на буталото на цилиндъра. Контролерът получава обратна връзка от сензора за регистрирано движение и отговаря чрез корекция на потока с цел компенсиране на преместването на буталото. Движението напред и назад е почти незабележимо, но е постоянно и в дългосрочен план повлиява негативно точността и функционалността на системата.

Позициониране чрез пропорционално управление на налягането

Развойните инженери в сегмента непрекъснато търсят начини за преодоляване на гореописания проблем, а сред потенциалните решения са т. нар. директно действащи системи с пропорционално управление на налягането. Освен защитен от влошаване на ефективността вследствие на изтичане на малки количества въздух, един такъв дизайн се явява и значително по-ефективен в бюджетно отношение. Системата комбинира управляваща електроника с набор от стандартни пневматични клапани, цилиндри и изпълнителни механизми. Тя се различава от позициониращите решения с управление на посоката на потока основно по това, че използва директно действащи пропорционални регулатори за налягане с цел непрекъснат мониторинг и настройка на пневматичното налягане. Това, от своя страна, позволява изключително прецизно управление на позиционирането от цилиндъра.

Популярна конфигурация при EPPS системите включва два пропорционални регулатора за налягане, монтирани от всяка страна на буталото на пневматичен цилиндър. Докато едната секция поддържа постоянно налягане посредством единия регулатор, другият управлява налягането в отсрещната секция. Системата се нуждае и от контролер за електропневматично позициониране, който получава данни от регулаторите и изпраща обратно към тях аналогови сигнали със съответните команди. За целта контролерът сравнява налягането в едната с това в другата секция на системата и изчислява съотношението.

Пропорционалните регулатори прецизно и непрекъснато управляват налягането, което елиминира гореописаните негативни ефекти, свързани с компенсационно изместване на буталото, което води до по-висока и постоянна точност на позициониране. Тези компоненти позволяват контрол със стъпка в рамките на 0,1 psi (0,007 bar), както и работа с практически всякакви пневматични изпълнителни механизми.
Оценката на това с какъв механизъм би била по-прецизна и ефективна дадена система е въпрос на анализ на конкретното приложение. Правилният избор на пневматична задвижка и оптимизираната времева синхронизация на контролера правят възможно постигането на точност при позициониране от порядъка на ±1 mm.

Сервопневматично позициониране

Всяка сервоуправляема система се нуждае от контролер и устройство за получаване на данните от обратната връзка, чрез което да се извършват мониторинг за грешки при скоростта, позиционирането, силата или въртящия момент и своевременното им коригиране. Сервопневматичните позициониращи системи (SPPS) са базирани на интегрирането на пневматичен изпълнителен механизъм или цилиндър в гореспоменатия базов системен дизайн. Въпреки относителното простото си устройство, SPPS решенията се считат за иновативен подход към позиционирането в съвременната автоматизация поради множеството и многократно дискутирани предимства на сервотехнологията. Ключов елемент на една сервопневматична конфигурация е пропорционалният клапан, който прецизно регулира доставката на въздух, за да гарантира не само висока точност на позицията, но и такава при големината на силата.

Докато пневматичните позициониращи системи са широко използвано решение за стандартни задачи, по-прости и бюджетни приложения, все повече комплексни и специализирани системи в модерното производство изискват извънредно висока точност на позициониране. Най-скъпите варианти на пазара включват електромеханични изпълнителни механизми със сервоуправление. Сервопневматиката пък заема идеалната среда между конвенционалната пневматична техника и високобюджетните решения.

SPPS системите се характеризират със затворен управляващ контур, който предлага сравнително високо ниво на контрол, без да са толкова комплексни или да изискват толкова голямо капиталовложение, като електромеханичните сервоконфигурации.
Сервопневматичните решения проследяват и регулират налягането на въздуха в системата, управлявайки доставката и дебита според необходимата позиция в комбинация с прецизен контрол на силата и въртящия момент.

Един сервопневматичен цилиндър не изтласква цялото количество сгъстен въздух по време на работния си ход, което позволява редуциране на общата консумация на компресиран въздух с до 30% в сравнение със стандартните пневматични системи, които традиционно са много енергоемки. Особеност при SPPS системите обаче е, че те изискват сгъстен въздух със значително по-високо качество от този при традиционните пневматични решения, за да поддържат постоянна прецизност на позициониране.

Насоки за избор

От технико-икономическа гледна точка всички описани до тук типове позициониращи системи демонстрират отчетливи предимства в дадени приложения и не са препоръчителни за други. Електромеханичните решения, както и базираните на управление на потока електропневматични варианти предлагат висока ефективност, но когато оптималната точност на позициониране е приоритет, системите за директно пропорционално управление на налягането се доказват като по-подходящ избор.
EPPS системите са разработени като сравнително бюджетен подход към пневматичното позициониране за широк кръг от приложения в областта на автоматизацията.

Те са базирани на стандартни, масово предлагани компоненти, които са лесни за интегриране и могат лесно, бързо и икономично да бъдат подменяни с нови. При тези системи буталният прът не е необходимо да бъде свредлован, като при традиционните пневматични позициониращи решения, което позволява използването на стандартни цилиндри. Те са значително по-евтини и широко достъпни, а това намалява общите разходи и необходимото време за производство на цялостна електропневматична позиционираща система.

Макар да разчитат на електронно управление, EPPS решенията не се нуждаят от сложно програмиране. Необходимо е единствено въвеждане на аналогова команда за желаната позиция от страна на потребителя, а това пести време и ресурси.

В допълнение, електропневматичните системи са по-издръжливи от електромеханичните си аналози, тъй като дизайнът им не включва електромотори или електрически задвижвания за изпълнителния механизъм. В резултат те са подходящи и за по-взискателни приложения и агресивни среди, в които са налице екстремни температури, интензивно запрашаване, замърсяване или влага.