Пневматични цилиндри
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8, 2010
Характеристики и приложни специфики на позиционни сензори за пневмоцилиндри
В предишен брой на сп. Инженеринг ревю стартирахме обширната тема за пневматичните цилиндри, запознавайки с конструкцията им, с използваните уплътнения и схеми за демпфериране. В настоящата статия са разгледани някои монтажни специфики и специфики на използвани позиционни сензори.
Пневматичните цилиндри са много уязвими на странични натоварвания, особено в напълно изтеглено положение. На фиг. 1 е показан цилиндър, завършил пълния си ход от 30 cm, който е странично натоварен с товар 5 kg. Между буталото и водещата втулка остава обикновено около 1 cm. Много лесно може да се пресметне от съотношението на дължините, че буталото, съответно и уплътненията му, са натоварени със 150 kg, което би довело до значително увеличаване на износването. Описаният ефект би могъл да бъде ограничен чрез използване на цилиндър с по-голям ход, който е ограничен от вътрешно разположена ограничителна втулка. Например намаляването на натоварването върху буталото би било много сериозно - само около 5 kg срещу 150 kg, ако се използва цилиндър с ход 60 cm, ограничен с втулка на 30 cm. Обикновено производителите дават достатъчно подробни препоръки за избора и специфицирането на подобни цилиндри.
Механично заключване на пръта
Пневмоцилиндърът може да се поръча с допълнително устройство за механично заключване, което при отпадане на захранването с въздух фиксира неподвижно буталния прът.
На фиг. 2 е показано съвременно заключващо устройство, което представлява нормално затворен механизъм. При липса на управляващо налягане, двете челюсти А, притискани от пружината В, блокират движението на буталния прът и в двете посоки. При подаване на налягане, специално профилираното бутало разтваря челюстите.
Пневмоцилиндри с незавъртащо се бутало
В повечето приложения на пневмоцилиндри е допустимо свободното завъртане около оста на буталото и буталния прът, както и установяването им в произволна ъглова ориентация, в съответствие с позицията на задвижваното устройство. В случаите, когато това е недопустимо, се използват пневмоцилиндри, които запазват ъгловата ориентация на буталния прът. Съществуват различни технически решения на проблема.
Най-широко се използват т. нар. външни направляващи. Устройството би могло да се присъедини към капаците на стандартните цилиндри, което е сериозно предимство. В допълнение на основната функция, направляващите се използват и в случаите на съществени странични натоварвания на буталния прът, когато се налага въвеждане на допълнителна опора.
Друга възможност е използването на триъгълен, квадратен, шестостенен, двустранно плоско скосен или друг бутален прът с подходяща форма. Водещата втулка в предния капак съответства точно на профила на пръта и по този начин предотвратява завъртането по оста му.
За осигуряване срещу превъртане и поемане на по-значителни странични натоварвания се произвеждат цилиндри с два или три бутални пръта. Съществуват и цилиндри с овална форма на напречното сечение.
Позиционни сензори за пневмоцилиндри
В редица приложения често се изисква генериране на сигнал, в момента в който буталото достигне определена позиция по дължината на хода. Прави се с цел управляващата система да даде ход на следващата операция. Тази позиция може да бъде някое от крайните положени на хода или произволна точка между тях. Съществуват няколко начина за реализация на посоченото изискване.
Традиционното и все още широко използвано решение е буталният прът да задейства микропревключватели или пневматични клапани. Те са сравнително евтини и характеристиките им (бързодействие, хистерезис, повторяемост) са адекватни на изискванията, поставяни към повечето приложения. Недостатъците им са експлоатационни: изискват механичен контакт с подвижна част, работата им е свързана със значително износване, необходима е периодична пренастройка, експлоатационният им живот е сравнително кратък.
Релета за налягане
Друг метод включва използването на релета за налягане. Сензорите за налягане са свързани директно към присъединителните отвори на цилиндъра и следят противоналягането в изпускателната му линия. При спиране на буталото противоналягането пада рязко и устройството формира съответен изходен сигнал: пневматичен, електрически или електронен. Тези сензори реагират по-скоро на скоростта на движение, отколкото на действителната позиция на буталото. Затова са подходящи само за регистриране на крайните положения. Техен недостатък е обстоятелството, че работят ненадеждно при малки скорости на движение на буталото.
Магнитни сензори
През последните години все повече се използват т.нар. магнитни сензори. Повечето производители вграждат в буталото във вид на стандартно изпълнение постоянен магнит, най-често под формата на пръстен. Създаденото магнитно поле преминава през немагнитната цилиндрова тръба, движи се заедно с буталото и се улавя от сензорите, монтирани външно върху корпуса на пневмоцилиндъра на желаното място от хода.
Приложение са намерили основно два типа магнитни сензори. Първият тип обхваща т. нар.
Рид контакти
В херметичен, немагнитен корпус (най-често стъклена ампула) се намира контакт, който е нормално отворен или нормално затворен. При доближаване на магнитно поле контактът се затваря или отваря механично и задейства съответна електрическа верига. Повечето позиционни сензори разполагат с вграден в тялото LED-индикатор или друга светлинна сигнализация. Този тип устройства работят еднакво добре и с постоянен, и с променлив ток. Рид контактите представляват механични устройства, които при подходящо използване се отличават с дълъг експлоатационен живот. Сред предимствата им са висока чувствителност, способност да превключват при високи напрежения, ниска цена и добра повторяемост. Като техни недостатъци се посочват малкото бързодействие и относително големият хистерезис.
Съществуват и пневматични рид контакти, характерно за които е, че магнитът в буталото не включва електрическа верига, а отваря миниатюрен пневматичен клапан.
Сензори на Хол
Вторият тип сензори са изцяло електронни безконтактни устройства, в конструкцията на които отсъстват подвижни елементи. По-старото техническо решение включва т. нар. магнитно-индукционни сензори, които имат много добри характеристики, но се отличават със сравнително висока цена. Най-широко приложение в момента намират сензорите, основаващи се на ефекта на Хол - познати са като сензори или датчици на Хол.
За обяснение за ефекта на Хол може да се използва следната схема. Използва се полупроводникова пластинка, през която протича постоянен електрически ток. Следователно възниква разлика в потенциалите на страните на пластинката, към които не е подадено напрежение. Тази потенциална разлика се отчита и се усилва. Тя е правопропорционална на напрегнатостта на външното магнитно поле.
Основни предимства на датчиците на Хол спрямо индуктивните сензори са бързодействие и висока надеждност. Основен техен недостатък е зависимостта между характеристиките им и температурата. Затова редица сензори разполагат с вградена температурна компенсация.
Сред най-широко използваните сензори на Хол са линейните датчици. Те измерват непрекъснато текущото положение, например на буталото. Изходният сигнал е правопропорционален на интензитета на магнитното поле. Друг вид датчици на Хол - т.нар. сензори - превключватели, представляват линейни сензори с променена електроника - те генерират изходен сигнал, само когато магнитното поле надвиши определен праг. Това е причината и те да се използват за крайни изключватели.
Сензорите се монтират към пневмоцилиндъра по различни начини в зависимост от конструкцията му. Сензорите се предлагат с широк набор от аксесоари и адаптери, и обикновено могат да се монтират безпроблемно върху пневмоцилиндрите на всички водещи производители.
В последните години за масово приложение все по-широко се използват магнитно-резистивни сензори
Те се отличават със сериозни предимства, включително много малки размери, невисока цена, голямо бързодействие, отлична повторяемост и много малък хистерезис. Пазарният дял на този вид сензори се увеличава бързо и това ще бъде основна тенденция в областта.
Друг вид сензори са преобразувателите за преместване, които непрекъснато измерват хода на буталото и го преобразуват в електрически сигнал, който се подава към системата за управление. Те могат да се разделят в две групи - абсолютни и инкрементални сензори. Аналоговите сензори (абсолютен тип) генерират непрекъснат изходен сигнал. Групата им е много обширна. В нея попадат потенциометрични сензори, индуктивни преобразуватели, магнитостриктивни устройства и капацитивни сензори. Характерен за цифровите сензори (инкрементален тип) е дискретният изходен сигнал. Този тип устройства обхващат енкодер и магнитостриктивен сензор. Важна разлика е, че инкременталните сензори обикновено изискват повторна инициализация след отпадане на захранването чрез връщане на изпълнителния механизъм в изходна позиция. А в редица приложения това не е приемливо.
Основни характеристики, определящи избора на вид сензор за преместване, са: допустима скорост на движение, обхват на измерване, надеждност и цена.
Потенциометричните сензори
са най-елементарните устройства за измерване на премествания. Принципът им на действие е добре известен. Произвеждат се в два варианта - за вътрешен и външен монтаж. На фиг. 3 е показан пневматичен цилиндър с вътрешно монтиран сензор. Тези устройства са широко използвани поради малките си размери, ниската цена, лесната интеграция към различни конструкции цилиндри и др. Основните им недостатъци са характерни на всички контактни сензори - износване, допълнително триене и др.
Вижте още от Автоматизация
Новият брой 2/2025
