Файл: Курс пневмоавтоматики.pdf

11

Процедура выбора исполнительного элемента

Первым шагом выбора любого привода является определение диаметра его поршня (приведенного диаметра для поворотных, мембранных приводов, пневмомускула и т. п.), что при заданном давлении питания даст значение развиваемого усилия, равного произведению давления на площадь его действия. При этом усилия прямого и обратного хода могут быть разными, не только из-за наличия штока (площадь поршня с этой стороны меньше), возвратной пружины и других конструктивных особенностей, но и из-за различной настройки давления. Путь перемещения нагрузки определяет рабочий ход привода. Как правило, диаметр поршня и ход указываются в обозначении каждого привода в миллиметрах, друг за другом.

Если цилиндр имеет большой ход, необходимо проверить шток на устойчивость, а при наличии боковых нагрузок или моментов – на изгиб и скручивание. Влияние боковых нагрузок и моментов можно ослабить, применив встроенную или внешнюю направляющую.

Для длинноходовых бесштоковых цилиндров необходимо предусматривать промежуточные опоры корпуса и учитывать положение прорези (например, при ходе 2 м и более прорезь должна быть направлена вниз). Все эти расчеты выполняются по известным формулам или по номограммам, приводимым в каталогах для каждого типа цилиндров.

В зависимости от скорости поршня, нагрузки и результирующей энергии при ударе выбирают тип демпфирования: упругое, пневматическое или гидравлическое. Требования к приводу в различных ситуациях, например, при потере давления в сети, могут заставить использовать привод с фиксацией крайних положений (встроенной или внешней). Часто необходимо устранить возможность проворота штока вокруг оси. Для этого можно выбрать шток квадратного сечения, цилиндр с плоским или овальным поршнем или применить направляющую. Направляющая также уменьшает отклонение штока (каретки) от оси перемещения.

Удобства монтажа и крепления нагрузки определяют выбор конструктивного типа – на стяжных шпильках, с профильным корпусом, с резьбой на крышках и т. п. Окружающие условия диктуют выбор материала, например, нержавеющая сталь для высокой стойкости к коррозии, жаропрочные, морозостойкие или допустимые в пищевом производстве уплотнения и смазка.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

12

Управляющие элементы

Любой исполнительный элемент нуждается в подводе и отводе сжатого воздуха, и эта функция выполняется пневматическими управляющими элементами или распределителями. Кроме управления (распределения) потоками сжатого воздуха, идущими к исполнительным элементам, распределители в пневматических системах также выполняют функции логической обработки сигналов (триггеры, элементы ДА, НЕТ, И, ИЛИ и другие), ввода сигналов (пневмокнопки и тумблеры, пневматические концевые выключатели и т. п.), подачи/сброса давления в систему и включения/выключения отдельных пневмолиний. Таким образом, распределители могут быть не только управляющими (выходными) элементами, но также процессорными, входными и элементами системы питания.

В принципиальных схемах распределители изображаются квадратами, число которых соответствует числу занимаемых распределителем позиций, а внутри квадратов с помощью стрелок и черточек показывают число подходящих к распределителю каналов (линий) и направление прохода воздуха. Внешние линии, подходящие к распределителю, изображаются у правой позиции (квадрата) для 2-позиционных распределителей и у средней для 3-позиционных. Эта позиция считается исходной, т. е. той, которую распределитель занимает при отсутствии внешних сигналов управления. Каналы маркируются цифрами (буквами): 1 (Р) – питание (подача сжатого воздуха), 2 и 4 (А и В) – выходные, идущие к исполнительному элементу, 3 и 5 (R и S) – выхлопные (сброс в атмосферу).

Функциональная схема распределителя указывается двумя цифрами: первая соответствует числу подходящих линий (каналов), а вторая – числу позиций. Например, 4/2-распределитель (4-линейный 2-позиционный) имеет 4 линии подвода/отвода воздуха (2 выходные, питание и выхлоп) и две позиции переключения, отличающихся разной коммутацией линий.

Распределители с одним выходным каналом (2/2 и 3/2) в зависимости от их коммутации в исходном положении могут быть нормально закрытыми (выход перекрыт или сообщен с выхлопом, т. е. сигнала на нем нет) или открытыми (выход сообщен с питанием, сигнал есть).

Условные графические обозначения пневматических распределителей

Распределитель переключается из одной позиции в другую под действием сигналов управления, которые могут быть мускульными (от оператора), механическими, пневматическими или электрическими. При последних двух типах управления распределители часто имеют ручное дублирование, т. е. могут переключаться, например, электрическим сигналом, и вручную, что удобно при наладке системы. Линии управления обозначаются обычно 10 (сброс сигнала на выходе), 12 и 14 (включение сигнала на выходе 2 и 4 соответственно) или буквами Y и Z.

Сигнал может воздействовать на распределитель с одной стороны (одностороннее управление) или с двух (двустороннее). При одностороннем управлении распределитель после снятия сигнала сразу возвращается в исходную позицию под действием механической или пневматической пружины. Такие распределители имеют одно устойчивое положение и называются моностабильным. К моностабильным относятся и 5/3-распределители. Хотя они и имеют двустороннее управление, но при отсутствии сигналов (или наличии одновременно двух) они удерживаются в средней позиции центрирующими пружинами. Двухпозиционные распределители с двусторонним управлением переключаются только при наличии одного из сигналов, и после его снятия остаются в текущей позиции (запоминают сигнал). Такие распределители называются бистабильными. Если одновременно поступают два сигнала, распределитель позицию не меняет. Исключение составляют только распределители с доминирующим сигналом, которые при наличии двух сигналов занимают определенное положение, чаще исходное.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

13

Если управляющий сигнал в состоянии сразу переключить распределитель, то говорят о распределителе с прямым управлением. При необходимости переключить распределитель небольшим сигналом, например, от маломощного электромагнита или очень чувствительного механического рычага, используют так называемое пилотное или непрямое управление. Пилотный каскад (пилот) представляет собой небольшой нормально закрытый 3/2-распределитель, который переключается слабым сигналом, а затем давлением на своем выходе переключает основной распределитель. Т. е. пилотный каскад усиливает управляющий сигнал.

Питание пилота может быть внутренним, когда воздух поступает на его по ответвлению канала питания 1 распределителя, или внешним, когда пилот имеет собственный канал питания, обозначаемый, например, 91 (Pz), 12 или 14. Распределители с пилотным управлением и внутренним питанием пилота могут работать на давлении питания, начиная с 1,5…2 бар, а остальные в полном диапазоне (как правило, –0,95…10 бар), но распределители с внешним питанием пилота требуют при этом подачи в канал 91 давления от 3 до 8 бар. Выхлоп пилотных каскадов также может происходить по каналам (например, 82 и 84), отдельным от основных 3 и 5.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

14

Для управления исполнительными элементами одностороннего действия нужно использовать 3/2-распределители, а для приводов двустороннего действия – 4/2, 5/2, 5/3 или комбинации 3/2-распределителей. При этом также различают прямое и непрямое управление. В первом случае управляющий распределитель, например, с ручным управлением, одновременно является входным элементом. Такое управление применяется в установках с исполнительными устройствами небольшого размера. Чаще используется непрямое управление, при котором ввод сигналов осуществляется с помощью небольших элементов, а управление цилиндрами – распределителями соответствующего номинального размера (см. схемы на стр. 2).

Распределители 4/3 или 5/3 используются, когда нужно обеспечить какое-то особое поведение цилиндра при отсутствии сигналов управления или в случае проблем с питанием. Так, если использовать 5/3-распределитель с закрытой средней позицией, то при отсутствии сигналов управления (например, из-за отказа питания) исполнительный элемент остановится в текущем положении и будет удерживать нагрузку. То же произойдет, если использовать распределитель со средней позицией под давлением и привод с одинаковой площадью поршня. Если использовать распределитель со средней позицией на выхлоп, то обе полости привода в такой ситуации окажутся сообщенными с атмосферой. Привод остановится, и его вручную легко можно будет переместить в любое положение.

Основные примеры применения распределителей представлены в таблице.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

15

Хотя распределители стыкового монтажа за счет наличия стыковой плиты, по сравнению с равными по номинальному размеру резьбовыми имеют большие габариты, вес, стоимость и пропускают меньший расход, они широко распространены там, где быстрота замены является решающим фактором. Например, в системах конвейерной сборки, особенно в автомобилестроении, производстве пищевых продуктов, типографских машинах и т. п. Как и для стандартных цилиндров, для таких распределителей разработаны международные стандарты, устанавливающие размеры и форму расположения отверстий на стыковых поверхностях (пневматический интерфейс), одинаковые и обязательные для всех фирм-производителей.

Международные стандарты на распределители стыкового монтажа

ISO 15407-1 ISO 5599-1

Стандартизированы только пневматические интерфейсы

Более новые стандарты ISO 15407-2 и ISO 5599-2 описывают также электрические интерфейсы, т. е. в их плитах, несколько удлиненных, имеются и электрические разъемы для катушек распределителей. Замена таких распределителей происходит еще быстрее, поскольку при этом не нужно отключать провода от электромагнитных катушек. Электрические сигналы на катушки при этом подаются через многополюсный разъем и печатные платы, которые проходят через каждую плиту.

Распределители по стандарту ISO 15407-1 и ISO 15407-2 (справа)

Распределители стыкового и полустыкового монтажа могут устанавливаться на индивидуальных плитах или набираться в большие блоки с общим подводом питания и выхлопом. Между плитой и распределителем могут устанавливаться промежуточные плиты, например, с дросселями для регулировки скорости перемещения цилиндров или с регуляторами давления для регулировки усилия цилиндров. Аналогично, в блоки, можно устанавливать и распределители резьбового монтажа, используя специальные коллекторы на 2…10 мест, к которым распределители присоединяются через канал питания с помощью пустотелых винтов. Это позволяет сократить монтажные работы и число используемых шлангов, фитингов и глушителей, а также облегчает обслуживание (все в одном месте) и замену (не все шланги нужно отключать).

Наиболее современным способом монтажа распределителей с электромагнитным управлением являются так называемые пневмоострова. Под этим термином понимают готовый блок распределителей с конструктивно объединенными пневматическим и электрическим интерфейсами и возможностью встраивать в него различные электронные блоки, такие как модули входов/выходов, контроллер, узлы филдбас.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

Характеристики распределителей отличаются большим разнообразием – в зависимости от размера, фирмы-производителя, назначения. Рабочее давление чаще всего ограничено значением 10…16 бар, но выпускаются специальные распределители на 40 и более бар. Пропускаемый расход меняется в диапазоне от 4 л/мин. у распределителя с уловным проходом 0,4 мм и присоединительной резьбой М3 до 30.000 л/мин. у распределителя с условным проходом 40 мм и присоединительной резьбой G11/2 (дюйма). Диапазон рабочих температур обычно ограничен –10…+60ºС, но выпускаются распределители и на другие температуры, например, на –40 или +90ºС. Средний ресурс работы колеблется в пределах от 30 до 100 млн. циклов, но в последнее время появились распределители с ресурсом до 1 млрд. циклов.

Процедура выбора распределителя для привода следующая:

- функциональная схема и способ управления (характеристики сигналов управления); - требуемый расход (как минимум, номинальный размер распределителя должен быть не

меньше 0,1 от диаметра поршня цилиндра) и рабочее давление; - способ монтажа, степень защиты IP, ресурс.

Требуемый расход можно подсчитать, перемножив площадь поршня цилиндра, среднюю скорость его перемещения и фактор сжатия (р+1), где р – рабочее давление по манометру в бар. Получаем расход, например, в нормальных литрах в минуту. Именно столько воздуха каждую минуту нужно засосать из атмосферы компрессором, сжать и подать в цилиндр через распределитель. Расход в нормальных л/мин. указывается и в характеристиках для каждого распределителя как номинальный. Он получен для следующих условий: абсолютное давление (по манометру + 1) на входе р1=7 бар, на выходе р2= 6 бар. Если реальный перепад на распределителе меньше (на практике 0,2…0,8 бар), то нужно сделать перерасчет по формуле:

Qk= Q*[(p1k-p2k)*p2k]1/2 / [(p1-p2)*p2]1/2

где величины с индексом k относятся к данным каталога, а Q – расчетный расход.

В результате будет выбран распределитель с чуть большим номинальным расходом, чем расчетный, способный пропустить нужный расход при меньшем перепаде давления на нем.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

17

механические

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

18

При выборе входных элементов следует обращать внимание на диапазон измерения и вид выходного сигнала, а также конструктивные особенности. Так, каждый тип цилиндров может работать со «своим» типом датчиков, которые устанавливается на корпус цилиндра в специальный паз или с помощью монтажных приспособлений, например, хомутов для установки на стяжные шпильки или непосредственно на трубу корпуса. Нужно также учитывать, что оптические датчики могут обнаруживать объект с расстояния от нескольких миллиметров до нескольких метров, реагирующие только на объекты из металла индуктивные – с 2…10 мм, а механические – только при контакте с объектом.

Большинство этих датчиков имеют дискретные выходные сигналы: например, есть объект (или поршень с магнитом под датчиком, или уровень давления достиг заданного значения) – есть сигнал, нет объекта – нет сигнала. Но сигналы с датчиков давления, расхода и перемещения – аналоговые, т. е. уровень сигнала соответствует уровню измеряемой величины: давление 6 бар – сигнал на выходе 6 В, 4 бар – 4 В и т. д.

И дискретные, и аналоговые сигналы поступают в процессорную подсистему, например, логический контроллер, как входы, обрабатываются в соответствии с заданной логикой (например, программой), а результирующие выходные сигналы поступают затем на катушки распределителей, заставляя исполнительные элементы совершать нужные перемещения.

Регулирующие элементы

Эти элементы служат для изменения усилий и скоростей перемещения исполнительных элементов. Они никак не влияют на порядок (последовательность) работы системы и устанавливаются непосредственно на исполнительных или управляющих элементах или в трубопроводах между ними.

Как уже отмечалось, для изменения скорости перемещения исполнительного элемента в пневмоавтоматике нужно изменять расход подаваемого или отводимого воздуха. Это достигается с помощью устройств, изменяющих проходное сечение трубопровода или канала. Такие устройства называются дроссели. Обычный дроссель ограничивает расход протекающего через него воздуха одинаково в обоих направлениях. Если необходимо обеспечить независимую регулировку расхода воздуха в трубопровода (канале) при прямом и обратном течении, то применяют устройство, называемое «дроссель с обратным клапаном». В нем воздух в одном направлении проходит через дроссель, и его можно регулировать, а в противоположном – через обратный клапан, не встречая сопротивления.

Дроссель (слева) и дроссель с обратным клапаном

Т.е. если нам нужно регулировать скорость перемещения, например, цилиндра в обоих направлениях, то необходимо применить два дросселя с обратным клапаном – по одному в каждом трубопроводе между цилиндром и распределителем.

В зависимости от расположения дросселя с обратным клапаном по отношению к цилиндру говорят о дросселировании входящего или выходящего воздуха, или о дросселировании на входе или на выходе. Первый способ применяют, когда необходимо экономить сжатый воздух или когда в системе используются реле давления (например, в приводах дверей автобусов с устройством против защемления пассажира). Второй способ применяют чаще, поскольку он обеспечивает более плавное перемещение, особенно при изменяющейся нагрузке.

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

19

Способы регулировки скорости перемещения пневоцилиндра

Дросселирование на выходе, независимое для прямого и обратного хода исполнительного элемента, можно получить и просто с помощью дросселей, которые устанавливаются в выхлопных каналах распределителя (вариант крайний справа на рисунке выше).

Конструктивно дроссели и дроссели с обратным клапаном в зависимости от способа их монтажа выполняются как ввертные (непосредственно в цилиндрах), трубные (в трубопроводе) и стыковые (под стыковыми распределителями). Они могут объединяться с другими элементами, такими как концевые выключатели или глушители.

Конструктивные исполнения дросселей и дросселей с обратным клапаном

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /

20

Понятно, что дросселирование может только уменьшить скорость перемещения по сравнению с вариантом без дросселей. Для увеличения скорости можно использовать следующие меры:

1) применить распределитель большего размера (с большим пропускаемым расходом); 2) применить шланги большего диаметра или меньшей длины; 3) применить клапан быстрого выхлопа.

Клапан быстрого выхлопа устанавливается непосредственно на цилиндре и обеспечивает выброс воздуха из его полости через отверстие большего сечения. Т. е. воздух не идет на выхлоп по трубопроводу и через выхлопной канал распределителя.

Принцип действия клапана быстрого выхлопа

Обычно выбор дросселей и клапанов быстрого выхлопа производится по присоединительной резьбе – она должна соответствовать такой резьбе на цилиндре, с которым они будут работать. Но для дросселей (включая дроссели с обратным клапаном) также важно обращать внимание на расходную характеристику – расход как функция числа поворотов регулировочного винта. Эта характеристика должна максимально подходить для данного цилиндра со свойственным ему проходным сечением каналов в крышках. Если цилиндр, несмотря на большую присоединительную резьбу, имеет небольшое проходное сечение каналов, к нему лучше выбрать дроссель с более пологой характеристикой, а если проходное сечение у него больше, то следует выбрать дроссель с более крутой характеристикой и с большим пропускаемым расходом. В противном случае диапазон эффективной настройки дросселя будет составлять менее 25-30% его возможности, или же полностью открытый дроссель будет создавать слишком большое сопротивление потоку воздуха, идущего в цилиндр или выходящего из него.

Элементы питания сжатым воздухом

Пневматическая система может не иметь исполнительных, входных или процессорных устройств, но даже самая простая будет иметь в своем составе устройства подготовки воздуха. Эти устройства обеспечивают подачу сжатого воздуха нужного качества, под нужным давлением и в нужном количестве. Иначе система будет работать ненадежно, а пневмоэлементы быстро выйдут из строя.

Сжатый воздух получают с помощью компрессоров, из которых в настоящее время наиболее часто используются поршневые и винтовые. Компрессор засасывает воздух из окружающей атмосферы через входной фильтр и сжимает его за счет уменьшения объема рабочей камеры. Например, если объем рабочей камеры в ходе работы компрессора уменьшается в 5 раз, то давление воздуха на выходе из компрессора увеличится также в 5 раз. Чем выше скорость перемещения поршней или вращения винтов компрессора, тем больше воздуха он может засосать и выдать на выходе в сжатом виде в единицу времени. Т. е. тем выше его произ-

“ФЕСТО-РФ” / 117607 Москва, Мичуринский пр.49

Краткий курспневмоавтоматики / Suliga Sergey / Версия от 19.12.2008 /