MOśLIWOŚCI WYKORZYSTANIA SPECJALNYCH ELEMENTÓW

TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
1/2009
MOśLIWOŚCI WYKORZYSTANIA SPECJALNYCH ELEMENTÓW
PNEUMATYCZNYCH W PROCESACH MONTAśOWYCH
Łukasz N. WĘSIERSKI
W układach mechatronicznych znaczące miejsce znajdują układy płynowe – pneumatyczne i hydrauliczne. Są
one stosowane w przemyśle, dając moŜliwości łatwej automatyzacji wielu procesów produkcyjnych, w tym równieŜ
montaŜowych. Warunkiem stosowania tego sposobu automatyzacji jest dysponowanie systemem elementów
z jednej strony przydatnych w układach montaŜowych,
a z drugiej funkcjonalnie pełnym. System taki gwarantuje
moŜliwość budowy pełnego układu automatyzującego
montaŜ, łącznie z przetwornikami sygnałów, elektronicznymi sterownikami i dodatkowym osprzętem. Czołowi
wytwórcy elementów napędowych i sterujących stale poszerzają zakres produkowanych elementów, zwiększając
tym samym zakres stosowania elementów płynowych.
MoŜna więc, korzystając z elementów jednego wytwórcy,
zrealizować pełny układ zautomatyzowanego montaŜu, na
przykład elektropneumatyczny ze sterownikiem elektronicznym. PoniŜej dokonano przeglądu specjalnych elementów pneumatyki, który znacznie rozszerza moŜliwości
aplikacyjne i równocześnie poszerza moŜliwości ich stosowania w układach automatyzujących procesy produkcyjne i montaŜowe. Większość z nich funkcjonalnie nie
róŜni się od hydraulicznych.
Najbardziej interesujące z punktu widzenia układów
montaŜowych są elementy napędowe i sterujące nimi zawory. Wśród nich wyróŜnić trzeba specjalne elementy
pneumatyczne znajdujące coraz większe zastosowanie
i to nie tylko w systemach montaŜowych. Są to w obszarze elementów napędowych: siłowniki pneumatyczne
wielopołoŜeniowe, siłowniki blokujące, siłowniki z blokadą
tłoczyska, siłowniki z tzw. zamkiem, siłowniki mięśniowe.
Natomiast w obszarze zaworów sterujących wyróŜnić
moŜna: zawory trójpołoŜeniowe realizujące funkcje trójwartościowe oraz zawory synchronizujące przepływ.
1. Analiza działania elementów
W opisie matematycznym działania elementów stosuje
się z reguły dwuwartościową Algebrę Boole’a. Ale gdy są
to urządzenia wielostanowe, wtedy opis jedną zmienną
nie jest moŜliwy i trzeba uŜyć większej liczby zmiennych.
Aby stosować jedną zmienną naleŜy zastosować logikę
wielowartościową np. trójwartościową (Łukasiewicza), co
pokazał Szenajch [1974]. Jest to wskazane w układach
płynowych, gdy mamy do czynienia z trójstanowością
i trójwartościowym charakterem sygnału płynowego, co
wykazał autor [2000]. Dokonano tam analizy działania typowych elementów i układów pneumatycznych, ale potraktowanych jako wielostanowe i podano metody syntezy
układów dwuwartościowych przy czterech rodzajach
działania: idealnego, skokowego, krokowego i złoŜonego.
Podany niŜej opis układów trójstanowych traktuje ich
działanie jako skokowe, czyli takie, w którym nie uwzględnia się okresów przejścia z jednego stanu stabilnego
w drugi. Klasyczny sygnał pneumatyczny dwuwartościowy
opisany jest zmienną przyjmującą wartość ”1” przy przepływie ze źródła ciśnienia i ”0” przy przepływie do atmosfery. Rozszerzenie opisu do trójwartościowego prowadzi
do uwzględnienia dodatkowo stanu o wartości ”½” – odpowiadającemu odcięciu zarówno od źródła ciśnienia jak
i atmosfery. Taka definicja sygnału pozwala na zachowanie dwuwartościowego klasycznego poziomu ciśnień.
2. Elementy wykonawcze
W wykonaniu specjalnym siłowniki płynowe (pneumatyczne lub hydrauliczne) mogą być wyposaŜone w elementy mechaniczne (tzw. zamki) słuŜące do unieruchomiania tłoczyska siłownika w połoŜeniu skrajnym i uniemoŜliwiające jego ruch nawet przy zaniku ciśnienia
w układzie napędowym. Schemat takiego siłownika pokazano na rys. 1. Oprócz takiego zabezpieczenia przed ruchem tłoczyska w układach płynowych moŜna stosować
równieŜ tak zwane zamki płynowe, pokazane na rys. 2,
które odcinają moŜliwość odpływu płynu z siłowników
(przyłącze 3) przy braku zasilania (przyłącze 2), a otwierają odpływ przy zasileniu przeciwnej komory siłownika
(przyłącze 1). Zamki te są stosowane zarówno w układach hydraulicznych jak i pneumatycznych i zwiększają
bezpieczeństwo pracy układu.
Rys. 1. Schemat siłownika płynowego z zamkiem mechanicznym
Oprócz dwustanowych elementów pneumatyki napędowej w układach montaŜowych często stosowane są siłowniki trójpołoŜeniowe, które oprócz dwóch stabilnych
połoŜeń skrajnych mogą zajmować jedno z połoŜeń pośrednich. Ich konstrukcje, przedstawione na rys. 3, róŜnią
się znacznie od siebie – od siłowników z dwustronnym
tłoczyskiem (1.1), (1.3), w których połoŜenie pośrednie
jest wyznaczane poprzez łączniki drogowe lub spręŜyny,
wyposaŜonych w hamulec (1.4), po połączenia szeregowe
dwóch siłowników dwupołoŜeniowych w róŜnych kombi9
1/2009
nacjach (1,2), (1.5), (1.6), (1.7) i siłownika z podwójnym
tłokiem (1.8).
3
1
2
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
Ŝynami 3 i ogranicznikami 4. Wewnątrz suwaka umieszczony jest trzpień 5 z dwoma stoŜkowymi zaworami dławiącymi połączonymi przez komory skrajne 9, 10 z przyłączami 6, 7 dwóch gałęzi, w których synchronizowany
jest przepływ. Dławiki są samosterowane przez ciśnienie
w komorach 9 i 10, powodujące przemieszczanie suwaka
2 i regulowany przepływ do zlewu lub atmosfery 8. Zaletą
tego elementu do synchronizacji przepływu medium płynowego jest to, Ŝe synchronizacja następuje na wylocie
i realizowana jest przez jeden element, nie potrzeba specjalnych czujników, a dławiki są samonastawne.
1
Rys. 2. Schemat zamku płynowego (przyłącza: 1 – zaworowe,
2 – zasilające, 3 – siłownikowe)
3
2
5
4
Rys. 4. Schemat synchronizatora płynowego: 1 – zasilanie,
2 – komora sterująca, 3 – suwak, 4 – przyłacza wyjściowe,
5 – zawór zwrotny
1
Rys. 3. Schematy siłowników trójpołoŜeniowych
6
7
2
4
Osobną wreszcie grupą siłowników, chętnie obecnie
stosowanych ze względu na swoje zalety, są siłowniki
mięśniowe. Są to siłowniki jednostronnego działania bez
tłoka i tłoczyska. Ich moŜliwości stosowania w procesach
montaŜowych podane zostały przez autora we wcześniejszej publikacji [2003] i nie będą tu omawiane.
3. Elementy sterujące
Wszędzie tam, gdzie dwa siłowniki napędzające muszą
poruszać się równolegle z jednakową prędkością, stosowane są synchronizatory ruchu, które zapewniają wysuw
obu tłoczysk siłownika z jednakową prędkością. Schemat
takiego synchronizatora przedstawiono na rysunku 4.
W elemencie tym synchronizacja następuje na dopływie
do elementów wykonawczych – siłowników.
Dopływający płyn kierowany jest z zasilania 1 przez
zawór wejściowy do dwóch przewodów dopływających do
komór sterujących 2. RóŜnicą ciśnień w tych komorach
jest sterowany kształtowy suwak 3 z wewnętrznymi kanałami, który rozdziela przepływ płynu z komór sterujących do kanałów wyjściowych 4 przez zespół zaworów
zwrotnych 5.
Innym rozwiązaniem, wg patentu autora i Szostka
[2008], jest element do wyrównywania przepływu
w dwóch gałęziach przewodów układu płynowego i moŜna
go zastosować na wypływie z dwóch siłowników. W tym
elemencie, którego schemat pokazano na rys. 5, w korpusie 1 przemieszcza się kształtowy suwak 2 miedzy sprę10
3
5
9
8
10
Rys. 5. Schemat elementu do synchronizacji przepływu medium
płynowego: 1 – korpus, 2 – suwak, 3 – spręŜyny, 4 – ograniczniki, 5 – trzpień, 6, 7
– przyłącza doprowadzające,
8 – wyjście, 9, 10 – komory skrajne
Elementy przełączające realizujące funkcje trójwartościowe stanowią odrębną grupę zaworów opisanych
w pracach Szenajcha [1974] i autora [2003]. MoŜna je
wykorzystywać przy projektowaniu części sterujących
układów. Tutaj jako reprezentant tej grupy elementów zaprezentowany zostanie element do realizacji funkcji modalnych, którego schemat przedstawiono na rys. 6.
Częścią przełączającą jest suwak 1 z komorami pierścieniowymi przemieszczający się w korpusie 2 pomiędzy
dwoma spręŜynami 3. Wewnątrz suwaka jest kanał przelotowy, którym doprowadzone jest przez dysze 4 zasilanie
do komór sterujących 5 tworzących kaskady dzięki połączeniu ich przez dysze 6 z atmosferą. Sterowanie odbywa
się poprzez podanie trójwartościowego sygnału wejściowego x do jednej z komór sterujących. Powstała róŜnica
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
ciśnień w komorach skrajnych powoduje przemieszczenie
suwaka i przełączenie wyjść, realizując tym samym odpowiednie funkcje modalne.
Rys. 6. Schemat elementu do realizacji trójwartościowych funkcji
modalnych ν i µ: 1 – suwak, 2 – korpus, 3 – spręŜyna, 4 – dysza,
5 – komora sterująca,6 - dysze
4. Funkcje realizowane przez elementy i układy płynowe
4. 1. Zawory rozdzielające
Do najczęściej stosowanych elementów sterujących
przepływem płynu ze źródła ciśnienia do elementów napędowych naleŜą zawory rozdzielające, wśród których
znaczną grupę stanowią zawory rozdzielające trójpołoŜeniowe sterowane elektrycznie lub mechanicznie, przedstawione schematycznie na rys. 7.
0
x1
1/2
1
Y1 Y 2
p r
0
x2
1/2
1/2009
stan taki oznaczamy 0. Przyłącza wyjściowe opisane są
zmiennymi Y1 i Y2, które mogą przyjmować wartości ze
zbioru L3, zaleŜnie od połoŜenia suwaka: Yi = ½ - gdy kanał jest zamknięty, Yi = p (lub Yi = r) - gdy kanał połączony
jest z przyłączem p (lub r). Zmienne p i r opisujące stan
przyłączy wejściowych przyjmują wartości ze zbioru L2
(połączenie z zasilaniem 1, połączenie z atmosferą 0)
i najczęściej powiązane są zaleŜnością p = Nr, wtedy bowiem moŜna realizować ruchy elementów wykonawczych
– silników lub siłowników, którymi one sterują. Funkcje realizowane przez najczęściej spotykane dwa typy pneumatycznych zaworów rozdzielających, w najczęściej występującej konfiguracji, gdy p = Nr przedstawiono na rys. 8.
Zasilanie p
0
1/2
1
Y1 Y 2
x
p r
½
1
0
01
½½
10
½
½½
½½
½½
10
½½
01
1
1/2
1
Y1 Y2
x
Y1 = Nx,
Y2 = x.
(r=Np)
0
½
1
0
01
11
10
½
½½
½½
½½
1
10
00
01
p r
1
Y1 Y 2
0
dla p = 1 (r=Np)
0
Wejście x
(r=Np)
dla p = 1 (r=Np)
Y1 = ηx,
Y2 = νx
s
p r
Rys. 7. TrójpołoŜeniowe płynowe zawory rozdzielające sterowane elektromagnetycznie i mechanicznie
Elementy te mogą zajmować trzy połoŜenia – spoczynkowe (środkowe, oznaczone przez ½) lub jedno z dwóch
połoŜeń roboczych (skrajnych, oznaczonych przez 0 i 1).
Do opisu ich pracy uŜywamy zmiennej przyjmującej wartości ze zbioru L3 = {0, ½, 1}. Zawór rozdzielający zajmuje
jeden ze stanów roboczych 0 lub 1 gdy przez uzwojenie
jednej z cewek elektromagnesu x1 albo x2 płynie prąd lub
gdy dźwignię s przesunie się w jedno ze skrajnych połoŜeń. Zawór rozdzielający przechodzi w stan spoczynkowy,
gdy nie ma napięcia na cewkach elektromagnesu lub gdy
na dźwignię nie działa Ŝadna siła. Zmienne określające
stany uzwojeń cewek elektromagnesów są zmiennymi
dwuwartościowymi przyjmującymi wartości ze zbioru L2 =
{0, 1}, natomiast połoŜeniu dźwigni przypisać moŜemy
wartości ze zbioru L3 gdyŜ przyjmuje ona trzy połoŜenia.
Suwak zaworu rozdzielającego jest elementem zapewniającym odpowiednią droŜność przyłączy wejściowych –
p i r z przyłączami wyjściowymi Y1 i Y2. Przyłącza wejściowe mogą być odcięte – wtedy ich stan oznaczamy ½,
połączone ze źródłem ciśnienia (zasilaniem) – wtedy ich
stan oznaczamy 1, lub teŜ połączone z atmosferą w elementach pneumatycznych, a zlewem w hydraulicznych –
Rys. 8. Funkcje Y1 = F(x,p), Y2 = F(x,p) realizowane przez trójpołoŜeniowe pneumatyczne zawory rozdzielające sterowane
mechanicznie
4.2. Siłowniki
Elementami wykonawczymi, czyli napędowymi w układach płynowych – pneumatycznych i hydraulicznych, są
najczęściej siłowniki liniowe mogące być członami wielopołoŜeniowymi. W tych ostatnich wprowadzenie pewnych
załoŜeń upraszczających umoŜliwia opisanie ich działania
za pomoą logiki dwuwartościowej lub wielowartościowej.
W najprostszym przypadku logiki dwuwartościowej lewemu skrajnemu połoŜeniu tłoka siłownika przypisujemy
wartość 0, a prawemu wartość 1 i pomijamy połoŜenia
pośrednie (lub stan ruchu tłoka z jednego skrajnego połoŜenia w drugie). Uwzględniając dodatkowo stan pośredni
tłoka siłownika i przypisując mu wartość ½, uzyskujemy
opis algebrą trójwartościową. Do opisu działania siłowników, w których konstrukcyjnie zapewnione jest uzyskanie
trzech połoŜeń roboczych tłoka, stosować moŜna wprost
algebrą trójwartościową (nie uwzględniając oczywiście
połoŜeń pośrednich i stanów ruchu tłoka – przejść między
tymi trzema roboczymi połoŜeniami). Funkcje realizowane
przez typowe siłowniki dwustronnego działania i siłowniki
trójpołoŜeniowe „jednostronnego” działania (czyli ze spręŜynami), w zaleŜności od doprowadzonych do nich sygnałów, podano na rysunku 9.
11
1/2009
TECHNOLOGIA I AUTOMATYZACJA MONTAśU
Schemat siłownika
Realizowane funkcje
Z = F(Y1, Y2)
Z
0
Zasilanie Y1 = N Y2
1/2 1
Y1 ≠ ½
2o JeŜeli Y1 = ½ wtedy si1o Z = Y1 gdy
1
0
Y1 Y2
z
łownik jest unieruchomiony
i moŜe znajdować się w dowolnym połoŜeniu
Z
Zasilanie
Y1 = N Y2
lub Y1 = ηY2 lub Y1 = µY2
Z = Y1
Zasilanie Y1 = Y2
Z=½
0 1/2 1
Y1 Y2 0
1
z
Rys.9. Funkcje Z = F(Y1, Y2) realizowane przez siłowniki pneumatyczne
5. Projektowanie
Racjonalne projektowanie układów płynowych powinno
opierać się na systemowych podstawach zawartych
w strukturach procesów projektowania. Takie podejście
jest coraz częściej stosowane i obecnie wykorzystywane
w systemach komputerowego wspomagania projektowania układów płynowych. Systemy takie składają się z programów dotyczących budowy schematów funkcjonalnych
układu, sprawdzania poprawności działania schematów
i obliczeń statycznych doboru elementów, a czasem równieŜ obliczeń dynamicznych. W algorytmizacji tworzenia
funkcjonalnych schematów układów pneumatycznych
moŜna wykorzystać metodę morfologiczną, podobnie jak
zrobił to Jędrzykiewicz [1988] dla układów hydraulicznych,
oraz tablic decyzyjnych opartych na logice systemów
projektowania. W tym przypadku w klasycznych tablicach
decyzyjnych zerojedynkowe kombinacje wartości ze
zbioru warunków uogólnia się na przypadek wielowartościowości przez wprowadzenie 3 wartości: 0, 1 i 2 wg
Partyka [2000]. Dekomponując zadanie złoŜone projektowania układu pneumatycznego wybiera się podział na
podzespoły funkcjonalne. Są to między innymi podzespoły: informujący o stanie siłownika, zatrzymania siłownika, zabezpieczenia przed spadkiem ciśnienia, nastawienia prędkości i siły, sterowania kierunkiem ruchu siłownika itp. Podzespół moŜna traktować jako pojęcie projektowe. A kaŜde zadanie realizowane przez podzespół
moŜna zrealizować w róŜny sposób. I tak na przykład zadanie informacji o stanie siłownika moŜna zrealizować
przez podzespoły: mechanicznie p11, bezdotykowo p12,
elektrycznie p13, ciśnieniowo p14.. Problem generowania
struktur projektowanego układu moŜna przedstawić w postaci zbioru wektorów o n składowych (p1, pn, . . . , pn),
gdzie np.
p1 = {p11, p12, p13, p14}
Zbiór ten ma liczność L = k1, k2,... kn1, która odpowiada wszystkim moŜliwym wersjom (ale z reguły tylko
12
teoretycznym) projektowanego układu. Z tego zbioru naleŜy odrzucić te wersje, które nie spełniają narzuconych
ograniczeń i pozostaną tylko te, które są moŜliwe do realizacji ze względów technicznych. One podlegają szczegółowej analizie jakościowej w następnym etapie projektowania, a wybranemu wektorowi odpowiada konkretny
schemat pneumatyczny (lub hydrauliczny) realizujący
z góry postawione zadanie.
Zaprojektowanie odpowiedniego schematu układu
pneumatycznego polega na wyborze i połączeniu odpowiednich podzespołów z katalogu (skrzynki morfologicznej). Ten wybór przeprowadzany krokowo jest procesem
decyzyjnym, w którym równieŜ moŜna wykorzystywać logikę trójwartościową w odpowiednich tablicach decyzyjnych. Zbiór reguł decyzji moŜna bowiem traktować jako
zbiór teoretycznych wersji schematów funkcjonalnych
podzespołów.
PODSUMOWANIE
W zautomatyzowanych układach montaŜowych, które
obecnie najczęściej są układami mechatronicznymi, bardzo często stosuje się elementy pneumatyczne, w tym
równieŜ specjalne. Przy projektowaniu stosuje się coraz
chętniej systemowe podejście, co przy tendencji do modułowej budowy i wykorzystaniu komputerowych programów wspomagających znacznie ułatwia i upraszcza proces projektowania. JuŜ obecnie produkuje się moduły
funkcjonalne i płyty montaŜowo-przyłączeniowe pozwalające na budowę układów płynowych o duŜej skali integracji jak ma to miejsce w niektórych zintegrowanych systemach firm, np. Festo czy Bosch-Rexroth.
LITERATURA
1.
P a r t y k a M . A . : Logika wielowartościowych procesów decyzyjnych, WNT Warszawa, 2000.
2. S ze n a j c h W . : Synteza trójwartościowych układów
logicznych za pomocą operatora P3, Mechanika nr
224, Wydawnictwo PW, Warszawa, 1974.
3. W ę s i e r s k i Ł . N . : Projektowanie pneumatycznych
układów napędowych i sterujących. Podstawy i metody, Rozprawy Monografie 4, Wydawnictwo AGH
Kraków, 1994.
4. W ę s i e r s k i Ł . N . : Work analysis of pneumatic elements and systems, Proceedings of ICCC’2000,
Podbanska, Slovak Republic, pp. 543-546, 2000
5 . W ę s i e r s k i Ł . N . : Muskuły – nowe elementy pneumatyki w systemach montaŜowych, Technologia
i Automatyzacja MontaŜu. Nr 4/2003.
6 . W ę s i e r s k i Ł . N . , S zo s t e k K . : Element do synchronizacji przepływu medium w dwóch gałęziach
układu płynowego, patent nr P 386544, 2008.
7. J ę d r zy k i e w i c z Z . : Metoda i system komputerowego wspomagania projektowania hydrostatycznych
układów siłowych, Zeszyty Naukowe AGH, Mechanika 12, Kraków, 1988.
_______________________
Dr hab. inŜ. Łukasz N. Węsierski, prof. P. Rz., jest kierownikiem Zakładu Mechaniki Płynów i Aerodynamiki, Politechniki Rzeszowskiej, e-mail: [email protected]