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氣動解決方案在機(jī)器控制設(shè)計中的應(yīng)用

瀏覽次數(shù):3805發(fā)布日期:2009-03-09
對機(jī)器設(shè)計人員來說,伺服氣動系統(tǒng)的引用意味著新的氣體力學(xué),這種系統(tǒng)嚴(yán)格保留了電子伺服驅(qū)動優(yōu)化的工作機(jī)制。

  很久以前,出現(xiàn)了機(jī)器自動化機(jī)電解決方案的領(lǐng)域,許多工業(yè)OEM傾向氣動解決方案。在某些機(jī)器領(lǐng)域,設(shè)計人員很少有性價比高的機(jī)電解決方案,他們更傾向于氣動閥、汽缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)等的簡單以及與它們運行相關(guān)的管道。
  他們盡可能地把它們集成到每個設(shè)計中。但是,當(dāng)涉及機(jī)器性能要求時,機(jī)器制造商為了有競爭性,不得不采用替代解決方案。對更的應(yīng)用,有必要采用機(jī)電解決方案。現(xiàn)在,對更復(fù)雜而靈活的機(jī)器,機(jī)電占主導(dǎo)地位,特別是,零件或裝配生產(chǎn)線的快速更換,高精度以及更快的速度是必要的。
然而,即使這些更精密、更高速的機(jī)器,許多氣動組件也被集成到設(shè)計中,從而創(chuàng)造一個混合解決方案。對輸出和產(chǎn)品不變或有限可變的自動機(jī)器,氣動組件通常占主導(dǎo)地位。

  現(xiàn)在,大規(guī)模的制造運行工段有巨大的氣動運行設(shè)備安裝底座。根據(jù)一些銷售機(jī)電和液壓解決方案的公司,在國家的很多地方,以前安裝的底座是如此的大以致用于維護(hù)目的的氣動組件的銷售遠(yuǎn)超過機(jī)電設(shè)備的銷售。關(guān)于僅有的,事實上已變得滅絕的氣動控制工段是氣動邏輯控制。即使這樣,氣動邏輯仍用在一些防爆應(yīng)用中。
  對混合機(jī)器解決方案的爭論可能來自更希望集中他們的氣動功率源(泵和壓縮機(jī))的設(shè)計人員。非液壓解決方案通常要求功率源集中在機(jī)器動作的附近。然而,隨著在氣動組成設(shè)備中集成多接口能力的出現(xiàn),例如,各種現(xiàn)場總線接口,集中控制氣動設(shè)備的能力變得更容易。

  氣動控制的進(jìn)步
  伺服氣動系統(tǒng)的引進(jìn)意味著氣體力學(xué)新的應(yīng)用,這些學(xué)科在不久前,嚴(yán)格保留了電子伺服驅(qū)動優(yōu)化的機(jī)制。一個值得關(guān)注的應(yīng)用是在木材廠的機(jī)器上控制壓力輥,該系統(tǒng)由美國俄勒岡州波特蘭市的Pacific Fluid Systems公司制造。
當(dāng)它們通過木材廠的電鋸時,控制器定位壓力輥,壓力輥攜帶原木、毛方木或按規(guī)格裁切的木料。控制壓力輥意味著基于以前定義的外型,緊緊地攜帶原木,并不能損壞它們。


圖1. 混合氣動解決方案


  當(dāng)它們通過木材廠的電鋸時,傳感器——控制器——執(zhí)行機(jī)構(gòu)相結(jié)合定位壓力輥,壓力輥攜帶原木、毛方木或按規(guī)格裁切的木料。壓力輥的控制是按照以前定義的輪廓,緊緊地攜帶原木,并不能損壞它們。

  由Pacific公司設(shè)計并制造的壓力輥站配置。這些典型的配置用在刨機(jī)、軋邊機(jī)、鑲邊磨機(jī)。木材直線輸送速度快到2,000 board-ft/min。根據(jù)木材的類型和速度,這些壓力輥不得不承受1,200-1,800 磅的力,當(dāng)它們通過電鋸時,阻止木材移動。圓型木材通常是6英寸的孔。

  編程前,圓木的位置和力對壓力輥應(yīng)用非常關(guān)鍵,在更高帶寬,比例控制模式下運行,從而使圓木運動到它能減速到zui終位置的地方。然后,控制器移動到被控停止位置,并切換力到模式從而承受壓力。

Pacific 公司的工程部Tom Wells說:“編程前要求的圓木的位置和力對這個應(yīng)用非常關(guān)鍵,它允許我們在更高帶寬,比例控制模式下運行,從而使圓木切換到力模式從而承受適當(dāng)?shù)膲毫Α_@極大地降低了設(shè)置時間。” 

典型的應(yīng)用是一種稱為軋邊機(jī)的機(jī)器。這個機(jī)器有一個雙壓力輥的站:一個輥輸入到電鋸,另一個輥從電鋸輸出。這個應(yīng)用證實主動阻尼算法的自動調(diào)節(jié)。 

  Delta Computer Systems公司位于美國華盛頓州范庫弗峰市,該公司CEO Steve Nylund聲稱:“在這些技術(shù)進(jìn)步的幫助下,以數(shù)量級的程度降低系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)的時間是常見的,對機(jī)器制造者和客戶來說,降低機(jī)器調(diào)試的時間是非常重要的。應(yīng)用允許機(jī)器控制設(shè)計人員實施解決方案的各種標(biāo)準(zhǔn)通信接口也有很大的幫助。” 
氣動在這種應(yīng)用的另一個好處是固有的兼容。在表面連續(xù)改變的地方,適應(yīng)偏離比其他技術(shù)更快、更有彈性。 

  Nylund 評論說:“新伺服氣動系統(tǒng)相對于舊的‘開關(guān)’閥運動更平滑、更,這些電子式控制,比例伺服閥在配置氣動系統(tǒng)的應(yīng)用中提供更好的選擇,不太可能直接影響運動的精度。” 

  另一個逐漸增長的創(chuàng)新是使能液壓能力運動控制。這些控制器使用位置和壓力反饋完成閉環(huán)控制。這種雙反饋控制能力允許控制器補償經(jīng)典氣動細(xì)微差別,例如,空氣熱脹冷縮和閥的非線性化。一個主動阻尼方法比以前電-氣動解決方案提供更穩(wěn)定的高性能。控制器現(xiàn)在能同時處理一到八個軸。Delta的系統(tǒng)包括允許圖形調(diào)節(jié)的控制器中的調(diào)節(jié)向?qū)? 


  軟件里的調(diào)節(jié)向?qū)箖?yōu)化伺服氣動運動更容易,包括主動阻尼算法的自動調(diào)節(jié)的優(yōu)點。 

  產(chǎn)品Frank Latino說:“任何應(yīng)用需要快速、涉及許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運動的短沖程是一個很好的氣動例子,其他適合的應(yīng)用是在小面積內(nèi)需要高的力,點對點執(zhí)行,是否線性或回轉(zhuǎn)。” 他補充說,用戶自然想到在無火花應(yīng)用中氣動的可能性,氣動在不要求電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度的地方性價比非常高。 

  混合控制優(yōu)化冰處理系統(tǒng) 
  機(jī)器人和自動化設(shè)備服務(wù)公司(RAESCO)位于美國紐約Syracuse市,該公司制造冰處理設(shè)備,并提供其他機(jī)器和服務(wù)。RAESCO的機(jī)器每分鐘碼垛40袋冰。在開發(fā)機(jī)器的控制系統(tǒng)時,RAESCO公司和應(yīng)用自動化控制公司(AACI)合作,這個公司也在Syracuse市,作為控制解決方案的顧問。AACI提供使用機(jī)電和氣動技術(shù)的機(jī)器解決方案。 

  AACI公司提供優(yōu)化機(jī)器設(shè)計的控制組件, 該公司的總Tom Swenton說:“我們合作完成一個基于RAESCO的概念的設(shè)計。” 
Swenton說:“設(shè)計從原形到生產(chǎn)經(jīng)歷一些變更,現(xiàn)在的設(shè)計實施三個電子伺服控制的軸——兩個軸用于搬運小車,一個軸用于吊車系統(tǒng)。我們能提供的這些軸,比氣動解決方案速度更高和定位更準(zhǔn)確。然而,當(dāng)它們從進(jìn)給搬運小車運到整理站時,有四個運動要調(diào)整和旋轉(zhuǎn)冰袋。另外,用氣動解決方案實施, 有各種夾具和連鎖保護(hù)。對這些運動來說,這些是合理的選擇,因為它們提供更足夠的控制以及性價比更高。” 

  RAESCO公司的總Rich Huchanski補充說:“因為當(dāng)冰袋進(jìn)入整理站時,冰袋外形變化的非常大,氣動解決方案提供給我們適應(yīng)性的能力。當(dāng)真空吸頭和冰袋接觸時,使用空氣壓力測量從而使真空吸頭適應(yīng)冰袋的形狀。使用這種兼容性的適應(yīng),我們能在它們運到貨盤之前調(diào)整冰袋一致。”機(jī)器有能力舉起高達(dá)150 磅的冰袋,但是,總的來說,貨盤中的冰袋重達(dá)300 磅。這種能力表示混合解決方案不僅能優(yōu)化許多機(jī)器的能力,也是zui高性價比的解決方案。 

  BW Rogers公司位于美國俄亥俄州馬其頓地區(qū),它的控制分銷商*Steve Whyte 說:“對許多機(jī)器來說,氣動解決方案由于成本因素仍是的。”他引用一個項目,在這個項目中,在檢測機(jī)器上,ITW-Akron標(biāo)準(zhǔn)使用所有氣動解決方案。Whyte說:“機(jī)電解決方案比客戶認(rèn)可的成本高很多。” 

  因此,即使壓縮空氣的成本持續(xù)增加,氣動解決方案仍是許多機(jī)器制造者的。 

  改進(jìn)的連接 
  Festo公司 Latino說:“以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)使在工廠自動化中應(yīng)用的氣動設(shè)備提升巨大的效率,特別是如果有很高密度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。考慮到超過2,000個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝。閥島能帶多達(dá)128個閥的負(fù)載,有時會更多。這降低了總閥島的數(shù)量,但是仍有30-40個閥島。以太網(wǎng)提供帶寬在zui短時間內(nèi)實現(xiàn)訪問這些閥是可能的。” 

  按照Latino的說法,其他的現(xiàn)場總線系統(tǒng)要求多通道或網(wǎng)絡(luò),在硬件、調(diào)試和維護(hù)上增加的成本。除了帶寬的巨大飛躍,IT服務(wù),例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(web server)、文件傳輸和能提供非并行的診斷,特別是用檢測設(shè)備(Checkout Test Set ,COTS)診斷工具和媒介。 

  Latino說,現(xiàn)在,在閥島中,集成控制使氣動功率/控制是一個更好的替代方案。他補充說:“傳感器和診斷嵌入到閥島中,系統(tǒng)診斷算法診斷總的氣動系統(tǒng),使用以太網(wǎng)和開放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù),例如OPC或工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議把這些起來,從而改進(jìn)控制系統(tǒng)。” 

  接下來是什么? 
  在需要高的力以及要求兼容變化負(fù)載變量應(yīng)用的場合,例如,壓力輥、冰袋應(yīng)用,氣動解決方案看起來更好。沒有證據(jù)表明在不遠(yuǎn)的將來會有變化。當(dāng)機(jī)電解決方案有時必須解調(diào)相似地行為到氣動解決方案時,一些公司更積極地集中精力做氣動解決方案。移動到?jīng)]有準(zhǔn)確定義的接口的運動控制應(yīng)用是特別真實的。 

  其他液壓能力 
從價格和性能出發(fā)點來說,具有大的力或推力要求的機(jī)器采用既沒氣動也沒有機(jī)電解決方案的部分是現(xiàn)實的。這類機(jī)器包括沖床、折彎機(jī)、成型機(jī)、破碎機(jī)等。這些機(jī)器使用液壓實現(xiàn)要求的力來完成要求的工作很有必要。 

  Hydra-Pneu Consulting公司位于美國印地安那州Newburgh 市,該公司總Bud Trinkel說:“在機(jī)器設(shè)計中,液壓是另一個因素,因為僅僅有一些機(jī)器設(shè)計人員有任何可用的方法,甚至更少的人理解在特定環(huán)境下怎樣應(yīng)用正確的組件。我工作的98%是液壓電路。” 
現(xiàn)在,氣動解決方案是如此常見以至許多機(jī)器設(shè)計人員能在他們的機(jī)器中毫不猶豫地選擇氣動組件。 
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