Pneumatyka 4 (85) 2012 by Piotr Karcz

4 (85) 2012 kwartalnik ISSN 1426-6644 Indeks 337 323

magazyn.pneumatyka.com

Podsumowanie targów wspomagania procesów przemysłowych str. 6 Automation Studio str. 14 Dydaktyczne zautomatyzowane stanowisko str. 24 Ewolucja techniki zaworowej str. 46

rive

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Pom ia pracy s Kons e

M po wy pom pozn się p

Sprę żone Pneu m

atico

Zwię ksze nieDwa sprę y żone go p ow M

agazyn

Ham

Aby zamó w numeru t e - Pneuma ty - lub elek tr (zachęca m

ulce sprę żo

Jeżeli po trze redakcja@ pn

Prenume rata r cyfrowej lub dr

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Zgodnie z us przetwarz tawą z d ane Twoic h prawo w glądu do swo

en B

y Effi

magazyn.p

c iew ncczasopiśmie Reklama y str. ar ef 6 ekty wneg sprę o cza żarki su Pneumat yka jest c zasopism o zasięgu em specj krajowym alistyczn , ukazując ym, Jako jedy y m się od ne w Pol 1996 r. sce w cał całokszta ości zajm łtem zag uje się adnień zw iązanych z powiet rzem.

wacj

Magazyn

str. 8

Pneumat yka stał s owiązani ię platfor a nauki z mą mocn i n stytczasopismem ego ucjami, k specjalistycznym, ykorzysty Pneumatyka jest t ó w r e a ć m i st orzy ukazującym się od og1996 ą ją r. ł silną wi mysłu a uo zasięguwkrajowym, ę ź międzysięt żytkjedyne Jako w całości zajmuje ownikwiePolsce wórcą m. Jest ró nania teccałokształtem wnież okz powietrzem. hnicznyc zagadnień związanych azją do h problem przemysł ó w z którym . i zmaga

a spr

ężare k

powi

etrze

w lak

012

ayrdm ajnowa

atyka

.com

Driven B DrivenDBriyven y Efficien EffiBcie cy str. 6y Enfcfiyciestr. nc6y s Pomiar e PomiaProem tr. 6 feiakrtyewfe fe k nketgyowc cywpsnrpaercęgyoscz pracy sprępraty a su z n agsou e ż p żarki st arkrięża c z strr.ki8 r. 8 asu str. 8 Konserw KonseKrownascerw acja sprę ja sapcrjęa żarek str.żsaprreęk 11 żast rer.k11s SprężoneSprężSopnreężpon tr. 11 e ie powietrzeow potrwzei w la e tic kiernw la rztw k e ie w ie lranksticir.tw neum PneumatiPneuPm e20 rnie ictwsti r. 20 oanti2co0n1 coZnw20a1tic e st 2 iększ2 0 Zwiększe Zwiększ 1 r. 20 e 2 nie w enie nie

y w wspraj jnyodść oneęgżno ajnsyost oonśćegsydstaem sprężone sprężyd śćesm p o po go powie ysótw p uk trw ów prod trza owie ukcji str. 22zaietrst zar. 22 cjeimórowdp rodu str. 2 kcji 2

amlu HamuHlacHm elcłdeazdiazł eu dzcia ją i s s p sprężonrpęerżęożnoeceałjnaąajcąezcaensanad zazsie go pno gew ogoie poptrwziaeta zaasdazdie owiersztra. 14 z trza str. 1 st

str. 1

ierni

Magazyn Pneumatyka stał się platformą mocnego powiązania nauki z instytucjami, które mogą ją wykorzystywać i stworzył silną więź między twórcą pomysłu a użytkownikiem. Jest również okazją do poznania technicznych problemów z którymi zmaga się przemysł.

on 2

gazyn. pneummagazyn atyka.co .pneu ka.com m m

neumaty

Pragniem y zaprosi ć Pań do publik acji artyk ułów zamieszc zania rek lam w na Pragniemy zaprosić Państwa s kwartaln iku broraz do publikacji artykułów anżow

ctwie

str. 2

zamieszczania reklam ww ięcnaszym ej inform http://m a g a zyn.branżowym. kwartalniku pneu

matyka.c ość s prenum więcej informacji: y e wiet r s a http://magazyn.pneumatyka.com t t a e m rzatyaka sk n Pneum ó w pr is erowany o jest do o t d r s . uki cji ó b z 2 a wić lub zDarmowa w o d 2 o wo zw prenumerata aktualizo ązanych wać z

bezpłatn branżą p elefonu, ą prenum neumaty danych o ki. e s r o a b t ę y p z a r osimy o p mawiając yka Sp. z rzesłanz ibranżą ej n o Magazyn Pneumatyka skierowany jest pneumatyki. .o. ul. M a adodrosób e nazw es: zawodowo związanych ickiewicz y i adresu ronicznie a 66 41-80 firmy, piszzamówić 7 ąc na alub Z a Aby zaktualizować bezpłatną prenumeratę prosimy o przesłanie nazwy i adresu firmy, brze dres pren my do sk umerzamawiającej ornumeru zystantelefonu, ata@pne na adres: danych osoby ia z form umatyka u l rzaMickiewicza .com - Pneumatyka Sp. z o.o.aul. 66 41-807 Zabrze n a s t ronie htt ebują Pa p ://magaz ńs- tlub woelektronicznie pomocy l pisząc na adres prenumerata@pneumatyka.com yn.pneum u neumaty (zachęcamy do skorzystania b mają jzaformularza na stronie http://magazyn.pneumatyka.com/prenumerata) atyka.com ka.com kiekolwie /prenum k pytania erata) topytania prosito Jeżeli potrzebują Państwo pomocy lub mają jakiekolwiek prosimy o kontakt: m y o kontak realizow t: aredakcja@pneumatyka.com na jest od następne rukowan go wydan ej (redak ia czaswydania cjarealizowana opismaczasopisma. Prenumerata zastrzegajest od następnego . Istnieje Istnieje możliwość zamówienia w wersji sobie pra moprzyznania żliwość zprenumeraty drukowanej). wo dsobie cyfrowej lub drukowanej (redakcja zastrzega prawo do odmowy o odm amówien owy przy ia w wers znania pr ji e n u m e raty druk dnia 29 s ierpnia 1 owanej). 997 r. o o danych o ron29 so Zgodnie z ustawą zch dnia ie sierpnia 1997 r. o ochronie danych osobowych (Dz. U. Nr 133, poz. 883) wypełniając ten formularz wyrażasz zgodę na

dział ające oneg na za o po s a dzie wiet rza

bowych i danych o wyTwoich korzysdanych bowych (D ich tylko do wewnętrznych celów statystycznych i marketingowych. Jednocześnie masz osobowych siowykorzystywanie ych, icprzetwarzane ty w a h n z. U. Nr 1 ie ich powglądu ichpoprawienia prawiedo ty prawo swoich danych, usunięcia. lk 33, poz. 8 nia o do wlub lub usun ewnętrzn 83) wype ięcia. ych celów łniając t

oich dan

SPIS TREŚCI KONFERENCJE

Podsumowanie Targów Wspomagania Procesów Przemysłowych

W Expo Silesia zakończyły się wydarzenia branżowe, na których prezentowały się firmy z branży robotyki, hydrauliki, automatyki i pneumatyki oraz technik smarowniczych. Ofertę uzupełniła prezentacja produktów i rozwiązań z zakresu przetwórstwa tworzyw sztucznych i gumy. Biorąc pod uwagę tematykę wydarzenia oraz osoby i firmy, do których było skierowane, całość nazwano Targami Wspomagania Procesów Przemysłowych.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

8 14

Manipulator współpracujący ze sterownikiem pneumatycznym lub OPLC Michał Krępski, Witold Pawłowski

Modelowanie i symulacja układów pneumatycznych w systemie Automation Studio Witold Pawłowski, Michał Krępski, Robert Synajewski

Układ sterowania manipulatora typu Delta z pneumatycznymi napędami mięśniowymi Jakub Takosoglu Paweł Łaski

Redakcjaww

Dydaktyczne zautomatyzowane stanowisko montażu

Witold Pawłowski, Michał Krępski, Sławomir Gabara

Pneumatyka magazyn.pneumatyka.com Redaktor naczelny inż. Piotr Karcz karcz@pneumatyka.com (+48) 602 414 184 Pneumatyka Sp. z o.o. ul. Mickiewicza 66 41-807 Zabrze redakcja@pneumatyka.com

Komitet naukowo-techniczny prof. nadzw. dr hab. inż. Łukasz N. Węsierski

Elektrohydrauliczny układ sterowania dwuosiowym wzbudnikiem drgań

Janusz Pluta, Paweł Orkisz

Manipulator o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu delta z pneumatycznym napędem mięśniowym

Paweł Łaski, Jakub Takosoglu, Sławomir Błasiak

prof. dr hab. inż. Franciszek Siemieniako prof. zw. dr hab. inż. Tadeusz Mikulczyński prof. nadzw. dr hab. inż. Mariusz Olszewski prof. dr hab. inż. Ryszard Dindorf dr inż. Kazimierz Dzierżek

Badania doświadczalne płaskiej aerostatycznej podpory współrzędnościowej z napędem elektromagnetycznym

Tomasz Huścio

Recenzenci wydania

Ewolucja techniki zaworowej

Stefan Dworzak

Ε0(x0, y0, z0)

J`3

dr inż. Janusz Pluta

prof. dr hab. inż. Franciszek Siemieniako dr inż. Tomasz Kuźmierowski dr inż. Cezary Kownacki dr inż. Kazimierz Dzierżek

Reklama / prenumerata reklama@pneumatyka.com prenumerata@pneumatyka.com

F3 J`2 F2 F1

J`1

Na okładce wykorzystano zdjęcie z oferty firmy Marani. Redakcja nie odpowiada za treści zamieszczonych reklam.

magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Konferencja

Podsumowanie Targów Wspomagania Procesów Przemysłowych W Expo Silesia zakończyły się wydarzenia branżowe, na których prezentowały się firmy z branży robotyki, hydrauliki, automatyki i pneumatyki oraz technik smarowniczych. Ofertę uzupełniła prezentacja produktów i rozwiązań z zakresu przetwórstwa tworzyw sztucznych i gumy. Biorąc pod uwagę tematykę wydarzenia oraz osoby i firmy, do których było skierowane, całość nazwano Targami Wspomagania Procesów Przemysłowych.

Targi Hydrauliki, Automatyki i Pneumatyki HAPexpo, organizowane po raz czwarty oraz odbywające się po raz drugi Targi Robotyzacji i Automatyzacji w Przemyśle ROBOTshow, były doskonałą okazją do zapoznania się z nowościami w branży. Wystawcy zaprezentowali m.in. komponenty automatyki, systemy napędów i sterowania czy technologie i sprzęt służący do automatyzacji i informatyzacji w produkcji. Obecni byli także producenci i dystrybutorzy komponentów oraz podzespołów do maszyn przemysłowych, fabryk oraz linii produkcyjnych. Duże zainteresowanie Zwiedzających wzbudziły firmy prezentujące osprzęt i roboty przemysłowe, wśród których znalazł się m.in. dystrybutor robotów marki Kawasaki i Epson, ASTOR Sp. z o.o. Wśród nowości zaprezentowanych na targach znalazły się także nowe na rynku polskim duńskie roboty Universal Robots, prezentowane przez firmę Pol-Sver Sp. z o.o. Tematykę wspomagania procesów przemysłowych uzupełniły Targi Olejów, Smarów i Płynów Technologicznych dla Przemysłu OILexpo, odbywające się w Expo Silesia po raz drugi. Wśród prezentowanych marek znalazły się te naprawdę znaczące na rynku, m.in. Orlen OIL czy autoryzowany dystrybutor środków smarnych Mobil – firma SmarT Plus. Wystawcy prezentowali środki smarne znajdujące zastosowanie w przemyśle samochodowym, maszynowym, hutniczym i górniczym, a także oleje silnikowe, przekładniowe, płyny eksploatacyjne i chłodziwa. Obecni byli także producenci technologicznych schładzaczy cieczy, zespołów sprężarkowych, agregatów chłodniczych i innych wyspecjalizowanych urządzeń chłodniczych.

Podczas wydarzenia wręczono medale i wyróżnienia za najlepsze produkty i usługi prezentowane na targach. Medal Expo Silesia za wytłaczarkę dwuślimakową stożkową z przełączalną skrzynią przekładniową EHP 15 Professional serii MINI Line otrzymała firma ZAMAK MERCATOR Sp. z o.o. Wyróżnienia przyznano firmie ASTOR Sp. z o.o. za robot przemysłowy Kawasaki BX200L oraz firmie PEPPERL+FUCHS Sp. z o.o. za odbiciowy czujnik ultradźwiękowy z metalowym czołem – UMC3000. Natomiast wyróżnienie za stworzenie platformy współpracy dla sektora motoryzacyjnego otrzymał Wydział Gospodarki, Promocji i Współpracy Międzynarodowej Urzędu Marszałkowskiego Województwa Śląskiego. Firmy: ASTOR Sp. z o.o., Automationstechnik Sp. z o.o. oraz Z.H.U. AutomatykaElektronika Naprawa Maszyn i Urządzeń Tomasz Jasztal, nagrodzono za efektowną formę promocji targowej. Prezentacjom wystawców towarzyszyły seminaria i prezentacje. W ramach programu Silesia Automotive Region Urząd Marszałkowski zorganizował warsztaty w formule matchmakingowej. Tematyką tegorocznych sesji były nowe aplikacje materiałowe oraz robotyka i automatyka. Odbiorcami prelekcji byli przede wszystkim przedsiębiorcy działający jako podwykonawcy branży Automotive. Targom towarzyszyło także seminarium „Współczesne problemy smarowania maszyn i urządzeń”, którego prelegentami byli przedstawiciele Politechniki Śląskiej oraz Polskiego Towarzystwa Trybologicznego. Była to doskonała okazja do zapoznania się z najnowszymi technologiami i nowinkami rynkowymi, a także wstęp do dyskusji dotyczącej np. stosowania olejów w maszynach i urządzeniach górniczych, czy wpływie zanieczyszczeń środków smarnych na zużycie węzłów tarcia. Źródło: Expo Silesi Sp. z o.o.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

SPRĘŻARKI

Tradycyjnie, ogromnym zainteresowaniem cieszyły się zawody robotów mobilnych Astor Robot Challenge, organizowane przez Koło Naukowe Integra oraz Partnera Strategicznego targów HAPexpo, firmę ASTOR. Ponad 30 zespołów zaprezentowało samodzielnie zaprojektowane i zbudowane roboty mobilne. Drużyny startowały w czterech kategoriach, a w każdej z nich zasady oraz cel jaki należało osiągnąć, aby wygrać, są inne. Rozgrywki w klasie Sumo i Minisumo polegały na rywalizacji dwóch robotów starających się zepchnąć przeciwnika z ringu („dojo”). Natomiast w zmaganiach w klasie Linefollower i Linefollower Enhanced roboty musiały przejechać wyznaczoną trasę w jak najkrótszym czasie. Zadanie utrudniały przeszkody, przerwy na trasie oraz tunele. Celem targów i wydarzeń im towarzyszących było przede wszystkim precyzyjne skojarzenie przedsiębiorców z sektorów Automotive, produkcji, AGD, górnictwa, budownictwa, przemysłu maszynowego, przemysłu spożywczego oraz przemysłu energetycznego, z dostawcami rozwiązań z różnych sektorów.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Manipulator współpracujący ze sterownikiem pneumatycznym lub OPLC Michał KRĘPSKI, Witold PAWŁOWSKI*

michal.krepski@p.lodz.pl, witold.pawlowski@p.lodz.pl

* Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź Streszczenie: W artykule opisano dotychczasowy układ napędu i sterowania pneumatycznego manipulatora podającego półfabrykaty noży kuchennych do przyrządu mocującego na szlifierce lub polerce. Przedstawiono zmiany w układzie sterowania manipulatora. Zmodernizowano dotychczasowy układ napędu i sterowania pneumatycznego oraz zastosowano elektroniczny układ sterowania. Zastosowano sterownik typu OPLC wraz z odpowiednimi czujnikami oraz wyspę zaworową z zaworami elektromagnetycznymi. W podsumowaniu zwrócono uwagę na zalety nowoczesnego układu sterowania oraz elastyczność sposobu programowania urządzenia.

1. WPROWADZENIE

2.1. Konstrukcja stanowiska

Z upływem czasu manipulatory tracą swoje właściwości eksploatacyjne. Objawia się to najczęściej zwiększonymi luzami w połączeniach na skutek zużycia mechanicznego części trących o siebie oraz niewłaściwym działaniem pneumatycznych układów napędowych na skutek utraty właściwości uszczelniających przez uszczelki w zaworach i siłownikach. Wyeksploatowany manipulator można poddać procesowi kompleksowej modernizacji, wymieniając zużyte elementy kinematyki oraz układu napędu i jednocześnie wprowadzać nowoczesne sposoby sterowania OPLC.

Manipulator (rys. 1) składa się z dwóch podobnie zbudowanych ramion przenoszących detale. Obrót ramienia jest realizowany za pomocą przekładni łańcuchowej napędzanej siłownikiem liniowym dwustronnego działania. Na końcu ramienia znajdują się kleszcze otwierane i zamykane na skutek działania pneumatycznego siłownika na układ dźwigniowy. Następny siłownik pneumatyczny przesuwa ramię po okrągłych prowadnicach w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny obrotu ramienia. Jedno z ramion służy do przenoszenia półfabrykatów z magazynu do uchwytu mocującego, a drugie ramię do przenoszenia detali z uchwytu montażowego do magazynu. Magazyn półfabrykatów i obrobionych detali jest obracany skokowo za pomocą liniowego siłownika pneumatycznego. Mocowanie półfabrykatu w uchwycie także odbywa się za pomocą siłownika pneumatycznego. Układ napędu manipulatora składa się z 8 siłowników dwustronnego działania oznaczonych literami od A do H (rys. 2). W pierwotnym układzie sterowania siłowniki A÷H były zasilane przez zawory rozdzielające pięciodrogowe, dwupołożeniowe sterowane obustronnie pneumatycznie. Jedynie siłownik H obracający magazynem detali zasilano w inny sposób. Zawory rozdzielające R1 ÷ R7 są przesterowywane sygnałami A1, A0, B1, B0 itd. (rys. 3) pochodzącymi z bloku taktowego (rys. 4). Sygnały zwrotne (a0, b1, b0 itd.) dochodzące do bloku taktowego pochodzą z odpowiednich przewodów zasilania siłowników.

2. OBIEKT MODERNIZACJI Obiektem modernizacji jest dwuramienny manipulator firmy „Heize Berger” działający w oparciu o pneumatyczny sterownik zbudowany z elementów logicznych francuskiej firmy TELEMECHANIQUE . Manipulator został zaprojektowany i skonstruowany w celu obróbki ostrzy noży kuchennych za pomocą szlifierki lub polerki. Jego zadaniem było pobranie półfabrykatu noża z magazynu, podanie do strefy obróbki oraz odniesienie oszlifowanego (lub wypolerowanego) noża do magazynu. W 1994r. manipulator został przekonstruowany (zmieniono konstrukcję magazynu oraz w niewielkim zakresie cykl pracy) na model magazynu narzędzi do obrabiarki sterowanej numerycznie z komputerowym wyborem narzędzi (Jaguszewski, 1994). Ze względu na wiele lat eksploatacji manipulator wykazywał zwiększoną awaryjność działania. W 2010 r. w ramach rozbudowy laboratorium pneumatyki na Wydziale Mechanicznym Politechniki Łódzkiej przeprowadzono modernizację manipulatora, która polegała na przywró-ceniu częściom mechanicznym pierwotnego wyglądu i sprawności działania, wymieniono elementy napędu i sterowania pneumatycznego oraz zastosowano elektryczny układ sterowania wyposażony w sterownik OPLC (Stefaniak, 2010). Manipulator jest wyko-rzystywany w laboratorium dydaktycznym. Można go uruchamiać pod nadzorem sterownika pneumatycznego lub sterownika OPLC. Pozwala to studentom na porównanie obu rodzajów sterowania.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Rys. 2. Diagram ruchu

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Łatwość projektowania układów sterowania z zastosowaniem pamięci taktowych wynika stąd, że projektant nie musi analizować stanu pamięci w układzie przed przejściem do następnego taktu, a jedynie określić sygnały, które uruchomią następny takt oraz wymagane blokady (Szenajch, 1983).

Rys. 1. Widok manipulatora

2.2. Pierwotny układ sterowania Napęd mechanizmów manipulatora w pierwotnej wersji konstrukcyjnej przedstawiono na rys. 3, a układ sterowania za pomocą sterownika pneumatycznego na rys. 4. Główną częścią sterownika jest tzw. blok taktowy zbudowany z elementów firmy TELEMECHANIQUE. Idea sterowania z wykorzystaniem bloku taktowego polega na tym, że pracę układu wykonawczego rozbija się na kolejne takty (kroki) odpowiadające kolejnym stanom urządzeń napędzanych. Każdemu taktowi jest przypisany określony element pamięci. Włączenie i-tej pamięci jest możliwe w momencie, gdy jest stwierdzone istnienie sygnału na wyjściu z taktu poprzedniego oraz gdy pojawił się sygnał zewnętrzny wymuszający przejście do taktu i-tego. Zerowanie i-tej pamięci następuje w chwili pojawienia się sygnału na wyjściu (i+1)-tej pamięci.

Aby można było uruchomić manipulator w cyklu „praca automatyczna” poszczególne mechanizmy muszą znajdować się w tzw. pozycji wyjściowej: • ramię I – po stronie uchwytu mocującego detal, odsunięte od niego, kleszcze otwarte czekają na pobranie detalu z uchwytu, • ramię II – po stronie uchwytu mocującego detal, odsunięte od niego, kleszcze zamknięte (w kleszczach półfabrykat), • uchwyt mocujący – zamknięty (mocuje detal), • magazyn – siłownik obracający magazynem w po-zycji tylnej (wsunięte tłoczysko), • montaż – sygnał zakończenia procesu montażowego. Manipulator można także uruchamiać w cyklu „krok po kroku” drogą ręcznego przesterowywania kolejnych elementów bloku taktowego. Ten cykl pracy jest stosowany do testowania układu sterowania, oraz do dokończenia przerwanego cyklu „praca automatyczna”.

Rys. 3. Schemat pierwotnego napędu pneumatycznego manipulatora

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 4. Schemat układu pneumatycznego sterowania manipulatora

3. ZMODERNIZOWANE STANOWISKO

3.1. Zmodernizowany układ pneumatyczny

Modernizacja manipulatora polegała na przywróceniu częściom mechanicznym pierwotnego wyglądu i sprawno-ści działania, wymianie napędów pneumatycznych, zamontowaniu dodatkowych amortyzatorów hydraulicznych oraz zastosowaniu elektrycznego układu sterowania wyposażonego w sterownik OPLC, co wymagało dodatkowo zastosowania czujników położenia tłoka. W wyniku tych działań otrzymano możliwość pracy manipulatora pod nadzorem sterownika pneumatycznego lub sterownika OPLC.

Schemat układu pneumatycznego napędu manipulatora sterowanego sterownikiem pneumatycznym przedstawiono na rys. 5, natomiast na rys. 6 zamieszczono schemat zmodernizowanego sterownika pneumatycznego, a na rys. 7 układ manipulatora sterowanego sterownikiem OPLC. W celu zachowania czytelności sposobu prezentacji układu pneumatycznego zrezygnowano z przedstawienia jednego wspólnego schematu. Byłby on skomplikowany i mało przejrzysty.

Rys. 5. Schemat układu pneumatycznego napędu manipulatora sterowanego sterownikiem pneumatycznym

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 6. Schemat zmodernizowanego sterownika pneumatycznego

Rys. 7. Schemat układu pneumatycznego napędu manipulatora sterowanego sterownikiem OPLC

Schematy (rys. 5 i 7) mają wiele wspólnych elementów. Są to: • siłowniki oznaczone literami A÷H, • zawory logiczne alternatywy oznaczone Za1 ÷ Za16, • układ zasilania sprężonym powietrzem składający się z zaworu odcinającego ZR, zespołu przygotowania powietrza UPP, zaworu łagodnego startu ZŁS, • zawory rozdzielające Re9 i R8, zasilające odpowiednie gałęzie układu pneumatycznego. W układzie zmodernizowanego sterownika pneumatycznego dokonano niewielkich zmian w porównaniu z układem pierwotnym. Zrezygnowano z przekaźnika 7.2 i zaworu rozdzielającego 3/2 sterowanego elektrycznie – poz. 11.1 (rys. 4) W zamian zastosowano zawór z opóźnieniem czasowym R11 (rys. 6).

Wszystkie elementy zmodernizowanego układu pneumatycznego (rys. 5, 6 i 7) są elementami nowymi. Siłowniki zostały wymienione z następujących powodów: • długi czas eksploatacji, co stało się przyczyną ich wysokiej awaryjności (przecieki przez uszczelki na tłoku), • brak magnesów na tłokach, co w większości przypad-ków uniemożliwia sterowanie PLC poprzez kontrolę po-łożenia tłoków (przesuw kilku siłowników można byłoby kontrolować na zasadzie analizy przemieszczenia tłoczysk). Zastosowano: • dwa siłowniki (C i F na rys. 5) ISOCLAIR – seria 438 (firma ASCO JOUCOMATIC), • sześć siłowników (A, B, D, E, G oraz H na rys. 5) – seria CP95 (firma SMC).

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Ponadto w układzie pneumatycznym zastosowano: • ZR - ręczny zawór odcinający 3/2 (firma SMC) - typ VHS20-02 wyposażony w tłumik wylotowy AN103-01, • UPP – układ przygotowania sprężonego powietrza na który składa się z zawór redukcyjny zintegrowany z filtrem (firma SMC) – typ AW20-F02H-X64 - dokładność filtracji 5µm i przepływ 500 Nl/min, • ZŁS – zawór łagodnego startu (firma SMC) – typ EAV2000F02-5YO-Q z tłumikiem wylotowym AN200-02, • wyspę zaworową serii SJ (firma SMC) zawierającą 5 zaworów 5/2 bistabilnych (typ SJ2260-5CU-CU) i 3 zawory 5/2 monostabilne (typ SJ2160-5CU-CU), sterowanych elektrycznie 24VDC, • 16 zaworów dławiąco-zwrotnych z gwintem i przyłą-czem wtykowym – typ AS2201F-01-045 (firma SMC) - do każdego siłownika zastosowano dwa zawory dła-wiąco-zwrotne, • 11 czujników elektronicznych położenia tłoka (Cp1 do Cp11 na rys. 5) – typ D-M9B (firma SMC), • 4 czujniki indukcyjne do wykrywania położenia ramion manipulatora (Ck1 do Ck4 na rys. 5) – typ TL-X5E1 (firma OMRON), • 4 amortyzatory hydrauliczne uderzeń – do hamowania ramion manipulatora w krańcowych położeniach – typ RJ 1007L (firma SMC).

• port komunikacji RS485 (opcjonalnie), • moduł Ethernet (opcjonalnie).

Sterownik pneumatyczny i elementy logiczne (rys. 6) są elementami firmy PARKER.

Moduł „HMI Display Editor” służy do tworzenia ekranów wyświetlanych na panelu sterownika podczas wykonywania programu sterującego. Ekrany mogą zawierać obiekty tekstowe, graficzne oraz zmienne systemowe, które umożliwiają przekazywanie operatorowi aktualnych informacji o stanie procesu oraz umożliwiają ewentualną reakcję na powstałe błędy.

3.2. Sterowanie zmodernizowanym układem manipulatora Do sterowania manipulatorem zastosowano sterownik OPLC (Operating Panel + Programmable Logic Controller) typ Vision 260 firmy UNITRONICS (rys. 8) (www.unitronics.com, 2012). Jest to sterownik zaprojektowany specjalnie do zastosowań przemysłowych, przystosowany do pracy w trudnych warunkach środowiskowych, które występują w przemyśle przy zautomatyzowanych maszynach i liniach produkcyjnych. Przeznaczony jest do automatyzacji instalacji przemysłowych, maszyn produkcyjnych, urządzeń technologicznych itp. (Mikulczycki, 2006). Posiada stopień ochrony IP65. Tym, co różni ten sterownik od sterowników PLC jest wbudowany panel operatorski HMI (Human Machine Interface). Vision 260 jest sterownikiem typu COMPACT z możliwością przyłączenia dodatkowych modułów rozszerzających. Sterownik posiada: • zintegrowany panel operatorski HMI 5,4” - 8 linii po 40 znaków – panel graficzny 240x64 piksele; • 33 programowalne przyciski, • snap-in I/O Module – dołączany moduł rozszerzeń I/O, • możliwość podłączenia modułów rozszerzających zakres I/O poprzez adapter rozszerzeń EX-A1 (dołączenie do sterownika maksymalnie 8 modułów co daje nam dodatkowo 128 wejść i wyjść), • 2 porty komunikacyjne RS232, • port CANbus, • modem GSM/PTSN, • modem GPRS,

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Do oprogramowania sterownika Vision 260 użyto programu VisiLogic, w którym aplikacje napisano w ję-zyku drabinkowym. Program pracuje w środowisku Windows 9x, NT, XP. Odpowiednie funkcje programu są aktywowane automatycznie w zależności od wybranej konfiguracji sprzętowej obsługiwanego urządzenia. Środowisko programowe można podzielić na trzy moduły: • Hardware Configuration, • Ladder Editor, • HMI Display Editor. Moduł “Hardware Configuration” jest odpowiedzialny za właściwą komunikację sterownika ze środowiskiem. Służy także do konfigurowania wejść/wyjść urządzenia i detekcji zwarć na końcówkach. Podczas pierwszego uruchomienia programu moduł ten otwiera się automatycznie celem skonfigurowania sterownika. Moduł „Ladder Editor” służy do programowania języku drabinkowym, który jest najczęściej stosowanym językiem programowania (Flaga, 2005).

Zaprojektowano szereg ekranów od powitalnego poprzez ekrany prowadzące operatora przez kolejne etapy sprawdzania pozycji mechanizmów manipulatora, załączania sprężonego powietrza oraz pozycjonowania ramion manipulatora, aż do możliwości pracy krokowej lub załączenia cyklu automatycznego.

4. PODSUMOWANIE Modernizacja i rozbudowa układu napędowego i sterowania dwuramiennego manipulatora przedstawiona w niniejszym artykule jest przykładem możliwości zastąpienia jednego rodzaju sterowania innym. Umożliwia zapoznanie studentów z różnymi odmianami sterowania. Taka modernizacja z zastosowaniem nowoczesnych technologii odkrywa nowe możliwości wykonawcze i eksploatacyjne użytkowanych dotychczas urządzeń. Na podstawie tego przykładu zaprezentowano sposób przebudowy układu sterowania pneumatycznego na OPLC. Stanowisko może być również zastosowane w celu dydaktycznym tj. w celu zapoznania z możliwościami pracy manipulatora pod nadzorem sterowania pneumatycznego lub OPLC oraz w celu wskazania ela-styczności i możliwości szybkiej zmiany oprogramowania stanowiska.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 8. Programowalny sterownik Vision 260 firmy UNITRONICS (www. unitronics.com, 2012)sterowanego sterownikiem OPLC

THE MANIPULATOR WITH PNEUMATIC OR OPLC CONTROLLER Abstract: In the paper the current pneumatic drive and control system of the manipulator supplying the kitchen knives semifinished products to the clamping unit of grind-er or polisher is described. The possible changes in control system of the manipulator are presented. The current pneumatic drive and control system has been modernized and the electronic control system has been applied. The OPLC controller as well as appropriate sensors and valve terminal with electromagnetic valves for pneumatic actuators control have been successfully utilized. In conclusions the advantages of the modern control system and flexibility of programming method of the system have been indicated.

Rys. 9. Moduł Ladder Editor

LITERATURA 1. Flaga S. (2005), Programowanie sterowników PLC w języku drabinkowym. ReNet. 2. Jaguszewski P. (1994), Projekt magazynu narzędzi centrum frezarskiego dla 60 narzędzi. System wyszukiwania narzędzi z kodowaniem na EEPROM. Praca pod kierunkiem J. Rafałowicza, Archiwum IOiTBM Politechniki Łódzkiej. 3. Mikulczycki T. (2006), Automatyzacja procesów produkcyjnych. WNT Warszawa. 4. Stefaniak P. (2010), Manipulator do noży kuchennych sterowany przy użyciu sterownika OPLC. Praca pod kierunkiem M. Krępskiego, Archiwum IOiTBM Politechniki Łódzkiej. 5. Szenajch W. i inni (1983), Pneumatyka i hydraulika maszyn technologicznych. WNT, Warszawa. 6. Dzierżek K. (2007) Programowanie sterowników GE Fanuc. Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok. 7. www.unitronics.com, luty 2012.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Modelowanie i symulacja układów pneumatycznych w systemie Automation Studio Witold PAWŁOWSKI, Michał KRĘPSKI, Robert SYNAJEWSKI*

witold.pawlowski@p.lodz.pl michal.krepski@p.lodz.pl robert.synajewski@p.lodz.pl

* Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź Streszczenie: W artykule przedstawiono cel, sposoby i możliwości przeprowadzenia modelowania układów pneumatycznych za pomocą programów wspomagających tworzenie układów napędu i sterowania. Wskazano różne stopnie zaawansowania modelowania i wymieniono funkcjonalności programu Automation StudioTM firmy Famic Technologies Inc. Omówiono możliwości symulacyjne programu i przedstawiono przykładowe wyniki symulacji. Wskazano zalety stosowania oprogramowania wspomagającego budowę i badanie układów napędu i sterowania pneumatycznego.podsumowaniu zwrócono uwagę na zalety nowoczesnego układu sterowania oraz elastyczność sposobu programowania urządzenia.

1. WPROWADZENIE Układy pneumatyczne znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach techniki i spełniają różnorakie funkcje. Wśród nich można wyróżnić układy pomiarowe, sygnalizujące, przeliczające, sterujące, napędowe, regulacyjne, mocujące, montażowe i transportowe (Wołkow i Dindorf, 1994). W układach pneumatycznych można wyróżnić następujące grupy elementów: • przetwarzające energię sprężonego powietrza na energię mechaniczną, • sterujące sprężonym powietrzem, • przygotowujące, przesyłające, magazynujące i odprowadzające do atmosfery sprężone powietrze (Szenajch, 1975). Zbudowanie nieskomplikowanego układu pneumatycznego nie stanowi większego problemu dla doświadczonego konstruktora, jednak nie zawsze zaprojektowany układ będzie optymalny. Ze względu na skomplikowany matematyczny opis zjawisk występujących przy przepływie sprężonego powietrza przez elementy układu oraz specyfikę konstrukcji elementów pochodzących od różnych wytwórców, konstruktor często posługuje się wzorami empirycznymi lub nomogramami. Dokładność tych obliczeń w większości przypadków jest wystarczająca do wstępnego określenia parametrów pracy układu (Stawiarski, 1992). Rozwój techniki komputerowej spowodował pojawienie się bardzo wielu programów wspomagających budowę optymalnych rozwiązań konstrukcyjnych układów pneumatycznych. Wśród nich można wyróżnić następujące programy: • do budowania schematów układów pneumatycznych. Wiele programów CAD zawiera opcje pozwalające na rysowanie schematów układów pneumatycznych przy wykorzystaniu symboli elementów z dołączonej biblioteki, • do symulacji pracy układów pneumatycznych. Programy pozwalają na sprawdzenie poprawności zaprojektowanego układu,

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

• do symulacji pracy układów i badania przebiegów czasowych parametrów użytkowych. W literaturze można odnaleźć zestawienia i krótkie omówienia najczęściej stosowanych programów do symulacji i modelowania układów pneumatycznych (Dindorf, 2003). W ostatnich czasach pojawiły się komputerowe programy wspomagające projektowanie, które wiążą model 3D maszyny technologicznej ze schematem układu pneumatycznego napędu i sterowania. Pozwala to na wizualizację działania projektowanego urządzenia.

2. PROGRAM AUTOMATION STUDIOTM Automation StudioTM jest całkowicie integralnym systemem, który pozwala użytkownikowi projektować, sporządzać dokumentację, przeprowadzać symulację i animować działanie obwodów zawierających różne technologie napędu i sterowania, czyli pneumatykę, hydraulikę, technikę proporcjonalną, zastosowanie programowalnych sterowników logicznych (PLC), sterownie elektryczne itp. Moduł symulacji układów hydraulicznych i pneumatycznych jest oparty o sprawdzoną i wiarygodną technikę obejmującą zastosowanie praw przepływu Bernoulli’ego oraz metodę gradientową. Właściwości pakietu Automation StudioTM obejmują następujące możliwości: • budowanie wirtualnych układów pneumatycznych i hydraulicznych na ekranie komputera, • dodawanie symboli elementów układów sterowania sekwencyjnego, PLC i innych, • dynamiczną symulację całego projektu realistycznie uwzględniającą cechy poszczególnych elementów wchodzących w skład projektowanego układu połączoną z ciągłym obliczaniem i wizualizacją danych np. o ciśnieniu, przepływie, prędkości, napięciu, natężeniu prądu itp.,

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

• nastawianie parametrów takich jak: wymiary gabarytowe siłownika, stopień dławienia przepływu, pozycje czujników krańcowych itp., • dobrze zorganizowany system opisu użytkowych właściwości elementów składowych projektowanych systemów za pomocą animowania pracy pojedynczych urządzeń wraz z ich zdjęciami, • animację działania układu proporcjonalną do czasu rzeczywistego, • jednoczesną symulację wielu schematów z możli-wością przepływu danych pomiędzy układami, • eksport graficznego schematu do formatu AutoCAD-a, Excela lub edytora Word, • rozbudowę bibliotek programu o dodatkowe, nowe elementy projektowane i wykorzystywane przez użytkownika. Zasada pracy z systemem Automation StudioTM (rys. 1) na etapie tworzenia projektu polega na wykorzystaniu przygotowanych elementów układu napędowego z załączonych okien narzędziowych lub bibliotek systemu i przeciągnięciu ich do okna projektu. Następnie elementy łączy się ze sobą za pomocą odpowiednich poleceń narzędziowych. Ten etap przypomina proste rysowanie układu napędowego wraz ze sterowaniem. Różnica polega jednak na znacznym ułatwieniu projektowania w postaci możliwości skorzystania z gotowych symboli, intuicyjności narzędzi rysowania oraz, co najistotniejsze, możliwości przeprowadzenia symulacji działania projektowanego układu wraz z animacją funkcji napędowych i sterujących poszczególnych elementów zastosowanych w projekcie.

Automation StudioTM posiada biblioteki zawierające symbole według międzynarodowych standardów i norm takich jak ISO, DIN, IEC oraz JIC. Każda biblioteka posiada podział na kategorie elementów według intuicyjnego kryterium. Korzystanie z bibliotek polega na przeszukiwaniu zasobów, wyborze właściwego symbolu elementu, a następnie przeciągnięciu go do okna opracowywanego projektu. Istnieje również możliwość utworzenia własnej biblioteki elementów, która może obejmować np. elementy najczęściej stosowane. Biblioteki, które można zastosować podczas projektowania systemów napędowych obejmują: • biblioteki elementów pneumatycznych, • biblioteki elementów hydraulicznych, • biblioteki proporcjonalnych elementów hydraulicznych, • biblioteki elementów elektrycznych. Przykłady bibliotek elementów pneumatycznych przedstawiono na rys. 2. a) b)

Rys. 2. Przykładowe okna bibliotek: a) elementów pneumatyki, b) siłowników pneumatycznych

Rys. 1. Okno programu Automation StudioTM

Podczas symulacji elementy napędowe zostają animowane zgodnie z charakterem ich ruchu, a łączące przewody są podświetlane w kolorach odpowiadających ich stanom. Dzięki temu użytkownik może na bieżąco monitorować zmienne wartości ciśnienia, przepływu i przemieszczenia w dowolnym punkcie układu za pomocą wstawienia wirtualnego przyrządu pomiarowego lub graficznie za pomocą diagramów czasowych. Można również dostosować wartość kroku symulacji oraz uruchomić animację w trybie normalnym, krok po kroku, w zwolnionym tempie lub włączyć pauzę odtwarzania animacji.

Automation StudioTM posiada również funkcjonalność polegającą na możliwości utworzenia siłowników i zaworów (rys. 3) według wymagań użytkownika. W ten sposób utworzone elementy spełniają specyficzne wymagania użytkownika i pozwalają elastycznie budować wszelkie układy napędowe. Zbudowany układ napędowy może zostać wydrukowany lub wyeksportowany w formacie DXF w celu późniejszego wykorzystania go w dowolnym systemie CAD. Symulacje przeprowadzane w systemie Automation StudioTM obejmują animację układów napędowych zgodnie z charakterem działania projektowanego układu. Zastosowanie kolorów do oznaczania stanu czynnika napędowego w przewodach pozwala użytkownikowi na bieżąco monitorować stan pracy układu. Projektowane linie przepływu mogą zostać zaopatrzone w parametry takie jak długość i średnica przewodu, w celu analizy i monitorowania spadków ciśnienia w przewodach zasilających układ napędowy.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 4. Schemat przykładowego układu pneumatycznego Rys. 3. Okno doboru zaworu rozdzielającego

Ponadto parametry przepływu mogą być płynnie regulowane przez użytkownika podczas przeprowadzania symulacji, co znacznie podnosi walor elastyczności i użytkowej intuicyjności symulacji przeprowadzanej w programie Automation StudioTM. Dodatkową, unikalną możliwością oprogramowania jest możliwość prezentacji symulacji dynamicznej synchronicznie na schemacie układu napędowego oraz na przekrojach elementów napędowych lub sterujących. To znacznie podnosi walor edukacyjny programu Automation StudioTM. Bardzo istotnym aspektem aplikacyjnym oprogramowania Automation StudioTM jest możliwość sprzężenia systemu ze sterownikiem PLC i graficzne opracowanie programu sterującego w języku drabinkowym. Automation StudioTM posiada funkcjonalność polegającą na możliwości symulowania funkcji sterownika logicznego i w ten sposób umożliwia zaimplementowanie w projektowanym układzie napędowym sterowania logicznego. Oprogramowanie zawiera bogatą bibliotekę elementów języka drabinkowego do PLC obejmującą takie funkcje jak np. styki, cewki, wejścia/wyjścia, timery, liczniki, test logiczny i funkcje matematyczne. Te możliwości pozwalają nawet na zaprojektowanie kompletnej wirtualnej fabryki. Automation StudioTM może obsługiwać sterowniki następujących firm: Allen-Bradley, Siemens, Schneider, Omron, Mitsubishi, GE Fanuc i inne.

3. SYMULACJA I ANALIZA DZIAŁANIA PRZYKŁADOWEGO UKŁADU PNEUMATYCZNEGO ZA POMOCĄ AUTOMATION STUIO Przykładowy układ pneumatyczny składa się z dwóch elementów wykonawczych w postaci siłowników pneumatycznych A i B dwustronnego działania z jednostronnym tłoczyskiem (rys. 4). Zawory ZR1 i ZR2 są zaworami czterodrogowymi, dwupołożeniowymi sterowanymi obustronnie wzrostem ciśnienia. Sygnały sterujące pochodzą z wyłączników drogowych (Z-a0, Z-a1, Z-b0, Z-b1). Prędkość ruchu tłoczysk może być regulowana za pomocą zaworów dławiąco-zwrotnych na wypływie z komór cylindra. Umożliwia to otrzymanie stabilnej prędkości ruchu tłoka i zwiększa sztywność układu napędowego. Układ w czasie symulacji jest załączany po ręcznym przesterowaniu zaworu rozdzielającego 3/2 NC z podtrzymaniem (ZR5).

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Parametry układu pneumatycznego zostały zestawione w tabeli 1. Siłownik A

Siłownik B

Średnica tłoka

50mm

32mm

Średnica tłoczyska

15mm

12mm

Skok tłoka

500mm

200mm

Całkowita zewnętrzna siła

-małego obciążenia 50N,

przeciwdziałająca wysuwowi i

-dużego obciążenia

wsuwowi tłoczyska

500N

W przypadku:

Współczynnik tarcia dynamicznego tłoka

0,001daN • s/cm

20N

0,001daN • s/cm

Średnice otworów zaworów regulowanych dławiąco-zwrotnych w przypadku małego dławienia ustawiono na 5mm (100% powierzchni otwarcia), natomiast w przypadku dużego dławienia - na 2mm (16% powierzchni otwarcia). Długości każdego z przewodów pomiędzy zaworami dławiaco-zwrotnymi i rozdzielającymi wynoszą 100mm, a średnice wewnętrzne przewodów 4mm. Współczynnik oporów tarcia sprężonego powietrza w przewodzie został przyjęty o wartości f=0,027. Ciśnienie sprężonego powietrza wynosi 5 bar. Podczas analizy działania przykładowego układu pneumatycznego zostały wyznaczone czasowe charakterystyki parametrów badanego układu. W praktyce przemysłowej przy doborze czasu przesuwu siłownika w projektowanym układzie użytkownicy korzystają z doświadczalnie ustalonych nomogramów do określania średniej prędkości ruchu tłoka w zależności od obciążenia, budowy cylindra i zastosowanych do układu zaworów rozdzielajacych i przewodów. Program Automation StudioTM umożliwia analizę chwilowej prędkości ruchu tłoka w cylindrze. Do wykreślania różnych przebiegów czasowych parametrów układu w programie służy moduł Plotter. Wykorzystując opcję Export tego modułu otrzymane z obliczeń systemu wartości charakterystyk układu zapisano w pliku tekstowym i opracowano je w programie Microsoft Excel. Na kolejnych rysunkach (rys. 5÷8) przedstawiono charakterystyki czasowe parametrów siłownika A zaprezentowanego na schemacie pneumatycznym badanego układu (rys. 4). Na rysunkach 5÷8 przedstawiono ciśnienia występujące po obu stronach tłoka siłownika, przemieszczenie oraz prędkość ruchu tłoczyska.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Decydujący wpływ na wartość prędkości ruchu tłoka w cylindrze siłownika pneumatycznego mają następujące parametry (Stawiarski, 1975): • współczynnik obciążenia cylindra definiowany jako stosunek siły użytecznej (obciążenia) do siły wynikającej z panującego ciśnienia w komorze napełnianej, • wartość oporów przepływu powietrza w elementach dławiących, • średnica otworów w cylindrze, • zastosowane do zasilania i odpowietrzania cylindra zawory i przewody. Na czterech ilustracjach przedstawiono wyniki symulacji działania układu dla kombinacji dwóch nastaw dławienia i dwóch różnych obciążeń zewnętrznych tłoczyska siłownika z wartościami parametrówzestawionych w tabeli 1. W celu porównania przebiegu charakterystyk wszystkie wykresy przedstawiono w tej samej skali. Przedstawiony czas symulacji równy 13 s wynika z koncepcji prezentacji wykonania jednego pełnego cyklu pracy siłownika w przypadku najdłuższego czasu jego realizacji (cykl na rys. 8). Wykresy przemieszczeń tłoków w cylindrze mają charakterystyki przybliżone do trapezowych. Na rys. 5 można zaobserwować pełne dwa cykle pracy i początek trzeciego. Na rys. 6 i 7 zostały przedstawione niepełne dwa cykle. Jest to spowodowane dużym obciążeniem (symulacja na rys. 6) lub zwiększonym dławieniem w układzie pneumatycznym (rys. 7). Nałożenie się jednocześnie dużego obciążenia i dławienia powoduje, że podczas symulacji, której przebieg jest prezentowany na rys. 8, widoczny jest tylko jeden wysuw i wsunięcie tłoczyska. Charakterystyka prędkości tłoka w cylindrze jest pochodną przemieszczenia w czasie. W przypadku symulacji przedstawionej na rys. 5 obserwuje się większe wartości prędkości tłoka, co jest spowodowane małym obciążeniem i niskim dławieniem w układzie pneumatycznym. Ze wszystkich czterech wariantów konfiguracji parametrów tylko podczas symulacji zaprezentowanej na rysunku 6 prędkość stabilizuje się szybko. Jest to spowodowane większym obciążeniem tłoczyska przy małym dławieniu. Na podstawie czasowych przebiegów ciśnień w komorach siłownika można wyróżnić kilka etapów w przedstawionym cyklu pracy. Po przesterowaniu zaworu rozdzielającego ciśnienie w komorze od strony tłoka gwałtownie rośnie (krzywa ciągła). Dla wykresów odnoszących się do przypadku siłownika z dużym obciążeniem zewnętrznym ciśnienie to wzrasta do większej wartości. Ciśnienie w przybliżeniu jest równe ciśnieniu zasilania układu. Po zmniejszeniu się ciśnienia w komorze od strony tłoczyska (krzywa przerywana) możliwy jest ruch tłoka, podczas którego oba prezentowane ciśnienia spadają.

Rys. 5. Charakterystyki czasowe w przypadku małego dławienia i małego obciążenia

Rys. 6.Charakterystyki czasowe w przypadku małego dławienia i dużego obciążenia

Rys. 7. Charakterystyki czasowe w przypadku dużego dławienia i małego obciążenia

Rys. 8. Charakterystyki czasowe w przypadku dużego dławienia i dużego obciążenia

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

W przypadkach zastosowania dużego dławienia na wylocie z komory opróżnianej ciśnienie w niej obniża się wolno (rys. 7 i 8). Przy końcu skoku tłoka ciśnienie od strony komory napełnianej wzrasta do czasu przesterowania zaworu rozdzielającego w celu wykonania ruchu powrotnego tłoczyska. Podczas ruchu powrotnego tłoka wykres ciśnienia od strony tłoczyska przyjmuje kształt podobny do omówionego poprzednio wykresu ciśnienia od strony tłoka. Charakterystyczne dla symulacji przedstawionej rys. 8 są większe opóźnienia od chwili nagłego wzrostu ciśnienia do chwili rozpoczęcia ruchu tłoka.

4. PODSUMOWANIE Przedstawiony w artykule przegląd możliwości komputerowego wspomagania procesu budowy, doboru elementów i analizy działania układów pneumatycznych za pomocą systemu Automation StudioTM ilustruje właściwości współczesnych systemów CAD przeznaczonych dla pneumatyki. Współczesne systemy wspomagania inżyniera w pracy nad układem pneumatycznym obejmują już nie tylko działania o charakterze wyłącznie edycyjnym, polegające na usprawnieniu procesu rysowania układu pneumatycznego i oferowaniu do dyspozycji projektanta bibliotek symboli graficznych z dziedziny pneumatyki. Obecnie te możliwości zostały znacznie rozszerzone o elementy kinematycznej i dynamicznej symulacji działania budowanego układu. Analiza pracy elementów wykonawczych i sterujących może być przeprowadzona na podstawie czasowych przebiegów wybranych parametrów działania układu, takich jak np.: ciśnienie, położenie, prędkość lub przyspieszenie. Te przebiegi mogą zostać określone w przypadku różnych wartości obciążenia, ciśnienia zasilania, i parametrów dławienia w badanym układzie. Podczas symulacji są również uwzględniane parametry przewodów łączących (ich długość i średnica) oraz charakterystyka działania elementów sterujących zastosowanych w badanym układzie pneumatycznym. To wszystko sprawia, że przeprowadzone symulacje stają się wiarygodnym źródłem wiedzy o badanym układzie pneumatycznym i ich analiza może być przeprowadzona w różnych warunkach działania układu. Nie bez znaczenia jest również możliwość przeprowadzenia

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

symulacji działania układu i ewentualne skorygowanie jego budowy lub parametrów jeszcze przed zbudowaniem fizycznego prototypu urządzenia. W wielu przypadkach etap budowy fizycznego prototypu może zostać całkowicie wyeliminowany, co znacznie skraca czas wprowadzenia gotowego urządzenia na rynek i obniża koszty jego wytworzenia. Program Automation StudioTM jest jednym z przykładów systemu komputerowego wspomagania budowy i analizy układów pneumatycznych, który za-wiera bogate biblioteki elementów napędu i sterowania oraz efektywne narzędzia analizy projektowanych układów na podstawie symulacji wirtualnych prototypów układów pneumatycznych.

LITERATURA 1. Dindorf R. (2003), Hydraulika i pneumatyka, Wydawnictwa Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce. 2. Stawiarski D. (1975), Urządzenia pneumatyczne w obrabiarkach i przyrządach, WNT., Warszawa. 3. Stawiarski D. (1992), Napęd i sterowanie pneumatyczne, WNT, Warszawa. 4. Szenajch W. (1975), Przyrządy i uchwyty pneumatyczne, WNT, Warszawa. 5. Wołkow J., Dindorf R. (1994), Teoria i obliczenia układów pneumatycznych, skrypt Politechniki Krakowskiej, Kraków.

MODELLING AND SIMULATION OF PNEUMATIC SYSTEMS BY MEANS OF AUTOMATION STUDIO Abstract: In the paper the aim, methods and capabilities of pneumatic driver and control systems by means of the dedicated software are presented. Several levels of modeling are defined and the functionalities of the Automation StudioTM by Famic Technol-ogies Inc. are described. The simulation capabilities of the AS system with relevant examples of simulation results are shown. The advantages of computer aided design and simulation programs in the filed of pneumatic drive and control systems are listed and highlighted.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Układ sterowania manipulatora typu Delta z pneumatycznymi napędami mięśniowymi Jakub TAKOSOGLU, Paweł ŁASKI

qba@tu.kielce.pl, pawell@tu.kielce.pl

Katedra Urządzeń Mechatronicznych, Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce Streszczenie: W referacie przedstawiono układ sterowania elektropneumatycznego manipulatora o zamkniętym łańcuchu kinematycznym o trzech stopniach swobody typu delta z pneumatycznymi aktuatorami mięśniowymi. W układzie sterowania użyto regulatora PID. Przedstawiono proces doboru nastaw regulatora PID metodą inżynierską – metoda Zieglera Nicholsa oparta na ocenie układu znajdującego się na granicy stabilności. Przeprowadzono analizę jakości sterowania dla zaproponowanego regulatora oraz przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych pozycjonowania manipulatora typu delta.

1. WPROWADZENIE

2. UKŁAD STEROWANIA

Manipulatory i roboty przemysłowe z napędem pneumatycznym są wykorzystywane głównie w procesach montażu, pakowania lub paletowania. Stosowane siłowniki pneumatyczne zapewniają dużą dynamikę działania, jednakże nie zapewniają wysokiej dokładności pozycjonowania. Wynika to bezpośrednio z własności użytkowych siłowników pneumatycznych i czynnika roboczego - sprężonego powietrza. Dodatkowym problemem jest siła tarcia występująca w siłownikach pneumatycznych, która wprowadza duże nieliniowości zachowania się napędu pneumatycznego, co z kolei uniemożliwia uzyskanie dokładnych i precyzyjnych ruchów z zachowaniem pełnej kontroli trajektorii. Manipulatory pneumatyczne projektowane są głównie jako układy o kinematyce szeregowej. Decydującym czynnikiem wpływających na dokładność pozycjonowania manipulatorów jest sztywność konstrukcji. Szeregowe struktury kinematyczne robotów i manipulatorów, w których osie napędowe są nabudowywane na siebie odkształcają się pod wpływem przenoszonych mas obciążających i mas samych napędów, co prowadzi do sumowania się odkształceń na końcu łańcucha kinematycznego i pogorszenia dokładności pozycjonowania. Analiza wyników badań symulacyjnych i doświadczalnych wieloosiowych manipulatorów pneumatycznych o kartezjańskim układzie współrzędnych wykazała, że dokładność pozycjonowania efektora jest wielokrotnie mniejsza niż dla pojedynczej osi napędowej. Struktura kinematyczna, dzięki której można zmniejszyć błędy pozycjonowania spowodowane odkształceniami członów napędowych jest oparta na zamkniętym łańcuchu kinematycznym tzw. struktura równoległa. Zaprojektowany i zbudowany manipulator typu delta stanowi właśnie taką strukturę. Ze względu na właściwości zastosowanych napędów manipulator charakteryzuje się szybkim działaniem, łagodnym startem i zatrzymaniem, wysoką przeciążalnością oraz dużą liczbą cykli pracy.

Układ sterowania manipulatora typu delta z pneumatycznymi aktuatorami mięśniowymi zbudowano według schematu przedstawionego na rys. 1. platforma

A2 A3

podstawa

U3 U1 U2 rapid prototyping / hardware-in-the-loop Karta A/C Karta C/A

Karta sieciowa

Matlab Simulink

system czasu rzeczywistego

Rys. 1. Schemat układu sterowania: A – muskuły pneumatyczne, S – przetworniki położenia kątowego, V – zawory proporcjonalne ciśnienia, w - sygnały sprzężenia zwrotnego, U – sygnały sterujące

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Do budowy układu sterowania zastosowano: • muskuły pneumatyczne DMSP-10-300 o średnicy 10 mm i długości 300 mm (Festo), • piezoelektryczne proporcjonalne zawory ciśnieniowe tecno plus PRE-U2-00-11-21 w zakresie ciśnień 0-10bar, przepływie do 1600l/min, sterowane napięciowo 0-10V (Parker Origa), • przetworniki położenia kątowego MAB36A z wyjściem analogowym 0-10V (Megatron), • system czasu rzeczywistego do szybkiego prototypowania sterowania i symulacji hardware in the loop xPC Target (MathWorks), • laboratoryjny system komputerowy z 16 bitowymi kartami AC i CA education real-time target machine (Speedgoat). Na rys. 2 przedstawiono widok ogólny manipulatora typu delta z pneumatycznymi aktuatorami mięśniowymi.

Do sterowania proporcjonalnymi zaworami ciśnieniowymi zastosowano klasyczny regulator PID. W układzie sterowania zastosowano trzy jednakowe regulatory PID ze względu na konieczność sterowania trzema osiami napędowymi manipulatora. Dobór nastaw regulatora przeprowadzono metodą inżynierską – metodą Zieglera Nicholsa opartą na ocenie układu znajdującego się na granicy stabilności. Metoda ta możliwa jest do zastosowania wtedy gdy możliwe jest znalezienie wzmocnienia, przy którym wykres Nyquista przecina punkt krytyczny lub kiedy linia pierwiastkowa przecina oś liczb urojonych. Wzmocnienie to określone jako wzmocnienie krytyczne można wyznaczyć eksperymentalnie. W układzie sterowania należy ustawić regulator PID tylko na działanie proporcjonalne (wyłączyć tory I oraz D) i należy tak zwiększać wzmocnienie w torze P, aż na wyjściu pojawią się oscylacje o stałej amplitudzie, co odpowiada wzmocnieniu krytycznemu kkr i oscylacjom o okresie TOSC. W niektórych zastosowaniach praktycznych jest to operacja bardzo niebezpieczna. Dobór nastaw regu-latora odbywa się według tab. 1. Tab. 1. Nastawy regulatora metodą bazującą na granicy stabilności układu Typ regulatora

Rys. 2. Widok ogólny manipulatora typu delta

Sterowanie muskułami pneumatycznymi polega na zmianach ciśnienia sprężonego powietrza wewnątrz muskułu z tego względu do sterowania zastosowano piezoelektryczne proporcjonalne zawory ciśnieniowe. Zastosowane w układzie sterowania zawory wyposażone są w układ elektronicznej regulacji ciśnienia wyjściowego przez co automatycznie kompensują przeciążenia platformy roboczej manipulatora w przypadku nagłego uderzenia w platformę czy zderzenia platformy z przeszkodą. Technika piezoelektryczna zastosowana w zaworach zapewnia bardzo dużą dynamikę przy minimalnym poborze mocy (zawory pobierają maksymal-nie moc 0,8W), dzięki czemu możliwe jest zasilanie zaworów z baterii czy akumulatorów. Dzięki bardzo dużej dynamice i wysokiej rozdzielczości doskonale nadają się do bardzo wymagających aplikacji.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Optymalne wzmocnienia Kp

0,5 Kkr

0,45 Kkr

TOSC/1,2

PID

0,6 Kkr

TOSC/2

TOSC/8

Analizowany w pracy układ sterowania manipulatora typu delta doprowadzono do granicy stabilności i wyznaczono parametry wzmocnienia krytycznego kkr=3,686 i okres oscylacji TOSC=0,2s. Według tab. 1 obliczono nastawy dla regulatora PID i poddano manipulator badaniom eksperymentalnym. Implementację regulatora PID przeprowadzono w oparciu o system czasu rzeczywistego xPC Target pakietu Matlab/ Simulink oraz laboratoryjny system komputerowy education real-time target machine z 16 bitowymi kartami AC i CA wykorzystując technologię szybkiego prototypowania sterowania. Sygnały wejściowe z przetworników położenia kątowego podłączono do kart AC natomiast sygnały wyjściowe z kart CA generowane na podstawie algorytmu sterowania PID podłączono do proporcjonalnych zaworów ciśnieniowych sterujących muskułami pneumatycznymi. Układ sterowania pracuje w czasie rzeczywistym z okresem próbkowania 0,001s co odpowiada częstotliwości pracy 1kHz.

3. BADANIA EKSPERYMENTALNE Pierwszym etapem badań eksperymentalnych było pozycjonowanie osi napędowych manipulatora w układzie otwartym bez regulatora. Na rys. 3a przedstawiono przykładowe wyniki badań eksperymentalnych pozycjonowania efektora manipulatora dla trajektorii wzdłuż osi Z, na rys. 3b wzdłuż osi Y natomiast na rys. 3c wzdłuż osi X.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Na rys. 4 prezentowane są wyniki badań eksperymentalnych tylko pierwszego ramienia manipulatora ponieważ pozostałe ramiona poruszają się w ten sam sposób.

Rys. 4. Charakterystyki dynamiczne przemieszczenia kątowego pierwszego ramienia z obciążeniem masowym dla trajektorii wzdłuż osi Z

Kolejnym etapem badań było określenie dokładności i powtarzalności pozycjonowania efektora manipulatora w pętli zamkniętej z regulatorem PID dla wybranych obciążeń masowych. Przeprowadzono szereg badań eksperymentalnych z obciążeniem masowym platformy roboczej manipulatora wynoszącej 0-3,6kg zmienianej co 0,2kg. Badania prowadzono dla ruchu platformy manipulatora wzdłuż osi Z. Na rys. 5 przedstawiono charakterystyki dynamiczne dla 4 wybranych mas obciążających platformę roboczą. Charakterystyki dotyczą pierwszego ramienia manipulatora ponieważ pozostałe dwa ramiona wykonują taki sam ruch (platforma porusza się wzdłuż osi Z).

Rys. 3. Charakterystyki dynamiczne przemieszczenia kątowego ramion manipulatora dla ruchu efektora: a) wzdłuż osi Z, b) wzdłuż osi Y, c) wzdłuż osi X

Badanie pozycjonowania efektora manipulatora równoległego typu delta w pętli otwartej przeprowadzono dla 3 wybranych obciążeń masowych wynoszących odpowiednio 1,23kg, 2,46kg, 3,69kg. Obciążenie masowe przytwierdzono do efektora manipulatora w jego głównej osi. Obciążenie masowe stanowiły krążki stalowe. W trakcie badań eksperymentalnych zauważono, że dla obciążenia masowego wynoszącego 3,69kg pozycjonowanie manipulatora jest nieodpowiednie ze względu na otrzymane charakterystyki dynamiczne przemieszczenia kątowego ramion manipulatora (patrz rys.4) i przyjęto masę 3,6kg jako maksymalną masę obciążającą manipulator.

Rys. 5. Charakterystyki dynamiczne przemieszczenia kątowego ramienia manipulatora dla wybranych obciążeń masowych

Przeprowadzono analizę jakościową regulatora PID w funkcji obciążenia masowego platformy roboczej. Na rys. 6 przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych wskaźników jakości regulatora PID. Rys. 6a dotyczy przeregulowania, rys. 6b czasu regulacji, rys. 6c uchybu statycznego natomiast rys. 6d całkowego wskaźnika jako-ści ISE (całka z kwadratu uchybu regulacji). PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 6. Wpływ masy obciążającej na: przeregulowanie a), czas regulacji b), uchyb statyczny c), ISE d)

Analiza otrzymanych wyników w układzie zamkniętym (z regulatorem) wskazuje, że manipulator pracuje poprawnie do masy obciążającej wynoszącej 3,6kg tak jak w przypadku badań w układzie otwartym (bez regulatora). Na wykresach (rys. 6) można zauważyć pogorszenie się dokładności pozycjonowania ze wzrostem masy obciążającej platformę roboczą manipulatora. Wskaźnik całkowy ISE wskazuje, że mała masa obciążająca platfor-mę roboczą wynosząca 0,2-1,4kg daje najlepsze dokładności pozycjonowania (wskaźnik jest mniejszy) co sugeruje, że manipulator będzie dobrze pracował z efektorem, którego masa znajduje się w tym zakresie. Wskaźniki jakości czas regulacji i uchyb statyczny nie są dobrymi wskaźnikami jakości dla analizowanych danych ze względu na istniejący szum pomiarowy. Zaprojektowany regulator PID dobrze realizuje zadanie pozycjonowania platformy roboczej manipulatora typu delta z pneumatycznymi napędami mięśniowymi. Zaprojektowany układ sterowania umożliwia regulację przestawną, nadążną i kontrolę trajektorii platformy roboczej. Na rys. 7 przedstawiono trajektorię kołową platformy manipulatora typu delta.

Rys. 7. Trajektoria kołowa platformy manipulatora

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 8. Trajektorie platformy manipulatora dla wybranych obciążeń masowych

Układ sterowania umożliwia poprawną regulację z maksymalnym obciążeniem jak dla pozycjonowania w pętli otwartej bez regulatora. Na rys. 8 przedstawiono trajektorie platformy manipulatora dla ruchu wzdłuż osi Z w przestrzeni kartezjańskiej dla 3 wybranych obciążeń masowych.

4. WNIOSKI Zaprojektowany i zbudowany prototyp manipulatora typu delta z muskułami pneumatycznymi jest odporny na obciążenia zewnętrzne platformy roboczej np. nagłe uderzenie w platformę czy zderzenie platformy z przeszkodą. Takiego typu przypadki są automatycznie kompensowane ze względu na zastosowany rodzaj napędu (możliwość przeciążania muskułów pneumatycznych bez konieczności stosowania zabezpieczeń), ze względu na zastosowane zawory sterujące (proporcjonalne zawory ciśnieniowe z elektroniczną regulacją ciśnienia wyjściowego) oraz ze względu na zastosowany regulator PID. Manipulator typu delta prezentowano na stoisku Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach na V Targach Pneumatyki, Hydrauliki, Napędów i Sterowań PNEUMATICON'2012 w Kielcach w roku 2012, na których przyznano główną nagrodę - złoty medal dla Politechniki Świętokrzyskiej za "Manipulator typu delta z pneumatycznymi napędami mięśniowymi".

CONTROL SYSTEM OF DELTA MANIPULATOR WITH PNEUMATIC MUSCLE ACTUATOR Abstract: The paper presents the control system of 3-DOF delta manipulator with pneumatic muscle actuator. The control system constitutes three PID controllers. This paper shows process of tuning PID controller using Ziegler Nichols method based on an evaluation system which is on the stability limit. Authors analyzed the quality of control for the proposed controller and presents experimental results of delta manipulator positioning.

LITERATURA 1. Daerden F., Lefeber D. (2002), Pneumatic Artificial Muscle: Actuators for Robotics and Automation, European Journal of Mechanical and Environmental Engineering, Vol. 47, No 1, 10–21. 2. Dindorf R. (2008) Mechatronika w napędach płynowych. Pneumatyczne aktuatory mięśniowe, Hydraulika i Pneumatyka, Nr 5. 3. Laski P., Dindorf R., Takosoglu J. (2009), Virtual project of parallel manipulator with pneumatic muscle actuators, In: Macha E, Robak G. Transfer of Innovation to the Interdisciplinary Teaching of Mechatronics for the Advanced Technology Needs, Opole University of Technology, Opole, 209-216. 4. Laski P., Dindorf R., Takosoglu J., Wos P. (2010), Project of pneumatic parallel manipulator type Delta with pneumatic muscle actuators, Acta Mechanica et Automatica, Vol 4, No. 1, 61-65. 5. Łaski P., Błasiak S., Dindorf R., Takosoglu J., Woś P. (2011), Projekt i konstrukcja manipulatora o zamkniętym łańcuchu kinematycznym z napędem mięśniowym typu DELTA, Postępy Automatyki i Robotyki, Politechnika Świętokrzyska, tom II, 492-499. 6. Takosoglu J., Dindorf R. (2006), Rapid prototyping a fuzzy control of electro-pneumatic servo-drive in real time, Sci. Bull. Coll. Compute. Sci., Vol. 5, No 1, 57-70. 7. Takosoglu J., Dindorf R., Laski P. (2009), Pneumatronic positioning system of electro-pneumatic servo-drive, In: Macha E, Robak G. Transfer of Innovation to the Interdisciplinary Teaching of Mechatronics for the Advanced Technology Needs. Opole University of Technology, Opole, 323-334. 8. Takosoglu J, Dindorf R, Laski P, Wos P (2010), Position-ing of electro-pneumatic servo-drive with direct displacement and velocity transducer, Acta Mechanica et Automatica, Vol. 4, No 1, 86-91. 9. Takosoglu J., Błasiak S., Dindorf R., Łaski P. (2011), Mięśniowy układ napędowy, Konstrukcje Inżynierskie, nr 6(45), 58-63. 10. Takosoglu J., Błasiak S., Dindorf R., Łaski P., Woś P. (2011), Mięśniowy układ napędowy manipulatora równoległego typu DELTA, Postępy Automatyki i Robotyki, Politechnika Świętokrzyska, tom II, 558-567. 11. Takosoglu J. E., Dindorf R. F., Laski P.A. (2009), Rapid prototyping of fuzzy controller pneumatic servo-system, Int J Adv Manuf Technol., Vol. 40, No 3–4, 349–361. 12. Takosoglu J. E., Dindorf R. F., Laski P. A. (2010), Fuzzy logic positioning system of electro-pneumatic servo-drive, In: Jimenez A, Al Hadithi BM, Robot Manipulators, Trends and Development, In-Tech, Croatia, 298-320. 13. Takosoglu J., Dindorf R., Łaski P. (2010), Mechanizmy napędowe z muskułami pneumatycznymi w automatyzacji produkcji, Pneumatyka, Nr 2, 29-33. 14. Tsai L. W. (1999), Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, John Wiley & Sons, New York

Pracę wykonano w ramach realizacji projektu badawczego nr N514 217038 finansowanego ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Dydaktyczne zautomatyzowane stanowisko montażu Witold PAWŁOWSKI, witold.pawlowski@p.lodz.pl Michał KRĘPSKI*, michal.krepski.@p.lodz.pl Sławomir GABARA** s.gabara@smc.pl * Instytut Obrabiarek i Technologii Budowy Maszyn, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-924 Łódź ** SMC Industrial Automation Polska Sp. z o.o., ul. Poloneza 89, 02-826 Warszawa Streszczenie: W artykule przedstawiono założenia projektowe i dydaktyczne, budowę i działanie stanowiska do montażu podzespołu składającego się z korpusu, wałka, łożyska i pokrywki. W budowie stanowiska zastosowano pneumatyczne napędy firmy SMC, sterowanie PLC oraz komunikację PROFIBUS. W celu symulowania naturalnie występujących sytuacji nietypowych zastosowano skrzynkę przerwań. Podkreślono duże znaczenie i rolę nowoczesnych rozwiązań w procesie dydaktycznym.

1. WPROWADZENIE Elementy pneumatyczne znajdują szerokie zastosowanie w budowie zautomatyzowanych stanowisk montażowych. Szczególnie nadają się do transportowania i podawania detali, ich pozycjonowania, łączenia w zespoły, a także do oceny ich prawidłowego kształtu, wymiaru lub położenia (Stawiarski, 2011; Szenajch, 1975, 1983). Połączenie pneumatycznych zespołów napędowych i sterowania elektronicznego PLC jest efektywną metodą automatyzacji procesu montażu. W procesie dydaktycznym uczelni technicznej o profilu mechanicznym jest niezwykle istotne przeprowadzenie szkolenia w zakresie obsługi nowoczesnych urządzeń, napędów i sterowania, które przyszli absolwenci będą mogli wykorzystać i zastosować w praktyce przemysłowej. Dlatego stanowiska dydaktyczne powinny zawierać elementy przemysłowo stosowanych rozwiązań konstrukcyjnych. Stopień skomplikowania tych stanowisk powinien być dostosowany do specyfiki procesu dydaktycznego, ale jednocześnie charakter postępowania podczas projektowania i obsługi takiego stanowiska musi wypracowywać przydatne w praktyce przemysłowej stereotypy działania. To stanowi wymóg współczesnego, nowoczesnego procesu dydaktycznego związanego z nabywaniem umiejętności inżynierskich. Istotne jest przy tym również, aby wyćwiczony stereotypowy sposób postępowania nie zablokował kreatywności i aktywności w sferze ewentualnych modyfikacji zastanego stanu poziomu techniki. Temu właśnie mają służyć nowoczesne stanowiska dydaktyczne, których przykład jest opisany w niniejszej pracy. Cechy charakterystyczne nowoczesnego stanowiska dydaktycznego to: • zastosowanie aktualnych i praktycznie stosowanych w przemyśle rozwiązań dotyczących napędów i sterowania, • możliwość samodzielnego zestawienia elementów według zaplanowanego cyklu pracy, • możliwość zasymulowania najbardziej prawdopodobnych sytuacji awaryjnych (nietypowego działania stanowiska).

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Te przesłanki skłoniły do zaprojektowania i zbudowania dydaktycznego stanowiska montażu podzespołu z zastosowaniem napędów pneumatycznych, sterowania PLC i komunikacji sieciowej PROFIBUS pomiędzy wyspą zaworową a sterownikiem PLC (Gabara, 2011).

2. BUDOWA I DZIAŁANIE STANOWISKA MONTAŻOWEGO Na rys. 1 przedstawiono widok stanowiska montażu zespołu składającego się z czterech detali: korpusu, łożyska, wałka i pokrywki, a na rys. 2 schemat układu pneumatycznego stanowiska, który zbudowano z zastosowaniem elementów firmy SMC (SMC, 2011, 2012). W stanowisku można wyróżnić następujące zespoły robocze: • zespół podajnika korpusu, • zespół kontroli i transportu korpusu, • zespół montażu łożyska, • zespół kontroli i montażu wałka, • zespół montażu pokrywki, oraz inne zespoły: • zespół przygotowania sprężonego powietrza, • sterownik PLC, • wyspy zaworowe, • pulpit sterowniczy i skrzynkę przerwań (symulowanych usterek). Diagram ruchu poszczególnych napędów zastosowanych na stanowisku przedstawiono na rys. 3. Podstawowy cykl pracy układu pneumatycznego stanowiska składa się z 27 kroków. W przypadku wykrycia błędnego korpusu (brak w korpusie otworu pod łożysko lub zbyt płytko pogłębiony otwór) dochodzą cztery kroki programu oznaczone 3a ÷ 3d, po wykonaniu których cykl rozpoczyna się ponownie od kroku nr 1.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 1. Widok stanowiska montażu

Rys. 3. Diagram ruchu siłowników stanowiska montażu Rys. 2. Schemat układu pneumatycznego stanowiska montażu

2.1. Zespół podajnika korpusu Głównym elementem napędowym jest siłownik tłoczyskowy dwustronnego działania A (rys. 2) wyposażony w dwa czujniki położenia tłoka.

Cykl pracy stanowiska jest następujący: • siłownik A podajnika korpusu wypycha detal z magazynu na wózek zamocowany na transporterze (siłownik beztłoczyskowy – C - rys. 2), • wycofanie siłownika A powoduje przesunięcie korpusów w magazynie „o jeden” do dołu.

Do korpusu magazynu przymocowany jest czujnik indukcyjny, którego zadaniem jest potwierdzenie obecności korpusu w magazynie (rys. 4).

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

2.2. Zespół kontroli i transportu korpusu Kontrola poprawności ułożenia korpusu odbywa się poprzez wprowadzenie sprawdzianu w otwór montażowy w korpusie (rys. 5). Sprawdzian napędzany jest siłownikiem tłoczyskowym dwustronnego działania B (rys. 2) wyposażonym w dwa czujniki położenia tłoka. Brak sygnału dolnego czujnika w określonym czasie po załadowaniu korpusu na wózek transportera oznacza błędną (odwróconą otworem do dołu) pozycję korpusu. Brak potwierdzenia poprawnego ułożenia korpusu skutkuje przesunięciem wózka transportera w prawą skrajną pozycję siłownika beztłoczyskowego C, gdzie następuje zrzut „wybrakowanego” korpusu. Zrzut korpusu jest napędzany siłownikiem jednostronnego działania – N (rys. 2). Pojawienie się sygnału położenia krańcowego tłoka siłownika kontrolnego B powoduje przesunięcie wózka siłownika beztłoczyskowego C z prawidłowo ułożonym korpusem w lewe skrajne położenie, w którym odbywa się montaż pozostałych elementów.

Rys. 5. Kontrola prawidłowego położenia korpusu

Cykl pracy zespołu: • chwytak pobiera łożysko (rys. 6), • siłownik wahadłowy obraca ramię chwytaka z pobranym łożyskiem nad korpus, • chwytak podaje łożysko do korpusu. Rys. 4. Zespół podajnika korpusu

Po zakończeniu montażu gotowy zespół jest spychany z wózka transportera za pomocą siłownika jednostronnego działania M. 2.3. Zespół podawania i montażu łożyska Chwytak pneumatyczny D (rys. 2) wyposażony w końcówki do chwytania łożyska za wewnętrzną bieżnię przenosi łożysko z magazynu łożysk do korpusu (rys. 6). Głównym elementem napędowym jest siłownik waha-dłowy E (rys. 2) o zakresie kąta obrotu 180°, wyposażony w łożyskowany stolik oraz amortyzatory hydrauliczne. Przez otwór w stoliku przechodzi stała oś, na której znajduje się koło zębate przekładni pasowej (nieruchome). Do stolika napędu jest zamocowane ramię, na którego drugim końcu jest umieszczone drugie koło przekładni. Przełożenie przekładni wynosi 1:1, co zapewnia ciągłe utrzymanie chwytaka w osi pionowej przenoszonego łożyska i otworu w korpusie.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

2.4. Zespół kontroli i montażu wałka Elementem napędowym zespołu jest napęd liniowo-obrotowy (rys. 7), składający się z siłownika liniowego tłoczyskowego F i siłownika wahadłowego H typu zębnik-zębatka. Na końcu sześciokątnego tłoczyska siłownika wahadłowego jest zamocowane ramię, do którego przymocowano chwytak G. Po uchwyceniu wałka znajdującego się w magazynie, chwytak unosi się i realizuje obrót o kąt 90°, zajmując położenie nad korpusem. Następnie opuszcza wałek, wciskając w łożysko znajdujące się w korpusie. Chwytak jest wyposażony w specjalny czujniktrymer, dzięki któremu dokonywana jest kontrola średnicy czopa wałka. Duża czułość trymera pozwala na wychwycenie różnicy poniżej 1 mm od założonej, prawidłowej średnicy czopa. Ideą zastosowania trymera jest uniknięcie sytuacji, gdy manipulator będzie usiłował zamontować wałek z czopem o średnicy większej niż prawidłowa. Kontrola na etapie montażu jest szybka i pozwala zabezpieczyć elementy napędu i elementy montowane przed uszkodzeniem.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 7. Zespół kontroli i montażu wałka

Rys. 6. Widok zespołu montażu łożyska

Cykl pracy zespołu kontroli i montażu wałka: • siłownik liniowy opuszcza chwytak na poziom wałka, • chwytak wałka zwiera szczęki i jeśli średnica detalu jest prawidłowa proces jest kontynuowany (jeśli średnica jest zbyt mała - przerywa pobieranie wałka i czeka na sygnał od operatora na wznowienia pracy), • siłownik liniowy podnoszenia ramienia wysuwa tłoczysko i unosi wałek do góry, • siłownik wahadłowy obraca ramię z wałkiem nad montowany zespół, • siłownik liniowy opuszcza ramię z chwytakiem wałka, • chwytak wałka otwiera szczęki i umieszcza wałek w otworze łożyska, • zespół podawania wałków wraca do wyjściowej pozycji, tzn.: siłownik liniowy unosi chwytak do góry; siłownik wahadłowy obraca ramię nad miejsce pobierania wałka. 2.5. Zespół montażu pokrywki Napęd zespołu montażu pokrywki składa się z zespołu dwóch siłowników dwutłokowych, wyposażonych w czujniki położenia tłoka.

Rys. 8. Zespół montażu pokrywki

Do końcówek tłoczysk drugiego siłownika jest przymocowany zespół trzech przyssawek mieszkowych przenoszących pokrywkę. Poza przyssawkami w układzie podciśnieniowym znajduje się filtr, przekaźnik podciśnienia oraz eżektor. Kontrola prawidłowego chwytu pokrywki odbywa się przy pomocy przekaźnika podciśnienia, który nie generuje sygnału sterującego jeśli choć jedna z przyssawek jest rozszczelniona (rys. 8). Cykl pracy zespołu jest następujący: • zespół pionowy chwytaka pokrywek przemieszcza się do dołu, • zespół chwytaka (3 przyssawki) chwyta pokrywkę, • zespół pionowy chwytaka przemieszcza się ku górze, • zespół poziomy wysuwa tłoczyska i przemieszcza pokrywkę nad korpus, • zespół pionowy przemieszcza się z pokrywką do dołu, • zespół chwytaka (3 przyssawki) puszcza pokrywkę, • zespół pionowy przemieszcza się do góry, • zespół poziomy wsuwa tłoczyska.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Zespół podawania pokrywek powraca do położenia wyjściowego i tym samym proces montażu podzespołu zostaje zakończony. Montowany podzespół zostaje zepchnięty z wózka na rynnę zrzutu przez siłownik jednostronnego działania, a wózek wraca na pozycję wyjściową przed magazyn korpusów.

nich może posiadać 32 wejścia i 32 wyjścia przy rozpiętości sieci do 1000 m. Zastosowanie modułu sieci przemysłowej uelastycznia układ sterowania, dając możliwość dołączenia kolejnych urządzeń w miarę rozbudowy stanowiska. 2.8. Wyspy zaworowe

2.6. Zespół przygotowania sprężonego powietrza Ważnym zespołem stanowiska jest zespół przygotowania powietrza (rys. 9), w skład którego wchodzą następujące elementy firmy SMC: • zawór 3/2 sterowany ręcznie typ VHS, pełniący rolę zaworu odcinającego, z zabezpieczeniem przed nieautoryzowanym włączeniem zasilania, • filtroreduktor AW z ręcznym spustem kondensatu, • zawór łagodnego startu EAV, wyposażony w przekaźnik ciśnienia ISE30A.

Do sterownika są podłączone dwie wyspy zaworowe. Jedna z wysp jest podłączona do sterownika bezpośrednio (rys. 11), zaś druga za pomocą modułu komunikacji sieciowej PROFIBUS (rys. 12).

Rys. 11. Wyspa zaworowa podłączona do sterownika

Rys. 9. Zespół przygotowania sprężonego powietrza

2.7. Sterownik PLC W układzie sterowania stanowiska montażowego zastosowano sterownik PLC FX3U-32M firmy MITSUBISHI (rys. 10).

Rys. 12. Wyspa zaworowa z modułem Slave PROFIBUS

Rys. 10. Sterownik PLC – FX3U-32M firmy MITSUBISHI

W następnym etapie rozbudowy stanowiska planowane jest wyposażenie go w zautomatyzowane podajniki wałków, łożysk i pokryw przewidywane, co spowoduje zwiększenie liczby sygnałów wejściowych z czujników i sygnałów wyjściowych do zaworów rozdzielających. Aby sterować tymi sygnałami należy wyposażyć omawiane stanowisko w kolejny moduł Slave PROFIBUS bez konieczności wymiany samego sterownika. 2.9. Pulpit sterowniczy i skrzynka przerwań

Sterownik posiada możliwość podłączenia tylko 18 sygnałów wejściowych i 18 wyjściowych, tymczasem na aktualnym etapie budowy stanowiska występują 34 sygnały wejściowe i 26 wyjściowych. Problem braku odpowiedniej ilości wejść i wyjść rozwiązano drogą rozbudowania układu sterowania o moduł Master sieci przemysłowej PROFIBUS, który umożliwia podłączenie nawet 126 urządzeń typu Slave, z czego każde z

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Pulpit sterowniczy (rys. 13) został wyposażony w przyciski START i STOP oraz w przełącznik rodzaju pracy.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

wykonywania magazynów i podajników łożysk, wałków i pokryw. Po ich zamontowaniu i podłączeniu do układu pneumatycznego i układu sterowania PLC, uzyska się pełną automatyzację pracy stanowiska, bez konieczności ręcznego podawania detali.

Rys. 13. Pulpit sterowniczy i skrzynka przerwań

Obok pulpitu sterowniczego umieszczono skrzynkę przerwań. Wnętrze skrzynki jest niedostępne dla studentów. Prowadzący zajęcia może wprowadzić symulację usterek (od 1 do 12) w działaniu stanowiska. Niektóre symulowane usterki wynikają z braku sygnałów wejściowych do sterownika, inne z powodu przerwania sygnału wyjściowego ze sterownika. Zadaniem studentów jest zdiagnozowanie aktualnego stanu działania stanowiska, czyli rodzaju usterki. 3. PODSUMOWANIE Zaprojektowane i wykonane stanowisko laboratoryjne montażu z zastosowaniem sterowania PLC i komunikacji sieciowej PROFIBUS jest wykorzystywane w procesie dydaktycznym na Wydziale Mechanicznym Politechniki Łódzkiej. Jest to stanowisko pozwalające na przeprowadzenie szkolenia w zakresie umiejętności projektowania cyklu pracy urządzeń, programowania sterowników PLC z wykorzystaniem komunikacji sieciowej pomiędzy wyspą zaworową a sterownikiem oraz na diagnostykę działania poprzez wykrywanie usterek. Jest to jedno z wielu zaawansowanych stanowisk dydaktycznych laboratorium Napędu i Sterowania Pneumatycznego i jest wyposażone w aktualnie stosowane w przemyśle rozwiązania napędu i sterowania. Przedstawiona konstrukcja stanowiska stanowi zrealizowany pierwszy etap jego budowy. Aktualnie trwa drugi etap – etap

LITERATURA 1. Gabara S. (2011), Projekt automatyzacji procesu montażowego wyrobu zbudowanego z czterech podzespołów. Praca pod kierunkiem M. Krępskiego, Archiwum IOiTBM PŁ. 2. Stawiarski D. (1975), Urządzenia pneumatyczne w obrabiarkach i przyrządach. WNT, Warszawa. 3. Szenajch W. (1975), Przyrządy i uchwyty pneumatyczne. WNT – Warszawa. 4. Szenajch W. (1983), Pneumatyka i hydraulika maszyn technologicznych. Skrypt Politechniki Warszawskiej, Warszawa. 5. SMC (2011), Podręcznik firmy SMC: Sprężone powietrze i jego zastosowanie. 6. SMC (2012), Katalog elementów pneumatycznych firmy SMC. 7. Polska Norma PN-ISO 1219-1, grudzień 1994, Napędy i sterowania hydrauliczne i pneumatyczne. Symbole graficzne i schematy układów.

THE DIDACTIC AUTOMATED ASSEMBLY STAND Abstract: In the article the design and didactic assumptions, construction and principle of operation of the stand for assembly the following elements: the case, shaft, bearing and the cap. The pneumatic drives of SMC, PLC controller and PROFIBUS network communication have been applied. The switch box was designed and applied in order to simulate the specific circumstances and situations which can occur in the drive and control system of the stand. The importance and significance of modern applications in didactic process has also been indicated.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Elektrohydrauliczny układ sterowania dwuosiowym wzbudnikiem drgań Janusz PLUTA, Paweł ORKISZ

janusz.pluta@agh.edu.pl, orkisz@agh.edu.pl

AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki, Katedra Automatyzacji Procesów al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków Streszczenie: W pracy przedstawiono elektrohydrauliczny układ sterowania wzbudnikiem drgań mechanicznych, przeznaczonym do wymuszania drgań w dwóch osiach. Układ sterowania zbudowano w oparciu o rekonfigurowalny przemysłowy sterownik CRIO. Ze względu na dużą swobodę w zakresie rekonfiguracji układu I/O możliwa do opracowania architektura programu pozwala na elastyczne tworzenie algorytmów sterowania. Zastosowanie w pełni rekonfigurowanego układu sterowania spowodowało, że wzbudnik drgań charakteryzuje się znaczną uniwersalnością. Ważną zaletą jest również wysokie bezpieczeństwo jego pracy i wykluczenie możliwości awarii spowodowanej zanikiem zasilania elektrycznego. W pracy przedstawiono wyniki badań elektrohydraulicznego wzbudnika drgań w zakresie przemieszczeń poziomego pomostu zarówno w jednej, jak i w dwóch osiach, a także wyniki doświadczeń po dwóch latach eksploatacji.

1. WPROWADZENIE

2. BUDOWA I DZIAŁANIE WZBUDNIKA

Wzbudniki drgań są stosowane najczęściej w laboratoriach naukowych i przemysłowych. W zależności od konstrukcji i zasady działania wyróżnia się min. wzbudniki: mechaniczne, elektrohydrauliczne, elektrodynamiczne, piezoelektryczne. Szczególnie szerokie zastosowanie znajdują wzbudniki elektrohydrauliczne. Są one wykorzystywane w stanowiskach laboratoryjnych wymagających dużych sił obciążających, dużej prędkości i dużej precyzji. Największe możliwości dają wzbudniki oparte na serwotechnice i mikroprocesorowej technice sterowania. Umożliwiają one generowanie dowolnych sygnałów wymuszających (w granicach możliwości urządzenia) w zakresie jego rodzaju, amplitudy i częstotliwości drgań. Sygnał generowany przez wzbudnik elektrohydrauliczny może mieć charakter okresowy, losowy lub zarejestrowany podczas pracy badanego rządzenia w warunkach eksploatacji.

Ogólna struktura prezentowanego wzbudnika drgań, jako kompletnego urządzenia, jest przedstawiona na rys. 1. W urządzeniu tym można wyróżnić cztery główne części. Najważniejszą z nich jest część mechaniczna, obejmująca konstrukcję mechaniczną z hydraulicznymi elementami napędowymi i elektrohydrauliczne zespoły sterujące. Tworzą one zespół wykonawczy wzbudnika drgań, nazywany dalej krótko wzbudnikiem. Kolejną dużą częścią urządzenia jest wielopompowa stacja zasilania hydraulicznego, dostarczająca dwoma niezależnymi strumieniami wysokociśnieniowymi energię do wzbudnika drgań. Trzecia część to układ sterowania umieszczony w szafie aparaturowej i panelu operatorskim. Układ ten współpracuje z zespołami elektrohydraulicznymi wzbudnika i przetwornikami przemieszczeń. Czwartą część urządzenia stanowi układ zasilania elektrycznego dla stacji zasilania hydraulicznego i układu sterowania.

Wzbudniki elektrohydrauliczne stosowane w laboratoriach zamawia się w określonej konfiguracji i na określone parametry pracy (Konieczny, 2006). Są to na ogół wzbudniki działające w jednej osi. Coraz częściej występuje zapotrzebowanie na stanowiska laboratoryjne, w których badany obiekt poddawany jest oddziaływaniu sygnałów wymuszających w dwóch czy nawet w trzech osiach. Przedstawiony w artykule wzbudnik drgań wykonano jako urządzenie działające w dwóch osiach. Przewidziany został jako element wyposażenia stanowiska laboratoryjnego, przeznaczonego głownie do badania właściwości dynamicznych konstrukcji smukłych, a także do testowania układów redukcji drgań tych konstrukcji na ich modelach fizycznych np. masztu telekomunikacyjnego, masztu elektrowni wiatrowej, wież wyciągowych w kopalniach itp. (Pluta, 2010).

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Konstrukcję mechaniczną zespołu wykonawczego wzbudnika przedstawiono na rys. 2. Jego elementy umieszczono na stalowej płycie o masie ok. 1500 kg, która zapewnia odpowiednią stateczność całej konstrukcji. Pomiędzy górną ruchomą płytą (platformą roboczą), a nieruchomą płytą podstawy umieszczono warstwowo dwuosiowy hydrauliczny zespół napędowy. W skład tego zespołu wchodzą: siłowniki hydrauliczne 1A, 2A, dwie pary prowadnic liniowych, przetworniki przemieszczenia 1S, 2S i elementy mocujące. Przez odpowiednie zainstalowanie elementów zespołu napędowego uzyskano dwa stopnie swobody dla ruchomej platformy. Dwa jednakowe siłowniki o symetrycznej konstrukcji (dwustronnego działania z dwustronnym tłoczyskiem) służą do generowania dowolnych wymuszeń platformy w zakresie pracy do 20 Hz. W siłownikach zastosowano specjalne uszczelnienia o małych oporach ruchu. Na platformie są umieszczane obiekty poddawane oddziaływaniu drgań. Siłowniki poruszające platformę są sterowane zespołami elektrohydraulicznymi, które umożliwiają uzyskanie jej ruchu o wymaganych parametrach kinematycznych i dynamicznych.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Każdy siłownik połączony jest z osobnym zintegrowanym zespołem elektrohydraulicznym, zbudowanym w postaci jednego modułu konstrukcyjnego, umieszczonego blisko siłownika. Moduły te składają się z następujących elementów: serwozaworu przepływowego, dwóch zaworów dławiących, filtra tłocznego i przyłączy hydraulicznych. Zespoły elektrohydrauliczne są podłączone do wielopompowej stacji zasilania hydraulicznego (Konieczny, 2008). Uproszczony schemat funkcjonalny całego układu hydraulicznego wzbudnika drgań przedstawiono na rys. 3.

CZĘŚĆ MECHANICZNA

UKŁAD STEROWANIA Panel operatora

Prowadnice liniowe

Nieruchoma platforma

Rys. 2. Konstrukcja mechaniczna z zespołem napędowym wzbudnika

CompactRIO NI 9074

Terminal przyłączeniowy z kartami I/O

Wzbudnik drgań

Wzbudnik 1

Przetworniki pomiarowe

Algorytm sterowania

x Serwozawory elektrohydrauliczne

1S Ruchoma platforma

Przetworniki sterujące

UPS

Nieruchomy pomost

Szyna danych

1V5 Stacja zasilania hydraulicznego

A B

1V4

Rys. 1. Struktura wzbudnika drgań

Do sterowania pracą siłowników 1A, 2A zastosowano dwustopniowe czterodrogowe serwozawory przepływowe 1V4, 2V4. Są one wykonane w wersji standardowej z mechanicznym sprzężeniem zwrotnym oraz zerowym przekryciem suwaka. Siłowniki połączone hydraulicznie z serwozaworami tworzą otwarte układy sterowania dławieniowego. Wprowadzenie sprzężenia zwrotnego od położenia elementu wyjściowego (tłoczyska) za pomocą przetworników położenia 1S, 2S zmienia otwarte układy sterowania w układy zamknięte. Tak zbudowane zespoły elementów połączonych z elektronicznym modułem sterującym, zawierającym odpowiednie regulatory, są klasycznymi serwomechanizmami elektrohydraulicznymi (Pizoń, 1995). Serwomechanizmy elektrohydrauliczne, pracując osobno, pełnią funkcję jednoosiowego wzbudnika drgań mechanicznych, odpowiednio dla osi x i osi y. Zespół obu serwomechanizmów połączonych w układ mechaniczny pokazany na rys. 2 może pracować, jako dwuosiowy wzbudnik drgań działający na ruchomą platformę. W tym celu dokonuje się zsynchronizowania ruchu tłoczysk obu siłowników w wyniku odpowiedniej interpolacji. Dzięki temu można uzyskać zróżnicowane trajektorie ruchu platformy roboczej. Zastosowane w pętlach sprzężeń zwrotnych obu serwomechanizmów przetworniki przemieszczenia 1S, 2S działają bezstykowo, co zapewnia ich wysoką trwałość. Przetworniki te charakteryzują się dużą powtarzalnością i szybkością działania oraz odpornością na ciężkie warunki pracy.

P T 1Z

1V3

Wzbudnik 2

2V5 y

A B 2V4

P T

1V1

1V2

2V3 2F 2V1

2V2

Wielopompowa stacja zasilania hydraulicznego Rys. 3. Schemat układu hydraulicznego wzbudnika drgań

Tłok każdego z siłowników serwomechanizmu umożliwia wykonywanie oscylacyjnych ruchów platformy roboczej o zadanej częstotliwości, amplitudzie i przebiegu (np. sinusoidalnym, prostokątnym itp.). Dla złagodzenia stanów dynamicznych w układzie hydraulicznym wzbudnika, a także dla zapewnienia stałego ciśnienia zasilania serwozaworów, zastosowano akumulatory hydrauliczne gazowe 1Z, 2Z. Zawory dławiące 1V3, 2V3 służą do powolnego rozładowania akumulatorów po zakończeniu pracy wzbudnika.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Precyzyjne zawory dławiące 1V5, 2V5 umożliwiają wprowadzenie dodatkowego współczynnika tłumienia do serwomechanizmów, gdyby wystąpiły problemy z uzyskaniem ich stabilności. Jest to jeden z najprostszych sposobów stabilizacji serwomechanizmów hydraulicznych i elektrohydraulicznych i może być wykorzystany w sytuacji, gdy występują problemy z uzyskaniem korekcji dynamicznej w układzie elektronicznym (Pizoń, 1995). Ważnym elementem układu hydraulicznego wzbudnika są dokładne filtry tłoczne 1F, 2F (5 µm), zapewniające odpowiednią czystość cieczy roboczej doprowadzanej do serwozaworów 1V4, 2V4. Oprócz tych filtrów w stacji zasilania hydraulicznego są zainstalowane filtry wstępne o mniejszej dokładności filtracji (20 µm). Źródłem energii dla obu zespołów napędowych jest wielopompowa stacja zasilania hydraulicznego. Dwie pompy tej stacji służą do niezależnego zasilania każdego z serwomechanizmów elektrohydraulicznych. Dzięki wprowadzonemu w ten sposób odseparowaniu zespołów hydraulicznych wyeliminowano niektóre zakłócenia i poprawiono warunki eksploatacyjne wzbudnika. Do implementacji algorytmów sterowania wzbudnikiem wykorzystano układ z niezależnym programowalnym sterownikiem CompactRio NI 9074, opisanym w rozdziale 3. Podstawowe parametry zbudowanego wzbudnika drgań są następujące: • maksymalne ciśnienie robocze: 31,5 MPa, • maksymalna prędkość tłoków: 1 m/s • maksymalny skok tłoków: 60 mm, • powierzchnia czynna każdego z tłoków: 7,66 cm2. Konstrukcja mechaniczna zespołu wykonawczego wzbudnika umożliwia zainstalowanie siłowników o innym skoku (maks. 100 mm) i innej powierzchni czynnej tłoka (mniejszej lub większej).

3. UKŁAD STEROWANIA Wzbudnik drgań, z uwagi na charakter jego pracy, zbudowano z zespołów charakteryzujących się dobrymi parametrami dynamicznymi oraz odpowiednio dużą mocą. Przygotowanie możliwie uniwersalnego wzbudnika drgań wymagało zastosowania w pełni rekonfigurowanego układu sterowania. Ponieważ w układzie hydraulicznym wzbudnika zastosowano akumulatory energii hydraulicznej, to w przypadku zaniku zasilania elektrycznego, brak możliwości sterowania serwozaworami może doprowadzić do uszkodzenia obiektu umieszczonego na platformie roboczej. Dlatego podstawowym wymogiem konstrukcji układu sterowania jest niezawodność, zapewniająca ciągłość jego działania przez określony czas od wystąpienia zaniku napięcia w sieci elektrycznej (około 10 minut). Drugim wymogiem gwarantującym poprawną pracę wzbudnika jest maksymalna częstotliwość próbkowania algorytmu sterowania. Ze względu na wymienione założenia wzbudnik drgań wyposażono w sterownik z układem FPGA (Field Programmable Gate Array) podłączony do systemu UPS, który wyklucza możliwość awarii spowodowanej zanikiem zasilania.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

CompactRIO NI 9074

Terminal I/O Karta wyjść analogowych NI 9263 Karta wejść analogowych NI 9215 Karta wejść tensometrycznych NI 9236 Karta wejść akcelerometrycznych NI 9233

Serwozawory Przetowrnik U/I

Przetwornik U/I

1V4

2V4

Przetworniki przemieszczenia 1S, 2S

Opcjonalne przetworniki

UPS

Rys. 4. Schemat układu sterowania wzbudnikiem drgań

Układ sterowania zbudowano w oparciu o rekonfigurowany przemysłowy sterownik CompactRIO 9074 (RIO - Reconfigurable Input Output) firmy National Instruments. Sterownik ten zawiera połączony magistralą komunikacyjną: układ FPGA (Field Programmable Gate Array), procesor czasu rzeczywistego (RT) oraz zespół kart wejść i wyjść. Struktura logiczna sterownika wymaga niezależnego oprogramowania (mającego dostęp do kart I/O) układu FPGA oraz procesora RT do obsługi protokołów komunikacyjnych. Ze względu na dużą swobodę w zakresie rekonfiguracji układu I/O możliwa do opracowania architektura programu pozwala na elastyczne tworzenie algorytmów sterowania. Schemat układu sterowania wzbudnikiem pokazano na rys. 4. Układ sterowania współpracuje z zespołem czujników oraz kart I/O. W zależności od potrzeb, podczas pracy wzbudnika wykorzystuje się następujące elementy pomiarowe: • przetworniki do pomiaru przemieszczenia tłoczysk siłowników; • zespół akcelerometrów do pomiaru przyspieszenia platformy roboczej. Dodatkową uniwersalność wzbudnika drgań osiągnięto wyposażając układ sterowania w zasilacze urządzeń elektrycznych, umożliwiające pracę przy różnych wartościach napięcia. Dla ułatwienia dostępu do zespołu wykonawczego wzbudnika układ sterowania zamontowano w osobnej szafie aparaturowej, umieszczonej poza przestrzenią roboczą platformy. W celu zminimalizowania zakłóceń sygnałów pomiarowych w sterowniku zaimplementowano algorytm cyfrowej filtracji i podłączono czujniki do wejść różnicowych. W przypadku sygnałów wyjściowych eliminację ich zakłóceń uzyskano stosując przetwornik napięcie/natężenie włączony do obwodu silnika momentowego serwozaworu. W silniku momentowym zastosowanych serwozaworów umieszczone są dwie niezależne cewki, które mogą być łączone szeregowo lub równolegle. Dla uzyskania jak najlepszych właściwości dynamicznych serwozaworów zaprojektowano i wykonano przetworniki U/I o odpowiednio dobranych parametrach pracy. Zastosowano równoległe podłączanie cewek serwozaworów do tego przetwornika, aby umożliwić pracę wzbudnika w przypadku uszkodzenia jednej z tych cewek.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Zaimplementowana w sterowniku struktura przetwarzania zarejestrowanych danych powoduje duże obciążenie procesora RT. Pozwala to na zapis do jego wewnętrznej pamięci niewielkiego strumienia danych. Z tego względu umieszczane na platformie wzbudnika obiekty badań z większą liczbą punktów pomiarowych należy wyposażyć w niezależnie działający układ pomiarowy. Dla ułatwienia akwizycji danych z czujników wzbudnika drgań i lepszego wykorzystania dostępnych źródeł zasilania elektrycznego szafę aparaturową wyposażono w panel przyłączeniowy zawierający standardowe gniazda BNC. Do programowania sterownika wykorzystano graficzne środowisko LabView. Programowanie odbywa się wielostopniowo, gdyż wymaga oprogramowania niezależnych komponentów modułu FPGA i procesora czasu rzeczywistego. Zastosowanie do implementacji algorytmu sterowania protokołu TCP/IP umożliwia niezależny dostęp do jednostki sterującej z poziomu sieci wewnętrznej lub połączenie sterownika z dotykowym panelem operatorskim. Przyjęte rozwiązanie pozwala na szybkie uruchomienie wzbudnika i jego prostą obsługę w trakcie rekonfiguracji. Przygotowany algorytm sterowania ruchem platformy roboczej zawiera dwa niezależne regulatory PID. Niezależne obwody regulacji umożliwiają wygenerowanie podstawowych charakterystyk służących do identyfikacji badanego obiektu, umieszczonego na platformie wzbudnika. Wykorzystanie interpolacji pozwala na generowanie złożonych przebiegów przemieszczeń, w tym także pseudolosowych.

4. PRZYKŁAD ZASTOSOWANIA Dotychczasowa eksploatacja wzbudnika pozwala pozytywne ocenić jego przydatność do badań laboratoryjnych. Aktualnie wzbudnik wykorzystywany jest w stanowisku do testowania układów redukcji drgań modelu masztu telekomunikacyjnego rys. 6. Badana struktura masztu zawiera trzy kondygnacje o łącznej wysokości 2.1 m. W skład każdej kondygnacji wchodzą aluminiowe profile łączące platformy. Opisywany model masztu zbudowano na podstawie dokumentacji istniejącej konstrukcji masztu. Dobór mas platform oraz sztywności wykorzystanych profili obliczono stosując analizę wymiarową oraz przedstawiony w artykule (Snamina, 2012) algorytm redukcji pełnowymiarowej konstrukcji masztu. Platforma układu redukcji drgań została umieszczona w górnej części modelu i zamocowana do elementów konstrukcji masztu. Zastosowany w badaniach dwuosiowy układ redukcji drgań pełni funkcję tłumika dynamicznego. Układ ten składa się z dwóch elektrodyna-micznych silników liniowych przemieszczających dodatkowe masy w dwóch prostopadłych kierunkach, tak, aby możliwa była optymalna eliminacja drgań (Pluta, 2010). Układ redukcji drgań Kabina pomiarowa

Wy [mm]

Panel operatora

Y [mm]

Czas [s]

Testowany model masztu

Czas [s]

Stacja zasilania hydraulicznego

Rys. 5. Przebiegi czasowe przemieszczeń platformy wzbudnika Wzbudnik drgań

Ze względów bezpieczeństwa uruchomienie wzbudnika jest możliwe tylko przy działającym układzie regulacji. Dlatego dobór optymalnych nastaw regulatorów wymagał przeprowadzenia symulacji na modelu platformy otrzymanym w wyniku identyfikacji. Przykładowe dane zarejestrowane w procesie identyfikacji przedstawiono na rys. 5. Generowany jako wartość zadana dla osi y sinusoidalnie zmienny sygnał przemieszczenia Wy ustawiono na stałą amplitudę i liniowo przyrastającą częstotliwość. Dla osi x generowano podobny przebieg przesunięty w fazie o 90o. W celu uproszczenia algorytmu sterowania wzbudnikiem, układy regulacji dla obu osi zawierały wyłącznie wstępnie dobrany regulator P.

Rys. 6. Stanowisko dwuosiowego wzbudnika drgań z zainstalowanym badanym modelem smukłej konstrukcji

Zastosowanie dwuosiowego wzbudnika drgań w stanowisku umożliwia m.in.: • badanie właściwości dynamicznych modeli fizycznych struktur smukłych; • kompleksowe badania różnego rodzaju układów redukcji drgań; • badanie obiektów przy różnych parametrach sygnału wymuszenia; • szybkie wyznaczanie współczynnika przenoszenia drgań.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Czas [s]

Przyspieszenie dolnej platformy [m/s2]

Przyspieszenie środkowej platformy [m/s2]

Przyspieszenie górnej platformy [m/s2]

Przykładowe wyniki badań mających na celu wyznaczenie współczynników przenoszenia drgań konstrukcji modelu masztu przedstawiono na rys. 7 i rys. 8. Badaną konstrukcję masztu wyposażono w cztery odciągi linowe. Analizę drgań konstrukcji przeprowadzono z wyłączonym i zablokowanym układem redukcji drgań, generując wzdłuż osi x wzbudnika sinusoidalne przemieszczanie o amplitudzie +0.3 mm i wolno zwiększającej się częstotliwości w przedziale (0.01, 15 Hz). Zarejestrowane charakterystyki czasowe przyspieszeń przedstawiono na rys. 7. Wyniki eksperymentów przeprowadzonych przy użyciu wzbudnika drgań umożliwiły wyznaczenie współczynnika przenoszenia drgań górnej platformy badanej konstrukcji. Przedstawiony na Rys. 8 współczynnik przenoszenia drgań wyznaczono w oparciu o pomiar przyspieszenia górnej platformy masztu i platformy wzbudnika.

Czas [s]

jest dobrze dostosowane do istniejących potrzeb w zakresie prowadzonych badań. Zastosowanie w pełni rekonfigurowanego układu sterowania spowodowało, że wzbudnik drgań charakteryzuje się znaczną uniwersalnością. Ważną zaletą jest wysokie bez-pieczeństwo jego pracy i wykluczenie możliwości awarii spowodowanej zanikiem zasilania elektrycznego. Poza opisanym w rozdziale IV zastosowaniem wzbudnika do badań układów redukcji drgań konstrukcji smukłych, w niedalekiej przyszłości przewiduje się jego wykorzystanie do celów medycznych, np. rehabilitacji. Badania te będą przeprowadzane przy współpracy z uczelniami medycznymi.

LITERATURA 1. Konieczny J., Kowal J. Pluta J. (2006), Laboratory research of the controllable hydraulic damper. Engineering Transactions. Polish Academy of Sciences. Institute of Fundamental Technological Research. Warszawa, vol. 54. 2. Snamina J. Orkisz P. (2012), Assessment of parameters of laboratory model of telecomunication mast. Mechanics and Control, Kraków, vol. 32. 3. Pizoń A. (1995), Elektrohydrauliczne analogowe i cyfrowe układy automatyki. WNT, Warszawa. 4. Konieczny J., Pluta J. (2008), Laboratorium układów i struktur dynamicznych z elementami płynowymi. Hydraulika i Pneumatyka, dwumiesięcznik naukowo-techniczny, vol. 5. 5. Pluta J., Podsiadło A., Orkisz P. (2010), Elektrohydrauliczny symulator drgań konstrukcji smukłych. Hydraulika i Pneumatyka, dwumiesięcznik naukowo-techniczny, vol. 3.

Rys. 7. Wyniki pomiaru przemieszczeń i przyspieszeń platformy wzbudnika oraz górnej platformy badanego modelu masztu

Współczynnik przenoszenia drgań [dB]

ELECTROHYDRAULIC CONTROL SYSTEM FOR BI AXIAL EXCITER

Częstotliwość [Hz]

Rys. 8. Wyznaczona charakterystyka współczynnika przenoszenia drgań

W wyniku przeprowadzonych badań wyznaczono częstotliwości rezonansowe konstrukcji i zweryfikowano model zastępczy pełnowymiarowej konstrukcji masztu.

5. PODSUMOWANIE Zaprezentowany dwuosiowy wzbudnik drgań poziomej platformy roboczej wykazał pełną przydatność do przeprowadzonych dotychczas badań laboratoryjnych. Dwuletni okres jego intensywnej eksploatacji pozwolił na zebranie doświadczeń, które mogą być przydatne przy projektowaniu, wykonaniu i eksploatacji kolejnych elektrohydraulicznych wzbudników drgań, przeznaczonych do różnych zastosowań. Wykonanie wzbudnika drgań według własnego projektu, poza obniżeniem kosztów jego budowy, przyczyniło się do tego, że urządzenie

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

This article presents mechanical vibrations exciter, which is electrohydraulic device designed to extorting bi-axial vibrations. The control system has been constructed on the basis of a reconfigurable industrial CRIO controller. Due to significant freedom in reconfiguration of the I/O system, a possible structure of the program allows for flexible creation of control algorithms. Use of fully reconfigurable control system made the vibration exciter largely universal. An important asset is high operation safety and excluding the possibility of breakdown due to electric power supply failure. This article presents research results of built device with can extorting vibrations of horizontal platform both in one, as in two axis was introduced. For end the results after two years of exploitation were showed.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Manipulator o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu delta z pneumatycznym napędem mięśniowym Paweł ŁASKI 1, Jakub TAKOSOGLU 2, Sławomir BŁASIAK 3

pawell@tu.kielce.pl, qba@tu.kielce.pl, sblasiak@tu.kielce.pl

Katedra Automatyki i Robotyki, 2 Katedra Urządzeń Mechatronicznych, 3 Katedra Technologii Mechanicznej i Metrologii Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn, Politechnika Świętokrzyska, al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce 1

Streszczenie: W referacie przedstawiono elektropneumatyczny manipulatora o zamkniętym łańcuchu kinematycznym o trzech stopniach swobody typu delta z pneumatycznymi aktuatorami mięśniowymi. Przedstawiono elementy składowe i konstrukcyjne, zaproponowano układ sterowania oraz wyniki prac projektowych.

1. WPROWADZENIE Struktury manipulatorów o zamkniętym łańcuchu kinematycznym projektuje się ściśle dla konkretnych zastosowań i o wysokiej specjalizacji. Można jednak zauważyć tendencje w kierunku poprawy dokładności pozycjonowania oraz zwiększenia dynamiki i sztywności konstrukcji maszyn równoległych. Kolejnym rozwinięciem będzie łączenie pozytywnych cech manipulatorów szeregowych i równoległych w struktury kinematyczne hybrydowe. Układy hybrydowe (np. układy kostno-szkieletowe) znane są w przyrodzie od wielu milionów lat i taki kierunek rozwoju struktur kinematycznych manipulatorów wydaje się jak najbardziej celowy i naturalny. Ponadto można zauważyć zacieranie się różnic pomiędzy obrabiarkami CNC, a manipulatorami o równoległych strukturach kinematycznych. Obecnie na całym świecie w ośrodkach naukowych i badawczych prowadzone są badania nad rozwojem i zastosowaniem równoległych struktur kinematycznych manipulatorów. Przykładem jest rozwiązanie konstrukcji pneumatycznego manipulatora równoległego typu delta z pneumatycznymi napędami mięśniowymi, który wynikiem zakończonego projektu badawczego. Zastosowanie pneumatycznych napędów mięśniowych w budowie równoległych struktur kinematycznych pozwala na uzyskane efektywnych i szybkich w działaniu manipulatorów o łagodnym starcie i zatrzymaniu. Właściwości napędu pozwalają na uzyskanie manipulatora o wysokiej przeciążalności i znacznej ilości cykli pracy. Względnie niskie koszty wykonania manipulatora równoległego opartego o pneumatyczne napędy mięśniowe pozwalają na jego wykorzystanie w warunkach przemysłowych.

2 1 4 3 5

6 Rys. 1. Schemat kinematyczny manipulatora typu delta. 1- platforma robocza, 2- przegubu sferyczne, 3 – przeguby obrotowe, 4 – ramiona bierne, 5 – ramiona czynne (napędowe), 6 - aktuatory (muskuły pneumatyczne),

Manipulator skonstruowany w oparci o strukturę typu delta składa się z ruchomej platformy połączonej do nieruchomej podstawy przez trzy jednocześnie działające łańcuchy kinematyczne. Każdy łańcuch zawiera napędowe połączenie obrotowe uruchamiane przez parę mięśni pneumatycznych działających antagonistyczne. Zakończenia mięśni połączone zostały z nieruchomą podstawą. Aby przekazać ruch do platformy roboczej zastosowano trzy równoległoboki zakończone przegubami sferycznymi. Pojedynczy łańcuch kinematyczny manipulatora typu 3-RSS zawiera przeguby typu obrotowego (R) oraz przeguby typu sferycznego (S).

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Na rysunku 1.1 przedstawiono schemat kinematyczny manipulatora typu delta. Schemat przedstawia robota składającego się z dwóch platform, które są trójkątami równobocznymi. Mniejsza platforma jest ruchoma, natomiast większa jest podstawą.

Ε0(x0, y0, z0)

W celu rozwiązania zadania prostego kinematyki określono θ1 ,θ 2 ,θ3 kąty oraz punkt E0 ze współrzędnymi x0 , y0 , z0 , będący środkiem platformy ruchomej.

E`1

Ε0(x0, y0, z0)

θ1

θ1 θ2 θ3 Rys. 1.1. Parametry geometryczne manipulatora typu delta

1.1. Zadanie odwrotne kinematyki manipulatora typu delta Zadanie odwrotne kinematyki manipulatora polega na znalezieniu funkcji, która dla znanych wartości współrzędnych x0 , y0 oraz z0 (platformy roboczej) zwraca wartości kątów θ1 ,θ 2 ,θ3 W tym celu zdefiniowano wymiary przedstawione na rys. 1.2. e re rf

Rys. 1.3. Schemat kierunków ruchów w połączeniach

Na rysunku 1.3 można odczytać, że ze względu na konstrukcję połączenia F1 J1 , może ono wykonywać jedynie ruch rotacyjny tylko w płaszczyźnie YZ . W wyniku takiej rotacji powstaje koło, którego środek umiejscowiony jest w punkcie F1 , natomiast promień ma wartość rf . Rozpatrując drugi człon tego ramienia E1 J1 , wnioskuje się że może ono swobodnie obracać się w płaszczyźnie YZ orazXY . W wyniku takich ruchów powstaje sfera ze środkiem w punkcie E1 i o promieniu równym re. Przecięcie płaszczyzny YZ ze sferą wyznacza koło o środku w ' ' ' punkcie E1 i promieniu E1 J1 , gdzie punkt E1 jest rzutem punktu E1 na płaszczyznę YZ . Następnie punkt J1 można wyznaczyć z przecięcia okręgu o środku w punkcie E1 z okręgiem o środku w punkcie F1 (należy wybrać tylko jeden punkt przecięcia z najmniejszą współrzędną y). Jeśli znane są współrzędne punktu J1 można obliczyć kąt θ1 .

0 f

Ε0(x0, y0, z0)

Rys. 1.2. Wymiary geometryczne manipulatora typu delta

Zgodnie z rysunkiem 1.2 przyjęto następujące oznaczenia dla parametrów fizycznych: f – długość boku trójkąta będącego podstawą, e – długość boku trójkąta będącego ruchomą platformą, rf – długość górnego ramienia połączonego z podstawą, re – długość dolnego ramienia połączonego z platformą ruchomą. Z rysunku 1.2. iż początek bazowego układu współrzędnych został określony w geometrycznym środku ciężkości podstawy.

e 2

e tg(30O) 2 E`1

J1 θ1 F1 yF1- yJ1

zJ1

Rys. 1.4. Rzut elementów napędowych na płaszczyznę YZ

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Na rysunku 1.4 przedstawiono rzut płaszczyzny YZ . Równania wynikające z powstałych zależności geometrycznych i służące wyznaczeniu kąta θ1 są następującej postaci:

E ( x0 , y0 , z0 )

e e tg= 30° 2 2 3

E = 0 E1

1.2. Zadanie proste kinematyki manipulatora typu delta

e e     E1  x0 , y0 − , z0  ⇒ E1'  0, y0 − , z0  2 3 2 3    

Zadanie kinematyki prostej polega na znalezieniu funkcji, która zwróci wartości współrzędnych oraz przy zadanych wartościach wychyleń kątowych θ1 , θ 2 , θ 3 .

E1 E1' = x0 ⇒ E1' J1 = E1 J12 − E1 E1'2 =re2 − x02

F1 (0, −

f 2 3

, 0)

W wyniku powyższego przekształcenia otrzymano nowy układ współrzędnych X’Y’Z’, który posłuży do wyznaczenia θ1 ,θ 2 ,θkąta 3 zgodnie z algorytmem dla θ1 , θ. 2Zmiana , θ3 algorytmu polega na zdefiniowaniu nowych współrzędnych (1.2) dla punktu E0, co można zrobić wykorzystując macierz rotacji. W celu znalezienia ostatniego kąta należy obrócić bazowy układ współrzędnych o kąt 120o zgodnie z ruchem wskazówek zegara i wykorzystać znany już algorytm.

(1.1)

 f 2  (y J1 + ) + z 2J1 = rf2   2 2 2 3 rf2  (y J1 − y F1 ) + (z J1 − z F1 ) =  ⇒ ⇒ J1 (0, y J1 , z J1 )   2 2 2 2 2 (y J1 − y E1 ) + (z J1 − z E1 ) =re − x 0  y − y + e  + ( z − z )2 = r 2 − x 2 0 J1 0 e 0    J1 2 3 

zJ 1    yF 1 − y J 1 

J`2

θ3 F3 F2

0 F1

roszczenia algebraiczne (1.1) wynikają z dobrego ulokowania bazowego układu współrzędnych, dzięki czemu dla połączenia F1 J1 wartość współrzędnej x = 0 . Aby móc wykorzystać te uproszczenia dla pozostałych kątów, należy wykorzystać oś symetrii manipulatora. Pierwszy krok polega na rotacji bazowego układu współrzędnych wokół osi Z o kąt 120o przeciwnie do kierunku ruchu wskazówek zegara, co przedstawiono na rysunku 1.5.

J`3

θ2



θ1 = arctg 

Ε0(x0, y0, z0)

J`1

θ1

Rys. 1.6. Schemat zagadnienia kinematyki prostej

Wykorzystując znane wartości kątów można θ1 ,θ 2 ,θ3 wyznaczyć współrzędne punktów J1 , J 2 , J 3 , co przedstawiono na rys. 1.6. Połączenia J1 E1 , J 2 E2 oraz J 3 E3mogą swobodnie obracać się wokół punktów J1 , J 2 , J 3 , tworząc tym samym trzy sfery o promieniu re (rys. 1.7). Ε0(x0, y0, z0)

Ε0(x0, y0, z0)

J`3

(x`0, y`0, z`0)

F3 J`2

θ3

F2 F1

θ2

120

J`1

Rys. 1.7. Sfery powstałe w wyniku rotacji trzech ramion

θ1 Rys. 1.5. Obrót układu współrzędnych wokół osi Z

= x ' xcos120° + ysin120° y ' = − xsin120° + ycos120°

(1.2)

Na rysunku 1.7 przedstawiono translację środków sfer ' z punktów J1 , J 2 , J 3 , do punktów , J 2' , J 3' z odpowiednim  J1  wykorzystaniem wektorów E E , E2 E0 oraz E E . 1 0 3 0 Po przesunięciu trzy sfery przecinają się w jednym punkcie E0 . Do wyznaczenia współrzędnych punktu E0 należy rozwiązać układ trzech równań:

(x − x ) +( y − y ) +(z − z ) 2

= re 2

(1.3)

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

(

)

gdzie współrzędne środków sfer x j , y j , z j oraz promień re są dane. Jako pierwsze należy wyznaczyć współrzędne środków sfer po operacji przesunięcia, co przedstawiono na rysunku 1.8.

Następnie podstawiono równanie (1.7) do układu równań (1.6) i otrzymano układ równań w postaci:

x2 x + ( y1 − y2 ) y + ( z1 − z2 ) z = ( w1 − w2 ) / 2   x3 x + ( y1 − y3 ) y + ( z1 − z3 ) z = ( w1 − w3 ) / 2  ( x − x ) x + ( y − y ) y + ( z − z ) z = ( w − w ) / 2 2 3 2 3 2 3  2 3

(1.8)

J`3

J`2

Współrzędną x można opisać równaniem:

F3 F1

= x a1 z + b1

30O

(1.9)

gdzie współczynniki mają postać: J`1 J1

a= 1

Rys. 1.8. Współrzędne środków sfer po translacji

Do określenia współrzędnych środków sfer wykorzystano następujące zależności geometryczne:

f OF = OF = OF = 1 2 3

tan ( 30 = ) f

' ' ' e tan(30) J= J= J= = e 3 1 J1 2 J2 3 J3 2 2

F1 J1 = rf cos(θ1 )

, (1.10)

1 b1 = − ( w2 − w1 )( y3 − y1 ) − ( w3 − w1 )( y2 − y1 )  2d  a wyznacznik równania (1.10) ma postać:

d = ( y2 − y1 ) x3 − ( y3 − y1 ) x2

(1.4)

(1.11)

Podobny schemat postępowania stosuje się dla współrzędnej y, którą opisano następującym równaniem:

F2 J 2 = rf cos(θ 2 ) , F3 J 3 = rf cos(θ3 )

1 ( z2 − z1 )( y3 − y1 ) − ( z3 − z1 )( y2 − y1 )  , d

= y a2 z + b2

, (1.12)

Współczynniki równania (1.12) są postaci: Wykorzystując zależności (1.4) określono kolejne współrzędne środków sfer: f −e J1' (0; − − rf cos (θ1 ) ; −rf sin(θ1 )) (1.5) 2 3 J 2' ([

f −e f −e + rf cos (θ 2 )]cos(30);[ + rf cos (θ 2 )]sin(30); −rf sin(θ 2 )) 2 3 2 3

J 3' ([

f −e f −e + rf cos (θ3 )]cos(30);[ + rf cos (θ3 )]sin(30); −rf sin(θ3 )) 2 3 2 3

W celu znalezienia współrzędnych punktu E0 rozwiązano układ trzech równań (1.6) przy założeniu, że x1 = 0 .  x 2 + ( y − y1 )2 + ( z − z1 )2 = re2  x 2 + y 2 + z 2 − 2 y1 y − 2 z1 z = re2 − y12 − z12  2 2 2  2 2 2 − + − + − = ⇒ + + z 2 − 2 x2 x − 2 y2 y − 2 z2 z = re2 − x22 − y22 − z22 x x y y z z r x y ( ( 2) e  ( 2) 2)   x2 + y 2 + z 2 − 2 x x − 2 y y − 2 z z = r 2 − x2 − y 2 − z 2 2 2 2 2 e 3 3 3 3 3 3 − + − + − = x x y y z z r ( ) ( ) ( )  e 3 3 3 

(1.6) Wprowadzono zmienną pomocniczą:

wi = xi2 + yi2 + zi2

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

(1.7)

1 a2 = − ( z2 − z1 ) x3 − ( z3 − z1 ) x2  d 1 = b2 ( w2 − w1 ) x3 − ( w3 − w1 ) x2  2d 

, (1.13)

Wyznacznik równania (1.13) ma postać (1.11). Korzystając z zależności (1.6)-(1.13) równanie dla współrzędnej z można zapisać w następującej postaci:

2 1

(

)

+ a22 + 1) z 2 + 2 ( a1 + a2 ( b2 − y1 ) − z1 ) z + b12 + ( b2 − y1 ) + z12 − re2 = 0 2

(1.14) Z dwóch rozwiązań równania (1.14) należy wybrać to, które będzie najmniejszym ujemnym pierwiastkiem – wartość współrzędnej z0 , a następnie należy obliczyć współrzędne x0 oraz y0 z równań (1.9) i (1.12).

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

2. MODELE BRYŁOWE MANIPULATORA TYPU DELTA Złożoność mechanizmów o kinematyce równoległej wyklucza tradycyjne projektowanie dwuwymiarowe, a także wymusza konieczność korzystania z bardziej zaawansowanych programów projektowania i symulacji ruchu w przestrzeni trójwymiarowej (3D CAD). Na etapie projektowania konstrukcji robota wymagane jest określenie przestrzeni roboczej oraz możliwych kolizji elementów napędowych, konstrukcji nośnej, platformy roboczej, członów napędowych (siłowników) oraz łączących je przegubów. Konstrukcję manipulatora zaprojektowano w oprogramowaniu SolidWorks z użyciem parametrycznych modeli bryłowych elementów przegubów, podstawy oraz członów napędowych. Na podstawie analizy geometrycznej zaprojektowano bryłowe elementy składowe manipulatora w oprogramowaniu CAD firmy SolidWorks Corporation (rys. 2.1).

4 8

3 7 2 6 11 5

Rys. 2.1. Model bryłowy manipulatora równoległego typu delta: 1- platforma robocza, 2- platforma górna,3 - ramiona czynne, 4 - ramiona bierne, 5 - muskuły napędowe, 6 - przeguby obrotowe, 7 czujniki położenia kątowego, 8,9 - przeguby kulowe, 10 - podstawa, 11 - kolumna nośna

5 4

2 3 1

Rys. 2.2. Model bryłowy ramienia napędowego manipulatora typu delta: 1 - muskuły napędowe, 2 - dźwignia dwuramienna, 3 - przegub obrotowy, 4 - ramię, 5 - przeguby kulowe

Rys. 2.4. Model bryłowy manipulatora równoległego typu delta widok normalny do płaszczyzny platformy roboczej

3. PRZESTRZEŃ ROBOCZA MANIPULATORA TYPU DELTA Przeprowadzono badania modelowe na elementach bryłowych manipulatora równoległego w celu wyznaczenia jego rzeczywistej przestrzeni roboczej. Przestrzeń robocza manipulatora jest obszarem zdefiniowanym całkowicie przez początek układu współrzędnych, związanego z punktem środkowym efektora, narzędzia TCP (ang. Tool Center Point) lub chwytaka. Struktura kinematyczna manipulatora równoległego wraz z opisem wymiarowym i zakresem przemieszczeń zespołów ruchu jednoznacznie określają przestrzeń ruchu platformy roboczej. Stosunek objętości przestrzeni roboczej i jałowej lub kolizyjnej określa poprawność przyjętego rozwiązania struktury kinematycznej manipulatora. Rozwiązanie jest tym lepsze, im większą część przestrzeni kolizyjnej zajmuje przestrzeń robocza. Na kształt przestrzeni roboczej manipulatora mają wpływ konfiguracje poszczególnych członów kinematycznych oraz ich zakresy ruchu. Wyznaczenie przestrzeni roboczej manipulatora typu delta za pomocą oprogramowania 3D CAD jest zadaniem trudnym i skomplikowanym do wykonania, ponieważ przestrzeń robocza zawiera zbiór punktów możliwych do osiągnięcia przez poszczególne łańcuchy kinematyczne. W celu wyznaczenia przestrzeni roboczej manipulatora równoległego użyto najbardziej popularnej metody polegającej na dyskretyzacji trójwymiarowego obszaru przestrzeni na wiele punktów. Następnie prowadzono weryfikację położenia wszystkich punktów środkowych E platformy roboczej, spełniających warunek zawierania się w przestrzeni roboczej manipulatora. Do wyznaczenia przestrzeni roboczej manipulatora wygenerowano pseudolosowy rozkład 43 tysięcy punktów o kształcie prostopadłościanu o wymiarach: x [-400,400] mm, y [-400, 400] mm i z [-800, 0] mm. Z otrzymanego rozkładu punktów odrzucono te punkty, które nie spełniały rozwiązania zadania odwrotnego kinematyki manipulatora, a także te, które znajdowały się poza zakresem ruchu napędowych pneumatycznych par mięśniowych. W wyniku obliczeń otrzymano losowy rozkład punktów, który obejmuje przestrzeń roboczą analizowanego pneumatycznego manipulatora równoległego. Rozkład tych punktów przedstawiono na rysunku 3.1.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Magnetyczny przetwornik absolutny umożliwia określanie kąta z rozdzielczością wyższą niż 0,1 stopnia kątowego. Kąt obrotu jest dowolnie definiowalny pomiędzy 0 i 360 stopni, co eliminuje żmudną czynność precyzyjnego ustawiania mechanicznego kąta czujnika.

Rys. 3.1. Przestrzeń robocza manipulatora typu delta

4. BUDOWA MANIPULATORA RÓWNOLEGŁEGO TYPU DELTA Ramię napędowe manipulatora o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu delta cechuje się tym iż w celu zamiany ruchu postępowego mięśniowych na ruch obrotowy zastosowano dźwignię dwuramienną rysunek 4.1.

Manipulator o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu delta, o trzech stopniach swobody, zawiera trzy identyczne ramiona składające się z elementów napędzanych (czynne człony napędowe), połączonych przegubowo jednym końcem z podstawą oraz członów biernych połączonych przegubami z platformą roboczą. Ramiona napędowe z jednej strony zakończone są dźwigniami dwuramiennymi, wyposażonymi w przeguby obrotowe o jednym stopniu swobody, w których osadzone są zakończenia napędów mięśniowych zaś z drugiej strony połączone są z członami biernymi manipulatora. Zakończenia mięśni umocowane są do kolumnowej podstawy. Struktura kinematyczna manipulatora cechuje się tym, iż platforma robocza przemieszcza się równolegle względem podstawy. Mechanizmy manipulatora rozmieszczone są na planie trójkąta równobocznego, dotyczy to mocowań platformy roboczej jak i podstawy. Do sterowania pozycyjnego efektora manipulatora równoległego typu delta wykonano układ sterowania z wykorzystaniem kart AC/CA wraz z systemem czasu rzeczywistego xPC Target pakietu Matlab/Simulink. Na rysunku 4.2 przedstawiono widok ogólny manipulatora typu delta z pneumatycznymi napędami mięśniowymi wraz z układem sterowania w pozycji spoczynkowej. Wysokość konstrukcji wraz z podstawą to 1130mm a szerokość 800mm.

5 4 3 2 1

6 4 3 2 5

Rys. 4.1. Widok ramienia napędowego manipulatora typu delta: 1- muskuły napędowe, 2 - dźwignia dwuramienna, 3 - przegub obrotowy, 4 - ramię, 5 - przeguby kulowe

8 7 1

Do budowy manipulatora pneumatycznego równoległego typu delta zostały użyte pneumatyczne proporcjonalne zawory ciśnienia. Zawory posiadają sterowanie piezoelektryczne co zapewnia krótki czas odpowiedzi. W celu pomiaru kąta obrotu ramion napędowych zakupiono czujniki obrotowe z wyjściem napięciowym 0-10V. Czujnik pomiaru kątowego ma za zadanie przekształcić ruch wałka w sygnał elektryczny i przekazać go układowi sterującemu jako sygnał sprzężenia zwrotnego.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Rys.4.2. Widok manipulatora równoległego typu delta: 1- podstawa, 2 - przeguby obrotowe, 3 - ramiona bierne, 4 – przeguby kulowe, 5 – obudowy łożyskowe, 6 – platforma robocza, 7 – muskuły napędowe, 8 – czujniki położenia kątowego

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

5. WNIOSKI W artykule przedstawiono manipulator równoległy typu delta z pneumatycznymi aktuatorami mięśniowymi. Przedstawiono konstrukcję wraz z opisem zależności geometrycznych oraz kształtem przestrzeni roboczej. Badania doświadczalne manipulatora potwierdziły założenia iż cechuje się dużą dynamiką, łagodnym startem i zatrzymaniem, O cechach manipulatora decydują zastosowane napędów mięśniowe. Przedstawiony manipulator posiada trzy stopnie swobody. Cechą negatywną zastosowanych napędów mięśniowych typu DMSP jest możliwość uzyskania wstępnego rozciągnięcia w niewielki zakresie nie przekraczającym 1% długości nominalnej muskułu. Ta negatywna cecha powoduje zniekształcenie (zginanie) muskułów po zaniku zasilania pneumatycznego. Do sterowania muskułami pneumatycznymi zastosowano proporcjonalne piezoelektryczne zawory ciśnieniowe. Manipulatory o takiej konstrukcji mogą znaleźć zastosowanie w procesach pakowania, paletyzacji, montażu oraz jako manipulatory rehabilitacyjne. Obecnie wykorzystywane są podobne konstrukcje lecz z elektrycznymi członami napędowymi. W dalszym etapie rozwoju konstrukcji autorzy wykonają badania eksperymentalne dokładności pozycjonowania przy różnych obciążenia masowych manipulatora dla klasycznych regulatorów oraz inteligentnych.

PARALLEL MANIPULATOR TYPE DELTA WITH PNEUMATIC MUSCLE ACTUATORS Abstract: In the paper a design of electro-pneumatic parallel 3-DOF manipulator type of delta with pneumatic muscle actuator are pre-sented. The solid model, construction and workspace was determined by means of SolidWorks and Matlab/Simulink software. The forward and inverse kinematic description are presented. Pracę wykonano w ramach realizacji projektu badawczego nr N514 217038 finansowanego ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

LITERATURA 1.Tsai LW (1999) Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators. John Wiley & Sons, New York 2. Blasiak S, Laski PA and Takosoglu JE. Parametric analysis of heat transfer in non-contacting face seals. International Journal of Heat and Mass Transfer 2013; 57: 22–31. 3. Laski PA (2006) Research into kinematic and dynamic properties of multiaxial electro-pneumatic manipulator of Stewart platform structure. Dissertation, Kielce University of Technology 4. Laski P Dindorf R (2007) Prototype of pneumatic parallel manipulator. Hydraulika a Pneumatika (1):22-24 5. Takosoglu JE, Dindorf RF, Laski PA (2009) Rapid prototyping of fuzzy controller pneumatic servo-system. Int J Adv Manuf Technol 40(3–4):349–361. doi: 10.1007/s00170-007-13495 6. Takosoglu JE, Dindorf RF, Laski PA (2010) Fuzzy logic positioning system of electro-pneumatic servo-drive. In: Jimenez A, Al Hadithi BM (eds) Robot Manipulators, Trends and Development. In-Tech, Croatia, pp 298-320 7. Laski P, Dindorf R, Takosoglu J, Wos P (2010) Project of pneumatic parallel manipulator type Delta with pneumatic muscle actuators. Acta Mechanica et Automatica 4(1):61-65 8. Takosoglu J, Laski P and Blasiak S. A fuzzy logic controller for the positioning control of an electro-pneumatic servodrive. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Control Engineering 2012; 226: 1335–1343. 9. Takosoglu J, Dindorf R, Laski P, Wos P (2010) Positioning of electro-pneumatic servo-drive with direct displacement and velocity transducer. Acta Mechanica et Automatica 4(1):8691 10. Takosoglu J (2005) Analysis and synthesis of pneumatic multi- axis servo-drive control system using fuzzy controller. Dissertation, Kielce University of Technology 11. Blasiak S (2007) The dynamic of non-contacting face seals with grooved rings. Dissertation, Kielce University of Technology 12. Dzierzek K (2009) The digital system of the position measurement. Solid State Phenomena (147-149):936-941 13. Siemieniako F, Ostaszewski M, Kuzmierowski T. (2010). Analysis of requirements for exoskeleton construction. International Journal of Applied Mechanics and Engineering 15(3):841-846 14. Takosoglu J, Dindorf R (2006) Rapid prototyping a fuzzy control of electro-pneumatic servo-drive in real time. Sci Bull Coll Compute Sci 5(1):57-70 15. Takosoglu J, Dindorf R, Laski P (2009) Pneumatronic positioning system of electro-pneumatic servo-drive. In: Macha E, Robak G. (eds) Tranfer of Innovation to the Interdisciplinary Teaching of Mechatronics for the Advanced Technology Needs. Opole University of Technology, Opole, pp.323-334 16. Laski P, Dindorf R, Takosoglu J (2009) Virtual project of parallel manipulator with pneumatic muscle actuators. In: Macha E, Robak G. (eds) Tranfer of Innovation to the Interdisciplinary Teaching of Mechatronics for the Advanced Technology Needs. Opole University of Technology, Opole, pp.209-216

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Badania doświadczalne płaskiej aerostatycznej podpory współrzędnościowej z napędem elektromagnetycznym Tomasz HUŚCIO*

t.huscio@pb.edu.pl

* Katedra Automatyki i Robotyki, Wydział Mechaniczny, Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45 C, 15-351 Białystok Streszczenie: W artykule przedstawiono stanowisko pomiarowe do badań płaskiej aerostatycznej podpory współrzędnościowej. Zaprezentowano wyniki badań eksperymentalnych. Z uzyskanej charakterystyki odczytano oraz wyznaczono podstawowe parametry konstrukcyjno-eksploatacyjne układu podpora - szczelina powietrzna - podstawa.

1. WPROWADZENIE Płaska aerostatyczna podpora współrzędnościowa z napędem elektromagnetycznym jest podstawowym elementem współrzędnościowych układów pozycjonujących wyspecjalizowanych urządzeń: maszyn kontrolno-pomiarowych, precyzyjnych stołów montażowych (np. stosowanych w mikroelektronice), precyzyjnych manipulatorów oraz superdokładnych obrabiarek (tokarki diamenciarki, szlifierki). Podpora przemieszcza się bezstykowo po nieruchomej podstawie dzięki zastosowaniu łożyskowania aerostatycznego. Pomiędzy podporą a podstawą znajduje się warstwa powietrza. Dzięki temu opory tarcia w układzie podpora -podstawa są na tyle małe (współczynnik µ = 10 −4 ÷ 10 −5 tarcia), że ich wpływ na dokładność pozycjonowania można pominąć. W literaturze układ podpora - podstawa nazywany jest płaskim silnikiem krokowym (ang. planar step motor) lub współrzędnościowym silnikiem krokowym (ang. dual axes XY stepping motor).

Określenie planar motor wprowadził po raz pierwszy Bruce Sawyer [1]. W 1968 roku opatentował on urządzenie i nadał mu właśnie taką nazwę [2]. Obecnie powszechnie używana jest nazwa silnik Sawyera (ang. “Sawyer” motor). Przedstawiony na rysunku 1 płaski silnik krokowy składa się z ruchomego wzbudnika (ang. forcer), nieruchomej podstawy (ang. platen). Wzbudnik (podpora) przemieszcza się nad podstawą na gazowej warstwie smarującej, która ma zazwyczaj grubość od 10 do 15 mikrometrów. Wzbudnik może przenosić obciążenia zewnętrzne wzdłuż określonej, płaskiej trajektorii, biegnącej na przykład z punktu A do punktu B. Przedmiotem badań doświadczalnych była podpora współrzędnościowa PRM-P-0.64-146x154x23 firmy Ruchservomotor. Celem badań eksperymentalnych było sprawdzenie poprawności i przydatności modelu matematycznego opisującego przepływ powietrza w układzie podpora - szczelina powietrzna - podstawa oraz badań symulacyjnych nad podporą aerostatyczną z uwzględnieniem elementarnych modułów elektromagnetycznych [3]. Podporę aerostatyczną z elektromagnetycznym napędem poddano badaniom statycznym, które umożliwiły określenie zmian wysokości szczeliny h w zależności od obciążenia podpory Pr (Pr=f(h)). Otrzymana charakterystyka będzie podstawą do wyznaczenia podstawowych parametrów konstrukcyjno-eksploatacyjnych układu: początkowego punktu pracy ho, zakresu prawidłowej pracy Δhr, sztywności układu j oraz dopuszczalnego obciążenia roboczego Prd- nośności podpory.

2. STANOWISKO BADAWCZE Płaską aerostatyczną podporą pneumatyczną poddaną badaniom doświadczalnym przedstawiono na fotografii 1. Rys.1. Płaski silnik krokowy

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Na rysunku 2 przedstawiono schemat stanowiska pomiarowego do przeprowadzenia badań doświadczalnych płaskiej aerostatycznej podpory z napędem elektromagnetycznym.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys.2. Schemat stanowiska pomiarowego: 1-sprężarka, 2-blok przygotowania sprężonego powietrza, 3-podpora aerostatyczna z elektromagnetycznym napędem, 4-podstawa, 5- regulator ciśnienia: 5a-zawór redukcyjny, 5b-manometr, 6-regulator ciśnienia: 6a-zawór redukcyjny, 6b-manometr, 7-śruba obciążająca; 8-czujnik siły; 9-precyzyjny cyfrowy miernik tablicowy,10-czujnik do pomiaru przemieszczeń pionowych, 11-urządzenie odczytowe, 12-sterownik, 13- komputer

Stanowisko wyposażone jest w sprężarkę (1) oraz blok przygotowania sprężonego powietrza (2). Zawór redukcyjny (5a) służy do nastawiania ciśnienia zasilania układu podpora aerostatyczna (3) - szczelina powietrzna - podstawa (4). Wartość tego ciśnienia odczytywana jest na manometrze (5b).

Układ podpora-szczelina powietrzna-podstawa z zamontowanymi czujnikami niezbędnymi do przeprowadzenia badań doświadczalnych przedstawiono na rysunku 3.

Śruba obciążająca (7) służy do obciążania podpory aerostatycznej w kierunku prostopadłym do podstawy. Do pomiaru wartości siły obciążającej podporę oraz wartości siły magnetycznego przyciągania podpory do podstawy zastosowano czujnik siły (8), a do odczytu jej wartości - precyzyjny cyfrowy miernik tablicowy (9).

Zaworem redukcyjnym (5a) nastawiano wielkość ciśnienia zasilania pz = 0,3 MPa podpory aerostatycznej, odczytywaną na manometrze (5b). Po uniesieniu się podpory (3) nad podstawę (4) zmierzono wysokość szczeliny powietrznej ho, czyli początkowego punktu pracy podpory aerostatycznej:

Do pomiaru zmiany wysokości szczeliny wykorzystano cztery czujniki przemieszczeń pionowych (10), które zamocowano na podporze (3). Do odczytu wartości wysokości szczeliny powietrznej służy urządzenie (11). Zawór redukcyjny (6a) służy do nastawiania ciśnienia zasilania czujników (10). Wartość tego ciśnienia odczytywana jest na manometrze (6b).

ho = 12 µm

3. PRZEBIEG I WYNIKI BADAŃ

(1)

W początkowym punkcie pracy podpora jest nieobciążona (obciążenie robocze Pr = 0).

Precyzyjny miernik tablicowy (9) wyposażony jest w dwa szeregowe łącza komunikacyjne typu RS485/RS232 z izolacją optyczną, pozwalające na przesyłanie wyników pomiarów z czujnika siły (8) oraz z czujnika ciśnienia (12) do komputera (14). Sterowanie podpory aerostatycznej realizowane jest przez sterownik (12), który przetwarza, zgodnie z programem sterującym, sygnał cyfrowy z komputera (13) na analogowy sygnał prądowy. Ponadto w skład stanowiska wchodzi zestaw elastycznych powietrznych przewodów połączeniowych oraz łączniki (trójniki) do przewodów połączeniowych.

Fot.1. Widok stanowiska pomiarowego

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Na rysunku 4 przedstawiono doświadczalny wykres zmiany wysokości szczeliny h w zależności od obciążenia Pr dla wartości ciśnienia zasilania pz = 0,3 MPa.

Rys.4. Doświadczalny wykres Pr= f(h)

4. WYZNACZENIE PARAMETRÓW KOSTRUKCYJNO - EKSPLOATACYJNYCH UKŁADU Na podstawie otrzymanego wykresu Pr = f(h) (Rys. 4) wyznaczono zakres pracy Δhr układu podpora-szczelina powietrznapodstawa. W celu wyznaczenia zakresu wysokości szczeliny powietrznej, Δhr ,w którym sztywność układu podpora-szczelina powietrzna podstawa jest największa i stała, obliczono sztywności j podpory dla kolejnych zakresów wysokości szczeliny powietrznej: j1, 2 =

Pr h 11 − Pr h 12 P − Pr h 3 ∆Pr Pr h1 − Pr h 2 ∆P ∆P = , j2 , 3 = r = r h 2 , ..., j11, 12 = r = ∆h 1 ∆h 1 ∆h 1

gdzie:

Pr h1 , ..., Pr h 12

Rys.3. Układ podpora-szczelina powietrzna-podstawa z czujnikami

Następnie podporę aerostatyczną (3), unoszącą się nad podstawą (4), obciążano za pomocą śruby (7) w kierunku prostopadłym do podstawy. Wartości siły obciążającej Pr mierzono czujnikiem siły (8), a odczytywano ją na precyzyjnym cyfrowym mierniku tablicowym (9). Zmianę wysokości szczeliny h mierzono czterema czujnikami do pomiaru przemieszczeń pionowych (10), zamocowanymi na podporze pneumatycznej. Wartości wysokości szczeliny zmierzone dla kolejnych wartości siły obciążającej Pr odczytywano na urządzeniu (11). Wartość ciśnienia zasilania pz = 0,14MPa czujników (10) ustawiono zaworem redukcyjnym (6a).

(3) - wartość obciążenia zewnętrznego dla kolejnych wysokości szczeliny h = 1, 2, ..., 12 µm

Otrzymane wartości sztywności j dla poszczególnych zakresów wysokości szczeliny zestawiono na charakterystyce j = f(h) (Rys. 5).

Na podstawie uśrednionych wyników wysokości szczeliny h sporządzono wykres Pr=f(hśr). Średnia wartość wysokości szczeliny jest średnią arytmetyczną odczytów z czterech czujników (10):

hśr =

1 ( h1 + h2 + h3 + h4 ), 4

(2)

gdzie: h1, h2, h3, h4 – wartości wysokości szczeliny zmierzone za pomocą poszczególnych czujników do pomiaru przemieszczeń pionowych (10).

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Rys.5. Wykresy Pr = f(h) i j = f(h)

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Z charakterystyki j = f(h) można odczytać, w którym zakresie zmian wysokości szczeliny sztywność układu podpora-szczelina powietrzna-podstawa jest największa i praktycznie stała. Jest to zakres pracy Δhr podpory aerostatycznej z napędem elektromagnetycznym:

∆hr = 8 ÷ 12 µm

(4)

Stąd dla zakresu pracy podpory Δhr, zgodnie z poniższym wzorem, wyznaczono sztywność układu podpora-szczelina powietrzna-podstawa:

∆Pr 423 − 0 N = = 105 ∆h 8 − 12 µm

(5)

Sztywność statyczna (przemieszczeniowa) j układu podpora - szczelina powietrzna - podstawa jest miarą zdolności podpory aerostatycznej do przeciwstawiania się obciążeniom zewnętrznym Pr. Następnie na podstawie otrzymanych wyników pomiarów wyznaczono nośność podpory, czyli dopuszczalne obciążenie robocze Prd podpory aerostatycznej. Dopuszczalne obciążenie robocze podpory aerostatycznej jest to maksymalne obciążenie, dla którego wysokość szczeliny przyjmuje wartość minimalną z zakresu pracy podpory:

∆hr ∈ 8;12 Zgodnie z charakterystyką Pr=f(h) (Rys. 5) dopuszczalne obciążenie robocze podpory aerostatycznej z napędem elektromagnetycznym wynosi:

Prd = Prd h 8 = 423 N

(6)

gdzie: Prdh8 - - wartość obciążenia roboczego w szczelinie powietrznej o wysokości 8um

5. PODSUMOWANIE

Kolejnym etapem badań układu podpora – szczelina powietrzna – podstawa było porównanie wyników uzyskanych z badań symulacyjnych z wynikami badań doświadczalnych. W celu dokonania weryfikacji porównano wyznaczone parametry konstrukcyjno-eksploatacyjne układu. Dodatkowo w celu wizualizacji porównywanych wyników na wspólnej charakterystyce zestawiono zależność Fn=f(h), uzyskaną z badań symulacyjnych z zależnością Pr=f(h), uzyskaną z badań doświadczalnych. Fn jest to siła nośna podpory aerostatycznej za pomocą, której podpora jest bezstykowo zawieszona nad podstawą na wysokości h. W wyniku przeprowadzonej weryfikacji wybrano model symulacyjny układu podporaszczelina powietrzna-podstawa, którego zastosowanie dało wyniki możliwe do wykorzystania w dalszych badaniach nad podporą aerostatyczną.

LITERATURA 1. Hinds W. E. and Nocito B. (1974), Theory and Application of Step Motors, rozdział. 15: The Sawyer Linear Motor, p. 327– 340. St. Paul,West Publishing Co. 2. Sawyer B. A. (1968), US Patent nr. 3 376 578. 3. Huścio T. (2011), Modelowanie płaskich aerostatycznych podpór współrzędnościowych z napędem elektromagnetycznym, Pneumatyka nr 1. 4. Huścio T. (2010): Modelowanie płaskich podpór pneumatycznych z napędem elektromagnetycznym. Rozprawa doktorska. 5. www.ruchservomotor.com.

EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS OF THE PLANAR AEROSTATIC TWO - COORDINATE RELATIVE BASE WITH ELECTROMAGNETIC DRIVE Abstract: The paper presents the laboratory stand for carrying out the experimental investigations of the planar aerostatic two-coordinate relative base with electromagnetic drive. Experimental investigations enabled the determination of the value of the air-gap depending on the payload of the relative base. This allowed me to determine the range of work, the stiffness, the working point and the load of the planar aerostatic two-coordinate relative base.

W artykule przedstawiono stanowisko do przeprowadzenia badań doświadczalnych płaskiej podpory aerostatycznej z napędem elektromagnetycznym. Badania doświadczalne umożliwiły określenie zmiany wysokości szczeliny powietrznej w zależności od obciążenia podpory aerostatycznej. Otrzymana charakterystyka Pr = f(h) umożliwiła wyznaczyć początkowy punkt pracy, zakres pracy, sztywność oraz dopuszczalne obciążenie robocze podpory, czyli jej nośność.

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Ewolucja techniki zaworowej Stefan DWORZAK*

Stefan_Dworzak@festo.com

* Festo Sp. z o.o., Janki k/Warszawy, ul. Mszczonowska 7, 05-090 Raszyn Streszczenie: W układach pneumatycznych jednym z kluczowych elementów zapewniających właściwe ich działanie są zawory rozdzielające. Pierwsze zawory w przemyśle znalazły zastosowanie w połowie lat 50-tych poprzedniego stulecia. W niniejszym artykule na przykładzie produktów firmy FESTO została przedstawiona ewolucja zarówno pneumatycznych zaworów rozdzielających sterowanych elektrycznie jak i wysp zaworowych. Zmiany zachodzą zarówno w dziedzinie technologii wykonania, materiałów czy uzyskania coraz lepszych parametrów technicznych, jak też w kierunku optymalizacji, elastyczności zastosowań czy uproszczenia aplikacji i eksploatacji. Proces ten trwa nadal.

1. WPROWADZENIE Od lat wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba przemieszczenia sprężonego powietrza niezbędne jest zastosowanie odpowiednich zaworów do ukierunkowania tego przepływu. Historycznie pierwsze zostały zastosowane zawory zwrotne zapewniające przepływ sprężonego powietrza w określonym kierunku. Takie zawory spotykamy w różnego rodzaju miechach [Rys. 1] wykorzystywanych w hutnictwie, kowalstwie i instrumentach muzycznych już od przełomu XII/XIII wieku.

Zawory rozdzielające (sterujące kierunkiem przepływu) wpływają na drogę przepływu powietrza, mianowicie otwierają, zamykają lub zmieniają jego kierunek [Rys. 2]. Zawory te charakteryzuje się przez: • liczbę przyłączy (dróg): 2-drogowe, 3-drogowe, 4-drogowe, 5-drogowe, itd. • liczbę położeń:2 położenia, 3 położenia, itd. • sposoby sterowania zaworów: - sterowanie siłą mięśni, - sterowanie mechaniczne, - sterowanie pneumatyczne, - sterowanie elektryczne. • sposoby sterowania powrotem: powrót sprężyną, ciśnieniem, itd. • sterowanie zaworów 2-położeniowych może być monostabilne - popularnie nazywane jako jednocewkowe oraz bistabilne popularnie zwane jako dwucewkowe (dla sytuacji sterowania elektrycznego) • dla zaworów 5-drogowych 3-położeniowych w położeniu środkowym możemy mieć trzy rodzaje połączeń: • zamknięte G (oznaczenia wg Festo), • zasilone B (oznaczenia wg Festo), • odpowietrzone E (oznaczenia wg Festo).

Rys. 1. Zawór zwrotny w miechu ręcznym

Pneumatyka to techniczne zastosowanie powietrza pod ciśnieniem, przy czym przeważnie wykorzystuje się nadciśnienie, niekiedy także podciśnienie. Pneumatyczne układy sterowania składają się z 3 części: przygotowującej powietrze, sterującej oraz części wykonawczej [1].

2. PRZYPOMNIENIE WYBRANYCH RODZAJÓW ZAWORÓW ROZDZIELJĄCYCH

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Rys. 2. Wybrane przykładowe oznaczenia zaworów rozdzielających

3. PRZEGLĄD HISTORYCZNY [oznaczenia wg Festo]

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rok 1956

Rok 1966

Rys. 4. Blok zaworowy na płycie przyłączeniowej

4. ZAWÓR, BLOK I WYSPA ZAWOROWA Na początku w pneumatyce stosowano indywidualne zawory, z czasem zaczęto integrować zawory i powstały bloki zaworowe oraz wyspy zaworowe. Co odróżnia blok zaworowy od wyspy zaworowej? Blok zaworowy charakteryzuje się zintegrowaniem zasilania pneumatycznego (zawory są montowane na wspólnej listwie zasilania pneumatycznego na tzw. szynie zasilającej [Rys. 3]) lub zintegrowaniem zarówno zasilania pneumatycznego jak i tzw. kanały wydechowe (tutaj zawory są montowane na płycie przyłączeniowej [Rys. 4]). Spotyka się też bloki zaworowe z wyjściami pneumatycznymi umieszczonymi w płycie przyłączeniowej [Rys. 5]. Zawory montowane w bloki zaworowe zawsze posiadają indywidualne zasilanie elektrycznych cewek sterujących.

Rys. 5. Blok zaworowy na płycie przyłączeniowej z wyjściami pneumatycznymi umieszczonymi w tej płycie

Wyspa zaworowa [Rys. 6]w stosunku do boku zaworowego posiada zintegrowane zasilanie elektryczne cewek sterujących zaworami oraz może posiadać rozbudowane zarówno elementy komunikacyjno-diagnostyczne jak też elementy części pneumatycznej (np. strefy ciśnienia, separacje zaworów, etc)

Rys. 6. Przykłady wysp zaworowych

5. ZAWORY Ewolucja zaworów rozdzielających odbywa się w kilku płaszczyznach.

Rys. 3. Blok zaworowy na listwie zasilającej

Pierwsze zawory rozdzielające ze sterowaniem elektrycznym posiadały duże energochłonne cewki elektromagnetyczne, które bezpośrednio oddziaływały na przesuw suwaka zaworu i jego przesterowanie. Dla zaworów monostabilnych ruch powrotny

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

suwaka zaworu był wymuszany sprężyną mechaniczną. Pierwszym etapem rozwoju było zastosowanie zasady, aby cewka elektromagnetyczna uruchamiała miniaturowy wewnętrzny tzw. zawór pilotowy, który kierował powietrze w taki sposób, aby wykorzystując jego energię spowodować ruch suwaka zaworu [Rys. 7]. Jego ruch powrotny był wymuszany albo poprzez sprężynę mechaniczna lub tzw. sprężynę pneumatyczną. To rozwiązanie spowodowało znaczący spadek mocy cewek elektromagnetycznych. Rys. 9. Zawory VUVB z polimeru konstrukcyjnego

Nadal jednak wykorzystuje się wzmocnione aluminium, coraz częściej pokrywane warstwą polimeru m.in. w celu ochrony przed zjawiskiem utleniania się aluminium oraz z wykorzystaniem elementów z polimeru konstrukcyjnego m.in. dla zaworów pilotowych. Przykład takiego współczesnego zaworu rozdzielającego przedstawiono na Rys.10.

Rys. 7. Zawór pilotowy

Następne działania były związane z ewolucją technik wytwarzania zaworów. W sposób obrazowy można to przedstawić następująco: • pierwotnie zawór był wykonywany z „kostki metalu”, w której w sposób mechaniczny były wykonywane otwory i kanały , którymi przepływa sprężone powietrze, • dążąc do zwiększenia koncentracji energii w objętości zaworu, zastosowano zasadę , że „w kostce powietrza” wykonano „ścianki” tam, gdzie sprężone powietrze nie powinno przepływać. Uzyskano znaczące zwiększenie przepływu sprężonego powietrza w danej objętości, czyli zwiększono tzw. koncentrację energii.

Rys. 10. Zawór typu VUVG

Zmiany zachodzą także w obrębie elektromagnetycznego sterowania zaworów tzw. cewek. Zastosowanie elektronicznych układów sterowania pozwoliło na stworzenie zaworów [Rys. 11] o działaniu bezpośrednim, pracujących z bardzo duża szybkością dochodzącą obecnie do 2,8/2,3 ms (otwarcie/zamknięcie).

Ten kierunek rozwoju najlepiej widać na przykładzie porównania zaworów rozdzielających z różnych etapów ich rozwoju, co przedstawiono na Rys. 8.

Rys. 11. Szybki zawór typu MH2

Rys. 8. Przykład rozwoju zaworów

Należy także wspomnieć o znormalizowanych zaworach ISO [Rys. 12] oraz o zaworach pracujących w szczególnie trudnych warunkach np. w przemyśle spożywczym, gdzie zawory mogą być narażone na bardzo częsty kontakt z agresywnymi środkami myjącymi [Rys. 13].

Kolejna płaszczyzna ewolucji związana jest z rozwojem inżynierii materiałowej. Pierwsze zawory rozdzielające wykonywane były z żeliwa, mosiądzu, następnie stosowano aluminium obecnie coraz częściej spotykamy konstrukcyjne tworzywa polmimerowe [Rys. 9]. Rys. 12. Przykład zaworu ISO z okrągłym przyłączem elektrycznym

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Rys. 15. Pierwsza wyspa z wtykiem wielopinowym i zaworami serii TIGER

Rys. 13. Zawór typu CDS

Nowa dyrektywa unijna dotycząca bezpieczeństwa maszyn i urządzeń spowodowała powstanie tzw. zaworów do pras, gdzie aby zachować odpowiedni wysoki poziom bezpieczeństwa zawór musi posiadać dodatkowy układ bezpośredniego sygnalizowania położenia suwaka zaworu [Rys. 14]

Prace rozwojowe wysp przebiegały w kierunku integracji z elektronicznymi systemami magistral teleinformatycznych. Już od dwudziestu lat są oferowane wyspy zaworowe wyposażone w magistrale np. Profibus; Interbus. Cyfrowa rewolucja teleinformatyczna znalazła i znajduje swoje odzwierciedlenie w technologii wysp zaworowych tworząc coraz to bardziej wyrafinowane innowacyjne rozwiązania. W roku 1989 pojawia się pierwsza wyspa zaworowa wyposażona w możliwość komunikacji po magistrali Feldbus. Otrzymała ona oznaczenie Typ 01 [Rys. 16]

Rys. 14. zawór 5/2 typu VOFA z sygnalizacją położenia suwaka, redundantny tzw. do pras Rys. 16. Pierwsza wyspa Typ 01 z komunikacją po magistrali Feldbus

6. WYSPY ZAWOROWE Ewolucja wysp zaworowych przebiegała równolegle z zaworami, sukcesywnie korzystając ze zmian jakie zachodzą w technice samych zaworów.

Już w roku 1991 jest kolejna wyspa o oznaczeniu Tiger Typ 02 [Rys. 17], wyposażona w złącza do integracji sygnałów z obiektowych czujników położenia napędów pneumatycznych. Wyspa zyskuje kolejną nową jakość i funkcję.

Pierwsze wyspy zaworowe powstały w połowie lat 80-tych poprzedniego stulecia. Były to bloki zaworowe, wykorzystujące identyczną płytę przyłączeniową z dobudowaną magistralą integrującą połączenia elektryczne do cewek zaworów. Wtedy poprzez jedno elektryczne złącze wielopinowe uzyskiwano sterowanie tymi zaworami[ Rys.15]

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Dalsze prace rozwojowe idą w kierunku zwiększenia możliwości współpracy wyspy z obiektem poprzez integrację sygnałów elektrycznych oraz możliwość modułowej budowy wyspy z wykorzystaniem także znormalizowanych zaworów ISO. Pojawiają się wyspy modułowe Typ 03 oraz ISO Typ 04 [Rys. 18].

Rys. 19. Wyspa Compact Performace CPV

Wraz z wyspami Compact Performace CPV w roku 1996 pojawia się wyspa modułowa o oznaczeniu Typ 12 CPA [Rys. 20], w której zastosowano m.in. powierzchniowe tłumiki hałasu powietrza wylotowego zachowując możliwość integracji sygnałów obiektowych poprzez dołączane standaryzowane moduły integrujące.

Rys. 17. Wyspa Tiger Typ 02 z złączami do integracji sygnałów obiektowych

Rys. 20. Wyspa modułowa Typ 12 CPA i moduły integrujące

Rys. 18. Wyspa modułowa Typ 03 [zdjęcie górne] i ISO typ 04 [zdjęcie dolne]

Jest rok 1995 wraz z pojawieniem się nowych technologii wytwarzania pojawia się nowy typ wysp Compact Performance CPV z możliwością integracji sygnałów obiektowych poprzez dołączane moduły integrujące. Wyspa zyskuje zwiększone parametry przepływu sprężonego powietrza uzyskując jeszcze większą koncentrację energii przy równoczesnej minimalizacji swojej masy własnej. Wyspa ta w roku 1998 uzyskuje magistralę Feldbus [Rys. 19]

Rys. 21. Wyspa Clean Design

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Początek nowego XXI wieku i nowa jakość wysp zaworowych - rok 2000 i dedykowana do ekstremalnych warunków pracy wyspa Clean Design CDVI [Rys 21]. W kolejnych latach pojawiają się wyspy Smart Cubic Typ 80 CPV-SC i Typ 82 CPA-SC [Rys. 22] z zaworami miniaturowymi dedykowane m.in. do małych i szybkich układów manipulacyjnych.

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

W kolejnym 2005 roku pojawia się wyspa ISO Typ 44 VTSA[Rys.25] umożliwiająca równoczesne stosowanie kilku wielkości zaworów pneumatycznych. Równocześnie zapewniono nowe funkcje tych zaworów polegające m.in. na indywidualnym deklarowaniu ciśnień dla poszczególnych kanałów wyjściowych (co prowadzi do uzyskania oszczędności w zużyciu sprężonego powietrza oraz zwiększa żywotność elementów wykonawczych) oraz możliwość ich wymiany na tzw. ruchu (przy zastosowaniu specjalnej podstawki pod zaworem). Rys. 22. Wyspa Smart Cubic Typ 80 CPV-SC/ Typ 82 CPA-SC

Dalsza integracja prowadzi do powstania w roku 2002 modułowego terminala CPX/MPA [Rys. 23]. Można teraz dowolnie kształtować konfigurację wyspy zaworowej zarówno po stronie pneumatycznej, jak i elektrycznej. Uzyskano nową jakość wyspy, którą można dowolnie kształtować i przez to dedykować do określonych aplikacji. Prowadzi to do ułatwień aplikacyjnych, minimalizacji kosztów instalacji i uruchomienia oraz upraszcza czynności serwisowo – eksploatacyjne wykorzystując elektroniczny system diagnostyczny tej wyspy.

Rys. 25. Przykład wyspy ISO Typ 44 VTSA

Wraz z pojawieniem się zaworów wykonanych z polimeru konstrukcyjnego w roku 2006 pojawia się wyspa polimerowa VB [Rys 26].

Rys.23 Terminal modułowy CPX/MPA

Nowa jakość techniczna wysp zaworowych pozwala na tworzenie od 2004 roku zdecentralizowanego systemu CPI. Takie podejście umożliwia budowanie kompleksowych układów i systemów zintegrowanego sterowania rozproszonego. Przykładowynukład jest pokazany na Rys. 24.

Rys. 26. Wyspa z polimerów VB

W następnym roku 2007 Festo, głównie aby sprostać wymaganiom przemysłu motoryzacyjnego, wprowadza na rynek nowy wzmocniony mechaniczne terminal elektryczny CPX Metal [Rys. 27].

Rys. 24. Przykład sytemu zdecentralizowanego CPI

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Poprzez zastosowanie zaworów o dwóch wielkościach MPA1 (szerokość 10 mm) i MPA2 (szerokość 20 mm) uzyskano wielkości przepływu odpowiednio 360l/min i do 900 l/min. Istnieje możliwość zastosowania także tzw. zaworów rewersyjnych. W części elektronicznej są dostępne moduły wejść/wyjść zarówno cyfrowych jak i analogowych. Jest też możliwość podłączenia kompaktowych systemów wizyjnych. Wyspy zaworowe MPA [Rys. 30] obecnie są oferowane w trzech wariantach: • MPA-S (kompaktowość i komunikacja), • MPA-F (optymalizacja przepływu zwiększenie wydajności o 40%), • MPA-L (rozbudowana modułowość).

Rys. 27. Terminal modułowy CPX/MPA Metal

Rozwój nowoczesnych technik teleinformatycznych pozwolił na budowanie przy wykorzystaniu wysp zaworowych i terminali modułowych wielopoziomowych systemów sterowania rozproszonego opierających się np. na magistralach komunikacyjnych Profibus; Ethernet; …. [Rys. 28].

Rys. 28. Przykład systemu rozproszonego wysp CPX na magistralch Feldbus, Ethernet i Internet

W ciągu ostatnich dwóch lat następuje dalszy rozwój wysp zaworowych MPA. Wyspy te umożliwiają sterowanie maks. 128 cewkami, co pozwala na zabudowę do 64 pozycji zaworowych. Posiadają pełną diagnostykę, możliwość tworzenia zarówno stref ciśnienia, jak i stref elektrycznych. Pozwalają na zabudowę proporcjonalnych zaworów ciśnienia [Rys. 29], jak i zintegrowanych czujników ciśnienia.

Rys. 30. Wyspy MPA-S; MPA-F i MPA-L

5. PODSUMOWANIE Od blisko 60 lat są powszechnie stosowane w sterowaniu układami pneumatycznymi zarówno elektrycznie zawory rozdzielające jak i wyspy zaworowe. W tym czasie nastąpił ich dynamiczny rozwój zarówno w kierunku poprawy ich walorów eksploatacyjnych, jak i ułatwienia ich aplikacji. Wykorzystanie nowych technik teleinformatycznych przyczyniło się do zmiany podejścia do struktur sterowania systemami, procesami i urządzeniami technologicznymi. Pojawiła się nowa jakość zarówno w projektowaniu linii, maszyn i urządzeń, jak i podczas ich eksploatacji czy modernizacji. Ten proces ewolucyjnego rozwoju trwa nadal powodując powstawanie nowych rozwiązań technicznych oczekiwanych zarówno przez użytkowników, jak i projektantów.

EVOLUTION OF THE VALVE TECHNOLOGY Abstract: In the pneumatic systems, one of the key elements to ensure their proper operation are directional valves. The first industrial valves were used in the mid 50s of the last century. As an example of Festo components this article presents the evolution of both the pneumatic solenoid valves and valve terminals. Changes occur in not only the manufacturing technology, materials, better per-formance but also in the direction of optimization, increasing the flexibility and application and operation simplicity. This process continues

Literatura: [1]Wikipedia(pl); http://pl.wikipedia.org/wiki/Pneumatyka

Rys. 29. Wyspa zaworowa MPA z proporcjonalnym zaworem ciśnienia

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

NAPĘDY I STEROWANIA PNEUMATYCZNE

Zapraszamy do udziału w kolejnej edycji!

6. Międzynarodowe Targi Obrabiarek, Narzędzi i Technologii Obróbki th

1 – 3 października 2013

TOOLEX

tereny targowe: Expo Silesia Sp. z o.o Centrum Targowo-Konferencyjne ul. Braci Mieroszewskich 124 41-219 Sosnowiec

Sosnowi c

kontakt: Agnieszka Cieślik tel. 32 78 87 539 , fax 32 78 87 522 kom. 510 031 475 e-mail: agnieszka.cieslik@exposilesia.pl

ZaprasZamy TakżE na Targi: 13 – 15 LisTOpada 2013 hydraulika – robotyka – pneumatyka – automatyka – oleje przemysłowe – tworzywa sztuczne Sprawdź szczegóły: hapexpo.pl robotshow.pl, oilexpo.pl, rubplast.pl

Branża spotyka się w Sosnowcu!

www.toolex.pl

PNEUMATYKA | 4 (85) 2012 | magazyn.pneumatyka.com

Ugruntowana pozycja portalu daje Państwu możliwość dotarcia za jego pośrednictwem do osób mających wpływ na proces zakupów produktów z rynku pneumatyki, sterowania i oprzyrządowania.

Katalog ﬁrm Nie czekaj! - wejdź na stronę pneumatyka.com i zapisz swoją ﬁrmę do darmowego katalogu.

Nowości branżowe

Sprężone powietrze

Pneumatyka i sterowanie

Informacje o targach i szkoleniach

Archiwum kwartalnika Pneumatyka

SKONTAKTUJ SIĘ Z NAMI: redakcja@pneumatyka.com redakcja @pneumatyka.com reklama@pneumatyka.com reklama @pneumatyka.com