Pytanie: Jak zsynchronizować dwa cylindry pneumatyczne w systemie równoległego podnoszenia bez czujników elektronicznych?

Odpowiedź: Osiągnięcie idealnej synchronizacji między dwoma cylindrami pneumatycznymi w układzie podnoszenia równoległego bez zastosowania czujników elektronicznych wymaga zastąpienia prostych przewodów pneumatycznych sprzężeniem mechanicznym, hydraulicznymi regulatorami prędkości lub precyzyjnie zrównoważonymi obwodami pneumatycznymi. Ponieważ powietrze sprężone jest wysoce ściśliwe, dwa identyczne cylindry połączone z tym samym źródłem powietrza nigdy nie będą się wysuwać z dokładnie taką samą prędkością, nawet przy najmniejszej różnicy obciążenia, oporów tarcia lub długości przewodów. Cylinder o mniejszym obciążeniu lub niższym oporze tarcia zawsze wysunie się jako pierwszy. Aby rozwiązać ten problem, inżynierowie projektujący rozwiązania B2B muszą zastosować sztywne sprzężenie mechaniczne (np. wał skrętny lub ramę prowadzącą), wykorzystać jednostki sterujące prędkością hydro-pneumatyczną w układzie zamkniętym lub zbudować symetryczne obwody przewodów pneumatycznych z kompensacją przepływu.

Wprowadzenie: Klasyczny dylemat podnoszenia za pomocą dwóch cylindrów

W projektowaniu maszyn przemysłowych podnoszenie lub przesuwanie szerokiego, ciężkiego ładunku często wymaga siły dwóch równoległych cylindrów pneumatycznych. Na przykład w zautomatyzowanym transportowaniu materiałów platforma podnośnikowa z dwoma cylindrami może podnosić ciężkie skrzynie drewniane lub blachy metalowe. Jeśli cylindry nie wysuwają się z dokładnie taką samą prędkością, platforma się przechyla. Takie przechylenie powoduje, że ładunek zjeżdża z platformy, blokuje prowadnice ślizgowe oraz wyginające się tłoczyska cylindrów.

Chociaż rozwiązania elektroniczne, takie jak zawory proporcjonalne, enkodery liniowego przemieszczenia oraz sterowniki PLC z pętlą sprzężenia zwrotnego są bardzo skuteczne, to są również drogie, trudne w programowaniu oraz podatne na zakłócenia elektryczne, wysoką wilgotność lub atmosfery wybuchowe. W wielu zastosowaniach B2B poszukiwanie niezawodnego i opłacalnego sposobu synchronizacji siłowników bez użycia elementów elektronicznych jest bardzo pożądane. AIRWORK, producent przemysłowych urządzeń pneumatycznych najwyższej klasy, oferuje kilka rozwiązań mechanicznych i płynowych umożliwiających stabilną, bezczujnikową synchronizację.

Dlaczego siłowniki pneumatyczne naturalnie tracą synchronizację

Aby opracować rozwiązanie, musimy najpierw zrozumieć, dlaczego siłowniki połączone równolegle walec pneumatyczny naturalnie poruszają się z różną prędkością:

• Ścieżka najmniejszego oporu: Sprężone powietrze jest cieczą. Gdy powietrze wpływa do rozgałęzienia typu T, naturalnie przepływa do siłownika, który wymaga najmniejszego ciśnienia do uruchomienia. Siłownik o mniejszym tarcie lub nieco mniejszym obciążeniu otrzymuje większy przepływ powietrza i porusza się szybciej.
• Różnice w tarcie: Żadne dwa cylindry nie są identyczne. Wariacje w nacisku wstępnym uszczelek, rozkładzie smaru oraz tolerancjach tulei prowadzących oznaczają, że jeden z cylindrów zawsze będzie miał nieco wyższe tarcie startowe niż drugi.
• Siła grawitacji i obciążenia mimośrodowe: Jeśli ładunek nie jest umieszczony idealnie w środku platformy podnoszącej, jeden z cylindrów będzie przenosił większą część ciężaru niż drugi. Cylinder silniej obciążony będzie wymagał wyższego ciśnienia, aby rozpocząć ruch, co spowoduje, że cylinder słabszo obciążony wysunie się jako pierwszy.

Metoda 1: Sztywne sprzężenie mechaniczne (najprostsze i najbezpieczniejsze rozwiązanie)

Jeśli nie można używać czujników elektronicznych, najbardziej niezawodnym sposobem wymuszenia synchronizacji jest sztywne sprzężenie mechaniczne. Metoda ta nie stara się zrównoważyć ciśnienia powietrza, lecz fizycznie zmusza oba tłoczyska cylindrów do poruszania się jako jedna całość.

• System wału skrętnego (pręta skrętnego): Połącz wysokosztywny stalowy pręt skrętny z platformą podnoszącą. Na każdym końcu pręta skrętnego zamontuj koło zębate, które zazębia się z pionowym zębatym drążkiem zamocowanym w ramie maszyny. Gdy cylinder A próbuje przesunąć się naprzód względem cylindra B, siła skręcająca jest przenoszona przez pręt skrętny na cylinder B, zmuszając go do utrzymania synchroniczności. Dzięki temu całkowicie zapobiega się przechylaniu.
• Sztywne połączenie i prowadnice liniowe: Połącz dwa tłoczyska grubą, odporną na obciążenia belką lub płytą ze stali konstrukcyjnej. Zamontuj tę belkę na solidnych zewnętrznych prowadnicach liniowych z blokami łożysk kulkowych o cyrkulacji kulki. Prowadnice liniowe pochłaniają niewielkie siły przechylania, zapobiegając przenoszeniu obciążeń bocznych na tłoczyska cylindrów. Należy pamiętać, że element łączący musi być wysoce sztywny; cienka, giętka płyta po prostu się wygnie, co spowoduje zaklinowanie mechaniczne.

Metoda 2: Regulatory prędkości hydrauliczno-pneumatyczne w układzie zamkniętym

W przeciwieństwie do powietrza olej jest praktycznie nieściśliwy. Łącząc siłę pneumatyczną z hydrauliczną regulacją prędkości, można osiągnąć niezwykle precyzyjną, bezczujnikową synchronizację.

• Zasada działania: Zainstaluj dwustronny regulator prędkości hydraulicznej (nazywany również hydro-pneumatycznym urządzeniem kontrolnym lub jednostką sterującą prędkością) równolegle do każdego cylindra pneumatycznego. Cylindry hydrauliczne są napełnione olejem i połączone ze sobą w zamkniętym obwodzie. Gdy cylindry pneumatyczne wysuwają się, przesuwają tłoczki hydrauliczne.
• Wyrównanie prędkości: Ponieważ olej nie ulega ściśnięciu, prędkość ruchu cylindrów hydraulicznych zależy od przepływu oleju. Przepuszczając olej przez pojedynczy zawór regulacyjny z podwójnym przewężeniem lub łącząc ze sobą komory hydrauliczne, ciecz wymusza ruch obu tłoczków z dokładnie taką samą prędkością, niezależnie od drobnych różnic w ciśnieniu powietrza lub rozkładzie obciążenia.
• Seria Hydro-Check AIRWORK: AIRWORK produkuje zintegrowane cylindry pneumatyczno-hydrauliczne oraz zewnętrzne regulatory prędkości oleju zaprojektowane specjalnie w celu wyrównania ruchu pneumatycznego i zapewnienia stałej, zsynchronizowanej prędkości przy zmieniających się obciążeniach.

Metoda 3: Precyzyjnie zrównoważone obwody pneumatyczne

Jeśli połączenie mechaniczne lub systemy hydrauliczne nie są możliwe ze względu na ograniczenia związane z przestrzenią lub masą, można zoptymalizować obwód pneumatyczny w celu zminimalizowania błędów synchronizacji. Choć metoda ta nie zapewnia stuprocentowej dokładności, jest bardzo skuteczna przy umiarkowanych obciążeniach:

• Symetryczne prowadzenie przewodów (równe Rurki Długości: Spadek ciśnienia wewnątrz przewodu pneumatycznego rośnie wraz z jego długością. Jeśli podłączysz zawór sterujący do cylindra A przewodem o długości 1 metra, a do cylindra B przewodem o długości 2 metrów, cylinder A zawsze będzie reagował szybciej. Zawsze stosuj symetryczny kolektor lub łącznik typu T umieszczony dokładnie w połowie odległości między obydwoma cylindrami. Upewnij się, że długości przewodów, ich średnice oraz konfiguracje złączy prowadzące do obu cylindrów są identyczne – z dokładnością do milimetra.
• Podwójne zawory regulacyjne przepływu na wylocie: Nigdy nie próbuj kontrolować prędkości za pomocą pojedynczego zaworu regulacyjnego przepływu w głównym przewodzie zasilającym. Zamiast tego zainstaluj wysokiej precyzji, regulowany zawór regulacyjny przepływu bezpośrednio na wylocie każdego końca cylindra (skonfigurowany jako sterowanie przepływem na wylocie). Dostosuj każdy zawór osobno, aby wyrównać prędkości. Stabilne ciśnienie zwrotne na wylocie, generowane przez sterowanie przepływem na wylocie, wspomaga amortyzację i wyrównanie ruchów.
• Zawory pneumatyczne dzielące przepływ: Dla zastosowań specjalnych inżynierowie projektowi mogą stosować pneumatyczny zawór dzielący przepływ z kompensacją ciśnienia. Ten fizyczny zawór dzieli pojedynczy dopływ powietrza na dwa równe strumienie, automatycznie dostosowując swój wewnętrzny tłoczek, aby utrzymać równe natężenie przepływu na wyjściu, nawet w przypadku różnicy ciśnień obciążenia na dwóch liniach wyjściowych.

Wytyczne do doboru rozmiarów i projektowania dla producentów szaf sterowniczych B2B

Przy projektowaniu systemu podnoszenia równoległego inżynierowie B2B powinni przestrzegać następujących zasad doboru rozmiarów:

• Zbyt duże wymiary cylindrów: Zawsze dobierać cylindry tak, aby pracowały one przy 50–60 procentach swojej teoretycznej siły wyjściowej przy ciśnieniu roboczym systemu. Jeśli cylindry pracują w pobliżu swojej maksymalnej wydajności, najmniejsze fluktuacje ciśnienia spowodują zatrzymanie się jednego z nich, co prowadzi do poważnego braku współosiowości.
• Użyj kulistych przegubów drążkowych: Jeśli stosuje się połączenie mechaniczne, należy podłączyć drążki cylindrów do płyty podnośnej za pomocą kulistych oczek drążkowych. Pozwala to na niewielką grę kątową, zapobiegając zniszczycielskim obciążeniom bocznym łożysk drążków wynikającym z drobnych różnic w synchronizacji.

Podsumowanie: Osiągnij niezawodną automatyzację z AIRWORK

Synchronizacja równoległych cylindrów pneumatycznych bez czujników elektronicznych jest bardzo realna dzięki odpowiedniemu projektowaniu mechanicznemu, hydraulicznej regulacji prędkości lub precyzyjnie zrównoważonym układom przewodów. Standardowe stosowanie wysokiej klasy cylindrów AIRWORK oraz zastosowanie niezawodnych prowadnic mechanicznych lub regulatorów oleju umożliwiają producentom maszyn zapewnienie stabilnej wydajności podnoszenia przy jednoczesnym utrzymaniu niskich kosztów systemu.

Odwiedź stronę jzpnu.com, aby pobrać kompletne modele CAD, przeanalizować szczegółowe schematy obwodów oraz zamówić wysokiej klasy elementy pneumatyczne do swoich systemów podnoszenia równoległego już dziś.