Условное обозначение (а), общий вид (б), конструкция (в), размерные параметры (г) и диаграмма работы (д)

Происходит плавный рост давления' в полости 9, переходящий в скачкообраз­ный, когда суммарное давление на верхний и нижний поршни приводит к сжатию пружины 11, размещенной в крышке 1 из полистерола. Настройка распределителя осуществляется с помощью дросселя 4.

При необходимости осуществления быстрого опорожнения пневматической системы (быстрый выхлоп) в состав БПВ вводится распределитель плавного пуска с электромагнитным управлением (рисунок 2.21), отличающийся от предыдущей конструкции наличием электромагнита и дополнительного канала для подвода воздуха давлением р_х к открываемому им клапану (на рисунке 2.21, в не показан).

При отсутствии управляющего сигнала на электромагните 3 воздух давлени­ем р\ поступает в канал Р(1) и далее, через регулируемый дроссель 1 (рисунок 2.21, в), канал 2 и отверстие в двухпоршневом штоке 4, с замедленной скоростью проходит в канал А(2).

В случае необходимости уменьшения ранее настроенного времени задержки пуска исполнительного устройства технологического оборудования, запитыванием электромагнита 3 обеспечивается открытие управляемого им клапана, быстрое поступление воздуха давления р\ к верхнему поршню и перемещение штока 4, открывающего клапан 5.

При опорожнении системы электромагнит 3 остается запитанным, и воздух из канала А(2), минуя дроссель 2, проходит через открытый клапан 5 непосредствен­но в канал Р(1) (рисунок 2.21, а,в).

Рисунок 2.21 --Распределитель плавного пуска типа.MS4-DE-1/8 с электромагнитным

Управлением: условное обозначение (а), общий вид (б), конструкция (в), размерные параметры (г)

Приведенные рекомендации по выбору параметров ПС оказывают сущест­венное влияние на появление принципиально новых конструкторско-техноло-гических подходов для разработки и внедрения в промышленность принципиально новых пневматических приводов, основанных на тесной интеграции достижений в различных современных отраслях науки и техники.

2.3. Технико-экономические предпосылки создания промышленных механотронных систем на основе пневмоприводов

Наряду с ранее отмеченными преимуществами, штоковым пневмоприводам присущ целый ряд недостатков, устранение которых тесно увязано на теоретиче­ ском и практическом уровнях с важнейшими направлениями их развития, а имен­ но, с улучшением динамики и оптимизации структуры под заданные параметры функционирования, какими являются быстродействие, точность позиционирова­ ния, надежность, помехозащищенность, компактность, встраиваемость, экологич- ность, стоимость. *

К числу основных недостатков типовых штоковых пневмоприводов, описан­ных в главе 3, можно отнести следующие:

1. удвоение габаритов пневмоцилиндра с полностью выдвинутым штоком, что требует увеличения размеров зоны его размещения и негативно отражается на габаритах технологического оборудования в составе которого он применяется;

2. отличающиеся по величине развиваемые усилия на штоке при прямом и обратном ходах по причине разности площадей рабочих поверхностей поршня со стороны штоковой и бесштоковой полостей, запитываемых сжатым воздухом с одинаковым давлением;

3) необходимость размещения датчиков управления циклом работы пневмо­привода на рабочих органах технологического оборудования, что негативно отра­жается на точности отработки заданных параметров технологического процесса, вызывает увеличение протяженности пневматических и электрических коммута­ционных элементов, снижает быстродействие, увеличивает расход воздуха и ком­мутационных элементов (трубопроводов, шлангов, фитингов, электропроводов, разъемов), а также габаритные размеры, усложняет обслуживание и встраивае­мость привода в технологическое оборудование;

4) потери давления и большой расход сжатого воздуха из-за наличия полос­тей цилиндров для демпфирования, значительной протяженности соединительных трубопроводов и, как следствие, ухудшение динамических характеристик привода и стоимостных показателей;

5. снижение надежности из-за большого числа соединений (стыков) пневмоэлементов и пневмоаппаратов, повышающих вероятность возникновения утечеквоздуха и уменьшения давления;

6. малая жесткость штока в радиальном направлении из-за гарантированныхзазоров в его направляющей скольжения, возрастающих вследствие ее износа, что вызывает необходимость либо увеличения ее длины, либо применения направ­ляющих качения, следствием чего является увеличение габаритов и массы пневмоцилиндра;

7. ограниченные осевые нагрузки на выдвинутый шток из-за опасности поте­ри устойчивости и недопустимость поперечных (радиальных) нагрузок из-за опас­ности деформирования и заклинивания;

8. возможность проворота штока с поршнем вокруг оси, что не обеспечивает требуемого пространственного (углового) расположения закрепляемых на его конце элементов технологической системы (захватов, инструмента и др.) и требует применения специальных конструктивных элементов и решений (направляющих, изменения формы штока и поршня), вызывающих дополнительные затраты при изготовлении и сборке и снижающих надежность.

Устранение указанных недостатков, направленное на улучшение технико-экономических характеристик пневматических штоковых приводов, непосредст­венно послужило выработке концепции объединения силовых исполнительных элементов с сенсорными элементами и элементами управления подачей (распреде­лением) рабочего тела (сжатого воздуха) в единую комбинированную систему, обладающую характерными признаками, свойственными механотронной системе.

Это хорошо прослеживается на примере совершенствования типового штоко-вого пневмопривода с управлением по положению, осуществленного фирмой «Festo» (Германия) [33].

На первом этапе появление магнитоуправляемых малогабаритных датчиков на основе герметичных контактов (герконов) (рисунок 2.22,а), характеризующихся высокой надежностью, большим сроком службы, простотой обслуживания, мон­тажа и дешевизной, позволило отказаться от традиционного размещения путевых

Рисунок 2.22 — Магнитоуправляемые электроконтактные датчики

1 - крепежный винт; 2 - корпус; 3 - светодиод; 4 - геркон; 5 - электрический разъем

электрических выключателей (датчиков) на рабочих органах технологическог оборудования, приводимых в движение штоком пневмоцилиндра. Для этого в поршень был встроен кольцевой постоянный магнит (рисунок 2.23). Создаваемы им магнитный поток Ф, проходя через тонкие стенки гильзы, например, круглого цилиндра, замыкает контакты герконов, установленных на ней снаружи с помощью хомутов или монтажных планок, осуществляя таким образом управление переключением распре­делителей сжатого воздуха (рисунок 2.24.А).

Для закрепления герконов или других магнитоуправляемых датчи­ков на стандартных цилиндрах по ISO 6431 используются шпильки, стягивающие между собой крышки цилиндра (рисунок 2.24, Б).

Эти конструкторские решения позволили сделать привод более компактным, уменьшить длину коммуникаций (электрических), избавиться от необходимости пре­дусматривать на технологическом оборудовании специальные зоны и элементы для размещения и закреп­ления путевых датчиков.

Развитие технологии получе­ния цельнотянутых алюминиевых

профилей (закрытых и открытых) с практически любой нужной формой (профи­лем) поперечного сечения, позволило исключить стяжные шпильки из состава элементов пневмоцилиндра, а для закрепления датчиков использовать продольные рёбра жесткости (рисунок 2.24, В).

Уменьшение количества конструктивных элементов в составе цилиндра уп­ростило его изготовление и сборку, а увеличение площади торцовых поверхностей гильзы позволило осуществлять более жёсткое и надежное соединение с ней кры­шек с использованием стальных крепежных элементов значительно меньшего раз­мера, что способствовало уменьшению массы цилиндра.

Дальнейшая миниатюризация датчиков положения, например, электрокон­тактных (герконов) (рисунок 2.22,6) позволила отказаться от использования спе­циальных хомутов и прижимов для их закрепления на гильзе, круглое поперечное сечение которой было заменено на квадратное или прямоугольное (рисунок 2.24, Г) с продольными профильными канавками на боковых поверхностях для датчи­ков.

Рисунок 2.23 — Схема взаимодействия магнитного поля кольцевого магнита с электроконтактным датчиком

1 - поршень цилиндра; 2 - кольцевой магнит;

3 - геркон; 4 - гильза цилиндра

Устранение неравенства рабочих площадей поршня со стороны бесштоковой и штоковой полостей, свойственное большинству конструкций штоковых пневмо­цилиндров как одностороннего, так и двустороннего действия, не позволяющее получить одинаковые усилия на штоке при прямом и обратном ходах, обеспечива­ется с помощью двустороннего штока (рисунок 2.24, Д). Упрощаются динамиче­ские расчеты, расширяются возможности создания на базе таких пневмоцилиндров ""следящих приводов, что в первую очередь связано с размещением датчиков обрат­ной связи. В данном случае используется свободный конец двустороннего штока.

Однако такое конструктивное решение усложняет процесс изготовления и сборки цилиндра за счет увеличения числа подвижных соединений (две направ­ляющие штока вместо одной), увеличивает его осевые габариты и приводит к по­вышению вероятности роста утечки сжатого воздуха через штоковые уплотнения.

Для повышения радиальной жесткости штока и улучшения динамики цилин­дра, его направляющая скольжения заменяется направляющей качения (рисунок 2.24, Е). Однако такое решение вызывает увеличение весогабаритных и стоимост­ных показателей цилиндра, усложняет сборку.

Наличие на цилиндре плоских поверхностей с продольными профильными (Т-образными) канавками, дало возможность осуществлять установку на нем нетолько датчиков положения поршня со штоком, но и распределителей (рисунок 2.24, Ж), что позволило значительно сократить длину соединительных шлангов, а следовательно уменьшить объемный расход воздуха, повысить быстродействие и улучшить встраиваемость провода в технологическое оборудование. Для этого были разработаны распределители, характеризующиеся малыми габаритными размерами, но имеющие стандартные проходные сечения (условный проход), обеспечивающие нормальную работу цилиндра [32,35].

Устранение проворота штока вокруг своей оси, затрудняющего использова­ние стандартных штоковых пневмоцилиндров, например, в качестве звена руки манипулятора с захватным устройством (схватом) на конце штока, круглый пор­шень заменяется овальным или прямоугольным (рисунок 2.24, 3). Соответствую­щая форма придается и внутренней поверхности цилиндра. Устранение проворота также может быть достигнуто заменой круглого сечения штока на квадратное се­чение.

Эти конструктивные решения усложняют технологический процесс изготов­ления цилиндров и отражаются на временных и материальных затратах. По этим причинам они не получили широкого применения.

Более рациональными оказались решения, направленные на устранение про­ворота штока с поршнем вокруг своей оси и способствующие снижению влияния на шток поперечных нагрузок, основанные на использовании либо одинарных (ри­сунок 2.24, И), либо двойных (рисунок 2.24, К) линейных направляющих, хотя при этом ухудшаются весогабаритные показатели привода, что в первую очередь нега­тивно отражается на его динамических характеристиках. Усложняется также встраиваемость привода в технологическое оборудование.

Все вышеописанные комбинации линейного штокового пневмодвигателя с дискретными датчиками положения свойственны дискретным штоковым пневмо­приводам с релейным управлением.

Оснащение цилиндров навесными или встроенными датчиками непрерывного действия дает возможность создать следящий (регулируемый) штоковый привод.

На рисунке 2.24, Л показан стандартный цилиндр типа DNCM, оснащенный навесной системой измерения величины перемещения штока на базе линейного потенциометра, ползушка которого механически связана со штоком. Кроме этого датчика, в двойных канавках на трех сторонах цилиндра могут размещаться либо дополнительные датчики положения дискретного действия, либо они могут ис­пользоваться для монтажа пневмораспределителей (рисунок 2.24, Ж).

Встроенным распределителем, дискретными датчиками положения поршня со штоком, диагностическим блоком со счетчиками двойных ходов и многопо­люсным электрическим разъемом характеризуется штоковый пневмоцилиндр типа DNCV (рисунок 2.24, М), характеризующийся сведением к минимуму протяжен­ности внутренних пневматических и электрических коммуникаций, связывающих входящие в его состав компоненты.

Несмотря на значительно^ улучшение в целом технико-экономических пока­зателей штоковых пневмоприводов, достигнутых с помощью приведенных выше конструкторско-технологических мероприятий, в стороне оставался вопрос уменьшения осевых габаритов привода при выдвинутом штоке, решение которого стало возможным при создании бесштоковых пневмоцилиндров с магнитной свя­зью (рисунок 2.24, Н).

Они обеспечивают большую экономию пространства для их размещения при больших ходах, передачу усилия через магнитное поле без механической связи, одинаковые усилия при прямом и обратном ходах и имеют герметичное исполне­ние цилиндрической полости для перемещения поршня, что устраняет утечки.

Рисунок 2.24 - Стадии конструктивной трансформации штоковых и бесштоковых пневмодвнгателей