Как добиться точного позиционирования с помощью пневматических цилиндров в автоматизации сборки

Основы пневматического позиционирования цилиндров в автоматизации сборки

Автоматизация сборки требует взыскательных стандартов повторяемости и точности положения. Пневматические цилиндры, ценимые за их скорость, экономическую эффективность и плотность мощности, часто упускаются из виду для точных задач в пользу электрических приводов сервоприводов. Однако достижения в технологии клапанов, обратной связи положения и конструкции системы позволяют пневматическим системам достигать впечатляющей точности позиционирования в сложных сборочных приложениях. В этом руководстве подробно описаны методы, компоненты и стратегии управления, необходимые для достижения точного позиционирования с пневматическими цилиндрами в современных производственных средах.

Пневматические цилиндры и их точные основы

Выбор правильного основания цилиндра является первым шагом к достижению точного движения.Внутренняя конструкция привода устанавливает верхний предел того, чего может достичь система управления.

Одноактный против двухактных цилиндров

Однодействующие цилиндры используют сжатый воздух для удлинения поршня и механическую пружину или внешнюю силу для его удержания. В то время как экономично для простых задач, таких как зажим, пружинная сила вводит переменные, которые снижают точность позиционирования и повторяемость. Цилиндры двойного действия используют давление воздуха по обе стороны поршня, позволяя управлять движением в обоих направлениях. Эта способность двунаправленной силы обеспечивает больший контроль над ускорением, замедлением и конечным положением. Для любой задачи сборки, требующей позиционирования среднего хода или согласованных точек остановки, цилиндры двойного действия являются стандартным выбором.

Бескапотные и управляемые цилиндры

Бескапотные цилиндры устраняют внешний поршневой стержень, используя механическую или магнитную связь для передачи силы в карету. Эта конструкция уменьшает общую длину, необходимую для данного хода, и минимизирует моменты изгиба. Направляемые цилиндры интегрируют линейные направляющие рельсы или слайдовые втулки непосредственно в корпус цилиндра. Эта интегрированная система наведения по своей сути сопротивляется вращению и внеосевой нагрузке, обеспечивая повторяемый путь движения без необходимости использования внешних направляющих компонентов. Для применений с ограниченным пространством или там, где внешние точные направляющие непрактичны, управляемые безродные цилиндры обеспечивают компактное решение для точного линейного позиционирования.

Компактные и короткоинсультные актуаторы

Задачи сборки часто требуют коротких, быстрых движений с высокой повторяемостью Компактные цилиндры и короткотактные приводы разработаны специально для этих применений Их небольшой диаметр и уменьшенная длина хода минимизируют расход воздуха и позволяют быстро ездить на велосипеде Короткие поршневые ходы уменьшают влияние износа уплотнения и сжимаемости воздуха на окончательное позиционирование, делая эти приводы по своей сути более повторяемыми, чем их длиннотактные аналоги для конкретных операций размещения.

Механическая система для многократного позиционирования

Механическая структура, поддерживающая пневматический цилиндр, напрямую влияет на точность позиционирования. Жесткая, правильно управляемая система минимизирует нежелательные отклонения, которые ухудшают повторяемость.

Строительная конструкция цилиндров и выбор печати

Качество цилиндровой стволы, поршня и уплотнений оказывает непосредственное влияние на плавность движения. Гладкий, твердоанодифицированный алюминиевый или отточенный ствол из нержавеющей стали уменьшает трение. Выбор уплотнений имеет решающее значение для точного применения. Стандартные уплотнения из полиуретана обеспечивают хороший срок службы, но генерируют более высокое трение. Альтернативы с низким трением, такие как композиционные уплотнения PTFE (Teflon) или уплотнения TPE-U, уменьшают статическое трение, позволяя поршню более последовательно реагировать на небольшие изменения давления. Это снижение поведения скольжения имеет важное значение для достижения повторяемого положения на среднем ходу и плавного движения на низких скоростях. Подшипник стержня и уплотнение стеклоочистителя также должны быть выбраны для минимизации сопротивления при предотвращении проникновения загрязнения.

Системы управления и управления грузом

Пневматический цилиндр — силовое устройство, а не точное структурное направляющее.Применение изгибающих моментов или боковых нагрузок непосредственно к поршневому стержню увеличивает трение, ускоряет износ уплотнения и вводит неповторяемые погрешности положения. Для точного позиционирования внешние линейные направляющие, такие как шаровые рельсовые системы или закаленные стальные валы с линейными шаровыми втулками, должны обрабатывать нагрузку. Направляемые цилиндры объединяют эти элементы в единый блок. Цель любой системы наведения — изолировать поршневой стержень от поперечных сил и крутящего момента, позволяя цилиндру преобразовывать давление воздуха в чистое, повторяемое линейное движение. Направления правильного размера также ослабляют вибрацию при замедлении, улучшая стабильность конечного положения.

Поглощение и шоковая абсорбция

Контроль удара в конце хода необходим для защиты как заготовки, так и системы позиционирования. Стандартные регулируемые подушки используют компоновку копья и печати для улавливания объема воздуха, создавая пневматическую пружину. В то время как эффективные для общего использования, эти подушки предлагают ограниченный контроль профилей замедления. Для высокоскоростной или высокоточной сборки внешние гидравлические амортизаторы обеспечивают последовательное, регулируемое замедление, независимое от давления и температуры воздуха. Саморегулируемые подушки, которые автоматически адаптируются к изменяющимся условиям нагрузки и скорости, доступны от таких производителей, как Festo и SMC. Современные технологии амортизации значительно улучшают повторяемость позиционирования , последовательно снижая кинетическую энергию на каждом цикле.

Управление мощностью жидкости: клапаны, подготовка воздуха и схемы

Точное управление движением требует точного управления сжатым воздухом.Технология клапана и система подготовки воздуха так же важны, как и сам цилиндр.

Точные клапаны: пропорциональный и серво-пневматический контроль

Стандартные соленоидные клапаны обеспечивают простое управление в/в выключенном состоянии. Хотя они эффективны для сквозного движения, они не могут плавно управлять промежуточными положениями. Для среднего хода и контролируемого замедления требуются пропорциональные клапаны управления потоком или серво-пневматические клапаны. Пропорциональные клапаны регулируют область отверстия на основе аналогового управляющего сигнала, позволяя контроллеру непрерывно регулировать поток воздуха. Серво-пневматические клапаны сочетают точный контроль давления с быстрым временем отклика, позволяя системам позиционирования с замкнутым контуром с точностью, приближающейся к электрическим сервоприводам. Выбор между пропорциональными и сервоприводами зависит от требуемой скорости, точности и бюджета. Серво-пневматические системы Festo обеспечивают отличную производительность позиционирования в среднем ходе для сложных задач сборки, таких как прессовка и обработка деталей.

Качество воздуха и регулирование давления

Загрязнители в подаче сжатого воздуха, в том числе вода, масло и твердые частицы, вредны для точности. Вода вызывает коррозию в стволе цилиндра, увеличение трения и повреждение уплотнений. Твердое вещество может забивать небольшие отверстия в пропорциональных клапанах, вызывая неустойчивое поведение. Для прецизионных применений смазочный аппарат следует использовать осторожно или опустить, так как изменения вязкости смазки влияют на трение. Электронные регуляторы пропорционального давления позволяют системе управления динамически регулировать давление подачи в цилиндр на основе требований нагрузки, оптимизируя выходную силу и повышая энергоэффективность. Поддержание стабильного, регулируемого давления воздуха в пределах плотных допусков является необходимым условием для повторяемого позиционирования.

Дизайн схемы для контроля скорости и силы

Конфигурация пневматической схемы влияет на поведение цилиндра. Контроль скорости выключения, который ограничивает поток выхлопного воздуха, является стандартным для управления скоростями вытяжения и убирания, где нагрузки постоянны. Контроль за счетмера ограничивает воздух подачи, который используется для приложений, где нагрузка тянет цилиндр (перезапускающиеся нагрузки). Дифференциальные схемы, которые подают воздух на обе стороны поршня при истощении одной стороны, могут увеличить эффективную скорость для быстрого движения поперечного хода. Для точной сборки схема должна быть разработана для отделения контроля скорости от генерации силы, часто требуя отдельных регуляторов давления для каждого порта. Тщательный выбор диаметра трубки, типа фитинга и конструкции коллектора минимизирует падение давления и улучшает отзывчивость системы.

Расширенные стратегии контроля позиционирования

Современные контроллеры и датчики позволяют использовать сложные стратегии управления, которые превращают пневматические цилиндры из простых приводов остановки / запуска в устройства точного позиционирования.

Позиционирование на сервоинсульте с помощью серво-пневматики

Достижение стабильного положения в середине хода с пневматикой требует преодоления сжимаемости воздуха. Серво-пневматические системы замкнутого цикла непрерывно контролируют положение цилиндра и регулируют открытие клапана для поддержания желаемой заданной точки. Контроллер сравнивает фактическое положение с целевым положением и соответствующим образом регулирует давление в обеих камерах цилиндров. Это требует быстрого цикла управления, обычно работающего на 1 кГц или выше, и отзывчивого пропорционального клапана. В то время как серво-пневматические системы не могут соответствовать статичной жесткости электрических сервоприводов, цилиндры обратной связи положения SMC демонстрируют, что точность +/- 0,1 мм или лучше достижима для многих динамических приложений сборки. Запирающие блоки обеспечивают механический тормоз для удержания положения после того, как пневматическая система разместила нагрузку, повышая безопасность и энергоэффективность.

Системы обратной связи с замкнутым контуром: сенсорная технология

Выбор датчика положения определяет точность и надежность системы обратной связи. Магнитостриктивные датчики обеспечивают высочайшую точность и повторяемость для пневматических цилиндров. Неконтактная технология означает отсутствие износа, а выходная (аналоговая или SSI) обеспечивает абсолютное положение с разрешениями до 1 микрона. Линейные потенциометры обеспечивают непрерывный аналоговый выход напряжения, пропорциональный ходу. Они экономически эффективны, но полагаются на контакт между стеклоочистителем и резистивным элементом, что приводит к износу с течением времени. Датчики Холл-эффекта Датчики заднего хода или конкретных промежуточных позиций, но они не могут обеспечить непрерывную аналоговую обратную связь. Лазерные датчики триангуляции могут использоваться внешне для измерения абсолютного положения грузов