Кушнир А.П. Методические указания по пневмоприводу. Часть 1 - файл n1.doc

приобрести
Кушнир А.П. Методические указания по пневмоприводу. Часть 1
скачать (2922.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc2923kb.11.06.2012 06:26скачать

n1.doc

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра «Мехатроника производственных систем»



Методическое пособие

"Пневматические приводы технологического оборудования"



по курсам

«Электромеханические, гидравлические

и мехатронные системы», «Проектирование систем управления»



Автор: доцент кафедры ИС-4, к.т.н. А.П.Кушнир

Москва 2006

УДК 681.326




Кушнир А.П. "Пневматические приводы технологического оборудования": Учебное пособие. – М.: МГУПИ, 2006.

В пособии излагаются методы синтеза САУ пневматических приводов, основанных на релейно-контактных системах управления. Приведены принципы построения и анализа циклограмм. Рассмотрены устройства ввода и обработки электрических сигналов технологического оборудования.

Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 2102 и 0718 при проведении лабораторных работ, выполнении курсовых и дипломных проектов.




Пневматические приводы технологического оборудования


1. Циклические пневмосистемы
На современном производстве многие машины-автоматы, автоматические линии, а также значительная часть вспомогательного оборудования, для которого характерно строгое выполнение заданной последовательности технологических операций (шаговые транспортеры, промышленные манипуляторы, толкатели, кантователи, укладчики и т. д.), оснащены преимущественно циклическими пневматическими САУ.

Работа циклических пневматических систем, по существу, представляет собой последовательную смену фиксированных положений выходных звеньев исполнительных механизмов. При этом их крайние, а при необходимости и промежуточные положения отслеживаются элементами информационной подсистемы. Информация о состоянии исполнительных механизмов либо ведомых ими узлов технологической установки обрабатывается элементами логико-вычислительной подсистемы, на выходе которой формируется управляющий сигнал на выполнение очередного рабочего шага. Под шагом понимают процесс смены одного контролируемого датчиком положения исполнительного механизма на другое.

Число шагов, необходимых для выполнения единичного замкнутого цикла технологических операций, может различаться в зависимости от сложности оборудования. Под замкнутым циклом будем понимать такую последовательность шагов, после выполнения которой система возвращается в исходное (предпусковое) состояние.

Так, один рабочий цикл рассматриваемой далее установки для перемещения коробок (рис. 1.1) состоит из четырех шагов.

Рис. 1.1. Установка для перемещения коробок

По конвейеру в произвольной последовательности и с переменным интервалом движутся коробки двух конфигураций — кубические и овальные. Кубические коробки необходимо перемещать на параллельную ветвь конвейера. Операция перемещения осуществляется посредством двух пневмоцилиндров А и В.

Когда кубическая коробка оказывается на транспортере (смещаемой секции конвейера), оператор кратковременно нажимает на пусковую пневмокнопку. При этом шток первого цилиндра А перемещает секцию с коробкой на уровень параллельной ветви конвейера. Далее цикл выполняется автоматически: шток второго цилиндра В сталкивает коробку с транспортера, после чего штоки обоих пневмоцилиндров возвращаются в исходные позиции — сначала шток первого, а затем и второго цилиндра.
1.1. Формы представления хода технологического процесса
Для наглядного описания хода технологического процесса будем использовать следующую буквенно-цифровую индексацию (табл. 1.1).

Табл. 1.1. Индексация описания хода технологического процесса





Индексация

Элемент

А, B, С, ...

Исполнительные механизмы, например пневмоцилиндры

ao, bo, co, • ••

Путевые выключатели, фиксирующие втянутое положение штоков цилиндров

а1, b1, c1, ...

Путевые выключатели, фиксирующие выдвинутое положение штоков цилиндров

am, bm, cm, ...

Путевые выключатели, фиксирующие промежуточное положение цилиндров штоков

Условное Обозначение

Действие (процесс)

А+, В+, С+, ...

Выдвижение штоков цилиндров А, В, С, ...

А-, В-, С-, ...

Втягивание штоков цилиндров А, В, С, ...


Работу установки для перемещения коробок формально можно описать различными способами. Рассмотрим наиболее часто применяемые из них.
Хронологическая форма записи
При хронологической форме записи рабочий цикл системы представляют в словесной форме (по аналогии с описанием принципа действия), но с разбиением на шаги и указанием исполнительных механизмов, выполняющих каждый шаг, табл. 1.2
Табл. 1.2. Хронологическая форма записи хода технологического процесса


1-й шаг

Выдвижение штока цилиндра А

2-й шаг

Выдвижение штока цилиндра В

3-й шаг

Втягивание штока цилиндра А

4-й шаг

Втягивание штока цилиндра В


Арифметическая форма записи
При арифметической форме записи хода технологического процесса шаги записывают последовательно в одну строку, причем действия исполнительных механизмов поясняют условными обозначениями, указанными в табл. 1.1. Последовательность срабатывания пневмоцилиндров в рассматриваемой задаче (установка для перемещения коробок) будет представлена в виде



А+

В+

А-

В-


В случае, когда какие-либо движения исполнительных механизмов происходят одновременно, арифметическая запись производится в несколько строк таким образом, чтобы обозначения одновременных движений располагались одно под другим:



А+


В+

А-

В-

Такая запись трактуется как поочередное выдвижение штоков цилиндров А и В (сначала А, затем В) с последующим их одновременным втягиванием.

Табличная форма записи



Последовательное (шаг за шагом) выполнение программы можно представить в виде таблицы, в первом столбце которой указывают номера шагов, а в последующих — соответствующие действия исполнительных механизмов (табл. 1.3). Неподвижное состояние последних на отдельном шаге обозначается звездочкой (*).
Табл. 1.3. Табличная форма записи хода технологического процесса


Номер шага

А

В

С

D

1

+

*

*

*

2

*

+

*

*

3

-

*

+

*

4

*

-

*

+

5

+

*

*

*

6

-

*

-

-


Строка в таблице, соответствующая 6-му шагу, содержит наименьшее число звездочек, следовательно, на 6-ом шаге одновременно работает максимальное количество исполнительных механизмов. Зная диаметры цилиндров, длины их рабочих ходов и скорости движения штоков, можно определить максимальное потребление сжатого воздуха системой. На основании полученных данных можно провести расчеты по выбору подводящих трубопроводов, а при необходимости — также подобрать компрессор требуемой производительности.
Графическая форма записи
Графическая (диаграммная) форма представления состояний и изменения состояний исполнительных механизмов, информационных и управляющих устройств в технологических машинах и производственных установках является наиболее наглядной и применяется чаще других форм записи.

Полная информация о функционировании циклической САУ содержится в функциональной диаграмме, включающей диаграммы перемещений и управления (рис. 1.2).

Диаграммы перемещений отображают в графическом виде состояния исполнительных механизмов — пневмоцилиндров, пневмодвигателей и т. п., а диаграммы управления — состояния информационных и управляющих устройств.




















Рис. 1.2. Структура функциональной диаграммы
При использовании диаграммной формы записи обозначения состояний устройств, входящих в систему, заключают в прямоугольник (для каждого шага), причем (поскольку речь идет о дискретных устройствах) изменения этих состояний представляются в диапазоне значений от 0 (устройство выключено — шток цилиндра втянут) до 1 (устройство включено — шток цилиндра выдвинут) (рис. 1.3).



Рис. 1.3. Обозначения состояний устройств при диаграммной форме записи
При изображении последовательности шагов обозначающие их прямоугольники располагают в строку, причем в отдельную для каждого исполнительного механизма. Если описывают совместную работу нескольких механизмов, то записи последовательности их шагов размещают друг под другом. Используя принятые графические символы для отображения шагов, рабочий цикл установки для перемещения коробок (см. выше) можно представить в виде диаграммы (циклограммы), выполненной в координатах «перемещение — шаг», следующим образом (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Диаграмма «перемещение — шаг» установки для перемещения коробок
На диаграмме слева от каждой графической строки проставляют индекс устройства, изменение состояний которого она отображает (пневмоцилиндры А и В).

В правой части могут быть указаны индексы путевых выключателей, отслеживающих соответствующие состояния исполнительных механизмов а0, а1 b0, b1.

В области над верхней графической строкой диаграммы проставляют последовательную нумерацию состояний устройств пневмосистемы перед каждым из шагов и после него (в нашем случае от 0 до 4). После окончания полного рабочего цикла, чему соответствует состояние с номером 4, система возвращается в исходное состояние с номером 0.

В установках с непрерывным циклом (в которых очередной рабочий цикл начинается автоматически, а не по команде оператора) исходное состояние обозначается цифрой 1, а не 0, и запись 5=1 означает, соответственно, момент окончания последнего шага цикла.

На диаграмме управления изображается зависимость состояний управляющих и информационных (сигнальных) устройств от шага работы системы (рис. 1.5). При этом время переключения данных устройств не принимают во внимание.

При составлении функциональной диаграммы диаграмму управления располагают, как правило, под диаграммой перемещений (рис. 1.6).

Рис. 1.5. Диаграмма управления установкой для перемещения коробок




Рис. 1.6. Функциональная диаграмма установки для перемещения коробок
На практике диаграммы перемещений зачастую используют самостоятельно, поскольку они дают полное представление о последовательности выполнения операций технологического процесса.

Для изображения на диаграммах сигнальных устройств, а также логических взаимосвязей между сигналами применяют следующие обозначения (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Обозначения сигнальных устройств и логических взаимосвязей между сигналами
Таким образом, в полном виде диаграмма «перемещение — шаг» установки для перемещения коробок принимает вид, показанный на рис. 1.8.

Рис. 1.8. Полная диаграмма «перемещение — шаг» установки для перемещения коробок

Если необходимо отразить скоростные характеристики исполнительных механизмов, диаграмму перемещений вычерчивают в координатах «перемещение — время» и присваивают ей соответствующее название (рис. 1.9). Применяются такие диаграммы, как правило, при пусконаладочных работах.

Рис. 1.9. Диаграмма «перемещение — время» установки для перемещения коробок
1.2. Методы проектирования пневматических САУ
Проектирование циклических пневматических систем представляет собой комплекс работ, связанных с переходом от словесного описания технологического процесса к построению принципиальной пневматической схемы. Эти работы подразделяются на этапы алгоритмического, логического и технического проектирования.

На этапе алгоритмического проектирования переводят словесное описание технологического процесса в формализованные формы представления хода процесса.

Этап логического проектирования заключается в составлении функциональной структуры системы на основе разработанного алгоритма ее функционирования.

Выбор элементной базы, расчет силовых и скоростных характеристик исполнительных механизмов, расчет проходных сечений устройств и построение принципиальной схемы пневматической системы — все это осуществляется на этапе технического проектирования.

Поскольку алгоритмы функционирования систем управления и расчет основных параметров различных пневмоэлементов рассматривались в настоящем пособии ранее, остановимся на методах разработки принципиальных пневматических схем.
Метод составления логических уравнений
Пользуясь диаграммой «перемещение — шаг», можно описать состояния системы управления перед выполнением каждого шага в виде логических уравнений. В левой части этих уравнений записывают символ действия, которое должно произойти на предстоящем шаге, а в правой — логические связи между сигналами от кнопок оператора и путевых выключателей, дающих команду на выполнение этого действия.

Рассмотрим исходное (предпусковое) состояние системы (рис. 1.10, состояние 0).

Рис. 1.10. Иллюстрация подхода к составлению системы логических уравнений
В состоянии 0 (исходном), когда штоки обоих цилиндров втянуты, активны путевые выключатели а 0 и b 0. Следовательно, команда на выполнение 1-го шага А + должна подаваться при наличии сигналов от двух названных устройств и кнопки «Пуск». Таким образом, можно записать следующее логическое уравнение:
А + = Пуска0b0.
После выполнения 1-го шага комбинация активных путевых выключателей изменится (см. состояние 1 на рис. 1.10). Выполнение 2-го шага В+ начнется при условии поступления сигналов от выключателей а, и Ь0. Отсюда получаем второе уравнение:
В + = а1b0
Аналогичным образом составляют уравнения и для последующих шагов. Система логических уравнений, описывающая работу устройства для перемещения коробок, в конечном итоге будет иметь следующий вид:
A + = Пуска0 b0; В + = а1 b0; А- = а1 b1; В- = а0 b1.
Функциональная структура системы в логических символах, построенная на базе полученных логических уравнений, является итогом этапа логического проектирования.

Если систему управления проектируют на элементной базе заранее известного типа, то это позволяет пропустить этап разработки функциональной структуры создаваемой системы. Полученные логические уравнения можно непосредственно транслировать в принципиальную пневматическую схему, используя известные способы реализации логических функций в системах пневмоавтоматики.

Взяв для простоты за основу исполнительной подсистемы пневмоцилиндры двустороннего действия с управлением от бистабильных распределителей, получим следующую принципиальную пневматическую схему установки для перемещения коробок (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Принципиальная пневматическая схема установки для перемещения коробок
Данную схему, безусловно, нельзя считать оптимальной, поскольку ее можно значительно упростить путем исключения избыточных сигналов. Таковыми для каждого отдельного шага считают сигналы, задействованные при формировании команды на выполнение предыдущего шага.

В рассматриваемом примере на 2-м шаге избыточен сигнал b0, на 3-ем — а0 на 4-ом — b1 Очевидно, что поскольку система работает по замкнутому циклу (за 4-ым шагом следует 1-й), то сигнал а0 на 1-м шаге также является избыточным. С учетом вышесказанного система логических уравнений, описывающих работу установки для перемещения коробок, принимает следующий вид:
А + = Пускb0; В + = а1; А- = b1; В- = а0.
Окончательный вариант принципиальной пневматической схемы установки для перемещения коробок показан на рис. 1.12.

Рис. 1.12. Окончательный вариант принципиальной пневматической схемы установки для перемещения коробок
Возвращаясь к вопросу о построении функциональных диаграмм, рассмотрим реальную диаграмму установки для перемещения коробок, представленную на рис. 1.13

Следует иметь в виду, что рассмотренный выше способ упрощения системы логических уравнений далеко не всегда применим, поскольку некорректное его использование приводит к неправильной трактовке уравнений, особенно в случае наличия так называемых совпадающих шагов.

Под совпадающими шагами будем понимать такие шаги, уравнения, описания которых имеют одинаковые или эквивалентные правые части. Это означает, что отличающиеся друг от друга шаги (совпадающие) начинают выполняться при возникновении одной и той же комбинации сигналов от путевых выключателей.

Для иллюстрации проблемы совпадающих шагов рассмотрим пневмопривод сверлильного полуавтомата (рис. 1.14).

Рис. 1.13. Реальная функциональная диаграмма установки для перемещения коробок

Рис. 1.14. Сверлильный полуавтомат и его диаграмма

«перемещение — шаг»

При кратковременном нажатии на пусковую кнопку первый цилиндр А фиксирует заготовку в позиции для обработки путем ее зажатия. Далее автоматически начинает выдвигаться шток второго цилиндра В, т. е. выполняется рабочий ход инструмента. После достижения крайнего положения шток цилиндра В возвращается в исходную позицию, а затем втягивается и шток цилиндра А.

Уравнения, описывающие работу станка-полуавтомата, будут иметь вид (без упрощения)
A + = Пуска0 b0; B + = а1b0; B - = а1b1; А- = a1 b0.
Заметим, что правые части 2-го и 4-го уравнений одинаковы, значит, при появлении комбинации сигналов а1b0 выдвижение штока цилиндра В и втягивание штока цилиндра А будут происходить одновременно. Но функционирование системы подобным образом недопустимо, поскольку при этом не обеспечивается требуемый порядок выполнения рабочих операций.

Избежать одновременного выполнения 2-го и 4-го шагов можно путем формального изменения совпадающих правых частей соответствующих уравнений. С этой целью в них вводят дополнительные сигналы Х1 и Хг, в результате чего эти уравнения запишутся следующим образом:
В + = а1 b0 Х1; A- = а1 b0 Х2.
Два дополнительных сигнала Х1 и Х2 можно реализовать путем применения пневматического триггера, выполнение функций которого обеспечивается, к примеру, бистабильным 4/2-распределителем с пневматическим управлением. Если триггер включен, то на его выход подается сигнал X,, если выключен — сигнал Х2.

Таким образом, для решения проблемы совпадающих шагов полученную систему логических уравнений необходимо дополнить уравнениями, описывающими функционирование триггера, а именно: чтобы сигнал Х1 появился перед началом 2-го шага, необходимо включать триггер (T+) перед выполнением как минимум предыдущего шага; отключать же его (T-) следует после выполнения 2-го шага. Другими словами, триггер необходимо включать перед 1-ым шагом (А +) по сигналу от путевого выключателя а0, т. е. после выполнения 4-го шага (А -), а выключать — по окончании 2-го шага (B +) по сигналу от выключателя b1.

Упрощение системы уравнений, содержащей совпадающие шаги, следует проводить только после дополнения правых частей соответствующих уравнений.

Рассмотренный способ хотя и решает поставленную задачу, но требует внимательности и владения навыками составления логических уравнений. Схемное же решение (рис. 1.15), к которому в итоге приходят путем применения данного способа, является, как правило, довольно громоздким. В особенности это относится к задачам с несколькими совпадающими шагами, решая которые, приходится вводить в схему уже не один, а несколько триггеров.

Рис. 1.15. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата
Составление и чтение схемы можно значительно упростить путем использования шин при ее изображении. Шинами называют горизонтальные линии, соединенные на схеме с выходами определенных устройств. В нашем случае каждый из четырех путевых выключателей «питает» «свою» шину, а логические взаимосвязи реализуются между сигналами в соответствующих шинах.

Метод отключения сигнала



Этот метод, используемый при проектировании систем, содержащих совпадающие шаги, заключается в применении устройств, позволяющих формировать импульсный сигнал в момент достижения штоками пневмоцилиндров конечных положений.

Вернемся к системе уравнений, описывающих работу сверлильного полуавтомата, и упростим ее путем исключения избыточных сигналов:
А + = Пуска0; В + = а1,; В - = b1; А - = b0.
В полученной системе совпадающие уравнения отсутствуют. Однако следует обратить внимание на следующее: 2-ой шаг (B+) осуществляется по команде от путевого выключателя а1, который остается активным и на очередном, 3-ем, шаге (B-), выполняемом по команде от путевого выключателя b1 . Это означает, что на распределитель, управляющий цилиндром В, одновременно будут поданы два противоположных сигнала управления — от путевых выключателей а1, и b1 В таком случае, как известно, пневмораспределитель остается в позиции, определяемой первым из поступивших управляющих сигналов, следовательно, 3-й шаг (действие B -) выполняться не будет.

Аналогичная ситуация имеет место и при выполнении 1-го шага: в исходном состоянии путевой выключатель b0 активен и не позволяет выполнить действие А +.

Схема станет работоспособной, если «проблемные» путевые выключатели в момент включения будут формировать не постоянный сигнал, а импульсный. Существуют различные методы получения импульсного сигнала: путем использования пневмоклапанов выдержки времени (рис. 1.16), посредством путевых выключателей с «ломающимся» рычагом (рис. 1.17) и др.

Рис. 1.16. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата с применением пневмоклапанов выдержки времени (формирователей импульса)
В случае использования путевых выключателей с «ломающимся» рычагом устанавливать их нужно со смещением в 2 — 4 мм от точки, соответствующей конечному положению штока. Такая позиция обусловливает формирование путевым выключателем импульса при подходе штока к конечному положению и игнорирование прохождения штока через выключатель при обратном ходе.

Рис. 1.17. Принципиальная пневматическая схема сверлильного полуавтомата с применением путевых выключателей с «ломающимся» рычагом
На пневматических схемах места установки путевых выключателей с «ломающимся» рычагом обозначают вертикальным штрихом, перпендикулярно которому ставят стрелку, указывающую направление, в котором срабатывает выключатель при движении штока пневмоцилиндра.
Метод отключения сигнала формально сводится к следующей последовательности действий:

• составляют систему логических уравнений, описывающих работу установки;

• выделяют уравнения с совпадающими правыми частями;

• упрощают систему логических уравнений путем сокращения избыточных сигналов;

• заменяют путевые выключатели, сигналы от которых входят в выделенные уравнения, на устройства, формирующие импульсный сигнал в момент своего срабатывания.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации