2. Lineární pohony a jejich využití v praxi
2.1 Elektrické lineární pohony
K velkému nárůstu používání elektrických lineárních motorů došlo až v posledních deseti letech, kdy se podařilo vyřešit některé konstrukční problémy a došlo k poklesu cen
frekvenčních měničů, číslicových regulátorů a permanentních magnetů, čidel polohy a lineárních ložisek. Díky svým výhodným vlastnostem (široký rozsah sil a rychlostí pohybu, možnost přesné regulace polohování bez překmitů, dobré dynamické vlastnosti, chod bez vůlí, malá hlučnost) začínají nahrazovat nejen klasické rotační motory
s přídavnými zařízeními (pohybové šrouby, šneky, kulisy apod.), ale i pneumatické a hydraulické pohony.
Velkého rozšíření se elektrické lineární pohony v poslední době dočkaly v oblasti obráběcích strojů pro vysokorychlostní obrábění (HSC). Úspěšně zde začínají nahrazovat klasické koncepce s převodem rotačního pohybu na přímočarý. Jejich největší předností je schopnost dosahovat řádově vyšších zrychlení a výrazně vyšších pracovních rychlostí. To přináší největší výhody u vysokorychlostního obrábění zejména lehkých slitin, kde jsou pracovní rychlosti nejvyšší a také tam, kde dochází k častému polohování vřetene (obráběcí centra pro obrábění tvarově složitých dílů). Další výhodou je možnost velkého zrychlení lineárních pohonů při obrábění prostorových tvarových ploch.
Konstrukčně si lze lineární elektrický motor představit jako klasický synchronní nebo asynchronní motor rozvinutý do roviny. Konstrukce je zřejmá z obr. 1.
Obr. 1: Konstrukce lineárního elektrického motoru
Zdroj: Lineární pohony – prospektové listy. VUES Brno, a. s.
K příslušenství elektrických lineárních motorů patří:
- Mechanická vedení – kluzné kovové plochy, kuličková pouzdra se smykovým třením, lineární kuličková a válečková ložiska, keramické kluzné plochy nasycené např. teflonem, vzduchová ložiska.
- Odměřovací systémy – v naprosté většině jde o inkrementální snímače, pracující na reluktančním, magnetickém a fotoelektrickém principu.
- Řídící systémy – téměř výhradně se používají číslicové regulátory. Uspořádání je do tří vazeb – proudové, rychlostní a polohové. V některých případech se ještě používá regulace zrychlení. Jádrem systému je procesor s vysokou výpočetní rychlostní komunikující obousměrně s lineárním motorem (čidly polohy, proudu, teploty apod.).
2.2 Hydraulické lineární pohony
Konstrukčně a funkčně jsou tyto pohony podobné pohonům pneumatickým.
Jejich funkce, kdy médium o tlaku p vyvíjí sílu F působící na plochu S pístu je zřejmá z obr. 2. Jejich výhodou je snadná a účinná transformace výkonu do pohybové energie a výhodný poměr velikosti a výkonu využívané nejčastěji u hydraulických lisů a mobilních zařízení. Nevýhodou je naopak nutnost zajistit absolutní těsnost hydraulického okruhu.
Počáteční období jejich používání je spojeno především s konstrukcí hydraulických lisů. Poté se hydraulické mechanismy začaly prosazovat v ovládacích systémech letadel a rychle se rozšířila i v konstrukcích zemních, stavebních a zemědělských strojů.
Hydraulické mechanismy se poté prosadily i v prvních konstrukcích průmyslových robotů, kde byla s výhodou využita možnost přímé realizace přímočarých pohybů bez pomocných transformačních členů.
V současné době jsou hydraulické mechanismy ve značné míře vytlačeny z prostoru konstrukcí výrobních strojů a manipulačních zařízení s malým a středním výkonem. Stále se ale uplatňují u zařízení s velkým výkonem a u mobilních zařízení. Trendem je těsná integrace s číslicovými řídícími prvky, hlavně s programovatelnými automaty, jejichž provedení je uzpůsobeno spojení s pneumatickými mechanismy.
Obr. 2: Princip fungování hydraulických a pneumatických mechanismů Zdroj: http://www.pneumaticsonline.com/training.htm
2.3 Pneumatické pohony
Protože zadání diplomové práce se týká aplikace pneumatického lineárního pohonu, budu se tímto typem pohonů zabývat více. Popsána bude teorie pneumatických mechanismů, jejich typy a způsoby regulace.
Pneumatické mechanismy spolu s mechanismy hydraulickými patří do skupiny tekutinových mechanismů.
Tento typ mechanismů se začal nejvíce rozšiřovat od 60. let 20. století, v době zvýšeného zájmu o automatizaci činnosti výrobních prostředků.
Jejich praktické nasazení se v současné době nejvíce soustředí na oblast lineárních
pohybů, nejčastěji v konstrukci manipulačních prostředků. Značného nasazení se přímočaré pneumatické pohony dočkaly v oblasti konstrukce úchopných hlavic
průmyslových robotů a manipulátorů, kde se uplatňují hlavně jejich malé rozměry a hmotnost.
Vývoj směřuje k hledání nových oblastí nasazení pneumatických prvků, použití nových konstrukčních materiálů (kompozitní materiály), vysoké integraci s elektronickými prvky
pro snímání polohy a diagnostiku a zvyšování účinnosti cestou zpřesňování výroby, snižování pasivních odporů apod.
2.3.1 Teorie pneumatických mechanismů
Pneumatické mechanismy patří do skupiny mechanismů, které definujeme jako systémy pro přenos a transformaci energie a informace pomocí nositele energie.
V tomto případě je nositelem energie vzdušnina, nejčastěji stlačený vzduch.
Stlačený vzduch je nositelem tří základních forem energie. Je to energie potenciální, deformační a kinetická. Tepelnou energii stlačeného vzduchu v pneumatických mechanismech nevyužíváme a ve výpočtech ji jako nežádoucí zanedbáváme.
Mezi základní používané fyzikální zákony patří zákon zachování hmotnosti:
konst.
V ρ
m = ⋅ =
(1)Zachování mechanické energie je vyjádřeno Bernoulliho rovnicí:
konst.
2 v 1 ρ h p
g ⋅ + + ⋅
2=
, (2)kde
h
g ⋅
představuje potenciální energii,ρ
p
energii tlakovou (deformační),v
22 1 ⋅
kinetickou energii.Tento tvar Bernoulliho rovnice však předpokládá nestlačitelnost média. Pro potřeby modelování pneumatických mechanismů je nutno použít analogický vztah v diferenciálním tvaru: malým objemem tekutiny v ustáleném proudu, kdy rychlost proudění je tečná k proudnici.
Bernoulliho rovnici lze získat integrací uvedeného diferenciálního tvaru. Pro stlačitelné médium ale nelze rovnici integrovat přímo, protože hustota není konstantní. Proto pro plyny vycházíme z uvedeného diferenciálního tvaru, do kterého se dosadí uvažované změny hustoty.
Z hlediska možností využití v pneumatických mechanismech je potenciální energie zanedbatelně malá a proto pro praktické využití zbývá energie tlaková a kinetická.
Popis změn termomechanických veličin se provede pomocí stavové rovnice plynu.
Pro ideální plyn platí v termodynamickém rovnovážném stavu Boyle – Mariotův zákon:
T
p představuje tlak plynu, V objem plynu,
m hmotnost plynu,
R univerzální plynovou konstantu, T termodynamickou teplotu plynu.
Další důležitý předpoklad pro usnadnění modelování termodynamických dějů je, že všechny termodynamické procesy jsou adiabatické. To znamená, že jsou
reverzibilní, bez tření a probíhají podle adiabatické změny stavu, teplo není dodáváno
z okolí nebo do něho odváděno a systém je dokonale izolován. Adiabatický děj je idealizací – představuje náhradní model probíhajících změn.
Pro hodnoty stavových veličin platí:
konst.
,ρ p ⋅
−κ=
resp.
, (5)
konst.
V p ⋅
κ=
kde
κ je poměr tepelných kapacit
V P
c
= c
κ
. (6)Mechanismy využívající tlakovou energii nazýváme mechanismy pneumostatickými.
Ty mají v praxi značnou převahu nad mechanismy pneumodynamickými, využívajícími kinetickou energii stlačeného vzduchu.
Pneumatické mechanismy pracují na objemovém principu a z hlediska naplňování daného objemu je dělíme na dvě skupiny. První skupina se vyznačuje zaplňováním
pracovního prostoru objemem V vzduchu o konstantním tlaku p, tedy V = variab.
a p = konst. Druhá skupina se vyznačuje zaplněním pracovního prostoru v počátečním stavu takovým objemem vzduchu V, aby jeho změnou se vykonala práce při V = konst.
a p = variab. Využívá se přitom deformační energie stlačeného vzduchu.
2.3.2 Vlastnosti pneumatických mechanismů
Pneumatické mechanismy mají v porovnání s jinými typy mechanismů nezanedbatelné výhody, které je předurčují ke specifickým typům aplikací. Mezi nejdůležitější výhody patří následující:
- Výroba stlačeného vzduchu je v průmyslových závodech zpravidla centralizovaná, což zaručuje dobrou účinnost výroby a možnost kontroly jakosti. Využití mobilních kompresorových stanic zase umožňuje využití pneumatických mechanismů i tam, kde není k dispozici přívod elektrické energie.
- Rozvod stlačeného vzduchu se děje jediným vodičem s jednoduchým a nenáročným připojováním. Po předání energie je vzduch vyfukován do ovzduší.
- Čistota provozu pneumatických mechanismů je předurčuje k použití v potravinářském, farmaceutickém, textilním a oděvním průmyslu.
- Přetížitelnost pneumatického mechanismu až k jeho úplnému zastavení bez nebezpečí poškození.
- Spolehlivost – protože pneumatické mechanismy pracují s vnitřním přetlakem, zabraňuje se tím vnikání nečistot z okolí do prvků a tím k jejich opotřebovávání.
- Bezpečnost – mohou pracovat ve výbušném prostředí, což je činí ideálními pro nasazení v hlubinných dolech, chemickém průmyslu atd.
Pro správné nasazení pneumatických mechanismů je třeba uvést i jejich nevýhody:
- Nutná úprava stlačeného vzduchu – nutnost zbavit vzduch mechanických nečistot, vlhkosti, nutnost zajistit mazání součástí mechanismu.
- Vysoká cena – stlačený vzduch je velmi drahou formou energie.
- Stlačitelnost vzduchu způsobuje malou tuhost mechanismu a při proměnlivém zatížení obtížnou rychlostní regulaci.
- Hlučnost vznikající při expanzi vzduchu na výstupu z pneumatického prvku.
- Nízký provozní tlak - v současné době se v rozvodech používá tlak 0,5 až 0,6 MPa.
2.3.3 Vlastnosti stlačeného vzduchu a jeho výroba
Stlačený vzduch se získává z atmosférického vzduchu, který představuje směs suchého vzduchu, vodních par a pevných částic v různé koncentraci. Vodní páry ovlivňují
stlačený vzduch až po jeho ochlazení za kompresorem, kdy jejich sražením vzniká kondenzát, který může způsobovat korozi nebo zamrzání výstupních kanálů při expanzi za pneumatickým prvkem.
Požadavky na kvalitu stlačeného vzduchu specifikuje norma EN ISO 8573–1, která rozděluje stlačený vzduch do sedmi tříd.
Tab. 1: Definice tříd kvality stlačeného vzduchu dle EN ISO 8573-1
Třída Přípustný zbytkový obsah oleje [mg/m3]
Přípustný obsah prachu[mg/m3] / velikost
částic [µm]
Stlačování vzduchu patří mezi energeticky intenzivní a ekonomicky náročné procesy přeměny energie. Vysoká cena energie stlačeného vzduchu je dána nutností dvojí
přeměny energie: elektrická energie v energii stlačeného vzduchu v kompresoru a následná přeměna této energie v energii mechanickou v pneumatickém pohonu.
Účinnost energetického řetězce při použití pneumatického mechanismu a elektromotoru ke stlačení média se uvádí v rozmezí 7 % až 20 % (Kopáček, J., 1991).
Zdroji stlačeného vzduchu pro pneumatickou regulaci jsou různé druhy kompresorů.
Na ně je v současné době kladena celá řada nároku, z nichž nejdůležitější jsou:
- dobrá účinnost,
- dobrá kvalita vyráběného stlačeného vzduchu, - dobrá možnost regulace,
- spolehlivost, minimální údržba, dlouhá životnost, - tichý chod.
V technické praxi se používají následující typy kompresorů:
1) Mazné kompresory - mají stlačovací prostor přimazávaný kompresorovým olejem pro snížení tření a lepší utěsnění (pístové kompresory), nebo častěji mazaný, utěsňovaný a chlazený velkým množstvím vstřikovaného oleje do kompresního prostoru, který nejen maže třecí plochy kompresoru, ale současně odvádí velkou část tepla, vzniklého stlačováním
vzduchu. Tím účinně ochlazuje stlačovaný vzduch, což významně zvyšuje účinnost stlačování. Vytlačovaná směs vzduchu a oleje se musí zbavit oleje ještě před výtlakem z kompresoru. K tomu se používají obvykle dvoustupňové až třístupňové odlučovače oleje.
V současné době jsou mazné kompresory nejrozšířenějšími kompresory v průmyslu.
a) Šroubové kompresory – ze skupiny mazných kompresorů jde o nejpoužívanější
typ. Výhodou je nižší teplota vystupujícího vzduchu (v porovnání s ostatními typy) a dodávky stlačeného vzduchu bez pulsů. Jejich nevýhodou je značná hlučnost.
b) Lamelové kompresory – mají nepatrně menší účinnost, než kompresory šroubové a asi o třetinu dražší. Jsou ale velmi tiché.
c) Pístové kompresory – nejsou příliš používané pro svou značnou hlučnost, zatěžování okolního prostředí vibracemi a značné pulsace výstupního
vzduchu.
2) Bezmazné kompresory - modifikací předchozích typů kompresorů použitím speciálních třecích materiálů vznikly kompresory bezmazné. Jejich nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady, menší životnost, menší účinnost a vyšší teplota výstupního vzduchu.
2.3.4 Další prvky pneumatických obvodů
Vzdušník
Kolísá-li v provozu odběr stlačeného vzduchu tak, že se v něm vyskytují tlakové rázy, doporučuje se vestavět do rozvodu vzdušník vhodné velikosti. Ten je navíc nutný pro zajištění optimální účinnosti při přerušovaně řízeném provozu kompresoru vypnuto/zapnuto.
Rozvod
Rozvod tvoří spojovací potrubí mezi místem výroby stlačeného vzduchu a místem jeho odběru. Potrubí je ocelové, měděné, hliníkové a v poslední době se prosazuje potrubí z vhodných plastů. Kvůli snadnému odtoku kondenzátu se doporučuje sklon potrubí 2°.
Výpusti kondenzátu
Všechna níže položená místa pneumatického okruhu se vybavují výpustmi kondenzátu. Ty jsou buď ruční (dnes jen zřídka) nebo automatické.
Tlumiče hluku
Odstraňuje se jimi jedna z nevýhod pneumatických mechanismů – hluk, vznikající při expanzi vzduchu při výfuku z pneumatického prvku. Hluk je tím větší, čím větší množství vzduchu se odfukuje a čím větší je tlakový spád při výfuku. Tlumiče se vyrábějí kónického tvaru z pórovitého keramického materiálu. K výfuku jsou většinou přišroubovány.
Tyto tlumiče mají efekt hlavně pro zvuky o vysokých frekvencích, čímž výrazně zlepšují pracovní podmínky v okolí pneumatických strojů. Nevýhodu je zvýšení protitlaku v pneumatickém prvku a tím zhoršení jeho dynamických vlastností.
2.3.5 Přímočaré pneumatické motory
Podle principu práce a v mnoha směrech i v konstrukci jsou pneumatické přímočaré motory shodné s motory hydraulickými. Vzhledem k jiným vlastnostem použitého média mají ale jiné výhody a nevýhody, které již byly uvedeny výše.
V praxi se používá mnoho konstrukčních uspořádání lineárních pneumatických
pohonů. Základním typem je dvojčinný motor s jednostrannou pístnicí. Dalšími typy jsou jednočinný motor s jednostrannou pístnicí, tandemově uspořádaný motor, dvojčinný
motor s oboustranným působením a bezpístnicový motor.
a. b.
c. d.
Obr. 3: Základní typy pneumatických lineárních pohonů
a. jednočinný motor s jednostrannou pístnicí b. dvojčinný motor s jednostrannou pístnicí c. dvojčinný motor s oboustrannou pístnicí d. bezpístnicový motor
Zdroj: Kopáček, J., (1991)
Pro malé zdvihy, řádově několik desítek mm, kdy konstrukce motoru s pístem by vyšla rozměrově nevýhodná, se konstruují motory, v nichž je píst nahrazen membránou.
Výrazně progresivní konstrukcí přímočarého motoru je bezpístnicové provedení.
Pohyb pístu je na výstupní jezdec motoru přenášen buď magneticky prostřednictvím permanentního magnetu umístěného v pístu nebo prostřednictvím mechanického spojení pístu s jezdcem. Pohyblivý jezdec je na povrchu tělesa motoru uložen v kluzném, nebo valivém vedení.
Koncepce bezpístnicového motoru a použití přesných tažených profilů z lehkých slitin napomáhají dosáhnout extrémně dlouhých zdvihů (až 8 m) při malém průměru pístu.
Zatím zcela neobvyklým provedením bezpístnicového motoru je konstrukce s výstupním pohybem jezdce po dráze ve tvaru oblouku.
a. b.
c. d.
Obr. 4: Způsoby uložení jezdce u bezpístnicových motorů
a. interní vedení jezdce – píst je vyroben s jezdcem jako jeden kus b. lineární vedení s kuličkovým uložením pro přesné posuvy
c. kluzné vedení – T drážky ve vozíku slouží pro snadnou montáž přídavných zařízení d. robustní lineární vedení s kompaktním kuličkovým uložením
Zdroj: Bořil, T. (2002)
2.3.6 Řízení pneumatických motorů
2.3.6.1 Řízení tlaku vzduchu
Podle funkce řídících prvků je můžeme rozdělit na prvky pro hrazení průtoku, pro řízení průtoku a pro řízení tlaku. Prvky pro hrazení průtoku nazýváme obvykle rozvaděče a prvky pro řízení průtoku a řízení tlaku ventily.
Rozvaděče i ventily mohou být ovládány mechanicky, manuálně, pneumaticky, elektricky, případně vhodnou kombinací uvedených způsobů.
Rozvaděče můžeme dále rozdělit podle počtu cest, které propojují a které jsou určeny počtem přípojů, na rozvaděče dvoucestné, třícestné, čtyřcestné a pěticestné, a dále podle počtu poloh, tj. funkčních stavů rozvaděče na dvoupolohové, třípolohové a čtyřpolohové.
Funkčních stavů se dosahuje buď trvale působícím řídícím signálem nebo krátkodobě (impulsně) působícím signálem.
U ventilů se jako hradící prvek používá destička, kulička nebo kuželka. Tlakové ventily se používají buď k řízení tlaku, nebo jsou samy řízeny v závislosti na velikosti tlaku vzduchu. Podle funkce a podle konstrukce je rozlišujeme na redukční ventily, pojistné ventily a ventily řízené tlakem.
Redukční ventily udržují konstantní nastavený výstupní tlak p2 nezávisle na změnách vstupního tlaku p1 za předpokladu, že p1 > p2. Zajišťují tak stabilitu pneumatického obvodu a tím konstantní silové působení pneumatického motoru.
Pojistný ventil zajišťuje, aby tlak p2 nepřesáhl přípustnou hodnotu.
Ventily řízené tlakem se také někdy nazývají blokovací ventily. Jejich funkce je obdobná jako u ventilů pojistných.
V současné době se nejvíce používají elektromagneticky ovládané ventily, jejichž výhodou je malý příkon a malá reakční doba, která se pohybuje kolem 5 ms . Ventily je možné integrovat do ventilových terminálů, které jsou často kombinovány s programovatelnými automaty PLC a s možností připojení na průmyslové sběrnice typu CAN, Profibus DP, Interbus S.
2.3.6.2 Řízení směru pohybu pneumatického motoru
Směr pohybu pneumatického motoru se řídí rozvaděčem. U dvojčinného motoru tedy rozvaděč otevírá přístup stlačeného vzduchu na jednu nebo druhou stranu pneumatického válce.
Řízení směru pohybu dvojčinného motoru je znázorněno na obr. 5. Může být použit buď dvoupolohový pěticestný rozvaděč, obr. 5a, u kterého je pro každou stranu motoru samostatný výstup, nebo dvoupolohový čtyřcestný rozvaděč, obr. 5b.
a. b.
Obr. 5: Řízení směru pohybu dvojčinného motoru Zdroj: Kopáček, J., (1991)
2.3.6.3 Řízení rychlosti pohybu pneumatického motoru
Rychlost pohybu se řídí škrcením buď přiváděného stlačeného vzduchu, nebo vzduchu odváděného do atmosféry.
U dvojčinných motorů se zpravidla používá řízení rychlosti v obou směrech pohybu.
Škrtící ventily mohou být zapojeny buď na výstupu do výfuku za rozvaděč, nebo ve vedení mezi rozvaděčem a motorem.
Zapojení ventilů na vstupu do motoru způsobuje značnou nerovnoměrnost v rychlosti motoru po dobu zdvihu, která je tím větší, čím je proměnlivější zatížení motoru. Používá se proto pouze u pomocných a podřadnějších funkcí a u motorů s malým pracovním objemem.
Při zapojení škrtících ventilů na výfuku přitéká stlačený vzduch do motoru bez škrcení, obtokem přes jednosměrný ventil. Vzduch vytékající z motoru je škrcen podle nastavené rychlosti. Pohyb motoru je tedy přibržďován, což má příznivý vliv na jeho rovnoměrnost. Tento způsob řízení rychlosti je výhodnější i pro motory s velkým pracovním objemem.
Obr. 6: Řízení rychlosti na vstupu do motoru Zdroj: Kopáček, J., (1991)
Obr. 7: Řízení rychlosti na výstupu z motoru Zdroj: Kopáček, J., (1991)
2.3.7 Indikace polohy u lineárních pohonů
Odměřovací systémy jsou v naprosté většině inkrementální. Pracují na reluktančním, magnetickém, fotoelektrickém, indukčním a odporovém principu.
Reluktanční a magnetické snímače jsou tvořeny snímací magnetickou hlavičkou a nosným páskem požadované délky s tenkou záznamovou vrstvou nesoucí informace o poloze (magnetickou mřížku).
Dalším typem magneticky ovládaného snímače je jazýčkové relé. Jeho funkce je založena na bezkontaktním ovládání polohy kontaktů tak, že pružné kontakty
z magneticky měkkého materiálu se při přiblížení magnetu přitáhnou k sobě a sepnou kontakt. Tyto snímače se používají pro indikaci dosažení konkrétní polohy lineárního pohonu. Nejde tedy o spojité snímání polohy.
Optické snímače moderní konstrukce mají na nosném kovovém pásku vypálený systém rysek s roztečí 20 µm nebo 40 µm. Optický systém se skládá ze světelného (laserového) zdroje, optického snímače (fototranzistoru) a čítače impulsů.
Systém indukčního snímání (induktosyny) polohy se dnes integruje do kolejnicových
vedení, čímž jsou nepřesnosti výrobních nebo zpracovatelských strojů redukovány na minimum. Používá se přímého indukčního odměřování, které dosahuje vysoké
přesnosti řízení a polohování. Systém pracuje s ocelovým páskem s vysoce přesnými dílky, který je vpraven do drážky vodicí kolejnice a je chráněn těsně vyvařeným páskem z ušlechtilé oceli. Tak se nemění tvar kolejnice a kompletním zakrytím není ovlivněna životnost kolejnice, ani celého lineárního systému. Díky speciální výrobní technice lze měřící systémy vyrábět až do délky 4 m. Snímací hlava se senzorikou a mikroelektronikou je přímo zafixována na vodicím vozíku a tvoří společnou jednotku.
Odporové snímače se též nazývají potenciometrické. Fungují tak, že působením
měřené neelektrické veličiny (v tomto případě polohy) se mění poloha kontaktu (sběrače), který se posouvá po odporové dráze. Tak se mění odpor mezi sběračem a začátkem nebo koncem odporové dráhy. Tyto snímače se vyznačují
měřené neelektrické veličiny (v tomto případě polohy) se mění poloha kontaktu (sběrače), který se posouvá po odporové dráze. Tak se mění odpor mezi sběračem a začátkem nebo koncem odporové dráhy. Tyto snímače se vyznačují