氣動解決方案在機器控制設(shè)計中的應(yīng)用

對機器設(shè)計人員來說，伺服氣動系統(tǒng)的引用意味著新的氣體力學(xué)，這種系統(tǒng)嚴(yán)格保留了電子伺服驅(qū)動優(yōu)化的工作機制。

　　很久以前，出現(xiàn)了機器自動化機電解決方案的領(lǐng)域，許多工業(yè)OEM傾向氣動解決方案。在某些機器領(lǐng)域，設(shè)計人員很少有性價比高的機電解決方案，他們更傾向于氣動閥、汽缸執(zhí)行機構(gòu)、電機等的簡單以及與它們運行相關(guān)的管道。
　　他們盡可能地把它們集成到每個設(shè)計中。但是,當(dāng)涉及機器性能要求時，機器制造商為了有競爭性，不得不采用替代解決方案。對更的應(yīng)用，有必要采用機電解決方案?，F(xiàn)在，對更復(fù)雜而靈活的機器，機電占主導(dǎo)地位，特別是，零件或裝配生產(chǎn)線的快速更換，高精度以及更快的速度是必要的。
然而，即使這些更精密、更高速的機器，許多氣動組件也被集成到設(shè)計中,從而創(chuàng)造一個混合解決方案。對輸出和產(chǎn)品不變或有限可變的自動機器，氣動組件通常占主導(dǎo)地位。

　　現(xiàn)在，大規(guī)模的制造運行工段有巨大的氣動運行設(shè)備安裝底座。根據(jù)一些銷售機電和液壓解決方案的公司，在國家的很多地方，以前安裝的底座是如此的大以致用于維護目的的氣動組件的銷售遠(yuǎn)超過機電設(shè)備的銷售。關(guān)于僅有的，事實上已變得滅絕的氣動控制工段是氣動邏輯控制。即使這樣，氣動邏輯仍用在一些防爆應(yīng)用中。
　　對混合機器解決方案的爭論可能來自更希望集中他們的氣動功率源（泵和壓縮機）的設(shè)計人員。非液壓解決方案通常要求功率源集中在機器動作的附近。然而，隨著在氣動組成設(shè)備中集成多接口能力的出現(xiàn)，例如，各種現(xiàn)場總線接口，集中控制氣動設(shè)備的能力變得更容易。

　　氣動控制的進步
　　伺服氣動系統(tǒng)的引進意味著氣體力學(xué)新的應(yīng)用，這些學(xué)科在不久前，嚴(yán)格保留了電子伺服驅(qū)動優(yōu)化的機制。一個值得關(guān)注的應(yīng)用是在木材廠的機器上控制壓力輥，該系統(tǒng)由美國俄勒岡州波特蘭市的Pacific Fluid Systems公司制造。
當(dāng)它們通過木材廠的電鋸時，控制器定位壓力輥，壓力輥攜帶原木、毛方木或按規(guī)格裁切的木料?？刂茐毫佉馕吨谝郧岸x的外型，緊緊地攜帶原木，并不能損壞它們。


圖1. 混合氣動解決方案


　　當(dāng)它們通過木材廠的電鋸時，傳感器——控制器——執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合定位壓力輥，壓力輥攜帶原木、毛方木或按規(guī)格裁切的木料。壓力輥的控制是按照以前定義的輪廓，緊緊地攜帶原木，并不能損壞它們。

　　由Pacific公司設(shè)計并制造的壓力輥站配置。這些典型的配置用在刨機、軋邊機、鑲邊磨機。木材直線輸送速度快到2,000 board-ft/min。根據(jù)木材的類型和速度，這些壓力輥不得不承受1,200-1,800 磅的力，當(dāng)它們通過電鋸時，阻止木材移動。圓型木材通常是6英寸的孔。

　　編程前，圓木的位置和力對壓力輥應(yīng)用非常關(guān)鍵，在更高帶寬，比例控制模式下運行，從而使圓木運動到它能減速到zui終位置的地方。然后，控制器移動到被控停止位置，并切換力到模式從而承受壓力。

Pacific 公司的工程部Tom Wells說：“編程前要求的圓木的位置和力對這個應(yīng)用非常關(guān)鍵，它允許我們在更高帶寬，比例控制模式下運行，從而使圓木切換到力模式從而承受適當(dāng)?shù)膲毫?。這極大地降低了設(shè)置時間。” 

典型的應(yīng)用是一種稱為軋邊機的機器。這個機器有一個雙壓力輥的站:一個輥輸入到電鋸，另一個輥從電鋸輸出。這個應(yīng)用證實主動阻尼算法的自動調(diào)節(jié)。 

　　Delta Computer Systems公司位于美國華盛頓州范庫弗峰市，該公司CEO Steve Nylund聲稱：“在這些技術(shù)進步的幫助下，以數(shù)量級的程度降低系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)的時間是常見的，對機器制造者和客戶來說，降低機器調(diào)試的時間是非常重要的。應(yīng)用允許機器控制設(shè)計人員實施解決方案的各種標(biāo)準(zhǔn)通信接口也有很大的幫助。” 
氣動在這種應(yīng)用的另一個好處是固有的兼容。在表面連續(xù)改變的地方，適應(yīng)偏離比其他技術(shù)更快、更有彈性。 

　　Nylund 評論說：“新伺服氣動系統(tǒng)相對于舊的‘開關(guān)’閥運動更平滑、更，這些電子式控制，比例伺服閥在配置氣動系統(tǒng)的應(yīng)用中提供更好的選擇，不太可能直接影響運動的精度。” 

　　另一個逐漸增長的創(chuàng)新是使能液壓能力運動控制。這些控制器使用位置和壓力反饋完成閉環(huán)控制。這種雙反饋控制能力允許控制器補償經(jīng)典氣動細(xì)微差別，例如，空氣熱脹冷縮和閥的非線性化。一個主動阻尼方法比以前電-氣動解決方案提供更穩(wěn)定的高性能?？刂破鳜F(xiàn)在能同時處理一到八個軸。Delta的系統(tǒng)包括允許圖形調(diào)節(jié)的控制器中的調(diào)節(jié)向?qū)? 


　　軟件里的調(diào)節(jié)向?qū)箖?yōu)化伺服氣動運動更容易，包括主動阻尼算法的自動調(diào)節(jié)的優(yōu)點。 

　　產(chǎn)品Frank Latino說：“任何應(yīng)用需要快速、涉及許多執(zhí)行機構(gòu)的運動的短沖程是一個很好的氣動例子，其他適合的應(yīng)用是在小面積內(nèi)需要高的力，點對點執(zhí)行，是否線性或回轉(zhuǎn)。” 他補充說，用戶自然想到在無火花應(yīng)用中氣動的可能性，氣動在不要求電子執(zhí)行機構(gòu)的精度的地方性價比非常高。 

　　混合控制優(yōu)化冰處理系統(tǒng) 
　　機器人和自動化設(shè)備服務(wù)公司（RAESCO）位于美國紐約Syracuse市，該公司制造冰處理設(shè)備，并提供其他機器和服務(wù)。RAESCO的機器每分鐘碼垛40袋冰。在開發(fā)機器的控制系統(tǒng)時，RAESCO公司和應(yīng)用自動化控制公司（AACI）合作，這個公司也在Syracuse市，作為控制解決方案的顧問。AACI提供使用機電和氣動技術(shù)的機器解決方案。 

　　AACI公司提供優(yōu)化機器設(shè)計的控制組件, 該公司的總Tom Swenton說：“我們合作完成一個基于RAESCO的概念的設(shè)計。” 
Swenton說：“設(shè)計從原形到生產(chǎn)經(jīng)歷一些變更，現(xiàn)在的設(shè)計實施三個電子伺服控制的軸——兩個軸用于搬運小車，一個軸用于吊車系統(tǒng)。我們能提供的這些軸，比氣動解決方案速度更高和定位更準(zhǔn)確。然而，當(dāng)它們從進給搬運小車運到整理站時，有四個運動要調(diào)整和旋轉(zhuǎn)冰袋。另外，用氣動解決方案實施, 有各種夾具和連鎖保護。對這些運動來說，這些是合理的選擇，因為它們提供更足夠的控制以及性價比更高。” 

　　RAESCO公司的總Rich Huchanski補充說：“因為當(dāng)冰袋進入整理站時，冰袋外形變化的非常大，氣動解決方案提供給我們適應(yīng)性的能力。當(dāng)真空吸頭和冰袋接觸時，使用空氣壓力測量從而使真空吸頭適應(yīng)冰袋的形狀。使用這種兼容性的適應(yīng)，我們能在它們運到貨盤之前調(diào)整冰袋一致。”機器有能力舉起高達(dá)150 磅的冰袋，但是，總的來說，貨盤中的冰袋重達(dá)300 磅。這種能力表示混合解決方案不僅能優(yōu)化許多機器的能力，也是zui高性價比的解決方案。 

　　BW Rogers公司位于美國俄亥俄州馬其頓地區(qū)，它的控制分銷商*Steve Whyte 說：“對許多機器來說，氣動解決方案由于成本因素仍是的。”他引用一個項目，在這個項目中，在檢測機器上，ITW-Akron標(biāo)準(zhǔn)使用所有氣動解決方案。Whyte說：“機電解決方案比客戶認(rèn)可的成本高很多。” 

　　因此，即使壓縮空氣的成本持續(xù)增加，氣動解決方案仍是許多機器制造者的。 

　　改進的連接 
　　Festo公司 Latino說：“以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)使在工廠自動化中應(yīng)用的氣動設(shè)備提升巨大的效率，特別是如果有很高密度的執(zhí)行機構(gòu)?？紤]到超過2，000個執(zhí)行機構(gòu)的安裝。閥島能帶多達(dá)128個閥的負(fù)載，有時會更多。這降低了總閥島的數(shù)量，但是仍有30-40個閥島。以太網(wǎng)提供帶寬在zui短時間內(nèi)實現(xiàn)訪問這些閥是可能的。” 

　　按照Latino的說法，其他的現(xiàn)場總線系統(tǒng)要求多通道或網(wǎng)絡(luò)，在硬件、調(diào)試和維護上增加的成本。除了帶寬的巨大飛躍，IT服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（web server）、文件傳輸和能提供非并行的診斷，特別是用檢測設(shè)備（Checkout Test Set ，COTS）診斷工具和媒介。 

　　Latino說，現(xiàn)在，在閥島中，集成控制使氣動功率/控制是一個更好的替代方案。他補充說：“傳感器和診斷嵌入到閥島中，系統(tǒng)診斷算法診斷總的氣動系統(tǒng)，使用以太網(wǎng)和開放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，例如OPC或工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議把這些起來，從而改進控制系統(tǒng)。” 

　　接下來是什么？ 
　　在需要高的力以及要求兼容變化負(fù)載變量應(yīng)用的場合，例如，壓力輥、冰袋應(yīng)用，氣動解決方案看起來更好。沒有證據(jù)表明在不遠(yuǎn)的將來會有變化。當(dāng)機電解決方案有時必須解調(diào)相似地行為到氣動解決方案時，一些公司更積極地集中精力做氣動解決方案。移動到?jīng)]有準(zhǔn)確定義的接口的運動控制應(yīng)用是特別真實的。 

　　其他液壓能力 
從價格和性能出發(fā)點來說，具有大的力或推力要求的機器采用既沒氣動也沒有機電解決方案的部分是現(xiàn)實的。這類機器包括沖床、折彎機、成型機、破碎機等。這些機器使用液壓實現(xiàn)要求的力來完成要求的工作很有必要。 

　　Hydra-Pneu Consulting公司位于美國印地安那州Newburgh 市，該公司總Bud Trinkel說：“在機器設(shè)計中，液壓是另一個因素，因為僅僅有一些機器設(shè)計人員有任何可用的方法，甚至更少的人理解在特定環(huán)境下怎樣應(yīng)用正確的組件。我工作的98%是液壓電路。” 
現(xiàn)在，氣動解決方案是如此常見以至許多機器設(shè)計人員能在他們的機器中毫不猶豫地選擇氣動組件。