Читать онлайн Пневматика и робототехника. О пневмо- и гидроавтоматике в мехатронике бесплатно
© Н. Н. Новиньков, 2022
ISBN 978-5-0059-2853-5
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Введение
К началу 1970-х годов в СССР была введена система стандартов ЕСКД (единая система конструкторской документации), которая положила начало и системе элементов пневмоавтоматики. Однако система условных обозначений аппаратов пневмо- и гидроавтоматики (воздухо-, гидрораспределители, управляющие ими клапаны и «пилоты») остались не охваченными системой ЕСКД. В прилагаемой таблице 1 обозначений элементов пневмоавтоматики отмечены знаком «*» те из них, на которые были выпущены в 1968—1972 годах стандарты ЕСКД. Остальные аппараты, обозначения которых приводятся в таблице, взяты из каталогов инофирм (например, германской фирмы «Бош», фирмы Parker Hannifin, США, японской фирмы «Конанэлектрик»).
Характеристику аппаратов в принципиальных схемах и технических текстах принято обозначать в виде математической дроби: 2/2, 3/2, 4/2, 5/2, 4/3, 5/3, 6/3… Числитель дроби означает число входов и выходов энергетических потоков – сжатого воздуха или гидрожидкости – условно в виде жирных стрелок, проходящих поперечно оси золотника, внутри прямоугольников или квадратов, отражающих перемену направлений этих потоков. В иностранной (немецкой, французской, англоязычной и японской) технической литературе энергетические (магистральные) каналы аппаратов распределения энергопотоков называют словом «ход», и поэтому про аппараты говорят (и пишут): «трёхходовой», «четырёхходовой» и т. д. Но, чтобы в русском переводе не путать этот термин с понятием «движение» (а не «отверстие» в корпусе аппарата), в таблице 1 о числе входов-выходов дробного обозначения аппаратов применён общепризнанный российский термин «линия», то есть «трёхлинейный», «четырёхлинейный» и т. д. аппарат. Знаменатель дробного обозначения показывает число позиций, которые может занимать золотник аппарата: 2 или 3 (хода, например: 2 – влево и вправо + третий – в среднее, нулевое положение). Торцевые (тонкие) линии, переключающие аппарат (влево, вправо или вниз-вверх) не фигурируют в дробном обозначении. Обозначение и назначение элементов схем пневмоавтоматики приведены в таблице 1.
Таблица 1 выполнена на семи листах (страницах) и имеет семь разделов: 1) трубопроводы [п. 1.2б «Перекрещивание трубопроводов» – стандартное обозначение (с волной) в сложных принципиальных схемах употреблять не рекомендуется (в этом отличие предлагаемой редакции табл. 1 от устаревших обозначений в [1] – схема окажется в виде «амурских» или «дунайских» волн, – а также кажущееся несущественным отличие в изображении стрелок энергопотоков по краям прямоугольников и квадратов – без наклона – позволило в мелкомасштабных схемах управления существенно раздвинуть параллельные линии, входящие в и исходящие из аппаратов), а соединения трубопроводов – тройники и крестовины – в современных схемах обозначают жирной точкой (показано в п. 1.2а табл. 1)]; 2) узлы подготовки воздуха; 3) распределители и клапаны (в гидравлике принято клапаны управления называть «пилотами»); 4) способы и элементы управления (согласно теории автоматического управления, этих способов всего три: путевое управление (упорами, кулачками), временно́е и по технологическому параметру); 5) пневмомуфты в поворотных многоместных устройствах; 6) логические элементы (ДА, НЕ [но не добавлять букву «Т»! ], И, ИЛИ и «память» – триггер); 7) счётные пневмоблоки.
Условия составления и «чтения» пневмо- и гидросхем:
1. Исходное состояние схемы статично. Все аппараты сохраняют положение, в котором их оставило предыдущее внешнее воздействие. Включение схемы в сеть сжатого воздуха (открыванием вентиля п. 2б табл. 1) не вносит никаких кинематических изменений в положение золотников аппаратов схемы. И лишь должностное вмешательство рабочего-оператора (или наладчика, слесаря-ремонтника) производит требуемые переключения в схеме, отличающиеся от исходного состояния (при наличии электромагнитов в аппаратах и пневмоэлектродатчиков п. 4.2 и 4.4 табл. 1 – ещё и электрика).
2. Линии, изображающие магистральные трубопроводы (жирные), в пневмо- и гидросхемах показывают примыкающими (как к корпусу аппарата) только к одному из двух (или трёх) схемных прямоугольников или квадратов (тоже жирно обведённых), соединённых в один ряд (горизонтальный или вертикальный) без просвета. Нормальнозакрытые линии, примыкающие к прямоугольнику (квадрату), ограничивают в аппарате коротким значком в виде маленькой буковки «т» (см. п. 3.2 в табл. 1). Когда горизонтально изображённый в табл. 1 аппарат в принципиальной схеме управления удобнее расположить с магистральными входами и выходами, симметрично показанными в таблице (симметрично вокруг горизонтальной оси золотника), то буковка «т» оказывается перевёрнута «вверх ногами» или повёрнута набок в вертикальном варианте изображения аппарата. И этот же значок (т) может оканчиваться знаком перекрытого выхода из аппарата в атмосферу – незакрашенным треугольничком (в пневматике, п. 1.4б табл. 1) и неперекрытого – как в п. 3.1 и др. в табл. 1.
3. Выход из аппарата, закрытый пробкой, обозначается короткой жирной линией, оканчивающейся знаком умножения, п. 1.5а в табл. 1). Ввод в аппарат сжатого воздуха показывают короткой магистральной (жирной) линией, начинающейся из вершины незакрашенного равностороннего треугольничка (п. 1.3 табл. 1) [в гидросхемах – равносторонний треугольничек – закрашенный]. Внутри прямоугольников (квадратов) магистральные потоки показывают жирными стрелками (п. 3 табл. 1 и др.). К какому из прямоугольников (квадратов) двухпозиционных золотников аппаратов в схеме статического положения должны быть присоединены магистральные трубопроводы-линии? Ответ: только к одному, на торец которого есть или было (и аппарат это «помнит») воздействие сжатого воздуха либо есть постоянное воздействие пружины или подпор сжатого воздуха (п. 3.1, 3.2, 3.7 и 4.1.2б табл. 1, где он действует с торца аппарата) (подпор – это «пружина», которая никогда не разрушается от «усталости»). Его показывают отведённым от тройника снаружи аппарата через пневмосопротивление (на самом деле – поперечное миллиметровое сверление в золотнике в отсеке подвода сжатого воздуха в «большое» сверление со стороны его малого торца, то есть малого прямоугольничка, пририсованного к торцу аппарата на схеме). Для трёхпозиционных аппаратов в статическом положении входы и выходы магистральных трубопроводов показывают присоединёнными только к среднему прямоугольнику. А в малых прямоугольничках управления аппаратом, показанных слева и справа трёхпозиционного аппарата, содержится знак воздействия (электромагнит в виде поперечной косой линии или незакрашенный треугольничек пневмоуправления). Над ними показывают обозначения пружин (в виде горизонтальной «молнии»), удерживающих аппарат в среднем статическом положении.
4. «Поезд» из двух (реже – трёх, как, например, на рис. 3) «вагончиков» -прямоугольников, изображающих пневмо- или гидрозолотник, тронется из исходного состояния (корпус аппарата, который не показывают в схемах, и примыкающие к нему линии-трубопроводы – как вокзал, входы и выходы которого остаются на месте) до следующей станции (позиции), только если в одну торцевую линию (слева или справа) управления им поступит «сигнал» – сжатый воздух. Электромагнитом или рычагом, кнопкой, педалью переключают вручную (как на рис. 3) или ногой (п. 4.1.1б табл. 1). При этом противоположная ей линия управления (по оси золотника) должна (рис. 1) иметь выход в атмосферу (п. 1.4 табл. 1) через другой аппарат (один или несколько). Это самое главное условие работоспособности схемы! [Мнемонически «атмосфера» в пневматике (незакрашенный треугольничек) то же самое, что «масса» в электросхемах постоянного тока]. Однако такое заранее предусмотренное тупиковое противодействие с противоположной стороны золотника преодолевается за счёт применения дифференциального аппарата (п. 3.6 табл. 1), у которого, например, правый торец золотника имеет площадь «поршня» в 1,5—2 раза больше левого. Эту разницу обозначают с меньшей стороны площади торца золотника дополнительным прямоугольничком, вдвое меньшим большого прямоугольника-«вагончика», к которому он жирно пририсован. Ручные (и ножные педальные) переключатели по своей сути являются дифференциальными, так как для их переключения необходимо преодолеть действие пружины или/и подпор сжатого воздуха (п. 4.1.2, п. 6 табл. 1 и рис. 1 из рекламного проспекта выставки «Станки США – 74»).
5. Не рассматривается конструктивное устройство аппаратов пневмоавтоматики и гидравлики (как у Норберта Винера в «Кибернетике»), за исключением особых случаев, как и монтажные схемы. Например, очень важный вопрос размещения пневмо- и гидроаппаратов на панелях с использованием «притычного» их монтажа. В массовом производстве для замены неисправного аппарата недопустимо создавать простои на отвинчивание-привинчивание магистральных и управляющих трубопроводов. Притычный монтаж на приборной панели по отверстиям или овальным «окнам» с уплотнениями в случае какой-то неисправности отнимает время только на отвинчивание (и привинчивание) четырёх, а то и двух-трех винтов крепления аппарата, а все схемные соединения выполняют конструктивно внутри панели.
6. Целью автоматизации технологических процессов средствами пневмо- и гидроавтоматики является экономия «живого труда», то есть нормы времени (в зарплате основных производственных рабочих) по сравнению с прошлым трудом (стоимостью), затраченным на создание пневмо- и гидросистем, предназначенных для усиления человеческих способностей Примером абстрактной пневмогидросхемы может послужить схема из упомянутого рекламного проспекта выставки «Станки США – 74» (рис. 1). Особенностью схемы является то, что узел подготовки воздуха в американской схеме показан с фильтром в виде поперечной пунктирной линии, а регулятор давления и смазочный клапан – в общем прямоугольнике с фильтром-кружочком в середине, косо перечёркнутым регулировочной стрелкой.
Рис. 1. Авторизованная копия абстрактной пневмогидравлической схемы
с рекламного проспекта фирмы США Parker Hannifin GMBH NMF
«Полная пневматическая и гидравлическая программа» (С выставки
«Станки США-74» в Москве – Bulletin‒0094‒B3); а) гидравлический
контур, б) пневмогидравлический контур.
Часть первая.
Простая пневматика
1.1. Пневмопривод и пневмогидропривод в простой пневматике
Технический прогресс доказал, что современный колёсный транспорт (рельсовый и безрельсовый) немыслим без быстродействующего пневмопривода как в тормозных системах, так и в открывании и закрывании дверей в пассажирском транспорте. Но более всего пневмо- и пневмогидропривод используется в оборудовании и технологической оснастке в различных отраслях производства при его механизации и автоматизации. При этом решение задач механизации зачастую осуществляется при помощи чисто пневматических систем автоматического управления, без вмешательства в электросхемы основного оборудования. Такому невмешательству способствует использование таких же принципов построения систем пневмоуправления, что и в электроуправлении.
В пневмо- и гидросхемах чаще всего исполнительные механизмы и их приводы показывают как в станочных кинематических схемах (по ЕСКД) условно, обозначая приводы поступательного хода в виде поршневых цилиндров (рис. 2а и 2б) в горизонтальном, вертикальном или наклонном положении. Короткоходные цилиндры используются чаще всего в зажимных механизмах технологической оснастки, а длинноходные – транспортные – в оборудовании. Приводы вращательного движения с неограниченным ходом (пневмотурбинки и гидромоторы) в схемах управления изображаются в виде окружности, к которой примыкают горизонтально диаметрально противоположные магистральные трубопроводы (жирные линии), оканчивающиеся обращёнными вершиной внутрь окружности треугольничками: незакрашенными, если трубопроводы пневматические, и закрашенными, если трубопроводы гидравлические. Вращательные приводы с ограниченным ходом (лопастные) показывают на схемах в виде полуокружности выпуклостью вверх, со сплошной горизонтальной линией диаметра, к которому на равном расстоянии от центра дуги полуокружности примыкают магистральные трубопроводы, оканчивающиеся обращёнными внутрь полуокружности вершинами треугольничков – соответственно закрашенными или незакрашенными.
Рис. 2А. Схемный пример элементов пневмоуправления сварочной
машиной типа МТ, содержащий отечественное обозначение элементов
узла подготовки сжатого воздуха).
Рис. 2Б. Разрез А-А: 12 – ручной пневмоклапан «НЕ» (ручной пневмокран переключения пневмоцилиндра на увеличение зазора между
электродами), 13 – контр-гайки (барашковые) регулирования
размера зазора).
В качестве примера (почти) чисто пневматической схемы управления на рис. 2а приведена пневмосхема стационарной точечной сварочной машины типа МТ. Она содержит: вентиль 1, фильтр-влагоотделитель 2, редукционный клапан 3 понижения сетевого давления сжатого воздуха до требуемого технологического, манометр 4, маслораспылитель 5 (лубрикатор, подающий жидкую смазку в пневмосистему в виде масляного тумана) [в слесарном просторечии узел из элементов 2, 3 и 4, 5, соединённых двумя короткими патрубками, называют «гребёнка» (с тремя зубцами)] н ресивер 6 – аккумулятор отредуцированного на заданное давление сжатого воздуха, электропневмоклапан 7, состоящий из сервисного электропневмоклапана- переключателя 3/2 магистрального воздухораспределителя 5/2, выходы которого гибкими шлангами большого проходного сечения связаны с полостью рабочей подачи двухпоршневого пневмоцилиндра 8 сжатия и полостью холостого хода электродов машины. В гибкие шланги вмонтированы регуляторы скорости хода (п. 4.3.3б табл. 1) 9 рабочего поршня 10. Причём каждый регулятор дросселирует с торможением выхлоп отработавшего сжатого воздуха, а рабочий его поток свободно поступает в пневмоцилиндр через обратный клапан (как бы оттолкнув в обозначении клапана от угольничка кружочек-шарик); в отличие от рис. 1 (как в устаревшей схеме) в современных условных обозначениях обратных клапанов пружину не показывают (она подразумевается). Чем меньше зазор между сварочными электродами, тем больше частота сварок (и выше производительность машины – по паспорту до 400 точек в минуту), но для деталей (штамповок) со «швеллерным» поперечным сечением нужно открыть зазор так, чтобы полка «швеллера» (на самом деле чаще всего это отштампованная на 90° отбортовка) свободно проходила под верхний электрод. Для этого и предусмотрен верхний второй (сервисный) поршень 11, полый шток которого соединён гибким шлангом с верхним регулятором скорости 9, а полость цилиндра над поршнем 11 соединена сквозным образом по схеме «НЕ» ручным пневмокраном (3/2) 12 с давлением сжатого воздуха из ресивера 6. Чтобы увеличить зазор между электродами, достаточно ручку пневмокрана 12 сдвинуть вправо. Поршень 11 поднимется вверх, а вместе с ним и поршень 10, потому что полость 8 соединится с атмосферой. Когда «швеллерную» отбортовку сдвинут в большой зазор, ручку пневмокрана 12 возвращают в исходное положение влево [знак апострофа означает подпружиненный фиксатор, шарик которого западает в одно из двух гнёзд, обозначенных знаком «w» на штоке золотника крана 12], и после сварки первой точки поршни 11 и 10 сначала опускаются вместе, но сервисный останавливает гайка 13 на полом штоке, а поршень 10 своим штоком сжимает свариваемые детали. При холостом ходе поршня 10 зазор между электродами оказывается минимальным. Выхлоп отработавшего сжатого воздуха сопровождается резким шумом (свыше 80 ДБ, что недопустимо по нормам техники безопасности). Поэтому выходы из воздухораспределителя 7 в атмосферу обязательно снабжают глушителями шума 14 (п. 4.3.2б табл. 1). На рис. 2б в виде разреза А—А крупно показан двухпоршневой цилиндр стационарной точечной машины МТ.
1.2. Пример управления пневмоцилиндрами ручным пневмокраном
В таблице 1 элементов пневмоавтоматики (п. 3.5) показан, например, ручной пневмокран 6/3 – шестилинейный трёхпозиционный воздухораспределитель управления двумя далеко разнесёнными цилиндрами (рис. 3). Такие аппараты могут быть использованы в случаях, которые удобнее всего пояснить на графиках последовательности. Рабочий должен сначала на длинномерной (базовой) детали уложить и пневмоцилиндром Ц1 прижать одну деталь, произвести технологическую операцию, а потом выполнить её на другой детали (удалённой от первой), закрепив аналогично пневмоцилиндром Ц2. Пневмораспределитель 6/3 Р расположен посередине приспособления (положение «0» между РА и РБ), на котором зафиксирована базовая длинномерная деталь. На графике (рис. 3а) переключения рычага (влево, «от себя») воздухораспределителя Р почти вертикальным жирным косым отрезком показано «начало» (слева вверх направо под углом ~15°) от нулевой строки РА (от ноля до единицы по булевой алгебре). От его верхнего конца проводим тонкую вертикаль до пересечения с нулевой строкой Ц1, и от этой точки проводим жирную пологую линию под углом ~30° до оголовка графика (то есть опять от ноля до единицы), условно отражая промежуток времени рабочего хода Ц1. Время «выстоя» – жирная горизонтальная линия – это якобы время технологической операции (в нашем графике оно не отражено). Мимоходом к дальнему концу изделия, окончив первую часть технологической операции, рабочий переключает ручку воздухораспределителя РА в среднее положение «0». От конца линии хода Ц1 на графике проводим тонкую вертикаль вниз до нулевой строки Ц2, и от этой точки делаем короткий, почти вертикальный отрезок слева вниз направо (симметрично отрезку «начало»). Эти два почти вертикальных отрезка замыкают равнобокую трапецию жирной горизонтальной линией «выстоя» РА. От второй боковой линии этой трапеции с нулевой линии РА вверх проводим тонкую вертикаль до оголовка графика и от точки их пересечения проводим вниз до нулевой линии Ц1 жирную линию его холостого хода, симметричную линии рабочего хода.
Рис. 3. Ручное управление двумя пневмоцилиндрами воздухораспределителем Р 6/3 в трёх положениях: исходном (нулевом) и а) цилиндром Ц1;
б) цилиндром Ц2.
Вершины двух симметричных пологих жирных линий (рабочего и холостого ходов цилиндра) соединяем горизонтальной жирной линией. Так образовались две равнобокие трапеции графика. Схема вернулась в исходное положение «0» (оба цилиндра со штоками, убранными холостым ходом). Переключение воздухораспределителя РА влево, естественно, не могло изменить исходное состояние цилиндра Ц2 (он на дальнем конце изделия). Окончание всей операции начинается с «начала» (рис.). Только теперь рабочий переключает ручку Р из среднего положения «0» вправо (на себя), и левый прямоугольник воздухораспределителя РБ занял положение среднего. График показывает, что теперь в работе не принимает участия цилиндр Ц1.
1.3. Регулирование скорости пневматических и гидроприводов
При подаче изделия транспортным пневмоцилиндром в зону обработки оно, будучи незакреплённым, может в конце хода опрокинуться и деформироваться, или может произойти недопустимый удар пневматическим зажимным устройством по чисто обработанному изделию. А уменьшение скорости на всей длине хода транспортного цилиндра нерационально из-за снижения производительности оборудования. Требуется регулировка скорости их хода, например, дросселированием потока сжатого воздуха.
Применяется два типа регуляторов скорости потока (п. 4.3.3 табл. 1) наружного регулирования пневмоприводов: на выходе в атмосферу выхлопа из воздухораспределителя (п. 4.3.3а) [нередко после глушителя шума (п. 4.3.2б)] между воздухораспределителем и пневмоприводом (п. 4.3.3б и рис. 2а). В последнем случае используется блок параллельно соединённых элементов: обратного клапана и дросселя (регулируемого пневмосопротивления). Обратный клапан свободно пропускает поток сжатого воздуха с выхода воздухораспределителя (на схеме маленькая окружность – шарик клапана – обращена к пневмоприводу), но закрывается выхлопом, который может выходить из пневмопривода только через регулируемый дроссель, чем в полости холостого хода создаётся тормозное противодавление. [На схемах пневмогидроуправления пневматический дроссель изображается в виде двух встречных тупых уголков (коротких расходящихся лучей), вершины которых почти прикасаются к линии потока, и косо перечёркнутых короткой «регулировочной» стрелкой (показано на рис. 4.3.3 табл. 1). Однако упоминаемая таблица 1 «Элементы пневмоавтоматики» не может показать изображение гидродросселя, который примыкает к линии потока не встречными тупыми уголками, а двумя встречными небольшими выпуклостями дуг (например, R7—8 мм, как в табл. 1 п. 1.5б), также косо перечёркнутыми короткой регулировочной стрелкой (см. в начале гидравлического контура пневмогидросхемы на рис. 1).]
1.3.1. Торможение в конце хода пневмоцилиндра
На рис. 4а приведён простой пример наружного регулирования скорости транспортного пневмоцилиндра в конце хода с применением на штоке кулачка 2 и путевого 3 клапана 5/2. Когда воздухораспределитель 1 переключают влево, до нажатия кулачком 2 выхлоп из правой полости цилиндра происходит через дроссель 4 с постоянным торможением в пути (постоянной «уставкой» – в отличие от рис. 2а и п. 4.3.3б табл. 1 на рис. 4а тормозные пневмодроссели, как в п. 4.3.3а табл. 1, присоединены к выходам 4 и 5 клапана 3), а в конце пути, с момента переключения клапана 3 кулачком 2, выхлоп задерживается уже дросселем 5 (с другой, но тоже постоянной «уставкой»), создающим тормозное замедление хода в конце пути. Идеальный случай плавного торможения показан на графике рис. 4б пунктирной кривой. В реальности затухание снижения скорости пневмоцилиндра в конце пути может происходить с амплитудными колебаниями.
На рис. 4в приведён пример внутреннего тормозного устройства. В крышке 1 пневмоцилиндра выполнена цилиндрическая полость 2, в глубине которой имеется отверстие большого проходного сечения выхлопа из штоковой полости цилиндра, а на штоке у поршня имеется цилиндрический выступ такого же диаметра, как и полость в крышке, с заходной фаской и уплотнением 3. Когда в конце быстрого хода выступ 3 входит в полость 2, для выхлопа остаётся только отверстие 4, проходное сечение которого регулируется дросселем 5 (с постоянной уставкой), что резко увеличивает противодавление в штоковой полости цилиндра, и только в конце хода уменьшается его скорость (см. пик противодавления при торможении в конце хода на графике рис. 7б).
Рис. 4. Управление скоростью хода пневмоцилиндров:
а) внешнее торможение с использованием ручного воздухораспределителя (5/2), торможения в конце пути;
б) график затухания скорости хода пневмоцилиндра
с торможением в конце пути, в) устройство внутреннего
торможения скорости в конце пути.
1.4. Три автономных способа пневмоуправления: путевое (управление кулачками, упорами), временно́е, управление по технологическому параметру (+ четвёртое, смешанное)
Возможность автономного пневмоуправления чисто пневматическими средствами позволяет присоединять к электрифицированному оборудованию пневматизированную оснастку и пневмогидравлические устройства без конструкторского вмешательства в имеющиеся схемы управления оборудованием.
1.4.1. Управление в функции пути
Управление в функции пути является самым надёжным способом управления. Выполнение последующих переключений возможно лишь с окончанием предыдущего по ходу цикла действия исполнительного механизма, давшего об этом «сигнал» (импульс сжатого воздуха). Любые непредвиденные его остановки без сигнала от путевого (конечного) пневмопереключателя прекращают продолжение работы элементов схемы (см. п. 4.1.2 табл. 1). Кулачки, упоры размещают на исполнительном механизме рядом с переключательным аппаратом. Но на принципиальных схемах путевые (конечные) пневмопереключатели-клапаны (и «пилоты» в гидравлике) нередко изображают упрощённо со стороны торцов цилиндров. Их условно переключает поршень.
На рис. 5а приведена схема полуавтоматического путевого управления пневмоцилиндром Ц. Рабочий-оператор нажатием кнопки 3/2 К перемещает вниз верхний квадрат золотника, и сжатый воздух проходит к правому торцу воздухораспределителя 4/2 Р. Сразу зрительно убедимся, что его левый торец через клапан 3/2 К1 соединён с атмосферой по прямой вертикальной стрелке клапана (он не переключён). Золотник распределителя Р перемещается влево, в перекрёстную позицию. Из магистральной трубы сжатый воздух по стрелке слева вверх направо поступает в правую полость цилиндра, а левая соединена с атмосферой через распределитель Р по стрелке слева вниз направо. Цилиндр Ц делает ход влево и в конце хода переключает клапан К1. Сжатый воздух по его косой линии справа вниз налево возвращает распределитель Р в исходную позицию (оператор давно снял руку с кнопки К, и пружина вернула кнопку вверх – правый торец распределителя Р соединён с атмосферой). Поршень цилиндра начинает ход вправо, и пружина возвращает клапан К1 в исходную позицию. Цилиндр Ц также приходит в исходную позицию. Цикл работы по полуавтоматической схеме путевого управления завершён.
Рис. 5. Управление циклом работы пневмоцилиндра в функции пути:
а) полуавтоматического цикла, б) автоматического повторения циклов
Схема рис. 5б предназначена для автоматического повторения циклов работы цилиндра Ц (схема «дворник»). Для этого в схему добавлен ещё один путевой пневмоклапан 3/2 К1, исходно прижатый поршнем (помним об условном воздействии поршня цилиндра на путевые переключательные клапаны), и пневмоклапан ручного переключения 3/2 К. Оператор-многостаночник один раз переключает вперёд ручку клапана К (фиксатор-апостроф западает в правое треугольное гнездо w – см. п. 4.1.3а табл. 1). Сжатый воздух от прижатого (поршнем) клапана К1 проходит по косой линии правого квадрата ручного пневмоклапана К справа вниз налево и переключает влево, в перекрёстную позицию, воздухораспределитель 4/2 Р (левый торец которого соединён с атмосферой через непереключённый клапан К2). Цилиндр Ц делает рабочий ход, отпуская влево (пружиной) пневмоклапан К1, и в конце пути переключает клапан К2, который по косой линии правого квадрата переключает сжатым воздухом обратно распределитель Р (видим, что правый торец распределителя Р соединён с атмосферой через переключённый ранее ручной пневмоклапан К и К1). Теперь цилиндр делает холостой ход и в его конце переключает путевой клапан К1, преодолевая усилие пружины, в исходное положение. Ручной переключатель К, оставаясь переключённым влево, автоматически возобновляет работу схемы.
1.4.2. Управление в функции времени
(временно́е управление)
Управление в функции времени может осуществляться двумя способами: а) с помощью командоаппаратов, кулачковые валы которых вращаются с постоянной угловой скоростью (число оборотов электродвигателя постоянно). Путевые пневмоклапаны по заданной кулачками программе переключают воздухо- или гидрораспределители, например, в гидроматиках ([3], стр. 293); б) с помощью пневматических реле времени.
Пневматические реле времени подобны электронным. Принцип их работы состоит в том, что используется задержка выдачи пневмосигнала на время заполнения сжатым воздухом регулируемого объёма ресивера (аналог – электрическая ёмкость) или его (воздуха) выпуска через дроссель (малое отверстие) к объекту управления (п. 4.5 табл. 1).
На рис. 6а показан пример пневматического реле времени для задержки пневмоцилиндра Ц на 2 с в рабочем положении. Работает схема следующим образом. Кнопкой 3/2 К переключают влево воздухораспределитель 4/2 Р, левый торец которого соединён в исходном положении с атмосферой через переключатель 5/2 П реле времени РВ (см. п. 4.5а табл. 1).
Рис. 6. Управление в функции времени: а) пневмосхема задержки
остановки пневмоцилиндра, б) график последовательности работы
элементов схемы с остановкой на время t.
Цилиндр Ц делает рабочий ход и в конце пути переключает путевой пневмоклапан 3/2 К1. Сигнал с его выхода раздваивается: по линии 1 он поступает на подпружиненный левый торец дифференциального переключателя 5/2 П, но не вносит в его положение изменения, а по линии с демпфером 2 – через фильтр 3 и сопротивления 4.1 и 4.2 – в ресивер С (переменную ёмкость).
Задержка переключения реле времени РВ происходит на время, необходимое для заполнения сжатым воздухом переменной ёмкости «С». Линия 5 ответвляется от линии, соединяющей фильтр 3 с сопротивлением 4.1. Она подключена к правому (большому) торцу переключателя П реле времени РВ. Казалось бы, что сигнал от клапана К1 должен через линию 5 несвоевременно создать усилие на большом торце переключателя П, способное переключить его, но этого не происходит, так как сигнал дросселируется (задерживается) сопротивлением 4.1. Переключение клапана П происходит лишь после заполнения через дроссель 4.2 сжатым воздухом ресивера «С», то есть через заданное время t. С переключением клапана П на левый торец распределителя Р поступает сигнал (давление от реле времени), и он возвращается в исходное положение. Цилиндр Ц делает ход в обратном направлении и в самом начале пути отпускает клапан К1. Вход 1 и линия 5 реле времени соединяется с атмосферой, и пружина возвращает клапан П в исходное положение ещё до окончания хода цилиндра Ц.
1.4.3. Управление по технологическому параметру
(в функции давления)
Управление в функции давления в пневмо- и гидросистемах применяют в двух случаях: а) когда необходимый контроль начала технологической операции связан с достижением требуемого статического усилия от срабатывания пневмореле давления (РД); б) когда контроль хода цилиндров в функции пути невозможен или нецелесообразен – например, когда окончание хода нескольких одновременно срабатывающих цилиндров достаточно контролировать (см. п. 4.3.1 табл. 1 и гидравлический контур в схеме рис. 1) одним клапаном последовательности (в гидравлике – клапаном очерёдности). На рис. 7 показана простейшая схема с управлением в функции давления, аналогичная схеме на рис. 5а, в которой путевой пневмоклапан К1 заменён на клапан последовательности КП. Задачей клапана КП является подача с его выхода к левому торцу воздухораспределителя Р сигнала об окончании рабочего хода цилиндра Ц. Принцип работы клапана последовательности объясняет график на рис. 7б.
Рис. 7. Управление по технологическому параметру – в функции давления: а) с примененением клапана последовательности, б) график изменения давления в штоковой pр и бесштоковой pх полостях пневмоцилиндра,
в) график последовательности работы элементов схемы и переключения клапана последовательности при остановке пневмоцилиндра.
В момент времени, соответствующий началу координат «0» графика, рабочее давление pр цилиндра равно атмосферному, а давление в холостой полости равно pmax, то есть тому давлению, которое подведено к воздухораспределителю Р. С переключением воздухораспределителя Р влево (это возможно, так как его левый торец соединён через КП с атмосферой – его вертикальная стрелка смещена влево от линии питания сжатым воздухом к выходу в атмосферу). Значения величин давлений в полостях цилиндра быстро меняются, но поршень не может сдвинуться с места в течение времени t1 (подготовительный период). Трогание с места начинается, когда давление pр станет больше давления px на величину дельта p1. Во время t2 хода цилиндра давление в холостой полости понижается на величину дельта p1> px. Когда шток поршня дойдёт до упора, давление в рабочей полости pр быстро начнёт возрастать до заданного технологического параметра pmax, переходя значение pпик, а давление в холостой полости падает до атмосферного.
Клапан последовательности имеет регулируемую пружину, настроенную на давление дельта p2, подводимое от контролируемой полости цилиндра. Пружина срабатывает на графике в промежутке дельта p2, чтобы избежать ложного сигнала. К клапану последовательности подводят подпор (питание) сжатого воздуха, и с той же стороны имеется выход в атмосферу, а со стороны регулируемой пружины подводят подпор от холостой полости цилиндра, где пока давление равно атмосферному. С линии, противоположной пружине, сделан вход от контролируемой рабочей полости цилиндра.
Параметр давления очень важен в контактной электросварке как технологический фактор, особенно в шовной (роликовой) сварке [как «роликовая» – вопреки стандарту, по которому в маркировке МР буква «Р» обозначает «рельефная» сварка, а не «роликовая», – более известная из-за рабочего инструмента – прижатых пневматически друг к другу вращающихся электродов-роликов]. Сварочный ток и вращение роликов должны включаться только тогда, когда в рабочей полости пневмоцилиндра их сжатия достигается соответствующее технологии давление (то есть усилие сжатия роликов) заданного значения.
В электросхеме сварочной шовной машины (МШ) предусмотрен электропневматический датчик – реле давления (РД – п. 4.4.1 табл. 1). Примером управления по технологическому параметру (по величине давления сжатого воздуха) может служить смешанная пневмосхема к приспособлению для продольной шовной сварки (с герметичным раздавливанием кромок вместо пайки) обечаек горловин топливных баков (рис. 8). Особенностями приспособления являются применение реле давления и горизонтальное расположение двухпоршневого пневмопривода (как на рис. 2б; см. также: Новиньков Н. Н., Бобринский Н. Ю. А. С. №336119 – Б. И. №14, 1972).
Рис. 8. Пример пневмосхемы управления в функции технологического
параметра (давления сжатого воздуха) при контактной шовной сварке с применением реле давления.
Работу этой смешанной пневмосхемы удобно проследить по графику последовательности её элементов (рис. 9). Рабочий-оператор укладывает обечайку 1 на призму 2 и запирает её шарнирно-рычажным фиксатором (не показан). Затем обеими руками нажимает на пневмокнопки К безопасного пульта пневмоуправления (Новиньков Н. Н. и др. А. С. №298 765. Б. И. №11, 1971) двумя зажимными цилиндрами Ц1. (Если оператор снимет хотя бы одну руку с кнопок К, цилиндры возвратятся в исходное положение.) Импульс сжатого воздуха от кнопок К переключает клапан К1 (логический перехватчик «ИЛИ» – п. 6.3.2 табл. 1), проходит через нормально открытый клапан НЕ («стоп») и переключает дифференциальный воздухораспределитель Р1 вправо. Цилиндры Ц1 зажимают изделие, обеспечивая заданную нахлёстку (1—2 мм). Окончание хода цилиндров Ц1 контролируется с двух сторон путевыми пневмоклапанами К2 и К3, последовательно подключёнными к питанию сжатым воздухом от непереключённого электровоздухораспределителя ЭРП (п – приспособления). Когда оба цилиндра Ц1 переключат путевые пневмоклапаны К2 и К3, от них проходит пневматический сигнал «изделие зажато» (через непереключённый ЭРП). Оператор снимает руки с пневмокнопок К, так как теперь воздухораспределитель Р1 автоматически удерживается перехватчиком «ИЛИ» (К1) в переключённом положении. Далее работа схемы управления переходит в автоматическую фазу. Тот же пневматический сигнал от К3 через тройник 4 переключает влево воздухораспределитель Р2 (большой торец которого через непереключённый ЭРП соединён с атмосферой). При этом поршень П1 цилиндра Ц2 перемещает ползун 3 с изделием 1 в позицию начала сварки, контролируемую электровыключателем ВК1 (который заменяет в электросхеме машины МШП педаль её включения), – до упора в поршень П2 (имеющего подпор сжатого воздуха от непереключённого путевого пневмоклапана Р3. От ВК1 срабатывает электровоздухораспределитель ЭРМ (машины), который включает сварочный ток только тогда, когда включится реле давления РД, отрегулированное на заданную уставку давления сжатого воздуха в цилиндре ЦМ машины при опущенном на изделие 1 верхнем ролике. Опускание верхнего (сварочного) ролика на изделие 1 заканчивается переключением путевого воздухопереключателя Р3. Происходит выхлоп сжатого воздуха из-под поршня П2. Поршень П1 совместно с поршнем П2 цилиндра Ц2 делает рабочую сварочную подачу изделия. Окончание сварки контролируется конечным электропереключателем ВК2, который выключает сварочный ток, но затем включается электроводухораспределитель ЭРП и одновременно выключается ЭРМ. Через тройник 4 и «перехватчик ИЛИ» (К1) большой торец воздухораспределителя Р1 соединяется с атмосферой, и подпор сжатого воздуха с малого торца возвращает его в исходное положение.
Рис. 9. График последовательности элементов пневмоэлектроуправления
к рис.8.
Зажимные цилиндры Ц1 открываются. Одновременно возвращаются в исходное положение и воздухораспределители Р2 и Р3. Поршни П1 и П2 цилиндра Ц2 занимают исходное положение, проскакивая ВК1 и выводя ползун 3 со сваренным изделием в позицию загрузки-выгрузки. В конце холостого хода ползун 3 выключает конечный электровыключатель ВК3, отключающий электровоздухораспределитель ЭРП. Схема управления готова к новому циклу.
Недостатком управления в функции давления является вероятность ложной команды в случае аварийной остановки цилиндра в некотором среднем положении (например, при заедании), что может повлечь за собой несвоевременное повышение давления и выдачу сигнала от клапана последовательности (или электрореле давления) на срабатывание других элементов схемы, ведущее к нарушению графика последовательности цикла (например, к прожогу герметичного сварного соединения) и даже к травмам.
Примером практического применения клапанов последовательности может послужить чисто пневматическая схема управления пневматическим спутником короткой автоматической линии шестироликовой сварки внутреннего шкафа бытового холодильника на рис. 10 [1, стр. 44—45 (Новиньков Н. Н., Тиль Б. Л. А. С. №269782. Б. И. №15, 1970)]. Спутников три: один на позиции «загрузка» (сборки изделия), второй – на позиции «шестироликовая сварка», а третий – освободившись от готового изделия – приходящий по горизонтальной прямоугольной траектории за «спиной» сварочной машины (те же авторы: А. С. №234219. Б. И. №3, 1969) – на позиции «ожидание». Каждый спутник снабжён ресивером и четырёхлинейной платой А (рис. 11) с каналами-линиями: «0» – подпитки ресивера сжатым воздухом (компенсации выхлопов в атмосферу из аппаратов управления и случайных утечек из ресивера), линия «1» – прямой связи с блоком «память» от двуручного безопасного пульта К1 (на позиции «загрузка» – рис. 11), линия «2» – отрицательной обратной связи (сигнала «обе руки с К1 можно снять»), линия «3» – подачи охлаждающей воды (подключается только на позиции «шестироликовая сварка») – удерживается в спутнике гидравлическим обратным клапаном ОК2. Чисто пневматической схема на рис. 10 является для спутника, перемещаемого между позициями автоматической линии.
При перемещении спутника все входы его платы «А» соединены с атмосферой. Линия «0» сделала выхлоп, но сжатый воздух в ресивере закрыт обратным пневмоклапанном ОК1, а охлаждающая вода – заперта от линии 3 (закрашенный треугольничек и упомянутый выше гидроклапан ОК2).
Рис. 10. Пример использования клапанов последовательности в автономной «чисто пневматической» пневмосхеме спутника автоматической
линии.
Рис. 11. Пример смешанного управления в пневмо-электрической
и гидросхеме охлаждения токопроводящих частей спутника в рис.10.
Как только состоялся выхлоп из линии «0», подпор 9 (из ресивера) переключил пневмоклапан К3 влево (показано), сделав выход «2» нормально закрытым. Цилиндры Ц1 ещё до отправки спутника к позиции шестироликовой сварки оказались в рабочем положении (нахлёсткой прижимают обе крышки к П-образной обечайке шкафа), так как воздухораспределитель Р1 ещё на позиции «загрузка» переключился вправо. Через блок пневмоклапанов «память» (пневмотриггер) от выхода пневмоклапана последовательности КП1 прошла команда держать его в переключённом положении [сигнал с выхода пневмоклапана К4, пневмоклапан К5 («ИЛИ») переключил пневоклапан «И» (п. 6.3.2 табл. 1), с выхода которого по линии 5 (положительной обратной связи) произошёл «перехват» сигнала от КП1 «на память» (как на рис. 9) к большому торцу пневмоклапана «И», и сжатый воздух (13) через пневмоклапан «НЕ» прочно (независимо от дорожно-транспортных «возмущений») держит включённым пневмоклапан «И» в положении «память», пока после операции «сварка» спутник ни начнёт перемещение к позиции технологической линии «разгрузка»]. «Поезд» из двух спутников – один со сваренным шкафом и второй [после опускания вниз двух плат «Б» (рис. 11)] с подсобранными деталями для сварки – делает ход на шаг между позициями автоматической линии. По пути хода спутника из сварочной машины пневмоклапан «НЕ» (как путевой) в пневмоблоке «память» наезжает на длинную линейку-упор «разгрузка», которая (на рис. 10) переключает его вверх. Давление сжатого воздуха с большого торца пневмоклапана «И» снимается, и он переключается вправо (показано). Линии 4 и 5 соединяются через переключённый пневмоклапан «НЕ» с атмосферой. Положительная обратная связь распадается. Подпор сжатого воздуха (14 – от ресивера) возвращает пневмоклапан «И» в исходное положение (показано). Большой торец воздухораспределителя Р1 соединяется с атмосферой, и он переключается влево (показано). Зажимные цилиндры Ц1 ещё до остановки спутника на позиции «разгрузка» открываются. Рабочая линия с выхода пневмоклапана последовательности КП1 оказывается соединённой с атмосферой (через сам клапан КП1) под действием пружины. Окончание открывания зажимных цилиндров Ц1 переключает пневмоклапан последовательности КП2. С его выхода проходит команда к малому торцу воздухораспределителя Р2. [Вннимание! Его левый большой торец соединён с атмосферой через неприжатый пока путевой пневмоклапан К6 на спутнике.] К моменту остановки «поезда» на позиции автоматической линии «разгрузка» механическая рука впустила в две свои «ладони» приподнятый готовый шкаф, снимает его со спутника и опрокидывает вниз дном (задней стенкой внутреннего шкафа изделия) за пределы автоматической линии. Освобождённый от изделия спутник (даже не опустив Ц2