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氣動(dòng)解決方案在機器控制設計中的應用
對機器設計人員來(lái)說(shuō)，伺服氣動(dòng)系統的引用意味著(zhù)新的氣體力學(xué)，這種系統嚴格保留了電子伺服驅動(dòng)優(yōu)化的工作機制。
很久以前，出現了機器自動(dòng)化尖端機電解決方案的領(lǐng)域，許多工業(yè)OEM傾向氣動(dòng)解決方案。在某些機器領(lǐng)域，設計人員很少有性?xún)r(jià)比高的機電解決方案，他們更傾向于氣動(dòng)閥、汽缸執行機構、電機等的簡(jiǎn)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(gè)設計中。但是,當涉及機器性能要求時(shí)，機器制造商為了有競爭性，不得不采用替代解決方案。對更尖端的應用，有必要采用機電解決方案�，F在，對更復雜而靈活的機器，機電占主導地位，特別是，0件或裝配生產(chǎn)線(xiàn)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(dòng)組件也被集成到設計中,從而創(chuàng )造1個(gè)混合解決方案。對輸出和產(chǎn)品不變或有限可變的自動(dòng)機器，氣動(dòng)組件通常占主導地位。
現在，大規模的制造運行工段有巨大的氣動(dòng)運行設備安裝底座。根據1些銷(xiāo)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(dòng)組件的銷(xiāo)售遠超過(guò)機電設備的銷(xiāo)售。關(guān)于僅有的，事實(shí)上已變得滅絕的氣動(dòng)控制工段是氣動(dòng)邏輯控制。即使這樣，氣動(dòng)邏輯仍用在1些防爆應用中。
對混合機器解決方案的爭論可能來(lái)自更希望集中他們的氣動(dòng)功率源（泵和壓縮機）的設計人員。非液壓解決方案通常要求功率源集中在機器動(dòng)作的附近。然而，隨著(zhù)在氣動(dòng)組成設備中集成多接口能力的出現，例如，各種現場(chǎng)總線(xiàn)接口，集中控制氣動(dòng)設備的能力變得更容易。
氣動(dòng)控制的進(jìn)步
伺服氣動(dòng)系統的引進(jìn)意味著(zhù)氣體力學(xué)新的應用，這些學(xué)科在不久前，嚴格保留了電子伺服驅動(dòng)優(yōu)化的機制。1個(gè)值得關(guān)注的應用是在木材廠(chǎng)的機器上控制壓力輥（見(jiàn)下圖1），該系統由美國俄勒岡州波特蘭市的Pacific Fluid Systems公司制造。
當它們通過(guò)木材廠(chǎng)的電鋸時(shí)，控制器定位壓力輥，壓力輥攜帶原木、毛方木或按規格裁切的木料�？刂茐毫�輥意味著(zhù)基于以前定義的外型，緊緊地攜帶原木，并不能損壞它們。
圖1. 混合氣動(dòng)解決方案
當它們通過(guò)木材廠(chǎng)的電鋸時(shí)，傳感器——控制器——執行機構相結合定位壓力輥，壓力輥攜帶原木、毛方木或按規格裁切的木料。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。
下圖2顯示由Pacific公司設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(xiàn)輸送速度快到2,000 board-ft/min。根據木材的類(lèi)型和速度，這些壓力輥不得不承受1,200-1,800 磅的力，當它們通過(guò)電鋸時(shí)，阻止木材移動(dòng)。圓型木材通常是6英寸的孔。
圖2. 在壓力輥控制環(huán)的內部
編程前，圓木的位置和力對壓力輥應用非常關(guān)鍵，在更高帶寬，比例控制模式下運行，從而使圓木運動(dòng)到它能減速到最終位置的地方。然后，控制器移動(dòng)到被控停止位置，并切換力到模式從而承受壓力。
Pacific 公司的工程部經(jīng)理Tom Wells說(shuō)：“編程前要求的圓木的位置和力對這個(gè)應用非常關(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的壓力。這極大地降低了設置時(shí)間�！�
典型的應用是1種稱(chēng)為軋邊機的機器。這個(gè)機器有1個(gè)雙壓力輥的站:1個(gè)輥輸入到電鋸，另1個(gè)輥從電鋸輸出。這個(gè)應用證實(shí)主動(dòng)阻尼算法的自動(dòng)調節。
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(chēng)：“在這些技術(shù)進(jìn)步的幫助下，以數量級的程度降低系統要求調節的時(shí)間是常見(jiàn)的，對機器制造者和客戶(hù)來(lái)說(shuō)，降低機器調試的時(shí)間是非常重要的。應用允許機器控制設計人員實(shí)施高級解決方案的各種標準通信接口也有很大的幫助�！�
氣動(dòng)在這種應用的另1個(gè)好處是固有的兼容。在表面連續改變的地方，適應偏離比其他技術(shù)更快、更有彈性。
Nylund 評論說(shuō)：“新伺服氣動(dòng)系統相對于舊的‘開(kāi)關(guān)’閥運動(dòng)更平滑、更精確，這些電子式控制，比例伺服閥在配置氣動(dòng)系統的應用中提供更好的選擇，不太可能直接影響運動(dòng)的精度�！�
另1個(gè)逐漸增長(cháng)的創(chuàng )新是使能液壓能力運動(dòng)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(dòng)細微差別，例如，空氣熱脹冷縮和閥的非線(xiàn)性化。1個(gè)主動(dòng)阻尼方法比以前電-氣動(dòng)解決方案提供更穩定的高性能�？刂破鳜F在能同時(shí)處理1到8個(gè)軸。Delta的系統包括允許圖形調節的控制器中的調節向導（見(jiàn)下圖3）。
圖3.氣動(dòng)向導
軟件里的調節向導使優(yōu)化伺服氣動(dòng)運動(dòng)更容易，包括主動(dòng)阻尼算法的自動(dòng)調節的優(yōu)點(diǎn)。
產(chǎn)品經(jīng)理Frank Latino說(shuō)：“任何應用需要快速、涉及許多執行機構的運動(dòng)的短沖程是1個(gè)很好的氣動(dòng)例子，其他適合的應用是在小面積內需要高的力，點(diǎn)對點(diǎn)執行，是否線(xiàn)性或回轉�！� 他補充說(shuō)，用戶(hù)自然想到在無(wú)火花應用中氣動(dòng)的可能性，氣動(dòng)在不要求電子執行機構的精度的地方性?xún)r(jià)比非常高。
混合控制優(yōu)化冰處理系統
機器人和自動(dòng)化設備服務(wù)公司(RAESCO)位于美國紐約Syracuse市，該公司制造冰處理設備，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(kāi)發(fā)機器的控制系統時(shí)，RAESCO公司和應用自動(dòng)化控制公司(AACI)合作，這個(gè)公司也在Syracuse市，作為控制解決方案的顧問(wèn)。AACI提供使用機電和氣動(dòng)技術(shù)的機器解決方案。
AACI公司提供優(yōu)化機器設計的控制組件, 該公司的總經(jīng)理Tom Swenton說(shuō)：“我們合作完成1個(gè)基于RAESCO的概念的設計�！�
Swenton說(shuō)：“設計從原形到生產(chǎn)經(jīng)歷1些變更，現在的設計實(shí)施3個(gè)電子伺服控制的軸——兩個(gè)軸用于搬運小車(chē)，1個(gè)軸用于吊車(chē)系統。我們能提供的這些軸，比氣動(dòng)解決方案速度更高和定位更準確。然而，當它們從進(jìn)給搬運小車(chē)運到整理站時(shí)，有4個(gè)運動(dòng)要調整和旋轉冰袋。另外，用氣動(dòng)解決方案實(shí)施, 有各種夾具和連鎖保護。對這些運動(dòng)來(lái)說(shuō)，這些是合理的選擇，因為它們提供更足夠的控制以及性?xún)r(jià)比更高�！�
RAESCO公司的總經(jīng)理Rich Huchanski補充說(shuō)：“因為當冰袋進(jìn)入整理站時(shí)，冰袋外形變化的非常大，氣動(dòng)解決方案提供給我們適應性的能力。當真空吸頭和冰袋接觸時(shí)，使用空氣壓力測量從而使真空吸頭適應冰袋的形狀。使用這種兼容性的適應，我們能在它們運到貨盤(pán)之前調整冰袋1致�！睓C器有能力舉起高達150 磅的冰袋，但是，總的來(lái)說(shuō)，貨盤(pán)中的冰袋重達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，也是最高性?xún)r(jià)比的解決方案。
BW Rogers公司位于美國俄亥俄州馬其頓地區，它的控制分銷(xiāo)商商務(wù)部經(jīng)理Steve Whyte 說(shuō)：“對許多機器來(lái)說(shuō)，氣動(dòng)解決方案由于成本因素仍是首選的�！彼�1個(gè)項目，在這個(gè)項目中，在檢測機器上，ITW-Akron標準使用所有氣動(dòng)解決方案。Whyte說(shuō)：“機電解決方案比客戶(hù)認可的成本高很多�！�
因此，即使壓縮空氣的成本持續增加，氣動(dòng)解決方案仍是許多機器制造者的首選。
改進(jìn)的連接
Festo公司 Latino說(shuō)：“以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)使在工廠(chǎng)自動(dòng)化中應用的氣動(dòng)設備提升巨大的效率，特別是如果有很高密度的執行機構�？紤]到超過(guò)2，000個(gè)執行機構的安裝。閥島能帶多達128個(gè)閥的負載，有時(shí)會(huì )更多。這降低了總閥島的數量，但是仍有30-40個(gè)閥島。以太網(wǎng)提供帶寬在最短時(shí)間內實(shí)現訪(fǎng)問(wèn)這些閥是可能的�！�
按照Latino的說(shuō)法，其他的現場(chǎng)總線(xiàn)系統要求多通道或網(wǎng)絡(luò )，在硬件、調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e-mail能提供非并行的診斷，特別是用檢測設備（Checkout Test Set ，COTS）診斷工具和媒介。
Latino說(shuō)，現在，在閥島中，集成控制使氣動(dòng)功率/控制是1個(gè)更好的替代方案。他補充說(shuō)：“傳感器和診斷嵌入到閥島中，系統診斷算法診斷總的氣動(dòng)系統，使用以太網(wǎng)和開(kāi)放標準技術(shù)，例如OPC或工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議把這些聯(lián)系起來(lái)，從而改進(jìn)控制系統�！�
接下來(lái)是什么？
在需要高的力以及要求兼容變化負載變量應用的場(chǎng)合，例如，壓力輥、冰袋應用，氣動(dòng)解決方案看起來(lái)更好。沒(méi)有證據表明在不遠的將來(lái)會(huì )有變化。當機電解決方案有時(shí)必須解調相似地行為到氣動(dòng)解決方案時(shí)，1些公司更積極地集中精力做氣動(dòng)解決方案。移動(dòng)到?jīng)]有準確定義的接口的運動(dòng)控制應用是特別真實(shí)的。
其他液壓能力
從價(jià)格和性能出發(fā)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，具有大的力或推力要求的機器采用既沒(méi)氣動(dòng)也沒(méi)有機電解決方案的部分是現實(shí)的。這類(lèi)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(shí)現要求的力來(lái)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，該公司總經(jīng)理Bud Trinkel說(shuō)：“在機器設計中，液壓是另1個(gè)因素，因為僅僅有1些機器設計人員有任何可用的方法，甚至更少的人理解在特定環(huán)境下怎樣應用正確的組件。我工作的98%是液壓電路�！�
現在，氣動(dòng)解決方案是如此常見(jiàn)以至許多機器設計人員能在他們的機器中毫不猶豫地選擇氣動(dòng)組件。
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