Czy serwonapędy elektropneumatyczne są doskonałym zamiennikiem dla serwonapędów elektrycznych lub hydraulicznych? Raczej nie. Mają jednak szereg zalet i w pewnych aplikacjach mogą być optymalnym rozwiązaniem. Aby móc świadomie i trafnie wybrać najlepsze spośród różnego rodzaju rozwiązań serwonapędów (zwłaszcza liniowych), trzeba znać mocne i słabe strony serwonapędów elektropneumatycznych.

fot. iStock

W przemyśle elektromaszynowym oraz w innych dziedzinach techniki dosyć często spotyka się serwonapędy elektrohydrauliczne. Łączą one zalety napędów hydraulicznych (możliwość bezpośredniego napędu bardzo obciążonych zespołów maszyn) z typową dla serwonapędów elektrycznych łatwością realizacji zadanych przebiegów prędkości, położeń oraz sił (momentów) realizowanych przez napędy.

Warunkiem prawidłowej eksploatacji serwonapędów elektrohydraulicznych jest zachowanie wysokiej sztywności zastosowanych w nich napędów hydraulicznych. Wysoka sztywność napędów hydraulicznych jest wynikiem bardzo małej ściśliwości medium hydraulicznego.
Na przykład typowy olej hydrauliczny charakteryzuje się modułem sprężystości objętościowej wynoszącym ok. 1600 MPa – można to rozumieć tak, że aby dwukrotnie zmniejszyć objętość oleju, należy wywrzeć ciśnienie 1600 MPa.

Problemy z eksploatacją serwonapędów elektrohydraulicznych pojawiają się m.in. wówczas, gdy wystąpi zapowietrzenie cieczy hydraulicznej.

Na przykład 5-proc. zapowietrzenie cieczy hydraulicznej trzykrotnie zmniejsza moduł sprężystości objętościowej tak otrzymanej mieszaniny olej – powietrze dla ciśnienia roboczego 2 MPa. Natomiast przy ciśnieniu 1 MPa ten spadek będzie już dziewięciokrotny. Objawem zmniejszonej sztywności serwonapędów elektrohydraulicznych, wynikającym z zapowietrzenia, jest zazwyczaj znaczne pogorszenie dokładności pozycjonowania, a nawet utrata stabilności serwonapędu.

Biorąc pod uwagę powyższe, można zapytać: czy jest sens budowania serwonapędów płynowych, w których medium roboczym jest samo powietrze?

Opis stanowiska z serwonapędem elektropneumatycznym

Stanowisko laboratoryjne, będące własnością Instytutu Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania Politechniki Śląskiej, oparte jest na modułowym systemie wysp zaworowych CPX ze zintegrowanym sterownikiem CPX-CMAX produkcji Festo. Rozwiązanie modułowe radykalnie upraszcza montaż, kalibrację i uruchomienie napędów. Sterowniki serwonapędowe CPX-CMAX cechują się przy tym zaawansowanymi możliwościami autokalibracji i diagnostyki.

Zaimplementowane w Instytucie bliźniacze serwonapędy elektropneumatyczne składają się z (rys. 1):

  • kontrolera serwonapędu CPX-CMAX-C1-1 zabudowanego w wyspie ze zintegrowanym sterownikiem CPX-CEC-M1,
  • rozdzielacza proporcjonalnego typu VPWP-4-L-5-Q8-10-E-F,
  • siłownika beztłoczyskowego ze zintegrowanym układem pomiaru położenia typu DGCI-25-300-KF-Q.

Sterownik typu CPX-CMAX-C1-1 pozwala na konfigurację i sterowanie funkcjami ruchu w środowisku CoDeSyS. Natomiast rozdzielacz typu VPWP, oprócz funkcji typowego rozdzielacza proporcjonalnego, posiada zintegrowane czujniki ciśnienia. Dzięki temu oś serwonapędowa ma możliwość realizacji zadanej siły nacisku bez dodatkowego osprzętu.

Pneumatyczne osie serwonapędowe z kontrolerami CPX-CMAX i zaworami VPWP oferują dokładnie takie same możliwości kontroli ruchu i siły napędu, jakie dają serwonapędy elektryczne lub hydrauliczne. Poza tym mają wszystkie zalety napędów pneumatycznych („czyste” medium, łatwość realizacji zasilania w warunkach przemysłowych, mała masa napędów, łatwa realizacja ruchów liniowych). Czytelnicy zainteresowani problemem znajdą więcej informacji dotyczących serwonapędów elektropneumatycznych w pozycji [2], w której ponadto opisano autorskie rozwiązanie inteligentnego sterowania serwonapędu, którego zadaniem było m.in. skompensowanie niedoskonałości pneumatyki.

Pozostaje zatem odpowiedzieć na pytanie: czy własności eksploatacyjne seryjnych serwonapędów elektropneumatycznych są porównywalne z innymi rodzajami napędów?

Badanie wybranych cech eksploatacyjnych serwonapędu elektropneumatycznego

W celu porównania serwonapędów elektropneumatycznych z innymi, powszechnie stosowanymi i znanymi, rodzajami serwonapędów postanowiono zbadać takie podstawowe cechy eksploatacyjne, jak:

  • dokładność pozycjonowania serwonapędu,
  • realizacja przez serwonapęd zadanej prędkości ruchu.

Obydwa parametry postanowiono badać w najbardziej „komfortowych” dla napędu warunkach – przy biegu jałowym, bez obciążenia.

Wykonanie zaplanowanych pomiarów nie wymaga żadnego dodatkowego sprzętu badawczego. W celu określenia dokładności pozycjonowania oparto się na wskazaniach zabudowanego w siłowniku DGCI układu pomiaru położenia absolutnego. Natomiast precyzję realizacji zadanej prędkości zbadano, wykorzystując rozbudowane możliwości diagnostyczne systemu CPX udostępnione w środowisku Festo Configuration Tool.

Aby, przynajmniej częściowo, uwzględnić wpływ zewnętrznych zakłóceń, pomiary realizowano dla dwóch wartości ciśnienia zasilania sprężonym powietrzem: 0,25 MPa i 0,5 MPa.

Przyjęte w badaniach wartości prędkości stanowią odpowiednio 50% (1 m/s) i 5% (0,1 m/s) dopuszczalnej prędkości serwonapędu, przyjętej jako 2 m/s.

Wyniki badania

Wyniki badania błędu pozycjonowania serwonapędu zawarto w tab. 1. Otrzymane wyniki wskazują, że dokładność serwonapędów elektropneumatycznych jest gorsza od serwonapędów elektrycznych (które umożliwiają osiąganie błędów pozycjonowania mniejszych o co najmniej dwa rzędy) i serwonapędów elektrohydraulicznych (wg [3] umożliwiają one osiągnięcie błędów pozycjonowania nieprzekraczających kilku setnych milimetra). Dokładność pozycjonowania serwonapędów pneumatycznych nie pozwala na stosowanie ich do napędu zespołów roboczych wymagających obrabiarek i maszyn technologicznych, jest jednak wystarczająca np. do manipulowania przedmiotami obrabianymi. Można je wykorzystać do budowy elastycznych urządzeń transportu technologicznego lub elastycznych gniazd montażowych.

Dla tych samych wartości ciśnienia zasilania i prędkości zadanej zarejestrowano rzeczywistą prędkość serwonapędu, wykorzystując funkcję Trace oprogramowania Festo Configuration Tool. Otrzymane wyniki pokazano na rys. 2-5.

Z zarejestrowanych przebiegów wyznaczono skrajne odchylenia prędkości rzeczywistej od prędkości zadanej z pominięciem rozbiegu i dobiegu serwonapędu (realizowanych z zadanym przyspieszeniem/opóźnieniem wynoszącym 10 m/s2).

Otrzymane wartości zawarto w tab. 2.

Przyjmując, że umiarkowane przeregulowanie nie powinno przekraczać 15%, a duże może dochodzić do 25%, można stwierdzić, że badany serwonapęd poprawnie utrzymuje zadaną prędkość 1 m/s. Natomiast dla prędkości zadanej o wartości 0,1 m/s zaobserwowano niedopuszczalne przeregulowanie prędkości. Dodatkowym problemem są występujące w takich warunkach szybkozmienne oscylacje prędkości, a tym samym – duże przyspieszenia tłoka. W efekcie siłownik serwonapędowy działa wówczas jak wzbudnik drgań dla napędzanego zespołu.

Reasumując, możliwe jest stosowanie serwonapędów elektropneumatycznych jako napędów z regulowaną prędkością, jeżeli eksploatowane będą jedynie przy wysokich nastawach prędkości. Nie jest racjonalne stosowanie serwonapędów elektropneumatycznych do napędu maszyn wymagających dokładnego utrzymywania zadanej prędkości przy jednoczesnej dużej rozpiętości przyjmowanych prędkości.

Podsumowanie

W świetle otrzymanych wyników badań trudno utrzymywać, że serwonapędy elektropneumatyczne są doskonałym zamiennikiem serwonapędów elektrycznych lub hydraulicznych. Nie można jednakże uznać ich za chybioną „odnogę” w ewolucji serwonapędów. Mają one szereg zalet wynikających z ich pneumatycznej „natury”, jak: bezpieczne i czyste medium robocze, łatwość realizacji ruchów liniowych, niska masa silników pneumatycznych, duże prędkości posuwów i niezawodność [2]. Dzięki tym typowym dla pneumatyki cechom serwonapędy elektropneumatyczne mogą być w pewnych aplikacjach optymalnym rozwiązaniem napędu. Aby jednak wybór najlepszego spośród różnego rodzaju rozwiązań serwonapędów (zwłaszcza liniowych) był oparty na prawdziwych przesłankach, inżynierowie mechanicy i mechatronicy powinni znać nie tylko mocne, ale i słabe strony serwonapędów elektropneumatycznych.

Piśmiennictwo
  1. Materiały firmy Festo. https://www.festo.com/net/pl_pl/SupportPortal/Downloads/84323/16021/vpwp_pl.pdf.
  2. Dindorf R., Takosoglu J.: Inteligentne sterowanie serwonapędu pneumatycznego. Control Engineering, http://www.controlengineering.pl/menu-gorne/artykul/article/inteligentne-sterowanie-serwonapedu-pneumatycznego/.
  3. Klarecki K., Hetmańczyk M., Rabsztyn D.: Wybrane zagadnienia nowoczesnych napędów hydrostatycznych. „Górnictwo Odkrywkowe”, nr 4-5/2014.
fot. iStock

fot. K. Klarecki

Rys. 1. Struktura serwonapędu elektropneumatycznego serii CPX-CMAX [1]

Rys. 2. Przebieg realizowanej przez serwonapęd prędkości dla pzas = 0,5 MPa i vzad = 1 m/s

Rys. 3. Przebieg realizowanej przez serwonapęd prędkości dla pzas = 0,25 MPa i vzad = 1 m/s

Rys. 4. Przebieg realizowanej przez serwonapęd prędkości dla pzas = 0,5 MPa i vzad = 0,1 m/s

Rys. 5. Przebieg realizowanej przez serwonapęd prędkości dla pzas = 0,25 MPa i vzad = 0,1 m/s

Tab. 1. Błąd pozycjonowania serwonapędu

Tab. 2. Wyniki analizy prędkości serwonapędu dla zadanego ruchu ustalonego
W związku z wejściem w dniu 25 maja 2018 roku nowych przepisów w zakresie ochrony danych osobowych (RODO), chcemy poinformować Cię o kilku ważnych kwestiach dotyczących bezpieczeństwa przetwarzania Twoich danych osobowych. Prosimy abyś zapoznał się z informacją na temat Administratora danych osobowych, celu i zakresu przetwarzania danych oraz poznał swoje uprawnienia. W tym celu przygotowaliśmy dla Ciebie szczegółową informację dotyczącą przetwarzania danych osobowych.
Wszelkie informacje znajdziesz tutaj.
Zachęcamy również do zapoznania się z naszą nową Polityką Prywatności.
W przypadku pytań zapraszamy do kontaktu z naszym Inspektorem Ochrony Danych Osobowych pod adresem iodo@elamed.pl

Zamknij