Пневмоэлектрический привод
В пневмоэлектрических системах исполнительные движения, как правило, осуществляются пневматическими приводами, тогда как обработка команд управления возлагается на электрические и электронные устройства. Примером такой системы является дозатор формовочной смеси, показанный на Рис. ZSK.22.1.
Под основным бункером 1, оснащённым челюстным затвором, расположен дополнительный — меньший по объёму — дозировочный бункер J, закреплённый на упругих элементах 2. Такая конструкция позволяет контролировать массу материала перед его дальнейшей подачей.
Когда челюстной затвор основного бункера открывается, сыпучий материал под действием силы тяжести пересыпается в малый дозаторный бункер. Нагрузка от поступающего материала вызывает упругую деформацию элементов подвеса, на которых закреплён малый бункер. Степень прогиба этих элементов пропорциональна массе загруженного материала.
Для регистрации величины деформации применяется датчик 4, преобразующий механическое смещение в электрический сигнал. В зависимости от конструкции и требуемой точности могут использоваться различные типы измерительных преобразователей:
- тензометрические датчики — регистрируют изменение сопротивления проводников при их растяжении или сжатии;
- потенциометрические — измеряют перемещение подвижного контакта вдоль резистивного слоя;
- индуктивные — реагируют на изменение индуктивности при смещении сердечника;
- ёмкостные — фиксируют изменение ёмкости между электродами при деформации.
Выходной сигнал от датчика 5 усиливается и поступает в сравнительное устройство 6. Там происходит сопоставление фактической величины сигнала, связанной с массой материала, с эталонным уровнем, задаваемым устройством 7.
Когда масса сыпучего материала в малом бункере достигает установленного значения, сравнительный блок формирует управляющий импульс. Этот сигнал подаётся на пневмоэлектрический клапан, отключая питание электромагнита.
После снятия напряжения возвратная пружина опускает якорь электромагнита, в результате чего клапан 8 занимает нижнее рабочее положение:
камера 9 автоматически изолируется от внешней атмосферы,
одновременно она подключается к магистрали подачи сжатого воздуха или другого рабочего давления.
Рис. ZSK.22.1. Дозатор формовочной смеси
При прогибе мембраны 70 под действием давления рабочей среды происходит подъём клапана 11 в верхнее положение. В этом состоянии открывается сообщение камеры 12 с атмосферой, а также устанавливается связь с полостью 13 цилиндра. В результате давление в камере 14 снижается, и клапан 15 под действием давления, подведённого по напорной линии, освобождается, обеспечивая подачу рабочей жидкости или сжатого воздуха в полость 16 цилиндра.
Вследствие возникшего перепада давлений между полостями цилиндра на поршень начинает действовать значительная результирующая сила. Под её воздействием поршень перемещается, инициируя закрытие челюстного затвора основного бункера или дозирующего устройства. Такое движение происходит плавно и с контролируемой скоростью благодаря уравновешиванию давления в различных камерах системы.
Когда рабочий цикл дозирования подходит к завершению и необходимо выдать строго отмеренную порцию материала, подаётся управляющий сигнал на пневматический привод челюстного затвора дозатора. Этот сигнал инициирует открытие затвора, в результате чего материал, накопленный в дозирующем бункере, выгружается в технологическую линию или приёмный контейнер.
Подобная последовательность операций обеспечивает автоматическое регулирование подачи и точное дозирование сыпучих материалов, сводит к минимуму ручное вмешательство, поддерживает стабильное давление в системе и повышает надёжность работы оборудования.
Рис. ZSK.22.2. Пневмоэлектрическая систему регулирования толщины ленты
Пневмоэлектрические системы управления приводами, используемые для поддержания и стабилизации отдельных технологических параметров, нашли широкое распространение во многих отраслях промышленности, где требуется высокая точность и надёжность регулирования. Подобные системы совмещают в себе преимущества пневматических устройств (простота, устойчивость к загрязнениям, взрывобезопасность) и электрических схем (возможность передачи и обработки сигналов, интеграция в автоматизированные линии).
Одним из характерных примеров применения является автоматическое регулирование толщины металлической или полимерной ленты в процессе её прокатки или формования. Принципиальная схема такого регулирования показана на рисунке ZSK.22.2.
Материал в виде ленты 2 непрерывно перемещается через пневматическую измерительную скобу 1, внутри которой расположены сопла, формирующие воздушный поток. Расстояние между выходными отверстиями сопел и поверхностью ленты служит контролируемым зазором.
При увеличении толщины ленты зазор уменьшается. Вследствие этого сопротивление воздушному потоку возрастает, а давление в измерительной ёмкости 3 повышается, поскольку сжатый воздух поступает в неё через регулируемый дроссель 4. Рост давления приводит к понижению уровня воды внутри ёмкости, в результате чего размыкается контакт с электродом 5, который ранее находился в жидкости.
При уменьшении толщины ленты процесс обратный: зазор увеличивается, сопротивление воздушному потоку снижается, давление падает. Вода в ёмкости поднимается, и её уровень достигает электрода 6, замыкая электрическую цепь.
Формируемые электрические сигналы могут быть переданы на систему автоматического регулирования привода, изменяющего рабочий зазор прокатного стана или формующего механизма для приведения толщины ленты к заданной. При необходимости сигналы также используются для автоматической сигнализации об отклонениях от допустимых технологических параметров, что повышает надёжность производственного процесса и снижает риск выпуска продукции с нарушенными размерами.
Рис. ZSK.22.3. Структурная схема привода ориентации летательных аппаратов
Структурная схема пневматического привода ориентации летательных аппаратов, управляемого электронными средствами, представлена на рисунке ZSK.22.3. Данный привод используется для создания управляющих моментов, позволяющих изменять пространственное положение аппарата в полёте, стабилизировать его ориентацию или выполнять корректирующие манёвры.
Источником рабочей энергии служит сжатый газ, находящийся в баллоне 1 под высоким давлением — до 35 МПа. Такой запас давления обеспечивает длительную автономную работу системы без необходимости подпитки во время полёта.
Управление подачей газа начинается с момента поступления сигнала от программного устройства (ПУ), которое формирует команды в соответствии с заданной траекторией или алгоритмом стабилизации. При получении команды высоконапорный клапан 2 переключается в рабочее положение «а» и открывает путь газу из баллона в последующие звенья системы.
Далее поток поступает в регулятор давления 3, выполняющий понижение исходного высокого давления до постоянного рабочего уровня — примерно 0,1 МПа. Это необходимо для безопасной и точной работы реактивных микродвигателей, а также для защиты управляющих клапанов и сопел от перегрузки.
После регулятора газ подаётся в блок реактивных микродвигателей, состоящий из управляющих клапанов 4 и сопел 5. Каждый микродвигатель может работать автономно, создавая реактивную тягу в заданном направлении.
Решение о включении того или иного микродвигателя принимает бортовая вычислительная машина (ВБМ). Она непрерывно обрабатывает данные, поступающие от датчиков ориентации (ДО), которые отслеживают угловое положение аппарата относительно осей координат, а также получает управляющие программы от ПУ. При необходимости коррекции курса или стабилизации движения ВБМ подает команду на соответствующий управляющий клапан 4.
При открытии клапана газ устремляется в сопло 5, где, расширяясь и выбрасываясь наружу с высокой скоростью, создает реактивную тяговую силу. Направление и величина этой силы зависят от числа одновременно работающих сопел и их ориентации в пространстве, что позволяет изменять угловое положение летательного аппарата с высокой точностью.
Рис. ZSK.22.4. Двухканальный пневмоэлектрический привод промышленного робота
Двухканальный пневмоэлектрический привод
Двухканальные пневмоэлектрические приводы представляют собой усовершенствованные системы передачи энергии, где к исполнительному механизму подводятся два независимых потока мощности. Такой подход позволяет сочетать преимущества различных типов двигателей и значительно повысить эффективность работы исполнительного звена. Основной принцип заключается в том, что в приводе работают два двигателя, которые могут быть выполнены как по одной схеме, так и отличаться конструктивно. Один двигатель играет роль ведущего и задаёт движение механизма, обеспечивая его точное позиционирование и плавность работы, а второй — основной — воспринимает основную нагрузку и обеспечивает необходимую силу и ускорение.
На рисунке ZSK.22.4 представлена схема двухканального пневмоэлектрического привода промышленного робота.
Здесь электродвигатель 1 передает крутящий момент на редуктор 2, который понижает скорость вращения и повышает крутящий момент на выходе. Далее вращение передается на зубчатое колесо 3, входящее в зацепление с зубчатой рейкой 4, жёстко связанной со штоком пневматического цилиндра 5. Перемещение штока регулируется при помощи пневмораспределителя 6, управляемого электронным блоком контроля 7.
Система управления
Система управления играет ключевую роль в обеспечении синхронной работы двух силовых каналов. Она непрерывно анализирует ток в обмотках электродвигателя — его величину и направление. Ток служит индикатором нагрузки: если нагрузка возрастает и ток повышается, электронный блок автоматически увеличивает пропускную способность пневмораспределителя 6. В результате растёт перепад давления в рабочих полостях пневмоцилиндра, шток ускоряется и берёт на себя часть силового воздействия, снижая нагрузку на электродвигатель.
Когда же скорость штока становится выше требуемого значения, электродвигатель переходит в тормозной режим — изменяется направление тока, а электронная система уменьшает проходное сечение распределителя, снижая подачу воздуха и замедляя движение поршня. Такой замкнутый контур регулирования позволяет поддерживать стабильную скорость и силу движения даже при резких изменениях внешней нагрузки.
Благодаря совместной работе электрического и пневматического каналов двухканальный электропневматический привод обладает удельной мощностью примерно на 50 % выше, чем классический электропривод аналогичных размеров. Это особенно важно в робототехнике, где критична минимизация массы подвижных элементов: более лёгкая и мощная система повышает динамику манипуляторов, снижает инерцию и улучшает точность позиционирования при высоких ускорениях.
Кроме того, использование двух источников энергии повышает надёжность и отказоустойчивость привода. Даже при частичной потере эффективности одного канала система может продолжить работу за счёт второго, что особенно ценно в промышленной автоматике и робототехнических комплексах с непрерывным циклом работы.