כיצד לסנכרן רכיבים פנאומטיים עבור נצילות מקסימלית

באוטומציה תעשייתית, הנצילות מטופלת לעתים קרובות כמפרט ברמת-הרכיב. המהנדסים עשויים לבחור מפעיל עם נצילות גבוהה או שסתום בהספק נמוך ולהניח שהמערכת תפעל ביעילות. עם זאת, מכונות הבנויות עם חלקים יעילים עדיין יכולות לצרוך אנרגיה חריגה אם רכיבים אלה אינם מסונכרנים.

הפסדי אנרגיה בפנאומטיקה נובעים לרוב מארכיטקטורת המערכת ולא מכשל של רכיבים בודדים. מפעיל יעיל לא יוכל לפעול בצורה אופטימלית אם הוא מוזן על ידי צינורות מוגבלים או מבוקר על ידי שסתום גדול מדי. לכן, החיסכון באנרגיה מושג על ידי הרמוניזציה של כל שרשרת הפנאומטיקה כדי למזער מגבלות ונפח מת בכל ממשק. מאמר זה מתאר גישה ברמת-המערכת לתכן פנאומטי, ומדגים כיצד סינכרון של שש קטגוריות רכיבים עיקריים יכול לשפר את נצילות האנרגיה.

הפחתת ירידת הלחץ הראשונית באמצעות הכנה טובה יותר

נצילות המערכת מתחילה בדרגת הכנת האוויר. יחידות הכנת אוויר קטנות או סתומות עלולות ליצור ירידת לחץ. אם ווסת מסנן גורם לירידת לחץ עקב הגבלת זרימה, המדחס חייב לפעול בלחץ גבוה יותר כדי להתגבר על התנגדות זו. מהלך כזה גורם לכך שאנרגיה מנוצלת אך ורק לדחיפת אוויר דרך ההגבלה ולא להנעת העומס.

השלב הראשון במערכת מסונכרנת הוא יחידת הכנת אוויר עם זרימה גבוהה. וסת המסנן סדרת MS‏ (MS6-LFR‏) של Festo‏, המוצג באיור 1, מתוכנן למזער מגבלה ראשונית זו. עם קצב זרימה נומינלי רגיל של 4000 ליטר/דקה (מנורמל לתקן DIN 1343‏), ה-MS6-LFR שומר על אספקה עקבית לרכיבים במורד-הזרם, אפילו בזמן ביקוש שיא.

איור 1: וסת המסנן MS6-LFR משלב סינון בזרימה גבוהה (4000 ליטר/דקה) עם ויסות לחץ מדויק כדי למנוע צווארי בקבוק בכניסה. (מקור התמונה: Festo)

הווסת כולל גם תחום ויסות של bar‏ 0.5‏ עד bar‏ 12‏ המאפשר לכוון את לחץ הבסיס של המכונה לרמה המדויקת הנדרשת. עבור אותה מטרה, הווסת המדויק LRP‏ (איור 2) מציע היסטרזיס לחץ מקסימלי של bar‏ 0.02‏ עבור יישומים הדורשים יציבות גבוהה, ומבטיח לחץ מערכת עקבי.

איור 2: הווסת המדויק LRP-1/4-4‏ כולל היסטרזיס של bar‏ 0.02‏ עבור בקרת לחץ אולטרה-יציבה ביישומים רגישים. (מקור התמונה: Festo)

שני הווסתים כוללים גם פליטה משנית. אם הלחץ במורד הזרם עולה (למשל, עקב כוחות חיצוניים על מפעיל (Actuator‏)), הווסת משחרר את הלחץ העודף, ומונע לחץ אחורי המתנגד לתנועה. שימוש בווסת המספק זרימה עקבית שומר על לחץ הקו הראשי ברמה המינימלית הנדרשת, ובכך מפחית את צריכת האנרגיה הכוללת.

אופטימיזציה של אנרגיה באמצעות ויסות בנקודת-השימוש

מערכות רבות מספקות למכונה כולה לחץ הנדרש על ידי המפעיל התובעני ביותר שלה. לדוגמה, אם לחיצה חזקה דורשת bar‏ 6‏, המעגל כולו מופעל לרוב בלחץ של bar‏ 6‏, אפילו עבור הידוק קל-משקל או מהלכי חזרה הדורשים רק bar‏ 3‏. זה מבזבז כמעט 50% מהאנרגיה עבור משימות קלות יותר.

ויסות מבוזר כרוך ביצירת אזורי לחץ ישירות בנקודת השימוש עם וסת הלחץ MS2-LR‏, המוצג באיור 3. הווסת הוא קומפקטי (גודל 2) ומטפל בקצבי זרימה של עד 350 ליטר/דקה, ההופך אותו לאידיאלי עבור בידוד אשכולות מכונות ספציפיים. במילים אחרות, התקנה מקומית של MS2-LR יכולה לספק לסעפת הראשית לחץ של bar‏ 6‏, אך לווסת ענף ספציפי עד ללחץ של bar‏ 3‏ עבור משימות קלות יותר.

איור 3: וסת הלחץ MS2-LR מביא בקרת לחץ ישירות למפעיל. (מקור התמונה: Festo)

בניגוד לווסתים בסיסיים, ה-MS2-LR כולל פונקציית זרימה חוזרת ופליטה משנית. זה מבטיח שניתן יהיה לשחרר במהירות לחץ עודף במהלך החזרה או במהלך אוורור המערכת, ובכך למנוע נעילה פנאומטית ולהבטיח את הבטיחות.

דגם MS2-LR-QS6-D6-AR-BAR-B‏ (איור 4) כולל מד לחץ משולב, המאפשר למפעילים האנושיים לוודא ויזואלית שהאזור פועל בהגדרה מופחתת ויעילה-אנרגטית. מצד שני, עבור משקל קל עוד יותר (28.3 גרם), גרסת A8‏ מציעה נקודת-חיבור מוכנה עבור מדידה מותאמת-במיוחד.

איור 4: ניטור משולב מאפשר אימות מיידי של אזורי לחץ לחיסכון באנרגיה. (מקור התמונה: Festo)

מזעור נפח מת בהעברת אוויר

הצינורות בין השסתום למפעיל הם מקור משמעותי להפסדי אנרגיה. יש להעלות ולהוריד לחץ על הנפח בתוך הצינורות בכל מחזור. נפח מת זה צורך אוויר דחוס מבלי לבצע עבודה. בנוסף, דליפות בצינורות מגבירות את העומס הבסיסי על המדחס.

נצילות ההעברה מושגת באמצעות בחירת חומרים ואופטימיזציה של הגיאומטריה.

• שלמות החומר: צינורות PUN-H מיוצרים מ-TPE-U (פוליאוריטן) חסין-הידרוליזה. בניגוד ל-PVC סטנדרטי, אשר עלול להיפגם ולדלוף עם הזמן, PUN-H שומר על גמישות ושלמות איטום בסביבות שונות, עם תחום טמפרטורות פעולה של 35°C- עד 63°C+. הדופן הפנימית החלקה שלו ממזערת חיכוך, ומקדמת זרימה למינרית.
• אסטרטגיית הגיאומטריה: הצבת שסתומים קרוב יותר למפעילים וחיבורם באמצעות צינורות חתוכים לאורך הנכון מפחיתים את נפח האוויר הנדרש לכל מחזור. סדרת PUN-H מאפשרת זיהוי מעגלים באמצעות קידוד צבעים, כאשר הגרסות שחור וכחול מציעות רדיוס כיפוף מינימלי מעולה של 9.7 מ"מ עבור ניתוב צפוף. שימו לב שלגרסת הצבע הטבעי יש רדיוס כיפוף מעט גדול יותר (14 מ"מ), לכן יש להתאים את בחירת המוצר לשטח ההתקנה הזמין.

אופטימיזציה של בחירת שסתומים עבור נצילות אנרגטית

לעיתים נבחרים שסתומים על סמך גודל נקודת-החיבור ולא על סמך מאפייני הזרימה. שסתומים גדולים מדי מספקים נפח אוויר חריג לצילינדרים קטנים, מה שמוביל לאי-יעילות. לעומת זאת, שסתום חוסם מאט את המפעיל, מה שגורם למפעילים להגביר את הלחץ כדי לפצות. השסתום צריך לאזן את המהירות עם הצריכה.

שסתום הסולנואיד VUVG‏, המוצג באיור 5, תוכנן עבור מטרה זו.

• יחס זרימה-לגודל: ה-VUVG מספק קצב זרימה גבוה (למשל, 660 ליטר/דקה עבור גודל 14 מ"מ) בתכן קומפקטי, ודוחף עומסים מבלי ליצור הגבלה.
• מהירות ודיוק: עם זמן החלפה של 8 מילי-שניות (עבור הגרסה הדו-יציבה) ותדר מיתוג מקסימלי של 2 הרץ, ה-VUVG מספק תגובה מהירה. ככזה, דיוק זה מסייע במניעת לחץ-יתר בקו הנגרם עקב סגירת שסתום מאוחרת.
• צריכת הספק נמוכה: סליל ה-VUVG צורך 0.8 וואט (ב-24 וולט DC). בשילוב עם דירוג הגנה IP65, הוא מבטיח אמינות בסביבות תעשייתיות מבלי לצרוך זרם חריג.

איור 5: יחס הזרימה-גודל הגבוה של שסתום הסולנואיד VUVG מבטיח שה-VUVG ידחוף עומסים ללא הגבלה. (מקור התמונה: Festo)

בחירת שסתום התואם לנפח המפעיל מבטיחה שהצילינדר יקבל את נפח האוויר הדרוש ללא בזבוז.

הפחתת עומס אנרגיה בעזרת מפעילים קלים יותר

חלקים נעים כבדים יותר דורשים יותר כוח (ולחץ) כדי לנוע. לפיכך, שימוש בצילינדר גדול מדי מגדיל את האנרגיה הדרושה לתאוצה, בניגוד לעקרון הפחתת המשקל. יתר על כן, כל מילימטר של גודל קדח מיותר מגדיל את נפח האוויר הנדרש למילוי הצילינדר, מה שמוביל לבזבוז אנרגיה נוסף בכל מהלך, ללא קשר לעומס המועבר בפועל. יש למטב את המפעיל עבור היישום.

צילינדר DSBC ISO‏ מתוכנן עבור ביצועים עם מסה מופחתת. איור 6 מציג את DSBC-32-25-PPVA‏ הכולל מסה נעה של 133 גרם. הוא מספק כוח התקדמות תיאורטי של 483 ניוטון בלחץ של bar‏ 6‏. יחס כוח-משקל זה מפחית את הכוח הנדרש להאצת הבוכנה בהשוואה לחלופות כבדות יותר.

איור 6: צילינדר DSBC ISO משלב מסה נעה נמוכה עם ריפוד יעיל כדי למקסם את ניצול האנרגיה הקינטית. (מקור התמונה: Festo)

משפחת DSBC כוללת אפשרויות ריפוד פנאומטיות המשפרות את הנצילות. דגם DSBC-32-25-PPVA כולל ריפוד מתכוונן באורך 17 מ"מ להאטה חלקה של העומס (אנרגיית פגיעה < 0.4 ג'אול). עבור פשטות רבה עוד יותר, ה-DSBC מציע גם גרסה עם כוונון עצמי (PPSA)‏ החוסכת את הצורך בבורגי כוונון ידניים, ומפחיתה את התחזוקה ואת הסיכון לדליפות.

מזעור חיכוך בתנועה מוכוונת

ביישומים מדויקים, החיכוך מפחית את הנצילות. מובילי הזזה סטנדרטיים יוצרים גרר, הדורשים לחץ אוויר גבוה יותר כדי להתגבר על חיכוך סטטי ולשמור על תנועה. זה סותר את המטרה של הפחתת החיכוך. עם הזמן, שחיקה בנקודות מגע מחליקה יכולה לפגוע בדיוק המיקום וליצור התנגדות לא-עקבית, מה שמאלץ את המערכת לעבוד קשה יותר כדי לשמור על המהירות.

עבור משימות מוכוונות, גררה (Slide‏) מיני DGST-10-20-E1A‏ (איור 7) משתמשת באלמנטים מתגלגלים כדי לשפר את הנצילות.

• מסבי כדוריות בסירקולציה: גררת DGST משתמשת במוביל מסב כדוריות מדויק במקום תותבי החלקה. מהלך כזה מוריד את מקדם החיכוך, ומאפשר פעולה חלקה במהירויות של עד 0.5 מטר/שנייה.
• נצילות בוכנה כפולה: תכן הבוכנה הכפולה מגביר את תפוקת הכוח ביחידה קומפקטית. הגררה (Slide‏) מספקת כוח תיאורטי של 94 ניוטון (דחיפה של bar‏ 6‏) עם מסה נעה של 134 גרם.
• Yoke‏ משולב: שילוב הגררה וה-Yoke‏ בתוך יחידה קשיחה מבטל סטיות-יישור. היחידה מטפלת בעומסים עם מומנט מקסימלי של 3 ניוטון מטר וכוח מקסימלי של 480 ניוטון, וממירה לחץ אוויר ישירות לתנועה ליניארית.

איור 7: גררת מיני DGST משתמשת מסבי כדוריות בסירקולציה כדי להפחית חיכוך, ובכך עולה בביצועיה דרסטית על מובילי החלקה. (מקור התמונה: Festo)

סיכום

אופטימיזציה של מערכת פנאומטית דורשת גישה ארכיטקטונית ולא שינוי של רכיב בודד. תוך התייחסות למערכת כשרשרת מסונכרנת, המהנדסים יכולים להשיג שיפורי נצילות מצטברים העולים בהרבה על שדרוגי חלקים בודדים. כאשר ששת האלמנטים הללו המוזכרים במאמר מתואמים, ניתן לשפר את הנצילות, להוריד את הלחץ, לקצר את זמני המחזור ולמזער דליפות. תופעה זו מחזקת את חיבורי הרכיבים ומשפרת את הביצועים הכוללים.