Инженеры-конструкторы, использующие передовые технологии демпфирования и виброизоляции, могут значительно повысить производительность своего оборудования для промышленной автоматизации.

Автор: Ларри Каваллоро • Элементы управления ACE

Главной задачей разработчиков оборудования для промышленной автоматизации является создание и настройка осей для обеспечения минимальной вибрации (свободной или принудительной); мягкого и точного замедления движущихся масс осей; и обеспечения изоляции или демпфирования неизбежной вибрации оборудования — другими словами, полного рассеивания. Эти методы позволяют осям станка как можно быстрее восстановить равновесие, что особенно полезно для тех, кто выполняет высокоскоростные возвратно—поступательные движения, позиционирование или другие точные задачи автоматизации.

Широкий выбор вариантов демпфирования и виброизоляции включает промышленные амортизаторы и устройства безопасности, профильные амортизаторы, поворотные амортизаторы, промышленные газовые пружины, гидравлические амортизаторы, виброизоляторы, пневматические пружины и гидравлические регуляторы подачи. Мы разделяем технологии на четыре широкие категории.

Автоматическое управление с помощью амортизаторов и демпферов включает в себя миниатюрные амортизаторы, промышленные амортизаторы, тяжелые промышленные амортизаторы, профильные амортизаторы и амортизирующие накладки.

Варианты управления движением включают промышленные газовые пружины нажимного и тянущего типов, гидравлические амортизаторы, гидравлические регуляторы подачи, дверные амортизаторы и поворотные амортизаторы.

Варианты, классифицируемые как средства контроля вибрации, включают резинометаллические изоляторы, виброизолирующие прокладки и низкочастотные пневматические выравнивающие крепления.

Средства безопасности включают в себя защитные амортизаторы, предохранительные демпферы и зажимные элементы.

В этой функции мы фокусируемся на одном из ведущих вариантов из первой категории — на автоматическом управлении с помощью промышленных амортизаторов. В следующих выпусках мы рассмотрим варианты миниатюрных амортизаторов, промышленных амортизаторов, амортизаторов для тяжелых условий эксплуатации и демпферов.

Гидравлические щитки обеспечивают высокое тормозное усилие в начале хода. При наличии только одного дозирующего отверстия перемещение грузов под управлением гидравлического дозатора приводит к резкому замедлению в начале хода. Тормозное усилие достигает высокого пика в начале хода (создавая высокие ударные нагрузки), а затем быстро спадает.

Пружины и резиновые буферы проявляют высокие тормозные усилия в конце хода. При полном сжатии они также накапливают энергию, а не рассеивают ее, вызывая отскок нагрузок.

Воздушные буферы и подушки пневмоцилиндра обеспечивают высокое тормозное усилие в конце хода. Из-за сжимаемости воздуха они проявляют резко возрастающую силу к концу хода, так что большая часть энергии поглощается ближе к концу хода.

Промышленные амортизаторы обеспечивают равномерное тормозное усилие на протяжении всего хода. Движущийся груз плавно и мягко останавливается под действием постоянной силы сопротивления на протяжении всего хода амортизатора. Нагрузка замедляется с минимально возможным усилием в кратчайшие сроки, что, в свою очередь, устраняет разрушительные пики усилия и повреждения машин и оборудования от ударов. При нанесении на график кривая зависимости силы торможения от хода является линейной. Такая плавная и щадящая амортизация также служит для снижения шума, производимого автоматизированным оборудованием.

Очевидно, что автоматизированные приложения, требующие замедления движущихся масс с постоянной силой демпфирования во время хода, выигрывают от использования промышленных амортизаторов. Но как они действуют? Короче говоря, промышленные амортизаторы работают путем преобразования кинетической энергии в тепловую для контролируемого торможения. Короче говоря, поршень действует как интерфейс между внешними движущимися массами, требующими замедления, и внутренней системой компонентов амортизатора. Когда внешняя масса воздействует на поршень, последний втягивается в корпус амортизатора. Это, в свою очередь, создает давление внутри гидравлической жидкости, такой как жидкость для автоматической коробки передач (ATF), и заставляет эту жидкость протекать через камеру высокого давления с дозирующими отверстиями. Лабиринт отверстий служит для постепенного ограничения потока жидкости, что приводит к повышению ее температуры. Затем это тепло отводится к внешнему корпусу ударной установки и наружу, в окружающую среду.

В промышленных амортизаторах с некоторой возможностью регулировки вторичная камера давления с собственным лабиринтом отверстий располагается вокруг первичной камеры давления — для создания каналов переменного сужения.

При высвобождении массы из поршня обычно возвратная пружина возвращает поршень в выдвинутое положение. В некоторых случаях возвратная пружина расположена внутри амортизатора, а в других случаях она расположена снаружи вокруг вала поршня.

Давайте рассмотрим пример того, как инженер-конструктор может выбрать амортизатор для оси автоматизированного станка. Рассмотрим массу, перемещаемую горизонтально с одной стороны и перемещающуюся по поверхности без трения, такой как конвейер с пассивными роликами:

Где W₁ = Кинетическая энергия за цикл, Нм

m = масса, подлежащая замедлению, и m_e = Эффективный вес, оба в кг

v = Скорость при ударе и v_D = Скорость удара по амортизатору, оба в м/сек

s = Ход амортизатора, м

W₂ = Энергия движущей силы за цикл и Вт₃ = Общая энергия за цикл, оба в Нм

W₄ = Общая энергия в час, Нм/час — указано в таблицах производительности для комнатной температуры (и уменьшенные значения в более высоких температурных диапазонах)

n = Количество амортизаторов (параллельно)

Обратите внимание, что конечная скорость удара может быть в 1,5—2 раза больше средней скорости — то, что инженеры должны учитывать при расчете кинетической энергии.

Теперь предположим, что у нас m = 36 кг и v = 1,5 м/сек

F = 400 Н и c = 1000/час при s = 0,025 м (выбирается)

Это означает, что у нас есть W₁ = 36 · 1.5² · 0,5 = 41 Нм

W₂ = 400 · 0,025 = 10 Нм

W₃ = 41 + 10 = 51 Нм

W₄ = 51 · 1000 = 51 000 Нм/час

me = (2 · 51) / 1.5² = 100 кг

На этом этапе инженер может выбрать модель амортизатора на основе таблиц производителя.

Рассмотрим другой пример — поворотный индексный стол с приводным моментом.

Где ω = угловая скорость при ударе, рад/сек

M = Движущий момент, Нм

R= Радиус, на котором амортизатор входит в зацепление с элементом стола, м

L = ½ общего радиуса индексного стола, м

Если мы примем m = 1000 кг и v = 1,1 м/сек при M = 1000 Нм и выберем s = 0,050 м — при L = 1,25 м, R = 0,8 м и c = 100 /час, мы получим:

W₁ = 1,000 · 1.1² · 0,25 = 303 Нм

W₂ = (300 · 0.025) / 0.8 = 63 Нм

W₃ = 303 + 63 = 366 Нм

W₄ = 366 · 100 = 36 600 Нм/час

v_D = (1.1 · 0.8) / 1.25 = 0.7 м/сек

me = (2 · 366) / 0,7² = 1,494 кг

На этом этапе инженер может выбрать модель амортизатора на основе таблиц производителя с учетом угла боковой нагрузки (tan α = s / R) и способности амортизатора выдерживать такую нагрузку для обеспечения длительной и надежной работы. Там, где сборка требует дополнительной поддержки из-за углов воздействия боковой нагрузки, превышающих 3° (даже до 25°), добавление адаптера боковой нагрузки может защитить штоковые подшипники амортизатора от повышенного износа, который в противном случае сократил бы срок службы полезных компонентов.

Теперь рассмотрим реальную итерацию автоматизированного поворотно-индексного стола с вращающим моментом — оптической системы большого телескопа. Здесь промышленные амортизаторы повышают безопасность при повороте и торможении. Подвижный телескоп весом 15 000 кг может проходить через два DOF с помощью поворотного стола с приводом от двигателя и сдвоенных колесных дисков, которые вращаются на подшипниках на ± 90 ° от горизонта к горизонту. Промышленные амортизаторы защищают чувствительные компоненты телескопа от ударов при превышении пределов поворота, поэтому, если телескоп непреднамеренно превысит допустимый диапазон поворота, амортизаторы надежно амортизируют перемещение.

Во многом таким же образом промышленные амортизаторы повышают точность позиционирования конструкции с механической загрузкой, выполняя роль прецизионных ограничителей. Бесштоковые пневмоцилиндры и сдвоенные ползуны захвата перемещаются независимо со скоростью от 2 до 2,5 м/сек. Амортизаторы работают как тормоза, останавливая 25-килограммовую массу до 540 раз в час. Конкретная модель, используемая для этой задачи, также позволяет быстро регулировать конечное положение при более высоких скоростях движения и более короткой последовательности циклов, чем аналогичные тормозные системы.

Элементы управления ACE | www.acecontrols.com