Universitatea Politehnica BucurestiFacultatea De Inginerie Mecanica Si Mecatronica

Indrumator : Mihai Avram Student :

1 Configuratia Sistemului

1

2

31 32

4 4

7

6

1 Controler2 Sitem de pregatire a aerului3 Supapa de siguranta (31,32)4 Distribuitor pneumatic 4/25 Distribuitor 5/36 Cilindru pneumatic fara tija7 Drosere cu supapa de sens

Se cere sa se realizeze simularea functionarii echipamentului prezentat mai sus.Prin intermediul unui distribuitor proportional DHP se controleaza debitul de alimentare si respectiv cel de golire a camerelor motorului pneumatic MP cit si viteza prin intermediul celor doua drosere. Cele doua debite, a caror marime este dependenta de semnalul de comanda xc, in masura in care presiunile de lucru din camerele motorului sunt cele necesare, vor produce miscarea ansamblului mobil al motorului si a sarcinii manipulate de acesta.Motorul este echipat cu framan mecanica actionata pneumatit de la un distribuitor totul este controlat verificat si comandat de un controler (CEU2) 2 Introducere generalitati Sistemele de actionare pneumatice sunt preferate într-un numar mare de aplicatii industriale din cele mai diverse sectoare, datorita unor calitati incontestabile precum: productivitatea, fiabilitatea ridicata, simplitatea constructiva si nu în ultimul rând pretul de cost mai scazut. În general, asemenea sisteme sunt folosite atunci când:- trebuie controlate forte si momente de valori medii;- viteza de deplasare a sarcinii nu trebuie sa respecte cu strictete o anumita lege;- pozitionarea sarcinii nu trebuie facuta cu precizie ridicata;- conditiile de functionare sunt severe (exista pericol de explozie, incendiu, umiditate, etc.);- trebuie respectate cu strictete o serie de norme igienico-sanitare (în industria alimentara, farmaceutica, tehnica dentara).Trebuie subliniat faptul ca în timp ce în unele domenii sistemele pneumatice de actionare intra în competitie cu celelalte sisteme electrice, hidraulice, mecanice, în anumite aplicatii ele se utilizeaza aproape în exclusivitate, fiind de neînlocuit. Sistemul de actionare pneumatic este un sistem simplu ce are în componenta sa urmatoarele echipamente:- motorul pneumatic MP, care transforma energia pneumatica de intrare în lucru mecanic util;- elementele de reglare si control ERC, care îndeplinesc urmatoarele functii:- dirijeaza fluidul sub presiune, controlând astfel sensul de miscare al sarcinii antrenate de catre motor si oprirea acesteia (distribuitorul pneumatic);- regleaza debitul la valoarea ceruta de motor si prin aceasta viteza de miscare a sarcinii (drosele de cale DC1 si DC2);- regleaza presiunea în sistem, în corespondenta cu sarcina antrenata;- generatorul de energie GE, care genereaza energia pneumatica necesara sistemului; în practica pot fi întâlnite doua situatii:- când se dispune de o retea de aer comprimat, caz în care energia necesara este preluata de la aceasta retea prin simpla cuplare a sistemului la unul din posturile de lucru ale retelei;- când nu se dispune de retea de aer comprimat, situatie în care trebuie

apelat la un compresor.În practica exista o mare diversitate de sisteme de actionare pneumatice. Totusi se poate vorbi de o structura comuna care pe lânga echipamentele deja prezentate mai poate contineSistemele pneumatice folosesc ca agent purtator de informatie aerul comprimat.Sistemele de actionare pneumatice sunt folosite atunci cand trebuie sa se dezvolte forte si monemte mici si medii,de asemenea si cand sarcina trebuie antrenata cu viteze mari.Sistemele pneumatice sunt folosite in exclusivitate in unele situatii ca:à in tehnoca dentara;àin medii unde exista pericol de explozie.Structura generala a unui system de actionare pneumatic

Cresterea complexitatii instalatiilor tehnologice care se cer automatizate pe de o parte, si ridicarea cerintelor de eficienta si productivitate la cote cat mai inalte pe de alta parte, impun sistemelor de actionare si implicit echipamentelor hidraulice si pneumatice de automatizare ce intra in componenta acestor sisteme de actionare noi cerinte, si anume:

Cresterea fiabilitatii si preciziei functionale; Imbunatatirea performantelor statice si dinamice; Scaderea consumurilor de energie si de materiale; Miniaturizarea si modularizarea echipamentelor sistemului; Simplificarea operatiilor de montare; Tipizarea si perfectionarea interfetelor si panourilor operator.

Fiabilitatea reprezinta un indicator calitativ de baza.. Cresterea preciziei functionale presupune preocupari in acest sens inca din faza de proiectare a sistemului de actionare respective. Pentru aceasta se impune folosirea facilitatilor oferite de proiectarea asistata de calculator. Scaderea pretului de cost al unui sistem de actionare se poate realize actionandu-se in mai multe directii, si anume:Pe plan mondial se remarca intense preocupari pentru obtinerea unor sisteme de actionare cu un consum de energie cat mai scazut. Prin miniaturizare si modularizare se obtine reducerea gabaritului si greutatii, micsorarea consumurilor de materiale, a consumului de ulei sub presiune sau aer comprimat si implicit a cheltuielilor de executie si exploatare.

Sistemele de actionare pneumatice sunt preferate intr-un numar mare de aplicatii industriale, din cele mai diverse sectoare, datorita unor calitati incontestabile cum sunt: robustetea, simplitatea constructiva, productivitatea, fiabilitatea ridicata si nu in ultimul rand pretul de cost mai scazut. In general, asemenea sisteme sunt folosite atunci cand: Trebuie controlate forte si momente de valori medii; Viteza de deplasare a sarcinii nu trebuie sa respecte cu strictete o anumita lege; Pozitionarea sarcinii nu trebuie facuta cu precizie ridicata; Conditiiile de functionare sunt severe (exista pericol de explozie, incendiu,

umiditate etc.); Trebuie respectate cu strictete o serie de norme igienico-sanitare (in industria

alimentara, farmaceutica).In practica exista o mare diversitate de sisteme de actionare pneumatice. Totusi se poate vorbi de o structura comuna care pe langa echipamentele deja prezentate mai poate contine:

Unitatea de comanda UC; la acest nivel se poate opta pentru un numar limitat de solutii, bazate pe:

- dispozitive electronice- relee electromagnetice- elemente logice pneumatice

Dispozitivele electronice sunt cele care au cea mai larga utilizare. In aceasta categorie sunt incluse atat circuitele electronice, cat si unitatile programabile. Foarte raspandite astazi sunt PLC –urile (“control logic programabil”), dar se constata o tendinta de utilizare tot mai mult a calculatoarelor personale pentru control.

Releele elecrtomagnetice reprezinta un mijloc traditional pentru constructia circuitului cablat de control, chiar daca functia lor actuala se limiteaza la sisteme de actionare relative simple si la operatii de siguranta, care de preferinta nu se incredinteaza programelor software.Elementele logice pneumatice se folosesc in sistemele de mici dimensiuni, cand se doreste obtinerea unor sisteme pur pneumatice din motive de ambianta (pericol de explozie, de incendiu, umiditate etc.) sau din motive de prêt de cost.Elemente de interfata I au rolul de a transforma semnalele de putere joasa, de natura electrica sau pneumatica, furnizate de unitatea centrala, in semnale de putere inalta, de regula de alta natura; exemplul cel mai sugestiv il constituie electrovalva care transforma semnalele electrice primate de la unitatea de comanda UC in semnale pneumatice;Senzorii si limitatoarele de cursa sunt de cele mai multe ori electromagnetice, dar pot fi si pneumatice; alegerea lor este legata de tipul unitatii de comanda;Elementele de intrare pot fi electrice sau pneumatice, natura lor fiind dependenta tot de tipul unitatii de comanda.

O prima clasificare a sistemelor pneumatice de actiune se poate face dupa modul de operare a sistemului in:

- Sisteme proportionale sau analogice- Sisteme digitale

Sistemele proportionale au specific faptul ca marimea de iesire este determinata de nivelul semnalului de intrare. De exemplu, in cazul unui sistem care controleaza forta, pentru o anumita valoare a marimii de intrare, presiunea din sistem are un anumit nivel, caruia ii corespunde o anumita forta. Orice variatie a presiunii determina modificarea fortei.Un asemenea sistem este sensibil la perturbatii externe. Aceste perturbatii fac ca semnalul de comanda sa varieze accidental in jurul unei

EI-Electronice-Pneumatice

UC-Dispozitive electronice-Relee electromag.-Elemente logice pneumatice.

I

GE-Compresor-Retea de aer comprimat

ERC-Distribuitoare-Supape de sens-Drosele-Supape de presiune

MP

SENZORI-Electromagnetic-Pneumatici

mG

PG

mM

PM F/M

v/ε

valori medii, riscul constand in intreruperea perturbatiei ca o modificare a semnalului de comanda, ceea ce va determina modificarea marimii de iesire din sistem.Mai sigure din acest punct de vedere sunt sistemele digitale. Intr-un asemenea sistem conteaza numai nivelele discrete ale semnalelor.De cele mai multe ori se lucreaza cu doua nivele ale semnalului, prezenta sau absenta semnalului, semnalele “ on – off”, sau semnalele “ totul sau nimic “. Din punct de vedere al logicii algebrice existenta semnalului este echivalenta cu “1”, iar absenta semnalului cu “0”.Echipamentele pneumatice dintr-un sistem pneumatic de actionare pot functiona la presiuni de lucru diferite. Cele ce sunt conectate direct cu motorul (distribuitoarele, supapele de sens, droselele, supapele de presiune) usual lucreaza la presiuni de 8…….10 bar. Daca echipamentul are numai rolul de a genera semnale logice, fara a intervene in fluxul principal de putere, presiunea de lucru poate fi redusa. Din aceasta categorie fac parte atat elementele logice pneumatice, care pot sa lucreze la presiuni de 3…….4 bar, cat si elementele micropneumatice cu membrana care lucreaza la presiuni de 1,4……2,5 bar. Pentru functii speciale se poate apela la elementele logice fluidice care au presiuni de lucru de 0,1……..1 bar.

Echipamentele pneumatice se pot imparti in echipamente active si echipamente passive, dupa modul de obtinere a semnalului de iesire.

Sunt active acele echipamente la care semnalul de iesire provine de la o sursa de presiune constanta. In acest caz semnalul de comanda are numai rolul de pilotare. Aceste echipamente pot avea la iesire semnale mai mari decat cele de comanda. Se realizeaza astfel o regenerare a semnalului si chiar o amplificare a acestuia gratie energiei furnizate de sursa de presiune constanta.

Echipamentele pasive au specific faptul ca semnalele de iesire se obtin direct dintr-un semnal de intrare. Aceste echipamente nu necesita o legatura suplimentata cu o sursa de energie, dar semnalul de iesire nu numai ca nu este amplificat, dar are un nivel energetic mai scazut, datorita

pierderilor de presiune si debit care apar in urma curgerii prin echipament.

3-Sisteme de pozitonare pneumatice

Sistemu de pozitionare care foloseste controlerul SPC 200 de la festo

1 Traductor de pozitie2 Interfata axe de tipul SPC-AIF3 Controler de pozitionare SPC2004 Distribuitor pneumatic de tipul MPYE5 Unitate de preparare a aerului cu 5 _m filtru6 Cilindru

Comanda axelor se poate face electri pneumatic sau hidraulic.

Se foloseste un cilindru pneumatic cu dubla actiune ,pentrui a face sistemul cit mai compact cilindrul si ghidajul sunt combinate pt a forma o unitate liniara ,cursa cilindrului este de 450 mm.

Se foloseste un distribuitor proportional de tipul 5/3

(schema pneumatica a sitemului)Traductorul converteste pozitia in semnal electric

Schema electrica a sistemului Componentele necesare sistemului

4-Prezentarea unitatii de pozitionare ce constituie obiectul proiectului

Lărgirea ariei de utilizare a unităţilor pneumatice de acţionare, in sensul măririi preciziei de poziţionare si al controlului componentelor inerţiale, cere realizarea unui control permanent al vitezei de deplasare a unităţii, deci a presiuni de alimentare.In cele ce urmeaza vom studia comportarea in regim dinamic a unui sistem de actionare distribuitor-cilindru pneumatic.

Acest studiu este ingreunat foarte mult de faptul ca majoritatea marimilor care intervin in modelul matematic sunt variabile, iar regimul de curgerea a aerului este nepermanent.

Stabilirea modelului matematic se face pe baza schemei din figura urmatoare:

Pa

1 Pa1

3

2

1’ Pa2

44

6

5

6’m Fr

P1 S1 S2 P2

m1

m2

Cp

1 -Supapa de siguranta1’-Supapa de siguranta2 -Distriduitor pneumatic 5/3 3 -Distribuitor pneumatic 4/24 - Sistem frina 5 -Cilindru pneumatic fara tija6 -Drosel6’-Drosel

Se cunosc:-diametrul cilindrului Dc =32mm, 40 mm, 50mm-cursa c =300mm, 400mm, 600 mm-presiunea de alimentare a distribuitorului pa = 4 bar, 5 bar, 6 bar-viteza de deplasare a tijei motorului pneumatic vR = 0.8 m/s, 1m/s, 1.2m/s

5-Predimensionarea echipamentelor

Una dintre etapele cele mai importante care trebuie parcurse la proiectarea unui sistem de pozitionare consta in predimensionarea si apoi alegerea din cataloage a echipamentelor ce compun sistemul respectiv. Punctul de pornire il reprezinta predimensionarea motoarelor din sistem.De cele mai multe ori se aleg din cataloagele firmelor producatoare, astfel incat principalele caracteristici tehnico-functionale sa corespunda scopului urmarit prin tema de proiectare. Pentru anumite aplicatii este necesar sa se proiecteze cilindri de constructie speciala. In ambele cazuri, intr-o prima etapa, pornind de la datele impuse prin tema de proiectare se stabileste tipul construcitv-functional si se calculeaza dimensiunile constructive principale ale cilindrului, si anume:-diametrul cilindrului Dc

-diametrul nominal Dn

In cazul nostru, diametrul cilindrului este dat de la inceput, asa ca prima etapa va fi calcularea sectiunii cilindrului

Forta dezvoltata de motor va fi egala cu:

22.9 kN

Este important sa mentionam ca s-a ales coeficientul k1=1.4

Se calculeaza diametrul nominal Dn; pentru aceasta se impune parcurgerea urmatoarelor etape:-se calculeaza debitele medii de admisie qa si de evacuare qe

qe=qa= 386 l/min

Unde S1= S2=S deoarece motorul nostru nu are tija.

-se adopta viteza medie admisibila de curgere prin orificiile motorului

wad= =49,1 m/s

-se calculeaza diametrul nominal Dn, cu o relatie dedusa pornind de la ecuatia continuitatii debitului

Dn=

De regula, cele doua orificii ale unui motor liniar au diametre nominale egale. Diametrul Dn pentru motor reprezinta diametrul nominal al tuturor conductelor de legatura.

Putem astfel continua cu alegerea echipamentelor pneumatice din cataloagele firmelor producatoare. In consecinta, am ales atat motorul, cat si distribuitorul de la firma Festo, iar detaliile tehnice ale acestora sunt prezentate in continuare.

Codurile de comanda pentru fiecare echipament sunt:

Unitate actionare liniara DGPL-32- -PPV-A-KF-B   cod 161793

Distribuitor cu comanda electrica  CPE14-M1BH-5/3B-1/8  cod  196933

Drosel cu supapa de sens de precizie  GRLA-1/8-B cod 151165

Amoritzor de zgomot  U-1/8-50  cod  534222

Regulator de presiune  LR-1/8-QS-4  cod 153534

Distribuitor cu comanda electrica   MF-4-1/8   cod 4612

6-Modelul matematic al unitati de pozitionare

Pentru stabilirea modelului matematic consideram urmatoarele ipoteze:- Debitul masic instantaneu prin sectiunile de curgere este egal cu debitul

masic stationar, pentru acelasi raport al presiunilor in aval si amonte;- Curgerea aerului are loc in regim adiabat;- Pierderile de presiune in conductele de legatura sunt neglijabile- Nu luam in considerare partea sistemului care contine frana pneumaticaIn aceste conditii modelul matematic contine:

1. Ecuatiile debitelor masice;

=

=

unde : B =

K – componentul adiabatic, K=1,4;R – constanta specifica a aerului R=287,037 I/KgK;P0 – presiunea atmosferica, P0 = 1,013 x 105 N/m2

Pa , Ta – parametrii initiali ai mediului de lucru

f(x) = a[X2/K – X(K+1)K]1/2 daca X є (0.528,1] 1 daca X є (0, 0.528]

A1,A2 – sectiuni efective de curgere prin distribuitor; depind de solutia constructiva aleasa pentru distribuitoare.

0 , z la

Se considera: A1 = A2 = Ds (z-la) la<z<zm

z zm

α1, α2 - coeficienti de debit, ce tin seama de fenomenul de contractie a curentului de fluid.

In ipoteza ca deplasarea sistemului este uniform accelerata se exprima Z(t) si (t)

Relatia lui Z scrisa la momentul t=tc , tc – timplu de comutatie a sertarului, permite determirea acceleratiei sertarului:

deci

2. Ecuatiile temperaturilor in cele doua camere de lucru (T1, T2)

T1=T2=20+273.15=293.15 K constanta

3. Ecuatiile diferentiale ale presiunilor in camerele de lucru:

unde V1 = V10 +S1XV2 = V20 +(C-X)S2

4. Ecuatia de miscare a subansamblului mobil:

unde m = mp + mr este masa pistonului plus masa redusa a pieselor aflate in miscare cu pistonul;Fr – forta rezistenta utila;∑Ff - suma fortelor de frecare;C0 – constanta de amortizare vascoasa;

=S2 Sectiunile active ale pistonului;

Sectiunea tijei

Sistemul de ecuatii ce formeaza modelul matematic fiind neliniar cere o rezolvare numerica pas cu pas.

In urma rezolvarii sistemului de ecuatii, folosind drept date initiale cele prezentate mai jos se obtin legile de variatie ale vitezei si acceleratiei (x,x) si ale presiunilor din camerele de lucru ale cilindrului (P1 si P2)

Pa = Ps = 4bar, Ta = Ts = 293.15K, Dn = 5mm, Dc = 32mm, Dt = 0mm, C = 300mm

Durata totala a unei faze de actionare se considera din momentul inceperii actionarii distribuitorului de comanda si pana in momentul opririi pistonului in pozitia finala ( la cap de cursa sau intr-o pozitie intermediara).

Pe parcursul unei faze se disting mai multe etape:- etapa de pregatire – din momentul actionarii distribuitorului pana in

momentul punerii in miscare a pistonului – durata acestei etape tp fiind conditionata in principal de timpul de comutatie al distribuitorului, de timpul necesar umplerii volumului V10 si de forta rezistenta ce trebuie invinsa ( pentru valori mari ale fortei se mareste si tp )

- etapa de demaraj – din momentul punerii in miscare a pistonului pana la atingerea vitezei constante de deplasare – durata acestei etape td fiind conditionata in principal de sarcina inertiala (masa redusa) antrenata;

- etapa de miscare stabilita – din momentul stingerii vitezei constante pana in momentul inceperii miscarii decelerate ts;

- etapa de oprire – din momentul inceperii miscarii decelerate pana la oprirea completa a miscarii – durata acestei etape, t0 depinde de modul cum se realizeaza oprirea: cu soc sau cu franare.

Timpul total de actionare pentru o faza:ta = tp + td + ts + t0

Determinarea timpului de actionare se face pe baza modelului matematic prezentat.Daca orpirea are loc cu franarea modelul matematic trebuie completat cu

ecuatiile ce descriu acest fenomen.Observatie : un astfel de sistem permite obtinerea unei viteze constante a

subansamblului mobil numai daca fortele rezistente nu variaza pe cursa, iar valoarea acestei viteze stabilizate nu poate fi modificata

7- Simularea functionarii unitatii de pozitionare :

Simularea reprezintă procesul prin care un sistem mecanic, hidraulic, pneumatic, electric, s.a real este inlocuit printr-un sistem virtual pentru a fi apoi supus unor teste de fiabilitate,de comportament sau teste la limita care nu pot fi realizate in mod real pe sistemul considerat.Simulink este o opţiune pentru modelarea ,simularea ,analiza sistemelor fizice si matematice ,incuzind si sistemele cu elemente neliniare si sistemele ce necesita folosirea unui timp continuu sau discret .Simulink ca parte a MatLab-u\m realizează funcţia de calcul matematic cu ajutorul funcţiilor de aproximare matematica dar si dinamica a sistemelor.

Avantajul major este existenta unor funcţii predefinite care facilitează crearea de scheme ce fac mai uşoara intelegerea comportării sistemului real ,succesiunea unor operaţii dependente de timp,permite deasemenea shimbarea parametrilor si chiar introducerea de noi subsisteme fara a afecta sistemul real.Un avantaj direct il are si realizarea de grafice relevante care pot fi cu uşurinţa interpretate oferind astfel un suport vizual in prezentarea eficienta a informaţiei.Utilizarea de materiale,dispozitive,echipamente de inalta precizie in incercarile reale sau chiar incercarea de prototipuri; poate fi de cele multe ori costisitoare mărind preţul de vinzare a unor produse. Simularea cu ajutorul programelor specializate au condus la o noua era in siguranţa produsului si in orientarea spre un produs fiabil,care sa răspundă cit mai precis cerinţelor intr-un timp cit mai scurt(datorita reducerii numărului de prototipuri si de incercari fizice ,a timpului de procesare a informatiei-se afla răspunsul dorit in timp util)cu minimul de pierderi si de erori.

Pentru unitatea studiata s-au luat:-parametrii constructivi:Dc = 32 mmDt = 0 mmC = 300 mmDn=5 (G1/8)V=0.8 m/s

Simularea sistemului a fost facuta cu ajutorul softului on-line oferit de festo rezultatul acetei simulari fiind efectuat pentru echipamentele alese:

Cuprins

1 Configuratia Sistemului

2 Introducere generalitati

3 Sisteme de pozitonare pneumatice

4 Prezentarea unitatii de pozitionare

5 Predimensionarea echipamentelor

6 Modelul matematic al unitati de pozitionare

7 Simularea functionarii unitatii de pozitionare 

8 Anexe