UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFACULTATEA DE INGINERIE MECANICA SI MECATRONICA

Anul universitar 2008-2009

1.Tema proiectului

1

Sa se realizeze modelarea si functionarea sistemuluide pozitionare pneumatic din figura avand urmatoarele date de functionare: Presiunea de alimentare : Pa= 5 bar Cursa maxima : C=400 mm Viteza : X r=1 m/s Diametrul cilindrului : Dc=60 mm

Pa= presiune de alimentare: Dp= distibuitor pneumatic clasic : Dr=drosel :MLP= motor liniar pneumatic : Rp= regulator de presiune

2.Prezentarea sistemelor de pozitionare. Generalitati.

2

Structura generala a unui sistem de actionare, hidraulic sau pneumatic, este prezentata in figura de mai jos:

Reactie electrica

SEP Generator de energie ERC

Comanda

Motor MAp

Ng=pq

Mi

Ni=ωiMi

ωi q

pm

Nm=pmqm

qm

Me

Ne=ωeMe

ωe

Semnale externe

Subsistem de putereSA

Subsistem de

comanda

In aceasta structura se identifica la nivelul sistemului de actionare SA doua subsisteme componente:subsistemul de putere, subsistem la nivelul caruia se transmite un flux energetic important ; in majoritatea cazurilor acest subsistem are in componenta sa urmatoarele echipamente :

generatorul de energie, care transforma energia de intrare, care transforma energia de intrare, furnizara de sursa de energie primara SEP, in energia hidraulica in cazul sistemelor hidraulice de actionare si respectiv in energie pneumatica in cazul sistemelor pneumatice de actionare ;elementele de reglare si control al energiei ERC, care modifica cei doi parametri de la intrare ce caracterizeaza fluxul energetic, presiunea p si debitul q, in concordanta cu nevoile mecanismului actionat de catre sistem, respectiv la valorile qm si pm ;motorul, care transforma energia specifica sistemului in lucru mecanic util.

Parametrul principal care caracterizeaza din punct de vedere calitativ acest subsistem este randamentul η ,a carui expresie este:

i

e

ii

ee

mm

eemm

iimotorERCgenerator N

N

M

M

pq

M

qp

pq

M

qp

Fluxul magnetic este caracterizat prin perechi de marimi variabile, care descriu in orice moment starea agentului de lucru (presiune, debit) si a organelor mobile ale pompei si

3

motorului (moment, viteza unghiulara sau forta, viteza liniara). Aceste marimi pot fi grupate in :

marimi directe – cele care descriu starea de miscare a fluidului ( mqq, ) sau starea de

miscare a organelor mobile ( ei , ) ;

marimi indirecte – cele care descriu starea de incarcare a fluidului ( mpp, ) sau a

organelor mobile ( ei MM , ) ;

subsistemul de comanda, subsistem caracterizat printr-un flux informational ;acest subsistem grupeaza elementele ce realizeaza captarea, transformarea si prelucrarea informatiilor directe ; semnalele de intrare in acest subsistem pot proveni :

de la subsistemul de putere ( informatii despre cei doi parametri ai fluxului energetic din

amonte (p si q) si respectiv din aval ( mp si mq ) de echipamentele de reglare si control) ;de la mecanismul actionat (ca semnale de reactie) ;din exteriorul sistemului, de la un pupitru de comanda, de la un dispozitiv de programare etc.

Semnalele informationale cu care lucreaza acest subsistem pot fi electrice, penumatice sau hidraulice. Sistemul se numeste omogen din punct de vedere energetic daca in cele doua subsisteme ale sale se foloseste acelasi tip de energie.

O unitate de pozitionare pneumatic reprezinta un ansamblu format dintr-un motor pneumatic (liniar, oscilant sau rotati), unul sau mai multe echipamente proportionale si un „amplificator electronic”.

Sub aspect constructiv, unitatea se prezinta ca o structura compacta. De regula echipamentul proportional este montat pe partea fixa a motorului si nu de putine ori electronica de comanda este integrata in structura mecanica.

In foarte multe aplicatii unitatile de actionare au caracteristic faptul ca sunt unitati de reglare automata. Din acest motiv ele includ in structura lor unul sau mai multe traductoare pentru diferite marimi mecanice (pozitie, viteza, presiune, temperatura, debit). Asemenea unitati sunt cunoscute si sub denumirea de „axe hidraulice proportionale”.

De cele mai multe ori, unitatile folosite pentru actionarile de precizie (roboti industriali, masini cu comanda numerica, dispozitive de ochire etc.) trebuie sa realizeze pozitionarea cu o precizie impusa a sarcinii antrenate in anumite puncte de pe cursa de lucru. Aceasta impune si un control riguros al vitezei de deplasare a sarcinii. Exista si situatii in care se doreste dezvoltarea unor forte/momente de valoare programabila.

4

Trebuie facuta o diferentiere intre aplicatiile la care sarcina manipulata trebuie pozitionata intr-un numar finit de puncte de pe cursa de lucru si cele in care se urmareste pozitionarea sa in orice punct al acesteia. In primul caz unitatea este cu pozitionare discreta, in timp ce de-al doilea caz unitatea este cu pozitionare continua.

In functie de natura reactiei folosite, unitatile de pozitionare hidraulice pot fi de 2 tipuri:-cu reactie mecanica de pozitie-cu reactie electrica de pozitie

Conceptia mecatronica a unui sistem de actionare urmareste in primul rand cresterea performantelor statice si dinamice ale sistemului si o imbunatatire substantiala a stabilitatii acestuia. La un asemena sistem, pe langa echipamentele de baza, apar in plus: microprocesorul ce conduce sistemul, diferite traductoare pentru marimile ce influenteaza evolutia sistemului, precum si un software adecvat prelucrarii semnalelor achizitionate. Toate acestea sunt reunite intr-o conceptie modulara, cu o structura usor reconfigurabila, capabila sa evolueze dupa un program care se poate modifica facil in functie de aplicatia deservita.

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 electronicerelee electromagneticeelemente logice pneumaticeDispozitivele 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;

5

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 analogiceSisteme digitaleSistemele 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 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.

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

6

3.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

7

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

Schema electrica a sistemului Componentele necesare

sistemului

8

4.Echipamentele componente a sistemului de pozitionare pneumaticdin proiect

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.

Din sistemul de pozitionare pneumatic fac parte urmatoarele component:

1:Regulator de presiune ( Rp)

Regulatorul de presiune pentru debite mici are rolul de a reduce presiunea din conducte si de a mentine o presiune constantala iesire in limitele grupei de reglare, la variatia presiunii de intrare si a debitului. Regulatorul diferential de presiune mentine o presiune diferentiala reglabila manual intre presiunea primara la filetul de conectare si presiunea secundara la conector

Am ales de la firma FESTO regulatoru de presiune LR-1/8-QS-4 cu urmatoarele caracteristii

-Debit 22...100l/min-racord oscilan trotativ la 360°-conectare cu filet M5...R1/4

- conector QS pentru furtune cu diametre de la 4 ... 8 mm

LR-1/8-QS-4

9

2. Distribuitor cu comanda electrica : (Dp)

MFH-5-1/2-S

Distribuitoarul este unul dintre cele mai folosite echipamente pneumatice,datorita calitati lor de a schimba sensul motorului pneumatic,cat si oprirea pe cursa.

In figura de mai sus este prezentat distribuitorul (Dp1) MFH-5-1/2-S de la firma FESTO,care are atat comanda manuala cat si electrica. Este un distribuitor 5/2 necesar la actionarea sistemului de franare (Sf) din proiect.

10

CPE18-M1H-5/3GS-1/4

Distribuitorul CPE18-M1H-5/3GS-1/4 este cel de-al doilea distribuitor (Dp2) din proiect . Este un distribuitor 5/3 cu racord de ¼ ( s-a demonstrat prin calcule ca Dn=ǿ8), care are rolul de a schimba directia motorului liniar MLP ,cat oprire acestuia pe cursa.

3 Drosel (Dr)

Drosele cu supapa sunt folosite pentru a exhausta aerul cu cilindri cu dubla actiune. O supapa inchide debitul deaer intr-o directie, acesta putand sa mai curga doar prin drosele cu sectiune reglabila. In sens contrar aerul poate sa treaca liber prin supapa deschisa la sectiune maxima. Prin alimentare libera si evacuare droselizata pistonul lucreaza intre 2 perne de aer. (imbunatatirea comportarii de deplasare chia si la schimbari de sarcina)

GRGA-3/8-B

11

Droselele alese pentru proiect sunt alese de la firma Festo si au codul produsuui GRGA-3/8-B .In proiect sunt prevazute 2 drosele Dr1 si Dr2 care sunt plaste in amonte si aval de motor pt a regla viteza motorului.

4. Motor Liniar Pneumatic

DGPL-63- -PPV-A-GF-B

Mototrul liniar ales pentru proiect de la firma Festo este DGPL-63- -PPV-A-GF-B si este un motor de constructie speciala (fara tija) Motoarele liniare fara tija DGP si DGPL necesita spatiu redus, au caracteristici dinamice înalte si rezistenta la torsiune cu rigiditate mare (DGPL). Ele sunt potrivite pentru aplicatii de manipulare cat si pentru aplicatiile cu sarcini mari si spatii de instalare compacte. Sunt disponibile trei variante de ghidaje: -cilindru de baza DGP cu ghidaj integrat pentru sarcini mici – ghidaj pentru lagar de alunecare DGPL-GK pentru sarcini medii cu momente reduse –- ghidaj pentru rulment cu bile DGPL-KF pentru momente si sarcini mari concomitent cu ghidaj de precizie. Variante si functii: - diametru de la 8 la 80 mm; – curse pana la 3 000 mm, curse mai mari la cerere; – reductie a aerului D2 pe ambele part; – unitate de prindere KU, KV, KH, dedesubt, frontala, spate; – piston / glisant extins GV; – Ghidaj de sarcina grea HD pentru momente cu ghidare precisa; –

12

EX3: ATEX identificare II 2G; – Proiect DGPI cu sistem de masurare incorporat, diametru disponibil de la 25 la 63 mm pentru SPC11 electronic si dispozitiv amortizare pentru pozitia de capat si pentru pozitionare cu controlerul de pozi?ie SPC200; – model protejat la contaminare GA pentru DGxL – KF cu curse de pana la 2 m; – lubrifiant cu durata de viata pentru DGPL-KF; – optional cu amortizor; – optional cu controler de pozitie finala SPC-11; – optional cu sistemul de masurare atasat, tip MLO sau MME, de ex. pentru aplicatii de pozitionare impreuna cu controlerul de pozitie SPC200 sau cu sistemul electronic amortizor la pozitie finala, Soft Stop, SPC11, inclusiv in manipularea si montarea modulului. Adaptat prin interfete la aplicatiile multi-axe.

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:

13

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= 305 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

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.

14

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: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/m2Pa , 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]

15

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

16

T1=T2=20+273.15=293.15 K constanta

Ecuatiile diferentiale ale presiunilor in camerele de lucru:

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

7.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 = 5bar, Ta = Ts = 293.15K, Dn = 8mm, Dc = 60mm, Dt = 0mm, C = 400mm

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

17

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 + t0Determinarea 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

8.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.Firma FESTO da posibilitatea clientilor sa-si creeze sistemul dorit (alegand piesele componente necesare) si sa-l simuleze .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.

18

Cuprins:

1.Tema proiectului 2.Prezentarea sistemelor de pozitionare. Generalitati.3.Exemplu de sistem de pozitionare4.Echipamentele componente a sistemului de pozitionare pneumaticdin proiect5.Predimensionarea echipamentelor6.Modelul matematic al unitati de pozitionare7.Ecuatia de miscare a subansamblului mobil8.Simularea functionarii unitatii de pozitionare 9.ConcluziiBibliografie

Bibliografie:

Documentatia data de firma FESTOInternet

9.Concluzii:

Sistemul de proiectare contine 2 ramuri:

Prima ramura alimenteaza distibuitorul cu comanda electrica 5/3 (Dp2) care la randul lui pune in actiune motorul liniar MLP (motor de constructie speciala-fara tija)Viteza pistonului motorului atat la avans cat si retragere este data de cele 2 drosele montate amonte si aval de motor.Pozitia pistonului pe cursa este data de un traductor de pozitie(care nu este specificat in desenul de proiectare). Cea dea doua ramura care alimenteaza distribuitorul cu comanda electrica 5/2 reprezinta sistemul de franare . Comanda distribuitoarelor poate fi data de un sistem modular I/O de tip FilePoint.iar interfatarea cu un calculator poate fi realizata cu un program in LabView