|
Pneumatické a hydraulické systémy pro automatizaci
Společnou předností tekutinových mechanismů je jednoduchá realizace přímočarých pohybů motorů, které mohou být přímo bez převodu spojeny s navazujícím mechanismem. Přímočaré tekutinové motory jsou rozměrově výhodné a mají malou hmotnost. Další významnou předností tekutinových mechanismů je, že jsou sestavovány z typizovaných prvků vyráběných v hustých řadách typů, rozměrů a parametrů.
Koncepce tekutinových mechanismů
Při aplikaci pneumatických a hydraulických mechanismů v konstrukci strojů a zařízení je nutné zajistit především řízení těchto funkcí:
- reverzace pohybu motoru,
- řízení rychlosti pohybu motoru,
- řízení polohy zastavení motoru.
Způsob realizace těchto funkcí určuje koncepci a vlastnosti příslušného mechanismu. Charakteristickou vlastností první možné koncepce je realizace těchto funkcí oddělenými prvky. To znamená, že reverzace motoru je zajišťována rozváděči nebo ventily, rychlost pohybu motoru je řízena škrticími ventily a poloha se nastavuje blokováním tekutiny v pracovním prostoru motoru nebo prostřednictvím mechanického blokování pohybu na výstupu motoru. U druhé koncepce jsou uvedené tři funkce zajišťovány společně jediným prvkem – servoventilem. Princip činnosti servoventilu vychází z řízeného převodu spojitého elektrického signálu na spojitý proud tekutiny. U třetí koncepce jsou uvedené tři funkce realizovány regulačním generátorem proudu tekutiny nebo regulačním motorem. S ohledem na stlačitelnost vzduchu má pro pneumatický mechanismus zcela podstatný význam první koncepce, která je až na výjimky v pneumatických mechanismech základním uspořádáním. Druhá a třetí koncepce připadají v úvahu především pro hydraulické mechanismy; tyto dvě koncepce zvýrazňují možnosti hydraulického mechanismu při zajišťování složitějších provozních funkcí příslušného zařízení v porovnání s možnostmi pneumatického mechanismu.
Hydraulické mechanismy
Počátky
Počáteční období využívání hydraulických mechanismů ve stavbě strojů je spojeno především s konstrukcemi hydraulických lisů. Druhé, zejména poválečné období znamená razantní nástup hydrauliky v podstatě do všech strojírenských oborů. Hydraulika sehrála nezastupitelnou roli v ovládacích systémech letadel a rychle se rozšířila i v konstrukcích zemních, stavebních a postupně i zemědělských strojů. V šedesátých letech to byly především hydraulické mechanismy, které se uplatnily při vytváření prvních konfigurací průmyslových robotů. V souvislosti s konstrukcemi robotů se výhodně uplatnila možnost přímé realizace přímočarých pohybů s požadovanými parametry bez nutnosti zařadit mechanický transformační blok. Modifikované uspořádání pohonu s kyvně uloženým přímočarým motorem umožnilo jednoduše vyvodit kývavý pohyb, což je předpoklad pro stavbu sférických, popř. cylindrických polohovacích struktur. Hydraulické mechanismy mají velkou zásluhu na úspěchu prvních robotů americké firmy Unimation. Jde o známé typy Unimate se sférickou kinematickou strukturou, které byly na počátku sedmdesátých let v rámci licence vyráběny i v Japonsku a jsou pokládány za počátek nejen výroby, ale i samostatného vývoje robotů v této asijské zemi. Díky malým rozměrům hydraulických prvků a možnosti přímého spojení motorů s výstupy pohybových jednotek bez převodu byly hydraulické mechanismy dlouho používány i v konstrukcích robotů pro stříkání barev. Výrazný úspěch v této souvislosti měly roboty norské firmy Tralfa, které se dále úspěšně uplatnily i na automatických svařovacích pracovištích.
Současnost
V současné době jsou hydraulické mechanismy ve značném rozsahu vytlačeny z prostoru konstrukcí výrobních strojů a manipulačních zařízení s malým a středním výkonem do kategorií zařízení s vyšším výkonem. U stabilních konstrukcí strojů vyšších výkonů má hydraulika pevné postavení v oblasti výstupních převodníků energie – hydromotorů. Funkce motoru jsou ovládány prostřednictvím elektrohydraulických prvků pro řízení parametrů tlakové kapaliny na vstupu motoru. Elektronika se přiblížila do bezprostřední blízkosti motorů.
U mobilních strojů se zatím udržuje původní klasický charakter struktury hydraulického mechanismu s vysokým podílem čistě hydraulických prvků v obvodu propojujícího hydrogenerátor s hydromotorem.
Charakteristickým rysem současného oboru hydraulika je široký sortiment funkčních prvků vyráběných v mnoha rozměrových řadách se sjednocenými připojovacími schématy. Konstrukce hydraulických prvků vycházejí z optimalizovaných parametrů a plně využívají moderní technologické možnosti. Charakteristický je rovněž velký podíl elektrického ovládání v integrovaném bloku prvku. Elektrické ovládací vstupy hydraulických prvků umožňují realizovat vazbu na elektronické řídicí systémy a tím zajistit automatickou činnost hydraulického mechanismu. Hydraulika účinně odolává razantní konkurenci elektromechanických pohonů především možností přenosu velkých výkonů s velkou koncentrací výkonu na jednotkový objem a jednotkovou hmotnost mechanismu, jednoduchou realizací přímočarých pohybů spolehlivými přímočarými hydromotory, schopnými transformovat energii na velké síly, a možností přenosu energie v prostorově komplikovaných konstrukčních dispozicích. Zatím zcela neotřesitelné postavení mají hydraulické mechanismy v konstrukcích mobilních strojů. Významné postavení hydraulických mechanismů v současné době potvrzují i statistické údaje o počtu podaných přihlášek patentů s tímto zaměřením. Například v Německu je podíl a stavbu těchto zařízení. Uvedené typy výrobních systémů jsou řízeny univerzálními elektronickými programovatelnými automaty, jejichž provedení je přizpůsobeno spojení s pneumatickými mechanismy.
Modulární manipulátory a manipulační systémy. Manipulátory jsou sestavovány ze standardních translačních modulů a standardních modulů s kývavým pohybem. Při aplikaci těchto dvou typů pohybových jednotek se vytvářejí konfigurace manipulátorů s kartézským nebo sférickým kinematickým systémem s různým počtem pohybů. Většinou jde o konfigurace s maximálně třemi pohyby. V současné době je rozšířeno využití modulárních manipulátorů ve strukturách automatických účelových montážních systémů. Z jednotlivých manipulátorů se dále mohou sestavovat rozsáhlejší manipulační systémy. Manipulátory této kategorie jsou schopny konat jednodušší pohybové operace většinou jen s dvoustavovým nastavováním polohy. Velkou předností jsou velké pracovní rychlosti. Pro automatizaci montáže se používají dvě základní koncepce. V první je více montážních operací uskutečňováno na jedné pozici jediným robotem. Předností je kompaktní soustředěné pracoviště a nevýhodou narušení větší části montážního cyklu při poruše. V případě druhé koncepce je montáž rozdělena na dílčí operace, které jsou proveditelné jednoduššími manipulačními prostředky. Těmto podmínkám vyhovují pneumatické manipulátory s nastavením polohy jednotlivých pohybů pevnými dorazy. Rozdělení montážního procesu na dílčí operace využívá možnosti časového překrytí operací a tím zrychlení průběhu montáže. Nevýhodou je jen jednoúčelové využití montážního systému. V některých případech je výhodná kombinace uvedených koncepcí, kdy jednodušší, většinou pomocné operace vykonávají pneumatické manipulátory a složitější operace elektromechanické roboty.
Úchopné hlavice manipulátorů a robotů. Úchopná hlavice je pracovní částí manipulačních prostředků. Požadavkem na její konstrukci jsou minimální rozměry a minimální hmotnost. Z těchto důvodů mají vynikající předpoklady pro pohon úchopných hlavic pneumatické prvky. Pro pohon mechanických čelistí se používají menší typy přímočarých motorů. V současné době jsou k dispozici standardní konstrukce pohonu s mechanickým převodem, ke kterým se na výstup převodu montují účelové čelisti podle tvarové a rozměrové dispozice objektu manipulace. Tyto standardní podsestavy jsou jemně odstupňovány v řadách ve výrobních programech větších firem. Vývoj v této oblasti jde směrem miniaturizace a rozšiřování funkce úchopných hlavic. Jedním z příkladů takového řešení je integrace úchopné a pohybové části v jednom bloku. Zatím existuje provedení úchopné části doplněné otočným pohybem kolem osy hlavice. Druhou možností je aplikace podtlakových komor pro uchopení objektů. V tomto případě se nejčastěji generuje podtlak jednoduchým ejektorem, jehož součástí je i pryžová podtlaková komora. Z těchto jednoduchých částí lze vytvářet i složitější konfigurace úchopných hlavic, v nichž jsou jednotlivé ejektorové prvky rozmístěny na rámu s prostorovým přizpůsobením tvaru objektu manipulace. Zmíněné typy pneumatických úchopných hlavic se ve velkém rozsahu používají u elektromechanických robotů.
Upínací přípravky a fixační prvky. Přípravky jsou součástí většiny výrobních operací. Jejich konstrukce je většinou účelově přizpůsobena dané situaci. Pro ovládání upínacích prvků se s výhodou používají pneumatické přímočaré motory. Předností je široký sortiment provedení, malé rozměry a možnost realizovat elektrické ovládání s ohledem na zajištění vazby s řídicím systémem při automatické činnosti. U složitějších přípravků se vyskytují ustavovací – fixační prvky, které bývají přestavitelné v průběhu činnosti přípravku. Pro jejich ovládání se rovněž výhodně používají přímočaré pneumatické motory.
Ovládání zásobníků, oddělovacích a kontrolních mechanismů. Uvedené typy zařízení se používají při řešení systémů pro automatickou manipulaci s drobnými objekty. V tomto případě se s výhodou uplatňují zejména miniaturní typy přímočarých pneumatických motorů.
Oborově orientované systémy. Rozšiřuje se prostor aplikací specializovaných konstrukcí zařízení a systémů účelově přizpůsobených určitému charakteru výroby. Typickým příkladem jsou zařízení pro automobilový průmysl.
Zařízení v nevýrobních oborech. Frekventované jsou aplikace pneumatických motorů v konstrukcích dopravních prostředků, např. mechanismy ovládání dveří – v poslední době s využitím bezpístnicových motorů se zakřivenou dráhou výstupního pohybu. Zajímavým použitím bezpístnicového motoru je pohon opony Stavovského divadla v Praze. Motor je řízen pneumatickým obvodem s předvolbou několika rychlostí pohybu (řešení navrhl autor článku).
Speciální zařízení. Do této kategorie patří např. automatický systém pro děrování ocelových profilů nosných konzol kabelů. Systém byl realizován v podniku Metrostav Praha. Technologickou
část tvoří děrovací jednotky s pneumohydraulickým multiplikátorem, mezioperační manipulaci zajišťují automatické manipulátory v součinnosti s upínači (řešení navrhl autor článku).
Závěr
Vývoj struktur tekutinových mechanismů a jejich prvků je ovlivňován rozvojem technologií, stavem vývoje struktur jiných typů mechanismů a jejich prvků a požadavky konstrukcí na jejich aplikaci. Společným znakem vývoje pneumatických i hydraulických mechanismů je zjednodušování jejich struktury tím, že řešení všech logických operací je přeneseno do prostoru elektronického řídicího systému, a tím, že struktury jsou vytvářeny z komponent s rozšiřujícím se rozsahem realizovaných funkcí. Společným znakem vývoje tekutinových prvků je jejich „mechatronický“ charakter, což znamená, že elektronické bloky se stávají součástí integrovaných konstrukcí pneumatických i hydraulických prvků.
Trendem vývoje hydraulických a pneumatických mechanismů je růst rozsahu funkční integrace v rámci standardních komponent a přibližování elektroniky k výkonovému prvku, tj. motoru.
Silnou stránkou hydrauliky zůstává velký stupeň koncentrace výkonu na jednotku hmotnosti a objemu konstrukce prvků. Pneumatika disponuje miniaturními přímočarými motory, které mají velkou šanci v rozvoji aplikací s automatizací operací nejen v rámci výroby.
Společným stále aktuálním problémem obou kategorií tekutinových mechanismů je zvyšování jejich účinnosti cestou zpřesňování výroby, technologickými zásahy ve směru snižování pasivních odporů pohyblivých částí prvků a hledáním nových principů činnosti prvků. Jedním ze sledovaných vývojových směrů je zvyšování úrovně standardizace a modularity stavebních komponent.
prof. Ing. Jaroslav Talácko, CSc., Fakulta strojní ČVUT v Praze
|