氣動(dòng)解決方案在機(jī)器控制設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

對機(jī)器設(shè)計(jì)人員來說，伺服氣動(dòng)系統(tǒng)的引用意味著新的氣體力學(xué)，這種系統(tǒng)嚴(yán)格保留了電子伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的工作機(jī)制。

　　很久以前，出現(xiàn)了機(jī)器自動(dòng)化機(jī)電解決方案的領(lǐng)域，許多工業(yè)OEM傾向氣動(dòng)解決方案。在某些機(jī)器領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員很少有性價(jià)比高的機(jī)電解決方案，他們更傾向于氣動(dòng)閥、汽缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)等的簡單以及與它們運(yùn)行相關(guān)的管道。
　　他們盡可能地把它們集成到每個(gè)設(shè)計(jì)中。但是,當(dāng)涉及機(jī)器性能要求時(shí)，機(jī)器制造商為了有競爭性，不得不采用替代解決方案。對更的應(yīng)用，有必要采用機(jī)電解決方案。現(xiàn)在，對更復(fù)雜而靈活的機(jī)器，機(jī)電占主導(dǎo)地位，特別是，零件或裝配生產(chǎn)線的快速更換，高精度以及更快的速度是必要的。
然而，即使這些更精密、更高速的機(jī)器，許多氣動(dòng)組件也被集成到設(shè)計(jì)中,從而創(chuàng)造一個(gè)混合解決方案。對輸出和產(chǎn)品不變或有限可變的自動(dòng)機(jī)器，氣動(dòng)組件通常占主導(dǎo)地位。

　　現(xiàn)在，大規(guī)模的制造運(yùn)行工段有巨大的氣動(dòng)運(yùn)行設(shè)備安裝底座。根據(jù)一些銷售機(jī)電和液壓解決方案的公司，在國家的很多地方，以前安裝的底座是如此的大以致用于維護(hù)目的的氣動(dòng)組件的銷售遠(yuǎn)超過機(jī)電設(shè)備的銷售。關(guān)于僅有的，事實(shí)上已變得滅絕的氣動(dòng)控制工段是氣動(dòng)邏輯控制。即使這樣，氣動(dòng)邏輯仍用在一些防爆應(yīng)用中。
　　對混合機(jī)器解決方案的爭論可能來自更希望集中他們的氣動(dòng)功率源（泵和壓縮機(jī)）的設(shè)計(jì)人員。非液壓解決方案通常要求功率源集中在機(jī)器動(dòng)作的附近。然而，隨著在氣動(dòng)組成設(shè)備中集成多接口能力的出現(xiàn)，例如，各種現(xiàn)場總線接口，集中控制氣動(dòng)設(shè)備的能力變得更容易。

　　氣動(dòng)控制的進(jìn)步
　　伺服氣動(dòng)系統(tǒng)的引進(jìn)意味著氣體力學(xué)新的應(yīng)用，這些學(xué)科在不久前，嚴(yán)格保留了電子伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化的機(jī)制。一個(gè)值得關(guān)注的應(yīng)用是在木材廠的機(jī)器上控制壓力輥，該系統(tǒng)由美國俄勒岡州波特蘭市的Pacific Fluid Systems公司制造。
當(dāng)它們通過木材廠的電鋸時(shí)，控制器定位壓力輥，壓力輥攜帶原木、毛方木或按規(guī)格裁切的木料?？刂茐毫佉馕吨谝郧岸x的外型，緊緊地?cái)y帶原木，并不能損壞它們。


圖1. 混合氣動(dòng)解決方案


　　當(dāng)它們通過木材廠的電鋸時(shí)，傳感器——控制器——執(zhí)行機(jī)構(gòu)相結(jié)合定位壓力輥，壓力輥攜帶原木、毛方木或按規(guī)格裁切的木料。壓力輥的控制是按照以前定義的輪廓，緊緊地?cái)y帶原木，并不能損壞它們。

　　由Pacific公司設(shè)計(jì)并制造的壓力輥站配置。這些典型的配置用在刨機(jī)、軋邊機(jī)、鑲邊磨機(jī)。木材直線輸送速度快到2,000 board-ft/min。根據(jù)木材的類型和速度，這些壓力輥不得不承受1,200-1,800 磅的力，當(dāng)它們通過電鋸時(shí)，阻止木材移動(dòng)。圓型木材通常是6英寸的孔。

　　編程前，圓木的位置和力對壓力輥應(yīng)用非常關(guān)鍵，在更高帶寬，比例控制模式下運(yùn)行，從而使圓木運(yùn)動(dòng)到它能減速到zui終位置的地方。然后，控制器移動(dòng)到被控停止位置，并切換力到模式從而承受壓力。

Pacific 公司的工程部Tom Wells說：“編程前要求的圓木的位置和力對這個(gè)應(yīng)用非常關(guān)鍵，它允許我們在更高帶寬，比例控制模式下運(yùn)行，從而使圓木切換到力模式從而承受適當(dāng)?shù)膲毫?。這極大地降低了設(shè)置時(shí)間。” 

典型的應(yīng)用是一種稱為軋邊機(jī)的機(jī)器。這個(gè)機(jī)器有一個(gè)雙壓力輥的站:一個(gè)輥輸入到電鋸，另一個(gè)輥從電鋸輸出。這個(gè)應(yīng)用證實(shí)主動(dòng)阻尼算法的自動(dòng)調(diào)節(jié)。 

　　Delta Computer Systems公司位于美國華盛頓州范庫弗峰市，該公司CEO Steve Nylund聲稱：“在這些技術(shù)進(jìn)步的幫助下，以數(shù)量級的程度降低系統(tǒng)要求調(diào)節(jié)的時(shí)間是常見的，對機(jī)器制造者和客戶來說，降低機(jī)器調(diào)試的時(shí)間是非常重要的。應(yīng)用允許機(jī)器控制設(shè)計(jì)人員實(shí)施解決方案的各種標(biāo)準(zhǔn)通信接口也有很大的幫助。” 
氣動(dòng)在這種應(yīng)用的另一個(gè)好處是固有的兼容。在表面連續(xù)改變的地方，適應(yīng)偏離比其他技術(shù)更快、更有彈性。 

　　Nylund 評論說：“新伺服氣動(dòng)系統(tǒng)相對于舊的‘開關(guān)’閥運(yùn)動(dòng)更平滑、更，這些電子式控制，比例伺服閥在配置氣動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用中提供更好的選擇，不太可能直接影響運(yùn)動(dòng)的精度。” 

　　另一個(gè)逐漸增長的創(chuàng)新是使能液壓能力運(yùn)動(dòng)控制。這些控制器使用位置和壓力反饋完成閉環(huán)控制。這種雙反饋控制能力允許控制器補(bǔ)償經(jīng)典氣動(dòng)細(xì)微差別，例如，空氣熱脹冷縮和閥的非線性化。一個(gè)主動(dòng)阻尼方法比以前電-氣動(dòng)解決方案提供更穩(wěn)定的高性能?？刂破鳜F(xiàn)在能同時(shí)處理一到八個(gè)軸。Delta的系統(tǒng)包括允許圖形調(diào)節(jié)的控制器中的調(diào)節(jié)向?qū)? 


　　軟件里的調(diào)節(jié)向?qū)箖?yōu)化伺服氣動(dòng)運(yùn)動(dòng)更容易，包括主動(dòng)阻尼算法的自動(dòng)調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。 

　　產(chǎn)品Frank Latino說：“任何應(yīng)用需要快速、涉及許多執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)的短沖程是一個(gè)很好的氣動(dòng)例子，其他適合的應(yīng)用是在小面積內(nèi)需要高的力，點(diǎn)對點(diǎn)執(zhí)行，是否線性或回轉(zhuǎn)。” 他補(bǔ)充說，用戶自然想到在無火花應(yīng)用中氣動(dòng)的可能性，氣動(dòng)在不要求電子執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度的地方性價(jià)比非常高。 

　　混合控制優(yōu)化冰處理系統(tǒng) 
　　機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備服務(wù)公司（RAESCO）位于美國紐約Syracuse市，該公司制造冰處理設(shè)備，并提供其他機(jī)器和服務(wù)。RAESCO的機(jī)器每分鐘碼垛40袋冰。在開發(fā)機(jī)器的控制系統(tǒng)時(shí)，RAESCO公司和應(yīng)用自動(dòng)化控制公司（AACI）合作，這個(gè)公司也在Syracuse市，作為控制解決方案的顧問。AACI提供使用機(jī)電和氣動(dòng)技術(shù)的機(jī)器解決方案。 

　　AACI公司提供優(yōu)化機(jī)器設(shè)計(jì)的控制組件, 該公司的總Tom Swenton說：“我們合作完成一個(gè)基于RAESCO的概念的設(shè)計(jì)。” 
Swenton說：“設(shè)計(jì)從原形到生產(chǎn)經(jīng)歷一些變更，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)實(shí)施三個(gè)電子伺服控制的軸——兩個(gè)軸用于搬運(yùn)小車，一個(gè)軸用于吊車系統(tǒng)。我們能提供的這些軸，比氣動(dòng)解決方案速度更高和定位更準(zhǔn)確。然而，當(dāng)它們從進(jìn)給搬運(yùn)小車運(yùn)到整理站時(shí)，有四個(gè)運(yùn)動(dòng)要調(diào)整和旋轉(zhuǎn)冰袋。另外，用氣動(dòng)解決方案實(shí)施, 有各種夾具和連鎖保護(hù)。對這些運(yùn)動(dòng)來說，這些是合理的選擇，因?yàn)樗鼈兲峁└銐虻目刂埔约靶詢r(jià)比更高。” 

　　RAESCO公司的總Rich Huchanski補(bǔ)充說：“因?yàn)楫?dāng)冰袋進(jìn)入整理站時(shí)，冰袋外形變化的非常大，氣動(dòng)解決方案提供給我們適應(yīng)性的能力。當(dāng)真空吸頭和冰袋接觸時(shí)，使用空氣壓力測量從而使真空吸頭適應(yīng)冰袋的形狀。使用這種兼容性的適應(yīng)，我們能在它們運(yùn)到貨盤之前調(diào)整冰袋一致。”機(jī)器有能力舉起高達(dá)150 磅的冰袋，但是，總的來說，貨盤中的冰袋重達(dá)300 磅。這種能力表示混合解決方案不僅能優(yōu)化許多機(jī)器的能力，也是zui高性價(jià)比的解決方案。 

　　BW Rogers公司位于美國俄亥俄州馬其頓地區(qū)，它的控制分銷商*Steve Whyte 說：“對許多機(jī)器來說，氣動(dòng)解決方案由于成本因素仍是的。”他引用一個(gè)項(xiàng)目，在這個(gè)項(xiàng)目中，在檢測機(jī)器上，ITW-Akron標(biāo)準(zhǔn)使用所有氣動(dòng)解決方案。Whyte說：“機(jī)電解決方案比客戶認(rèn)可的成本高很多。” 

　　因此，即使壓縮空氣的成本持續(xù)增加，氣動(dòng)解決方案仍是許多機(jī)器制造者的。 

　　改進(jìn)的連接 
　　Festo公司 Latino說：“以太網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)使在工廠自動(dòng)化中應(yīng)用的氣動(dòng)設(shè)備提升巨大的效率，特別是如果有很高密度的執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？紤]到超過2，000個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的安裝。閥島能帶多達(dá)128個(gè)閥的負(fù)載，有時(shí)會(huì)更多。這降低了總閥島的數(shù)量，但是仍有30-40個(gè)閥島。以太網(wǎng)提供帶寬在zui短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)訪問這些閥是可能的。” 

　　按照Latino的說法，其他的現(xiàn)場總線系統(tǒng)要求多通道或網(wǎng)絡(luò)，在硬件、調(diào)試和維護(hù)上增加的成本。除了帶寬的巨大飛躍，IT服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（web server）、文件傳輸和能提供非并行的診斷，特別是用檢測設(shè)備（Checkout Test Set ，COTS）診斷工具和媒介。 

　　Latino說，現(xiàn)在，在閥島中，集成控制使氣動(dòng)功率/控制是一個(gè)更好的替代方案。他補(bǔ)充說：“傳感器和診斷嵌入到閥島中，系統(tǒng)診斷算法診斷總的氣動(dòng)系統(tǒng)，使用以太網(wǎng)和開放標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，例如OPC或工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議把這些起來，從而改進(jìn)控制系統(tǒng)。” 

　　接下來是什么？ 
　　在需要高的力以及要求兼容變化負(fù)載變量應(yīng)用的場合，例如，壓力輥、冰袋應(yīng)用，氣動(dòng)解決方案看起來更好。沒有證據(jù)表明在不遠(yuǎn)的將來會(huì)有變化。當(dāng)機(jī)電解決方案有時(shí)必須解調(diào)相似地行為到氣動(dòng)解決方案時(shí)，一些公司更積極地集中精力做氣動(dòng)解決方案。移動(dòng)到?jīng)]有準(zhǔn)確定義的接口的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用是特別真實(shí)的。 

　　其他液壓能力 
從價(jià)格和性能出發(fā)點(diǎn)來說，具有大的力或推力要求的機(jī)器采用既沒氣動(dòng)也沒有機(jī)電解決方案的部分是現(xiàn)實(shí)的。這類機(jī)器包括沖床、折彎機(jī)、成型機(jī)、破碎機(jī)等。這些機(jī)器使用液壓實(shí)現(xiàn)要求的力來完成要求的工作很有必要。 

　　Hydra-Pneu Consulting公司位于美國印地安那州Newburgh 市，該公司總Bud Trinkel說：“在機(jī)器設(shè)計(jì)中，液壓是另一個(gè)因素，因?yàn)閮H僅有一些機(jī)器設(shè)計(jì)人員有任何可用的方法，甚至更少的人理解在特定環(huán)境下怎樣應(yīng)用正確的組件。我工作的98%是液壓電路。” 
現(xiàn)在，氣動(dòng)解決方案是如此常見以至許多機(jī)器設(shè)計(jì)人員能在他們的機(jī)器中毫不猶豫地選擇氣動(dòng)組件。