Progettare un sistema pneumatico più efficiente per il confezionamento automatizzato

In una macchina per il confezionamento ad alta produttività, le prestazioni pneumatiche non dipendono soltanto dalla scelta di un cilindro con una forza teorica sufficiente. Cilindro, isola di valvole, tubi, alimentazione dell'aria compressa e strategia di controllo devono funzionare come un sistema completo, affinché la macchina raggiunga costantemente il tempo ciclo richiesto senza consumare più aria compressa del necessario.

Era questa la sfida ingegneristica alla base di una nuova applicazione di confezionamento automatizzato sviluppata da BEUMER. Il sistema richiedeva movimenti pneumatici compatti e ripetibili, favorendo al contempo un montaggio e una messa in servizio efficienti della macchina.

Abbiamo affiancato BEUMER dalle prime fasi di sviluppo del circuito pneumatico fino ai test presso il suo stabilimento. Insieme abbiamo esaminato l'intero sistema pneumatico, compresi il dimensionamento dei cilindri, la configurazione dell'isola di valvole, le dimensioni dei tubi, l'alimentazione dell'aria compressa e i requisiti di controllo.

Perché la progettazione pneumatica a livello di sistema è importante

Un circuito pneumatico può contenere singoli componenti specificati correttamente e offrire comunque scarse prestazioni come sistema completo.

Un cilindro può, ad esempio, fornire una forza teorica sufficiente, ma una portata limitata delle valvole, tratti di tubo lunghi o una caduta di pressione durante i picchi di richiesta possono impedirgli di completare la corsa nel tempo richiesto. Al contrario, aumentare le dimensioni di ogni componente per creare un ulteriore margine di progetto può aumentare i costi, lo spazio di installazione e la richiesta di aria compressa, senza risolvere il vincolo di fondo.

Per l'applicazione BEUMER abbiamo quindi considerato l'intero percorso pneumatico, invece di trattare cilindri, valvole e tubi come attività di specifica separate.

Partire dal movimento e dal carico richiesti

La scelta del cilindro dovrebbe partire dal compito che il meccanismo deve svolgere. Ciò include il carico da movimentare, la corsa richiesta, l'orientamento di montaggio e il tempo disponibile per completare ogni movimento.

Il calcolo deve inoltre considerare la pressione disponibile all'attuatore, non semplicemente la pressione nominale del sistema. Attrito, accelerazione, resistenze esterne, allineamento meccanico e ammortizzamento di fine corsa possono influire sulle prestazioni reali.

Insieme a BEUMER abbiamo supportato la scelta dei cilindri in base ai requisiti di carico e di forza dell'applicazione. Abbiamo inoltre considerato il tempo ciclo necessario e il modo in cui il meccanismo avrebbe dovuto reagire in caso di interruzione dell'alimentazione elettrica o dell'aria compressa.

Questo approccio basato sull'applicazione aiuta a evitare due problemi di specifica comuni: scegliere un cilindro che fatica in condizioni dinamiche oppure sovradimensionare l'attuatore, consumando più aria compressa di quanta ne richieda il movimento.

Adeguare la capacità di portata delle valvole alla domanda effettiva

L'isola di valvole deve fornire una portata sufficiente quando la macchina ne ha bisogno. Ciò diventa particolarmente importante quando più attuatori funzionano contemporaneamente.

I dati nominali di portata delle valvole sono un utile punto di partenza, ma non sempre rappresentano la pressione disponibile a ciascun attuatore durante un picco di richiesta. Il numero di posizioni valvola alimentate attraverso un ingresso, la sequenza operativa e la richiesta di portata complessiva possono influire sulla risposta del sistema.

Insieme a BEUMER abbiamo definito la configurazione dell'isola di valvole, dimensionato le valvole e stabilito come distribuire l'alimentazione pneumatica all'interno del sistema.

Questo ci ha permesso di bilanciare due esigenze: fornire una portata sufficiente per una risposta costante degli attuatori ed evitare capacità superflue che aumenterebbero ingombro, costi o complessità.

Riunire più funzioni valvola in un'isola di valvole configurata consente inoltre di creare un'architettura pneumatica più ordinata, riducendo la quantità di tubazioni separate e di cablaggio necessari all'interno della macchina.

Dimensionare i tubi in base a portata, distanza e volume d'aria

I tubi sono una parte importante del circuito pneumatico, eppure vengono spesso considerati una scelta secondaria.

Tubi troppo restrittivi possono generare una caduta di pressione e limitare la velocità dell'attuatore. Tuttavia, aumentare il diametro del tubo non è sempre la soluzione. Tubi più grandi o inutilmente lunghi aumentano il volume interno che deve essere pressurizzato e scaricato a ogni ciclo.

La scelta corretta dipende dal fabbisogno di portata dell'attuatore, dalla distanza tra valvola e attuatore, dalla pressione di esercizio, dalle restrizioni dovute a raccordi e collegamenti, dal tempo di movimento richiesto e dal volume d'aria utilizzato a ogni ciclo.

Abbiamo esaminato con BEUMER le dimensioni dei tubi e i percorsi di flusso, invece di applicare una regola di sovradimensionamento generalizzata. L'obiettivo era ottenere la risposta richiesta dagli attuatori, contenendo al tempo stesso il volume superfluo di aria compressa.

Ove possibile, posizionare le valvole più vicino agli attuatori può anche ridurre il volume dei tubi e la caduta di pressione. Tuttavia, accessibilità, condizioni ambientali e requisiti di manutenzione devono essere considerati insieme all'efficienza pneumatica.

Considerare l'intera alimentazione dell'aria compressa

Un funzionamento pneumatico affidabile dipende dalla pressione, dalla qualità e dalle condizioni dell'alimentazione dell'aria compressa.

Anche quando i singoli componenti sono dimensionati correttamente, restrizioni o fluttuazioni di pressione in altri punti del sistema possono compromettere le prestazioni della macchina. Trattamento dell'aria, capacità delle linee di alimentazione, isolamento, scarico della condensa e percorso delle tubazioni devono quindi essere considerati parte della progettazione complessiva della macchina.

Nell'ambito della collaborazione con BEUMER, abbiamo fornito consulenza sulla disposizione dell'alimentazione dell'aria compressa e delle linee pneumatiche, compresa la gestione della condensa all'interno del sistema.

Tra gli aspetti progettuali importanti rientrano la pressione disponibile nei periodi di massima richiesta, una filtrazione adeguata all'applicazione, i potenziali punti bassi in cui potrebbe accumularsi la condensa, i dispositivi di scarico della condensa, il percorso di tubazioni e tubi flessibili, l'isolamento e la depressurizzazione, nonché l'accesso per ispezione e manutenzione.

Affrontare questi aspetti fin dall'inizio può aiutare a proteggere i componenti pneumatici, ridurre le cadute di pressione evitabili e rendere il sistema finito più facile da manutenere.

Definire il comportamento in caso di guasto durante la progettazione del circuito

L'interruzione dell'alimentazione elettrica o dell'aria compressa dovrebbe essere considerata fin dal primo sviluppo del circuito pneumatico, non dopo il montaggio della macchina.

La risposta richiesta dipende dal meccanismo e dalla valutazione dei rischi della macchina. Un attuatore potrebbe dover arrestarsi, rientrare, uscire o mantenere una posizione definita. Laddove la gravità, carichi esterni o l'energia pneumatica accumulata possano causare un movimento, potrebbero essere necessarie misure di controllo aggiuntive.

Durante il processo di progettazione con BEUMER, abbiamo valutato come il circuito pneumatico avrebbe dovuto reagire in caso di interruzione dell'alimentazione elettrica o dell'aria compressa.

In questa fase è importante stabilire la posizione che ciascun attuatore deve assumere, se un carico potrebbe muoversi in caso di mancanza di pressione, se l'energia pneumatica accumulata deve essere isolata o scaricata, cosa deve accadere al ripristino della pressione o dell'alimentazione elettrica e come il personale di manutenzione isolerà il sistema e ne verificherà lo stato.

Definire questi requisiti fin dall'inizio aiuta a garantire che l'architettura del circuito supporti il comportamento previsto della macchina sin dal primo momento.

Testare l'intero percorso pneumatico

Calcoli e dati dei componenti costituiscono la base di un progetto, ma l'intero sistema pneumatico deve comunque essere valutato in condizioni di esercizio rappresentative.

Abbiamo visitato lo stabilimento BEUMER per esaminare l'installazione assemblata e verificare che il sistema rispettasse il progetto pneumatico concordato. Insieme abbiamo esaminato layout, percorsi di flusso e impostazioni di controllo, apportando le regolazioni necessarie per garantire un funzionamento costante.

Un test pneumatico pratico dovrebbe considerare la pressione di alimentazione a riposo e durante i picchi di portata, il movimento degli attuatori e il tempo ciclo, la ripetibilità su cicli consecutivi, la richiesta simultanea degli attuatori, l'ammortizzamento e il comportamento a fine corsa, le perdite, la risposta alla mancanza di alimentazione elettrica o di aria compressa e il comportamento al riavvio.

Testare la macchina completa può far emergere problemi difficili da individuare sulla base dei soli dati dei componenti. Percorso dei tubi, restrizioni dei raccordi, condizioni di scarico e impostazioni di controllo possono influenzare il comportamento del sistema pneumatico in esercizio.

Al fianco di BEUMER dalla progettazione ai test

Grazie alla collaborazione con BEUMER, abbiamo sviluppato un sistema pneumatico costruito attorno ai requisiti dell'applicazione di confezionamento automatizzato, invece di partire da un elenco di componenti predefinito.

Il nostro lavoro ha incluso la revisione del circuito pneumatico, il supporto al dimensionamento di attuatori e valvole, la configurazione dell'architettura dell'isola di valvole, la valutazione delle dimensioni dei tubi e dei percorsi di flusso, la consulenza sull'alimentazione dell'aria compressa e sulla gestione della condensa, l'analisi della risposta del sistema in caso di interruzione dell'alimentazione elettrica o dell'aria e il supporto ai test presso lo stabilimento BEUMER.

Questo approccio integrato ha permesso di considerare insieme la progettazione meccanica, l'architettura pneumatica e i requisiti di controllo.

Indicazioni pratiche per i progettisti di macchine per il confezionamento

Il progetto mette in evidenza cinque principi applicabili ad altri sistemi di confezionamento automatizzato.

Specificare il movimento prima di scegliere il componente

Definire carico, corsa, orientamento, tempo di movimento richiesto e comportamento previsto in caso di guasto prima di scegliere l'attuatore.

Verificare le condizioni di esercizio dinamiche

Valutare la pressione e la portata disponibili durante i picchi di richiesta, non solo la pressione di alimentazione statica.

Considerare i tubi come parte del circuito pneumatico

Diametro, lunghezza, raccordi e volume interno dei tubi influiscono tutti sulla risposta dell'attuatore e sul consumo di aria compressa.

Definire per tempo i criteri di test

Concordare come verranno valutati tempo ciclo, ripetibilità, consumo d'aria e comportamento del sistema prima della messa in servizio finale.

Verificare la macchina assemblata

I dettagli di installazione e le impostazioni di controllo possono influire sulle prestazioni effettive, anche quando i calcoli iniziali e la scelta dei componenti sono corretti.

Parli con noi della sua applicazione per macchine di confezionamento

Se sta progettando o aggiornando un sistema pneumatico per macchine di confezionamento o di movimentazione dei materiali ci parli del carico, del profilo di movimento, del tempo ciclo, della pressione disponibile, dei vincoli di installazione e del comportamento richiesto alla macchina.

Possiamo aiutarla a valutare l'intero percorso pneumatico e a individuare come il dimensionamento degli attuatori, la configurazione delle valvole, la scelta dei tubi e i test di sistema possano contribuire a una progettazione della macchina più efficiente e costante.