Een efficiënter pneumatisch systeem ontwerpen voor geautomatiseerde verpakking

In een verpakkingsmachine met een hoge doorvoer hangen de pneumatische prestaties van meer af dan alleen de keuze van een cilinder met voldoende theoretische kracht. De cilinder, het ventieleiland, de slangen, de persluchttoevoer en de regelstrategie moeten als één compleet systeem samenwerken, zodat de machine de vereiste cyclustijd consequent haalt zonder meer perslucht te verbruiken dan nodig is.

Dat was de engineeringuitdaging achter een nieuwe geautomatiseerde verpakkingstoepassing die door BEUMER is ontwikkeld. Het systeem vereiste compacte, herhaalbare pneumatische bewegingen en moest tegelijkertijd een efficiënte montage en inbedrijfstelling van de machine ondersteunen.

We hebben BEUMER ondersteund vanaf de vroege fasen van de ontwikkeling van het pneumatische circuit tot en met het testen op de eigen locatie. Samen hebben we het volledige pneumatische systeem beoordeeld, inclusief de dimensionering van de cilinders, de configuratie van het ventieleiland, de slangafmetingen, de persluchttoevoer en de regeltechnische eise

Waarom pneumatisch ontwerp op systeemniveau belangrijk is

Een pneumatisch circuit kan correct gespecificeerde afzonderlijke componenten bevatten en als compleet systeem toch slecht presteren.

Een cilinder kan bijvoorbeeld voldoende theoretische kracht leveren, maar een beperkte klepflow, lange slangtrajecten of drukverlies tijdens piekvraag kunnen voorkomen dat hij zijn slag binnen de vereiste tijd voltooit. Omgekeerd kan het vergroten van elke component om extra ontwerpmarge te creëren de kosten, de installatieruimte en de persluchtvraag verhogen, zonder dat de onderliggende beperking wordt opgelost.

Voor de BEUMER-toepassing hebben we daarom het volledige pneumatische traject bekeken, in plaats van cilinders, kleppen en slangen als afzonderlijke specificatietaken te behandelen.

Begin bij de vereiste beweging en last

De cilinderkeuze moet beginnen bij de taak die het mechanisme moet uitvoeren. Dit omvat de te verplaatsen last, de vereiste slag, de montagerichting en de beschikbare tijd voor elke beweging.

Bij de berekening moet ook rekening worden gehouden met de druk die bij de actuator beschikbaar is, en niet alleen met de nominale systeemdruk. Wrijving, versnelling, externe weerstand, mechanische uitlijning en eindstanddemping kunnen allemaal van invloed zijn op de prestaties in de praktijk.

Samen met BEUMER hebben we de cilinderkeuze ondersteund op basis van de last- en krachtvereisten van de toepassing. Ook hebben we gekeken naar de benodigde cyclustijd en naar hoe het mechanisme moet reageren als de elektrische voeding of de perslucht wegvalt.

Deze toepassingsgerichte aanpak helpt twee veelvoorkomende specificatieproblemen te voorkomen: het kiezen van een cilinder die onder dynamische omstandigheden tekortschiet, of het overdimensioneren van de actuator, waardoor meer perslucht wordt verbruikt dan de beweging vereist.

Stem de flowcapaciteit van de kleppen af op de werkelijke vraag

Het ventieleiland moet voldoende flow leveren wanneer de machine dat nodig heeft. Dit is vooral belangrijk wanneer meerdere actuators tegelijkertijd werken.

Nominale klepflowgegevens zijn een nuttig uitgangspunt, maar geven niet altijd de druk weer die tijdens een piekvraag bij elke actuator beschikbaar is. Het aantal klepposities dat via één inlaat wordt gevoed, de bedieningsvolgorde en de gecombineerde flowvraag kunnen allemaal de systeemrespons beïnvloeden.

Samen met BEUMER hebben we de configuratie van het ventieleiland bepaald, de kleppen gedimensioneerd en vastgesteld hoe de pneumatische toevoer over het systeem moest worden verdeeld.

Zo konden we twee eisen in evenwicht brengen: voldoende flow voor een consistente actuatorrespons, zonder onnodige capaciteit die de voetafdruk, de kosten of de complexiteit zou vergroten.

Door meerdere klepfuncties te bundelen in een geconfigureerd ventieleiland ontstaat bovendien een overzichtelijkere pneumatische architectuur, waardoor er minder afzonderlijke leidingen en bedrading in de machine nodig zijn.

Dimensioneer slangen op basis van flow, afstand en luchtvolume

Slangen vormen een belangrijk onderdeel van het pneumatische circuit, maar worden vaak als bijzaak behandeld.

Te nauwe slangen kunnen drukverlies veroorzaken en de snelheid van de actuator beperken. Een grotere slangdiameter is echter niet altijd de oplossing. Grotere of onnodig lange slangen vergroten het inwendige volume dat bij elke cyclus onder druk moet worden gebracht en moet worden ontlucht.

De juiste keuze hangt af van de flowbehoefte van de actuator, de afstand tussen klep en actuator, de werkdruk, beperkingen door fittingen en aansluitingen, de vereiste bewegingstijd en het luchtvolume dat per cyclus wordt verbruikt.

We hebben de slangafmetingen en flowpaden samen met BEUMER beoordeeld, in plaats van een algemene overdimensioneringsregel toe te passen. Het doel was de vereiste actuatorrespons te realiseren en tegelijkertijd onnodig persluchtvolume te beperken.

Waar mogelijk kan het plaatsen van kleppen dichter bij de actuators ook het slangvolume en het drukverlies verminderen. Toegankelijkheid, omgevingsomstandigheden en onderhoudseisen moeten echter naast de pneumatische efficiëntie worden meegewogen.

Houd rekening met de volledige persluchttoevoer

Een betrouwbare pneumatische werking hangt af van de druk, de kwaliteit en de toestand van de persluchttoevoer.

Zelfs wanneer afzonderlijke componenten correct zijn gedimensioneerd, kunnen vernauwingen of drukschommelingen elders in het systeem de machineprestaties beïnvloeden. Luchtbehandeling, capaciteit van de toevoerleidingen, afsluiting, aftapping en leidingtracé moeten daarom worden meegenomen in het totale machineontwerp.

In het kader van onze samenwerking met BEUMER hebben we geadviseerd over de opstelling van de persluchttoevoer en de pneumatische leidingen, inclusief het beheer van condensaat in het systeem.

Belangrijke ontwerpaspecten zijn onder meer de beschikbare druk tijdens perioden van maximale vraag, filtratie die past bij de toepassing, mogelijke laagste punten waar condensaat zich kan verzamelen, voorzieningen voor aftapping, het tracé van leidingen en slangen, afsluiting en drukontlasting, en toegang voor inspectie en onderhoud.

Door deze punten in een vroeg stadium aan te pakken, worden pneumatische componenten beschermd, wordt vermijdbaar drukverlies beperkt en is het uiteindelijke systeem gemakkelijker te onderhouden.

Leg het gedrag bij storingen vast tijdens het circuitontwerp

Het wegvallen van de elektrische voeding of de perslucht moet al worden meegenomen wanneer het pneumatische circuit wordt ontwikkeld, en niet pas nadat de machine is gemonteerd.

De vereiste reactie hangt af van het mechanisme en de risicobeoordeling van de machine. Een actuator moet mogelijk stoppen, intrekken, uitschuiven of een vastgestelde positie vasthouden. Waar zwaartekracht, externe belasting of opgeslagen pneumatische energie een beweging kan veroorzaken, kunnen aanvullende regelmaatregelen nodig zijn.

Tijdens het ontwerpproces met BEUMER hebben we bekeken hoe het pneumatische circuit moet reageren als de elektrische voeding of de persluchttoevoer wordt onderbroken.

In deze fase is het belangrijk om vast te stellen welke positie elke actuator moet innemen, of een last kan bewegen wanneer de druk wegvalt, of opgeslagen pneumatische energie moet worden afgesloten of ontlucht, wat er moet gebeuren wanneer de druk of de elektrische voeding terugkeert, en hoe het onderhoudspersoneel het systeem zal afsluiten en de status ervan zal controleren.

Door deze eisen vroeg vast te leggen, ondersteunt de circuitarchitectuur vanaf het begin het beoogde machinegedrag.

Test het volledige pneumatische traject

Berekeningen en componentgegevens vormen de basis voor een ontwerp, maar het volledige pneumatische systeem moet nog steeds onder representatieve bedrijfsomstandigheden worden beoordeeld.

We hebben BEUMER op locatie bezocht om de gemonteerde installatie te beoordelen en te bevestigen dat het systeem het overeengekomen pneumatische ontwerp volgde. Samen hebben we de lay-out, de flowpaden en de regelinstellingen onderzocht en aanpassingen doorgevoerd voor een consistente werking.

Een praktische pneumatische test moet rekening houden met de toevoerdruk in rust en tijdens piekflow, de beweging van de actuators en de cyclustijd, de herhaalbaarheid over opeenvolgende cycli, gelijktijdige vraag van meerdere actuators, demping en eindstandgedrag, lekkage, de reactie op het wegvallen van elektrische voeding of perslucht, en het herstartgedrag.

Het testen van de complete machine kan problemen aan het licht brengen die op basis van componentgegevens alleen moeilijk te herkennen zijn. Slangtracé, vernauwingen in fittingen, ontluchtingsomstandigheden en regelinstellingen kunnen allemaal van invloed zijn op het gedrag van het pneumatische systeem tijdens bedrijf.

BEUMER ondersteunen van ontwerp tot test

Dankzij onze samenwerking met BEUMER hebben we een pneumatisch systeem ontwikkeld rond de eisen van de geautomatiseerde verpakkingstoepassing, in plaats van uit te gaan van een vooraf vastgestelde componentenlijst.

Ons werk omvatte het beoordelen van het pneumatische circuit, ondersteuning bij de dimensionering van actuators en kleppen, het configureren van de architectuur van het ventieleiland, het beoordelen van slangafmetingen en flowpaden, advies over persluchttoevoer en condensaatbeheer, het bekijken van de systeemrespons bij onderbreking van voeding of lucht, en ondersteuning bij het testen op de locatie van BEUMER.

Dankzij deze geïntegreerde aanpak konden het mechanische ontwerp, de pneumatische architectuur en de regeltechnische eisen samen worden bekeken.

Praktische lessen voor ontwerpers van verpakkingsmachines

Het project laat vijf principes zien die op andere geautomatiseerde verpakkingssystemen kunnen worden toegepast.

Specificeer de beweging voordat u de component kiest

Bepaal de last, slag, oriëntatie, vereiste bewegingstijd en het beoogde gedrag bij storingen voordat u de actuator kiest.

Controleer de dynamische bedrijfsomstandigheden

Beoordeel de druk en flow die tijdens piekvraag beschikbaar zijn, en niet alleen de statische toevoerdruk.

Behandel slangen als onderdeel van het pneumatische circuit

Slangdiameter, lengte, fittingen en inwendig volume beïnvloeden allemaal de actuatorrespons en het persluchtverbruik.

Leg testcriteria vroegtijdig vast

Spreek vóór de definitieve inbedrijfstelling af hoe cyclustijd, herhaalbaarheid, luchtverbruik en systeemgedrag worden beoordeeld.

Beoordeel de gemonteerde machine

Installatiedetails en regelinstellingen kunnen de werkelijke prestaties beïnvloeden, zelfs als de oorspronkelijke berekeningen en componentkeuzes kloppen.

Bespreek uw verpakkingsmachinetoepassing met ons

Ontwerpt of moderniseert u een pneumatisch systeem voor verpakkings- of materiaalbehandelingsapparatuur? Neem dan contact met ons op over uw last, bewegingsprofiel, cyclustijd, beschikbare druk, installatiebeperkingen en het vereiste machinegedrag.

Wij helpen u het volledige pneumatische traject te beoordelen en te bepalen hoe de dimensionering van actuators, de klepconfiguratie, de slangkeuze en systeemtests kunnen bijdragen aan een efficiënter en consistenter machineontwerp.