Projektowanie wydajniejszego systemu pneumatycznego do zautomatyzowanego pakowania

W maszynie pakującej o wysokiej wydajności produkcji wydajność pneumatyki zależy od czegoś więcej niż tylko wyboru cylindra o wystarczającej sile teoretycznej. Cylinder, wyspa zaworowa, przewody, zasilanie sprężonym powietrzem i strategia sterowania muszą działać jak kompletny system, aby maszyna stale osiągała wymagany czas cyklu bez zużywania większej ilości sprężonego powietrza, niż to konieczne.

Takie właśnie wyzwanie inżynieryjne stało za nowym zastosowaniem do zautomatyzowanego pakowania opracowanym przez BEUMER. System wymagał kompaktowego, powtarzalnego ruchu pneumatycznego, a jednocześnie miał zapewniać wydajny montaż i uruchomienie maszyny.

Współpracowaliśmy z BEUMER od wczesnych etapów opracowywania układu pneumatycznego aż po testy w zakładzie firmy. Wspólnie przeanalizowaliśmy cały system pneumatyczny, w tym dobór wielkości cylindrów, konfigurację wyspy zaworowej, wymiary przewodów, zasilanie sprężonym powietrzem i wymagania dotyczące sterowania.

Dlaczego projektowanie pneumatyki na poziomie systemu ma znaczenie

Układ pneumatyczny może składać się z prawidłowo określonych pojedynczych komponentów, a mimo to działać słabo jako kompletny system.

Cylinder może na przykład zapewniać wystarczającą siłę teoretyczną, ale ograniczony przepływ przez zawór, długie odcinki przewodów lub spadek ciśnienia przy szczytowym zapotrzebowaniu mogą uniemożliwić mu wykonanie skoku w wymaganym czasie. Z kolei zwiększanie wielkości każdego komponentu w celu uzyskania dodatkowego zapasu projektowego może podnieść koszty, przestrzeń zabudowy i zapotrzebowanie na sprężone powietrze, nie usuwając przy tym rzeczywistego ograniczenia.

Dlatego w przypadku zastosowania BEUMER uwzględniliśmy całą ścieżkę pneumatyczną, zamiast traktować cylindry, zawory i przewody jako odrębne zadania specyfikacyjne.

Punkt wyjścia: wymagany ruch i obciążenie

Dobór cylindra powinien zaczynać się od zadania, jakie ma wykonać mechanizm. Obejmuje to obciążenie, które ma zostać przemieszczone, wymagany skok, orientację montażu oraz czas dostępny na wykonanie każdego ruchu.

Obliczenia muszą również uwzględniać ciśnienie dostępne na siłowniku, a nie tylko nominalne ciśnienie w systemie. Tarcie, przyspieszenie, opory zewnętrzne, ustawienie mechaniczne i amortyzacja w położeniu krańcowym mogą wpływać na rzeczywistą wydajność.

Wspólnie z BEUMER wspieraliśmy dobór cylindrów na podstawie wymagań zastosowania dotyczących obciążenia i siły. Uwzględniliśmy również wymagany czas cyklu oraz to, jak mechanizm powinien reagować w przypadku przerwy w zasilaniu elektrycznym lub w dopływie sprężonego powietrza.

Takie podejście, wychodzące od zastosowania, pomaga uniknąć dwóch typowych problemów przy specyfikacji: wyboru cylindra, który nie radzi sobie w warunkach dynamicznych, lub przewymiarowania siłownika, który zużywa wtedy więcej sprężonego powietrza, niż wymaga tego ruch.

Dopasowanie przepustowości zaworów do rzeczywistego zapotrzebowania

Wyspa zaworowa musi zapewniać wystarczający przepływ wtedy, gdy maszyna go potrzebuje. Jest to szczególnie ważne, gdy kilka siłowników pracuje jednocześnie.

Nominalne dane dotyczące przepływu przez zawory są dobrym punktem wyjścia, ale nie zawsze odzwierciedlają ciśnienie dostępne na każdym siłowniku w chwili szczytowego zapotrzebowania. Liczba stanowisk zaworowych zasilanych przez jeden wlot, sekwencja działania i łączne zapotrzebowanie na przepływ mogą wpływać na reakcję systemu.

Wspólnie z BEUMER określiliśmy konfigurację wyspy zaworowej, dobraliśmy wielkość zaworów i ustaliliśmy, w jaki sposób zasilanie pneumatyczne powinno być rozprowadzone w systemie.

Pozwoliło nam to pogodzić dwa wymagania: zapewnienie wystarczającego przepływu dla stałej reakcji siłowników oraz uniknięcie zbędnej przepustowości, która zwiększyłaby rozmiar, koszty lub złożoność.

Połączenie kilku funkcji zaworowych w skonfigurowanej wyspie zaworowej pozwala również stworzyć bardziej uporządkowaną architekturę pneumatyczną i ograniczyć ilość osobnego orurowania oraz okablowania w maszynie.

Dobór przewodów pod kątem przepływu, odległości i objętości powietrza

Przewody są ważną częścią układu pneumatycznego, a mimo to często traktuje się je jako decyzję drugorzędną.

Przewody o zbyt dużym oporze przepływu mogą powodować spadek ciśnienia i ograniczać prędkość siłownika. Zwiększenie średnicy przewodu nie zawsze jest jednak rozwiązaniem. Większe lub niepotrzebnie długie przewody zwiększają objętość wewnętrzną, którą w każdym cyklu trzeba napełnić sprężonym powietrzem i odpowietrzyć.

Właściwy wybór zależy od zapotrzebowania siłownika na przepływ, odległości między zaworem a siłownikiem, ciśnienia roboczego, ograniczeń wynikających ze złączek i przyłączy, wymaganego czasu ruchu oraz objętości powietrza zużywanej w każdym cyklu.

Wspólnie z BEUMER przeanalizowaliśmy wymiary przewodów i ścieżki przepływu, zamiast stosować ogólną zasadę przewymiarowania. Celem było zapewnienie wymaganej reakcji siłowników przy jednoczesnym ograniczeniu zbędnej objętości sprężonego powietrza.

Tam, gdzie to możliwe, umieszczenie zaworów bliżej siłowników może również zmniejszyć objętość przewodów i spadek ciśnienia. Obok wydajności pneumatycznej należy jednak uwzględnić dostępność, warunki otoczenia i wymagania dotyczące konserwacji.

Uwzględnienie całego zasilania sprężonym powietrzem

Niezawodne działanie pneumatyki zależy od ciśnienia, jakości i stanu zasilania sprężonym powietrzem.

Nawet jeśli poszczególne komponenty mają prawidłowo dobraną wielkość, ograniczenia przepływu lub wahania ciśnienia w innych miejscach systemu mogą wpływać na wydajność maszyny. Dlatego przygotowanie powietrza, przepustowość linii zasilającej, odcinanie, odwadnianie i prowadzenie rurociągów należy uwzględnić w ramach całego projektu maszyny.

W ramach współpracy z BEUMER doradzaliśmy w zakresie rozmieszczenia zasilania sprężonym powietrzem i linii pneumatycznych, w tym gospodarki kondensatem w systemie.

Ważne kwestie projektowe obejmują ciśnienie dostępne w okresach maksymalnego zapotrzebowania, filtrację dostosowaną do zastosowania, potencjalne niskie punkty, w których może gromadzić się kondensat, możliwość odwadniania, prowadzenie rur i węży, odcinanie i usuwanie ciśnienia oraz dostęp na potrzeby kontroli i konserwacji.

Wczesne uwzględnienie tych kwestii pomaga chronić komponenty pneumatyczne, ograniczyć możliwe do uniknięcia spadki ciśnienia i ułatwić konserwację gotowego systemu.

Określenie zachowania w razie awarii na etapie projektowania układu

Utratę zasilania elektrycznego lub sprężonego powietrza należy uwzględnić już na etapie opracowywania układu pneumatycznego, a nie dopiero po zmontowaniu maszyny.

Wymagana reakcja zależy od mechanizmu i oceny ryzyka maszyny. Siłownik może wymagać zatrzymania, wsunięcia, wysunięcia lub utrzymania określonego położenia. Tam, gdzie grawitacja, obciążenie zewnętrzne lub zgromadzona energia pneumatyczna mogą wywołać ruch, mogą być potrzebne dodatkowe środki sterowania.

Podczas procesu projektowania z BEUMER przeanalizowaliśmy, jak układ pneumatyczny powinien reagować w przypadku przerwy w zasilaniu elektrycznym lub w zasilaniu sprężonym powietrzem.

Na tym etapie ważne jest ustalenie, jakie położenie powinien przyjąć każdy siłownik, czy obciążenie może się przemieścić w przypadku utraty ciśnienia, czy zgromadzoną energię pneumatyczną należy odciąć lub odprowadzić, co powinno się stać po przywróceniu ciśnienia lub zasilania elektrycznego oraz w jaki sposób personel odpowiedzialny za konserwację odetnie system i zweryfikuje jego stan.

Wczesne określenie tych wymagań pomaga zapewnić, że architektura układu od samego początku wspiera zamierzone zachowanie maszyny.

Testowanie całej ścieżki pneumatycznej

Obliczenia i dane komponentów stanowią podstawę projektu, ale cały system pneumatyczny nadal trzeba ocenić w reprezentatywnych warunkach eksploatacyjnych.

Odwiedziliśmy zakład BEUMER, aby ocenić zmontowaną instalację i potwierdzić, że system jest zgodny z uzgodnionym projektem pneumatyki. Wspólnie przeanalizowaliśmy layout, ścieżki przepływu i nastawy sterowania oraz wprowadziliśmy korekty zapewniające stabilną pracę.

Praktyczny test pneumatyczny powinien uwzględniać ciśnienie zasilania w stanie spoczynku i przy szczytowym przepływie, ruch siłowników i czas cyklu, powtarzalność w kolejnych cyklach, jednoczesne zapotrzebowanie siłowników, amortyzację i zachowanie w położeniu krańcowym, wycieki, reakcję na utratę zasilania elektrycznego lub sprężonego powietrza oraz zachowanie przy ponownym uruchomieniu.

Testowanie całej maszyny może ujawnić problemy, które trudno wykryć na podstawie samych danych komponentów. Prowadzenie przewodów, ograniczenia przepływu w złączkach, warunki odpowietrzania i nastawy sterowania mogą wpływać na zachowanie systemu pneumatycznego podczas eksploatacji.

Wsparcie dla BEUMER od projektu po testy

Dzięki współpracy z BEUMER opracowaliśmy system pneumatyczny dostosowany do wymagań zastosowania do zautomatyzowanego pakowania, zamiast wychodzić od z góry ustalonej listy komponentów.

Nasze prace obejmowały przegląd układu pneumatycznego, wsparcie w doborze wielkości siłowników i zaworów, konfigurację architektury wyspy zaworowej, ocenę wymiarów przewodów i ścieżek przepływu, doradztwo w zakresie zasilania sprężonym powietrzem i gospodarki kondensatem, analizę reakcji systemu na przerwę w zasilaniu elektrycznym lub w dopływie powietrza oraz wsparcie testów w zakładzie BEUMER.

Dzięki temu kompleksowemu podejściu można było jednocześnie uwzględnić projekt mechaniczny, architekturę pneumatyczną i wymagania dotyczące sterowania.

Praktyczne wnioski dla projektantów maszyn pakujących

Ta realizacja pokazuje pięć zasad, które można zastosować w innych zautomatyzowanych systemach pakowania.

Określenie ruchu przed wyborem komponentu

Przed wyborem siłownika należy określić obciążenie, skok, orientację, wymagany czas ruchu i zamierzone zachowanie w razie awarii.

Sprawdzenie dynamicznych warunków eksploatacyjnych

Należy ocenić ciśnienie i przepływ dostępne przy szczytowym zapotrzebowaniu, a nie tylko statyczne ciśnienie zasilania.

Traktowanie przewodów jako części układu pneumatycznego

Średnica, długość, złączki i objętość wewnętrzna przewodów wpływają na reakcję siłownika i zużycie sprężonego powietrza.

Wczesne określenie kryteriów testów

Przed końcowym uruchomieniem należy uzgodnić, w jaki sposób będą oceniane czas cyklu, powtarzalność, zużycie powietrza i zachowanie systemu.

Przegląd zmontowanej maszyny

Szczegóły instalacji i nastawy sterowania mogą wpływać na rzeczywistą wydajność, nawet jeśli pierwotne obliczenia i dobór komponentów są prawidłowe.

Porozmawiajmy o Państwa zastosowaniu w maszynie pakującej

Jeśli projektują Państwo lub modernizują system pneumatyczny do urządzeń pakujących lub do transportu materiałów, zapraszamy do rozmowy o obciążeniu, profilu ruchu, czasie cyklu, dostępnym ciśnieniu, ograniczeniach instalacyjnych i wymaganym zachowaniu maszyny.

Pomożemy Państwu ocenić całą ścieżkę pneumatyczną i określić, w jaki sposób dobór wielkości siłowników, konfiguracja zaworów, wybór przewodów i testy systemu mogą przyczynić się do bardziej wydajnego i stabilnego projektu maszyny.