Projetando um sistema pneumático mais eficiente para embalagem automatizada

Em uma máquina de embalagem de alta produtividade, o desempenho pneumático depende de mais do que a escolha de um cilindro com força teórica suficiente. O cilindro, a ilha de válvulas, a tubulação, o suprimento de ar comprimido e a estratégia de controle precisam funcionar como um sistema completo para que a máquina atinja o tempo de ciclo exigido de forma consistente, sem consumir mais ar comprimido do que o necessário.

Esse foi o desafio de engenharia por trás de uma nova aplicação de embalagem automatizada desenvolvida pela BEUMER. O sistema exigia movimentos pneumáticos compactos e repetíveis, além de permitir uma montagem e um comissionamento eficientes da máquina.

Trabalhamos com a BEUMER desde as fases iniciais do desenvolvimento do circuito pneumático até os testes em suas instalações. Juntos, analisamos todo o sistema pneumático, incluindo o dimensionamento dos cilindros, a configuração da ilha de válvulas, as dimensões da tubulação, o suprimento de ar comprimido e os requisitos de controle.

Por que o projeto pneumático em nível de sistema é importante

Um circuito pneumático pode conter componentes individuais corretamente especificados e, ainda assim, ter um desempenho ruim como sistema completo.

Um cilindro pode fornecer força teórica suficiente, por exemplo, mas uma vazão restrita na válvula, trechos longos de tubulação ou uma queda de pressão durante picos de demanda podem impedir que ele complete o curso no tempo exigido. Por outro lado, aumentar o tamanho de todos os componentes para criar uma margem de projeto adicional pode elevar o custo, o espaço de instalação e a demanda de ar comprimido sem resolver a limitação de fundo.

Por isso, na aplicação da BEUMER, consideramos todo o caminho pneumático, em vez de tratar cilindros, válvulas e tubulação como tarefas de especificação separadas.

Comece pelo movimento e pela carga necessários

A seleção do cilindro deve começar pela tarefa que o mecanismo precisa executar. Isso inclui a carga a ser movimentada, o curso necessário, a orientação de montagem e o tempo disponível para concluir cada movimento.

O cálculo também precisa considerar a pressão disponível no atuador, e não apenas a pressão nominal do sistema. Atrito, aceleração, resistência externa, alinhamento mecânico e amortecimento de fim de curso podem influenciar o desempenho real.

Em conjunto com a BEUMER, apoiamos a seleção dos cilindros com base nos requisitos de carga e força da aplicação. Também consideramos o tempo de ciclo necessário e como o mecanismo deveria reagir em caso de interrupção da energia elétrica ou do ar comprimido.

Essa abordagem orientada pela aplicação ajuda a evitar dois problemas comuns de especificação: selecionar um cilindro com dificuldades em condições dinâmicas ou superdimensionar o atuador, consumindo mais ar comprimido do que o movimento exige.

Adeque a capacidade de vazão das válvulas à demanda real

A ilha de válvulas deve fornecer vazão suficiente quando a máquina precisa. Isso se torna especialmente importante quando vários atuadores operam ao mesmo tempo.

Os dados nominais de vazão das válvulas são um bom ponto de partida, mas nem sempre representam a pressão disponível em cada atuador durante um pico de demanda. O número de posições de válvula alimentadas por uma entrada, a sequência de operação e a demanda de vazão combinada podem afetar a resposta do sistema.

Trabalhamos com a BEUMER para definir a configuração da ilha de válvulas, dimensionar as válvulas e determinar como o suprimento pneumático deveria ser distribuído pelo sistema.

Isso nos ajudou a equilibrar dois requisitos: fornecer vazão suficiente para uma resposta consistente dos atuadores e evitar capacidade desnecessária que aumentaria o tamanho, o custo ou a complexidade.

Reunir várias funções de válvula em uma ilha de válvulas configurada também cria uma arquitetura pneumática mais organizada, reduzindo a quantidade de tubos separados e de fiação necessários na máquina.

Dimensione a tubulação considerando vazão, distância e volume de ar

A tubulação é uma parte importante do circuito pneumático, mas muitas vezes é tratada como uma decisão secundária.

Uma tubulação muito restritiva pode gerar queda de pressão e limitar a velocidade do atuador. No entanto, aumentar o diâmetro da tubulação nem sempre é a solução. Uma tubulação maior ou desnecessariamente longa aumenta o volume interno que precisa ser pressurizado e exaurido a cada ciclo.

A escolha correta depende da necessidade de vazão do atuador, da distância entre a válvula e o atuador, da pressão de operação, das restrições de conexões e acoplamentos, do tempo de movimento exigido e do volume de ar utilizado em cada ciclo.

Analisamos as dimensões da tubulação e os caminhos de vazão com a BEUMER, em vez de aplicar uma regra geral de superdimensionamento. O objetivo era fornecer a resposta necessária dos atuadores e, ao mesmo tempo, controlar o volume desnecessário de ar comprimido.

Sempre que possível, posicionar as válvulas mais perto dos atuadores também pode reduzir o volume da tubulação e a queda de pressão. No entanto, acessibilidade, condições ambientais e requisitos de manutenção devem ser considerados junto com a eficiência pneumática.

Considere todo o suprimento de ar comprimido

A operação pneumática confiável depende da pressão, da qualidade e das condições do suprimento de ar comprimido.

Mesmo quando os componentes individuais estão corretamente dimensionados, restrições ou flutuações de pressão em outros pontos do sistema podem afetar o desempenho da máquina. Por isso, a preparação de ar, a capacidade da linha de suprimento, o isolamento, a drenagem e o roteamento dos tubos devem ser considerados parte do projeto geral da máquina.

Como parte do nosso trabalho com a BEUMER, prestamos consultoria sobre a disposição do suprimento de ar comprimido e das linhas pneumáticas, incluindo o gerenciamento do condensado no sistema.

Entre as considerações de projeto importantes estão a pressão disponível durante os períodos de demanda máxima, a filtragem adequada à aplicação, possíveis pontos baixos onde o condensado pode se acumular, a previsão de drenagem, o roteamento de tubos e mangueiras, o isolamento e a despressurização e o acesso para inspeção e manutenção.

Tratar essas questões desde o início pode ajudar a proteger os componentes pneumáticos, reduzir quedas de pressão evitáveis e facilitar a manutenção do sistema final.

Defina o comportamento em caso de falha durante o projeto do circuito

A perda de energia elétrica ou de ar comprimido deve ser considerada já no desenvolvimento inicial do circuito pneumático, e não depois da montagem da máquina.

A resposta necessária dependerá do mecanismo e da avaliação de riscos da máquina. Um atuador pode precisar parar, recuar, avançar ou manter uma posição definida. Quando a gravidade, cargas externas ou a energia pneumática armazenada puderem causar movimento, medidas de controle adicionais podem ser necessárias.

Durante o processo de projeto com a BEUMER, consideramos como o circuito pneumático deveria reagir caso o suprimento elétrico ou o suprimento de ar comprimido fosse interrompido.

Nesta etapa, é importante definir a posição que cada atuador deve assumir, se uma carga pode se mover em caso de perda de pressão, se a energia pneumática armazenada precisa ser isolada ou exaurida, o que deve acontecer quando a pressão ou a energia elétrica retornar e como a equipe de manutenção vai isolar o sistema e verificar seu estado.

Definir esses requisitos desde o início ajuda a garantir que a arquitetura do circuito sustente o comportamento pretendido da máquina desde o primeiro momento.

Teste todo o caminho pneumático

Cálculos e dados de componentes formam a base de um projeto, mas o sistema pneumático completo ainda precisa ser avaliado em condições de operação representativas.

Visitamos as instalações da BEUMER para analisar a instalação montada e confirmar que o sistema seguia o projeto pneumático acordado. Juntos, examinamos o layout, os caminhos de vazão e as configurações de controle e fizemos ajustes para garantir uma operação consistente.

Um teste pneumático prático deve considerar a pressão de suprimento em repouso e durante o pico de vazão, o movimento dos atuadores e o tempo de ciclo, a repetibilidade em ciclos consecutivos, a demanda simultânea dos atuadores, o amortecimento e o comportamento no fim de curso, vazamentos, as respostas à perda de energia elétrica ou de ar comprimido e o comportamento na retomada da operação.

Testar a máquina completa pode revelar problemas difíceis de identificar apenas com os dados dos componentes. O roteamento da tubulação, as restrições das conexões, as condições de exaustão e as configurações de controle podem influenciar o comportamento do sistema pneumático em operação.

Apoiando a BEUMER do projeto aos testes

Por meio da nossa colaboração com a BEUMER, desenvolvemos um sistema pneumático em torno dos requisitos da aplicação de embalagem automatizada, em vez de partir de uma lista de componentes predefinida.

Nosso trabalho incluiu a análise do circuito pneumático, o apoio ao dimensionamento de atuadores e válvulas, a configuração da arquitetura da ilha de válvulas, a avaliação das dimensões da tubulação e dos caminhos de vazão, a consultoria sobre o suprimento de ar comprimido e o gerenciamento do condensado, a análise da resposta do sistema à interrupção de energia ou de ar e o apoio aos testes nas instalações da BEUMER.

Essa abordagem integrada permitiu considerar em conjunto o projeto mecânico, a arquitetura pneumática e os requisitos de controle.

Lições práticas para projetistas de máquinas de embalagem

Esse trabalho destaca cinco princípios que podem ser aplicados a outros sistemas de embalagem automatizada.

Especifique o movimento antes de selecionar o componente

Defina a carga, o curso, a orientação, o tempo de movimento necessário e o comportamento pretendido em caso de falha antes de escolher o atuador.

Verifique as condições dinâmicas de operação

Avalie a pressão e a vazão disponíveis durante o pico de demanda, e não apenas a pressão estática de suprimento.

Trate a tubulação como parte do circuito pneumático

Diâmetro, comprimento, conexões e volume interno da tubulação influenciam a resposta do atuador e o consumo de ar comprimido.

Defina os critérios de teste com antecedência

Combine como o tempo de ciclo, a repetibilidade, o consumo de ar e o comportamento do sistema serão avaliados antes do comissionamento final.

Analise a máquina montada

Detalhes de instalação e configurações de controle podem afetar o desempenho real, mesmo quando os cálculos originais e a seleção dos componentes estão corretos.

Fale conosco sobre a aplicação da sua máquina de embalagem

Se você está projetando ou atualizando um sistema pneumático para equipamentos de embalagem ou de movimentação de materiais, fale conosco sobre sua carga, perfil de movimento, tempo de ciclo, pressão disponível, restrições de instalação e o comportamento exigido da máquina.

Podemos ajudar você a avaliar todo o caminho pneumático e identificar como o dimensionamento dos atuadores, a configuração das válvulas, a seleção da tubulação e os testes do sistema podem contribuir para um projeto de máquina mais eficiente e consistente.