气动解决方案在机器控制设计中的应用

　对机器设计人员来说，伺服气动系统的引用意味着新的气体力学，这种系统严格保留了电子伺服驱动优化的工作机制。

　　很久以前，出现了机器自动化尖端机电解决方案的领域，许多工业OEM倾向气动解决方案。在某些机器领域，设计人员很少有性价比高的机电解决方案，他们更倾向于气动阀、汽缸执行机构、电机等的简单以及与它们运行相关的管道。

　　他们尽可能地把它们集成到每个设计中。但是,当涉及机器性能要求时，机器制造商为了有竞争性，不得不采用替代解决方案。对更尖端的应用，有必要采用机电解决方案。现在，对更复杂而灵活的机器，机电占主导地位，特别是，零件或装配生产线的快速更换，高精度以及更快的速度是必要的。
然而，即使这些更精密、更高速的机器，许多气动组件也被集成到设计中,从而创造一个混合解决方案。对输出和产品不变或有限可变的自动机器，气动组件通常占主导地位。

　　现在，大规模的制造运行工段有巨大的气动运行设备安装底座。根据一些销售机电和液压解决方案的公司，在国家的很多地方，以前安装的底座是如此的大以致用于维护目的的气动组件的销售远超过机电设备的销售。关于仅有的，事实上已变得灭绝的气动控制工段是气动逻辑控制。即使这样，气动逻辑仍用在一些防爆应用中。
　　对混合机器解决方案的争论可能来自更希望集中他们的气动功率源（泵和压缩机）的设计人员。非液压解决方案通常要求功率源集中在机器动作的附近。然而，随着在气动组成设备中集成多接口能力的出现，例如，各种现场总线接口，集中控制气动设备的能力变得更容易。

　　气动控制的进步
　　伺服气动系统的引进意味着气体力学新的应用，这些学科在不久前，严格保留了电子伺服驱动优化的机制。一个值得关注的应用是在木材厂的机器上控制压力辊（见下图1），该系统由美国俄勒冈州波特兰市的Pacific Fluid Systems公司制造。
当它们通过木材厂的电锯时，控制器定位压力辊，压力辊携带原木、毛方木或按规格裁切的木料。控制压力辊意味着基于以前定义的外型，紧紧地携带原木，并不能损坏它们。

图1. 混合气动解决方案

　　当它们通过木材厂的电锯时，传感器——控制器——执行机构相结合定位压力辊，压力辊携带原木、毛方木或按规格裁切的木料。压力辊的控制是按照以前定义的轮廓，紧紧地携带原木，并不能损坏它们。

　　下图2显示由Pacific公司设计并制造的压力辊站配置。这些典型的配置用在刨机、轧边机、镶边磨机。木材直线输送速度快到2,000 board-ft/min。根据木材的类型和速度，这些压力辊不得不承受1,200-1,800 磅的力，当它们通过电锯时，阻止木材移动。圆型木材通常是6英寸的孔。

图2. 在压力辊控制环的内部

　　编程前，圆木的位置和力对压力辊应用非常关键，在更高带宽，比例控制模式下运行，从而使圆木运动到它能减速到最终位置的地方。然后，控制器移动到被控停止位置，并切换力到模式从而承受压力。

Pacific 公司的工程部经理Tom Wells说：“编程前要求的圆木的位置和力对这个应用非常关键，它允许我们在更高带宽，比例控制模式下运行，从而使圆木切换到力模式从而承受适当的压力。这极大地降低了设置时间。”

典型的应用是一种称为轧边机的机器。这个机器有一个双压力辊的站:一个辊输入到电锯，另一个辊从电锯输出。这个应用证实主动阻尼算法的自动调节。

　　Delta Computer Systems公司位于美国华盛顿州范库弗峰市，该公司CEO Steve Nylund声称：“在这些技术进步的帮助下，以数量级的程度降低系统要求调节的时间是常见的，对机器制造者和客户来说，降低机器调试的时间是非常重要的。应用允许机器控制设计人员实施高级解决方案的各种标准通信接口也有很大的帮助。”
气动在这种应用的另一个好处是固有的兼容。在表面连续改变的地方，适应偏离比其他技术更快、更有弹性。

　　Nylund 评论说：“新伺服气动系统相对于旧的‘开关’阀运动更平滑、更精确，这些电子式控制，比例伺服阀在配置气动系统的应用中提供更好的选择，不太可能直接影响运动的精度。”

　　另一个逐渐增长的创新是使能液压能力运动控制。这些控制器使用位置和压力反馈完成闭环控制。这种双反馈控制能力允许控制器补偿经典气动细微差别，例如，空气热胀冷缩和阀的非线性化。一个主动阻尼方法比以前电-气动解决方案提供更稳定的高性能。控制器现在能同时处理一到八个轴。Delta的系统包括允许图形调节的控制器中的调节向导（见下图3）。

图3.气动向导

　　软件里的调节向导使优化伺服气动运动更容易，包括主动阻尼算法的自动调节的优点。

　　产品经理Frank Latino说：“任何应用需要快速、涉及许多执行机构的运动的短冲程是一个很好的气动例子，其他适合的应用是在小面积内需要高的力，点对点执行，是否线性或回转。” 他补充说，用户自然想到在无火花应用中气动的可能性，气动在不要求电子执行机构的精度的地方性价比非常高。

　　混合控制优化冰处理系统
　　机器人和自动化设备服务公司(RAESCO)位于美国纽约Syracuse市，该公司制造冰处理设备，并提供其他机器和服务。RAESCO的机器每分钟码垛40袋冰。在开发机器的控制系统时，RAESCO公司和应用自动化控制公司(AACI)合作，这个公司也在Syracuse市，作为控制解决方案的顾问。AACI提供使用机电和气动技术的机器解决方案。

　　AACI公司提供优化机器设计的控制组件, 该公司的总经理Tom Swenton说：“我们合作完成一个基于RAESCO的概念的设计。”
Swenton说：“设计从原形到生产经历一些变更，现在的设计实施三个电子伺服控制的轴——两个轴用于搬运小车，一个轴用于吊车系统。我们能提供的这些轴，比气动解决方案速度更高和定位更准确。然而，当它们从进给搬运小车运到整理站时，有四个运动要调整和旋转冰袋。另外，用气动解决方案实施, 有各种夹具和连锁保护。对这些运动来说，这些是合理的选择，因为它们提供更足够的控制以及性价比更高。”

　　RAESCO公司的总经理Rich Huchanski补充说：“因为当冰袋进入整理站时，冰袋外形变化的非常大，气动解决方案提供给我们适应性的能力。当真空吸头和冰袋接触时，使用空气压力测量从而使真空吸头适应冰袋的形状。使用这种兼容性的适应，我们能在它们运到货盘之前调整冰袋一致。”机器有能力举起高达150 磅的冰袋，但是，总的来说，货盘中的冰袋重达300 磅。这种能力表示混合解决方案不仅能优化许多机器的能力，也是最高性价比的解决方案。

　　BW Rogers公司位于美国俄亥俄州马其顿地区，它的控制分销商商务部经理Steve Whyte 说：“对许多机器来说，气动解决方案由于成本因素仍是首选的。”他引用一个项目，在这个项目中，在检测机器上，ITW-Akron标准使用所有气动解决方案。Whyte说：“机电解决方案比客户认可的成本高很多。”

　　因此，即使压缩空气的成本持续增加，气动解决方案仍是许多机器制造者的首选。

　　改进的连接
　　Festo公司 Latino说：“以太网技术已经使在工厂自动化中应用的气动设备提升巨大的效率，特别是如果有很高密度的执行机构。考虑到超过2，000个执行机构的安装。阀岛能带多达128个阀的负载，有时会更多。这降低了总阀岛的数量，但是仍有30-40个阀岛。以太网提供带宽在最短时间内实现访问这些阀是可能的。”

　　按照Latino的说法，其他的现场总线系统要求多通道或网络，在硬件、调试和维护上增加的成本。除了带宽的巨大飞跃，IT服务，例如网络服务器（web server）、文件传输和e-mail能提供非并行的诊断，特别是用检测设备（Checkout Test Set ，COTS）诊断工具和媒介。

　　Latino说，现在，在阀岛中，集成控制使气动功率/控制是一个更好的替代方案。他补充说：“传感器和诊断嵌入到阀岛中，系统诊断算法诊断总的气动系统，使用以太网和开放标准技术，例如OPC或工业以太网协议把这些联系起来，从而改进控制系统。”

　　接下来是什么？
　　在需要高的力以及要求兼容变化负载变量应用的场合，例如，压力辊、冰袋应用，气动解决方案看起来更好。没有证据表明在不远的将来会有变化。当机电解决方案有时必须解调相似地行为到气动解决方案时，一些公司更积极地集中精力做气动解决方案。移动到没有准确定义的接口的运动控制应用是特别真实的。

　　其他液压能力
从价格和性能出发点来说，具有大的力或推力要求的机器采用既没气动也没有机电解决方案的部分是现实的。这类机器包括冲床、折弯机、成型机、破碎机等。这些机器使用液压实现要求的力来完成要求的工作很有必要。

　　Hydra-Pneu Consulting公司位于美国印地安那州Newburgh 市，该公司总经理Bud Trinkel说：“在机器设计中，液压是另一个因素，因为仅仅有一些机器设计人员有任何可用的方法，甚至更少的人理解在特定环境下怎样应用正确的组件。我工作的98%是液压电路。”
现在，气动解决方案是如此常见以至许多机器设计人员能在他们的机器中毫不犹豫地选择气动组件。

关于作者
Loren Shaum是Comtec, Syracuse, Ind.公司的负责人，他们提供在机器和总的工厂自动化市场的研究。