Гидропневмоавтоматика станка успешно решает задачу создания мобильных систем управления оборудованием и технологическими процессами, выполняет различные функции управления, логические и вычислительные операции. Структурно такие системы включают источники питания, исполнительные механизмы, датчики, управляющие устройства, коммуникационные каналы и связи. В качестве рабочего тела используется, как правило, сжатый воздух. Довольно часто устройства, спроектированные для работы на газах, могут работать и на жидкостях.
Пожаро- и взрывобезопасность, надежность и компактность, низкая стоимость, отсутствие сливных линий, быстродействие, возможность работы при значительных уровнях вибраций и в широком диапазоне температур (200-980°C) характеризуют широкие возможности устройств промышленной пневмоавтоматики.
Внедрение принципов компенсации сил, миниатюризации и элементного построения устройств, применение невысоких рабочих давлений и различных газодинамических эффектов позволили создать унифицированные системы устройств (АУС, УСЭППА, ПЭРА) и другие направления развития пневмоавтоматики (пневмоника, пневмоакустика).
Из всех пневмоэлементов (мембранных, шариковых, золотниковых, струйных) наибольшее применение находят мембранные.
Универсальная система элементов промышленной пневмоавтоматики (УСЭППА) представляет собой набор устройств, законченных не конструктивно, а функционально. Элементы выпускаются серийно, входят в систему «Старт». На их основе создают сложные управляющие устройства (например, «Автооператор»), работающие совместно с ЭВМ, устройства программного управления станками. Монтаж элементов осуществляется с помощью коммутационных плат, внутри которых расположены линии питания и связи. Элементы имеют коммутационные ножки для крепления, соединения с платой, подключения контрольных приборов.
Устройства универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики разделяют на аналоговые (непрерывного действия) и дискретные. В первую группу входят: пневмосопротивления, пневмоемкости, пневмоповторители, двух- или четырехвходовые усилители. (Условные обозначения элементов универсальной системы промышленной пневмоавтоматики приведены на рис. 1) В дискретных элементах сигналы на выходе принимают лишь два значения: 0 и 1. Нулю соответствует давление от 0 до 0,02 МПа, а единице - в пределах 0,11-0,14 МПа. В аналоговых элементах сигналы на выходе принимают любые значения в пределах 0-0,14 МПа. В систему универсальной системы элементов промышленной пневмоавтоматики входят также элементы управления (пневмокнопки, пневмотумблеры), дискретные преобразователи сигналов, пневмоклапаны.
Рис. 1. Условные обозначения элементов универсальной системы промышленной пневмоавтоматики
Основным дискретным элементом является трехмембранное пневмореле (П1Р1), представленное на рис. 2. Реле имеет корпус, образованный четырьмя прямоугольными шайбами, между которыми закреплены упругие плоские мембраны 1, 2, 3. Стянутые винтами 7 кольца и мембраны образуют четыре камеры I - IV. Эффективные площади мембран 1 и 3 равны f; они меньше площади мембраны 2, равной F. Мембраны связаны по оси жестким центром и представляют собой в комплекте реагирующий орган 4, торцы которого образуют с соплами 5 и 6 пневматические контакты типа сопло-заслонка обратного действия: при замыкании одного контакта другой размыкается. Питание и коммутация камер I - IV осуществляются с помощью штуцеров (ножек), вворачиваемых в резьбовые отверстия 8, выполненные в корпусе.
Рис. 2. Трехмембранное пневмореле
Камеры II - III глухие. Камера IV соединяется с атмосферой, а камера I - с соплом 6, обеспечивая при этом положительную обратную связь. Если в рабочие полости I и IV подвести давление p0, p1, p2, на мембранах 1, 2, 3 возникнут силы, которые перемещают исполнительный орган. Так, при p1>p2 результирующее усилие смещает реагирующий орган вниз. Контакт 6 размыкается, а контакт 5 замыкается, при этом изменяется уровень сигнала на выходе.
Для фиксирования заданного положения реагирующего органа в одну из полостей II или III подводится подпорное давление. В камеру II подводится подпорное давление pп=0,3 p0, а в камеру III - pп=0,7 p0. На схемах подпор в 0,3 p0 показан штриховкой, а подпор в 0,7 p0 - двойной (крестообразной) штриховкой. Величина подпора в камере II меньше, так как за счет положительной обратной связи силы, действующие на реагирующий орган вниз, больше усилий, действующих в обратном направлении.
Реле имеет петлеобразную статическую характеристику. Требуемое ее расположение зависит от схемы включения, величины подпорного давления, соотношения площадей мембран.
Логические устройства на мембранных элементах синтезируются по правилам алгебры логики и позволяют реализовать логические операции двух независимых переменных одно-, двух-, многовходовыми релейными схемами. Некоторые простейшие логические операции на трехмембранном реле показаны на рис. 3. Схемы подключения 1, 2 реализуют соответственно одновходовые операции: отрицание p=p1 и повторение p+p1. При P=0 (см. таблицы состояний) выход схемы соединяется с атмосферой, при P=1 - с линией питания p0.
Рис. 3. Простейшие логические операции на элементах универсальной системы промышленной пневмоавтоматики
Операция отрицание «НЕ». Сигнал на выходе P всегда противоположен по своему значению входному сигналу P1, т. е. P=P1. Если P1=0, то за счет подпорного давления (Pп =0,3P0), подводимого в полость II (рис. 2) и разности площадей мембран (F-f) реагирующий орган смещается в крайнее нижнее положение. При этом закрывается сопло 6, и разобщается связь полости I с атмосферой. На выход элемента P через открытое сопло 5 поступает давление питания p0, устанавливающее сигнал P=1. При P1=1 усилие, действующее на мембранный блок в полости III вверх, превышает действие подпора. Реагирующий орган смещается вверх, закрывает сопло 5 и открывает сопло 6. Выход элемента P через камеру IV сообщается с атмосферой. Сигнал на выходе P=0.
Операция повторение «ДА». Подпорное давление (Ри=0,7Ро) подводится в полость III, а сигнал P1 - в полость II. При Р1=0 реагирующий орган смещается вверх, закрывая сопло 5 и сообщая выход элемента P через открытое сопло 6 с атмосферой, т. е. Р=0. Если Р1=1, реагирующий орган смещается в нижнее положение, сигнал на выходе Р=1. В этой схеме сигнал на выходе всегда повторяет значение входного сигнала P=P1.
Логические операции 3, 4, 5, 6 (на рис. 3) строят также на одном реле, но уже с двумя входами - P1 и P2. Один из сигналов подводится во II или III полость (соответственно в свободную полость подводится подпор), а другой сигнал подводится либо вместо давления питания P0 к соплу 5, либо в полость IV (в этом случае ни одна из камер реле не соединяется с атмосферой). В остальном работа схем во многом сходна с рассмотренными выше схемами «НЕ», «ДА».
Схемы многовходовых логических мембранных устройств реализуют последовательным наращиванием двухвходовых элементов (схемы 7 и 8 на рис. 3). Работу таких устройств нетрудно рассмотреть, используя таблицы состояний и схему подключения элементов. Используя пневмореле и логический шариковый клапан «ИЛИ» можно реализовать любые логические функции.
В сложных дискретных системах широко применяется система малогабаритных пневматических элементов релейной автоматики (ПЭРА), построенных по принципу незакрепленных (летающих) мембран.
Элементы струйной техники (пневмоники) представляют собой набор устройств, преобразующих информацию или усиливающих сигналы (давление, расход) за счет использования различных гидрогазодинамических эффектов, вызывающих отклонение силовой струи или изменение сопротивления протеканию струи через рабочую камеру. В элементах пневмоники используются поперечное и встречное соударение струй, притяжение струи к стенке, турбулизация ламинарного потока, создание закрученного потока. Такие устройства компактны, надежны в работе, не имеют механических подвижных частей, работают на малых давлениях (125±25 мм вод. ст.). Из недостатков следует отметить необходимость применения источника питания низкого давления, обеспечивающего тонкую очистку воздуха, влияние сжимаемости воздуха (дистанционность менее 100 м).
Различают устройства непрерывного и дискретного действия, плоские и пространственные, с навесным монтажом (соединение элементов трубками) и платным монтажом (соединение элементов канавками, выполненными в монтажных платах).
На рис. 4 представлены принципиальные схемы типовых струйных элементов. Каждый элемент имеет силовую и управляющую части. Силовая часть преобразует и передает энергию. Она состоит из сопла питания 1, рабочей камеры 2, приемных 3 и 4 и атмосферных 5 каналов. Управляющая часть изменяет направление и условия распространения силовой струи; состоит она из каналов управления 6 и 7. Кроме того, элемент на рис. 4, б имеет две стенки 9 и 10, а элементы на рис. 4, а, б, г - разделитель (дефлектор 8).
Рис. 4. Струйные элементы
Сопло питания 1 преобразует потенциальную энергию давления в кинетическую энергию струи в рабочей камере 2. В приемных каналах 3 и 4 происходит обратное преобразование энергии струи, обеспечивающее сигнал на выходе элемента. Каналы 5 отводят в атмосферу избыточный расход струи, не используемый нагрузкой, либо подводят дополнительный расход, эжектируемый струей. В элементах на рис. 4, а, в приемный канал 3 расположен соосно с питающим соплом 1. В элементах на рис. 4, б, г струя попадает в канал 3 за счет ее притяжения к стенке 9 (эффект Коанда) или к кромке 12. В вихревом элементе силовая струя из сопла питания 1 через вихревую камеру 2 поступает в канал 3 при незначительном сопротивлении движению потока.
Если в элементы на рис. 4, а подвести давление в канал управления 7 за счет поперечного соударения струй, то силовая струя отклонится от первоначального направления; уменьшатся расход и давление, поступающее в канал 3. В приемном канале 4 давление будет повышаться и при соответствующей мощности управляющего потока в канал 7 может достигнуть высокого значения. При снятии управляющего давления силовая струя принимает первоначальное направление; в канале 3 устанавливается сигнал высокого давления. Если соединить приемный канал 4 с управляющим каналом 6, то при определенной глубине такой положительной обратной связи можно реализовать элемент памяти. Тогда после снятия управляющего давления в канале 7 в приемном канале 4 сохраняется сигнал высокого давления.
На основе рассмотренной нами схемы создан струйный логический элемент «ИЛИ» - «НЕ ИЛИ» на два входа (CT41) и на три входа (СТ44) системы «Волга».
В элементе на рис. 4, б (триггер с раздельными входами) при достаточном уровне управляющего сигнала в канале 7 силовая струя отрывается от стенки 9 и притягивается к стенке 10. В канале 4 устанавливается сигнал высокого давления. Релейная характеристика реализуется без обратной связи. После снятия сигнала в канале 7 и подвода давления в канал управления 11 силовая струя перебрасывается в приемный канал 3. Элемент представляет бистабильный усилитель СТ42 системы «Волга».
В турбулентном усилителе (рис. 4, в) при подаче управляющего сигнала в каналы 6 и 7 установившееся ламинарное течение струи переходит в турбулентное. При этом увеличивается сопротивление движению потока, уменьшается сигнал на выходе. При снятии управляющего сигнала на выходе восстанавливается сигнал высокого давления. При наличии сигнала в канале управления 7 вихревого элемента результирующая струя, отклоняясь вправо, притягивается к стенке и закручивается по часовой стрелке. Сопротивление движению потока через камеру значительно возрастает, сигнал (давление и расход) на выходе элемента 3 уменьшается. При обратном направлении движения силовой струи (подвод в канал 3) сопротивление движению незначительно. Определенные соотношения геометрических параметров элемента позволяют реализовать режимы работы пневмодиода, усилителя, реле, запоминающего устройства.
Наиболее удобным элементом для выполнения различных логических операций и функций управления является элемент «ИЛИ» - «НЕ ИЛИ» (рис. 4, а).
На рис. 5 представлена простейшая схема управления цилиндром 5, собранная на двух элементах «ИЛИ» - «НЕ ИЛИ», реализующих память. При нажатии на пневмокнопку КП струя воздуха подводится в канал управления 7 элемента 2 с давлением pу. Силовая струя p0 отклоняется вправо, в приемном канале 8 и на входе пневмоусилителя 3 устанавливается сигнал высокого давления. Одновременно снимается сигнал в канале управления 9 элемента 1. Его питающая струя поступает в канал 10 и канал управления 8 элемента 2 (фиксируя направление силовой струи при размыкании контактов пневмокнопки). Пневмоусилитель 3 переключает распределитель 4 в положение, показанное на рисунке. Сжатый воздух с давлением 0,4-0,6 МПа подводится в правую полость цилиндра 5. Поршень перемещается влево со скоростью v1. В конце хода пневматический путевой конечный выключатель ВК подает управляющий сигнал в канал 11 элемента 1. При этом в приемном канале 12 устанавливается сигнал высокого давления, снимается управляющий сигнал в канале 8. Элемент 2. обеспечивает управляющий сигнал в канал 9 и фиксирует направление струи питания элемента 1, реализуя память. Усилителем 6 переключается распределитель. Поршень цилиндра перемещается вправо со скоростью v2. Лепесток путевого выключателя размыкает контакт, но движение продолжается, поршень, возвращается в исходное положение.
Рис. 5. Схема управления цилиндром с помощью струйных элементов
