Energy Optimisation of Pneumatic Linear Drives by Positioning

Az energetikai optimalizálás ma számos területen, így a mozgások, mozgatások területén is alapvető kérdés. A mozgások területén a lineáris mozgások jelentős területet ölelnek fel. A lineáris mozgások megvalósításának számos módja van. Kedvező áruk miatt, leginkább a lineáris aktuátorokat alkalmazzák. Működési elvük szerint hidraulikus-, pneumatikus- és elektromechanikus működésűek lehetnek. Természetesen minden rendszernek van előnye és hátránya. Ezeket összevetve egyre nő az érdeklődés a pneumatikus pozicionálás iránt. Ezt az is motiválja, hogy a pneumatikus munkahengereket, mint fontos munkavégző elemeket, számos előnyös tulajdonságuk miatt széles körben alkalmazzák az ipari automatizálás területén. A pneumatikus munkahengerek egyszerűek, tiszták, olcsók, megbízhatóak, nagy sebességre képesek, nagy a teljesítmény-tömeg viszonyuk, könnyű a karbantartásuk és eredendően rugalmasak, robbanás- és tűzbiztonságuk megfelelő, üzemvitelük egyszerű, üzembiztonságuk jó. Az elmúlt évtizedekben a pneumatikus rendszerek fejlődése jelentős volt, ami elsősorban a szervopneumatikus rendszerek modellezésének intenzív fejlesztésével, valamint a szabályozáselmélet fejlődése eredményeinek alkalmazásával indokolható. Javultak a pozicionálási és pályakövetési tulajdonságok és a pneumatikus aktuátorok robottechnikai alkalmazásokra is alkalmassá váltak. A fentiek figyelembevételével kutatómunkám célja, a pneumatikus lineáris hajtások elemzése, alkalmazásának kiszélesítése, energetikai optimalizálása pozicionálással. A vizsgálatok szakszerű elvégzéséhez megfelelő vizsgálóeszköz fejlesztését tűztem ki célul és a mérések eredményeinek matematikai modellezésének továbbfejlesztését határoztam el. A vizsgálatok eredményeképpen javítani kívántam a lineáris hajtások hatásfokát, továbbá csökkeneti a felhasznált energiát. Figyelembe véve a pneumatikus lineáris hajtások általános elterjedtségét, a munka eredményes megvalósítása jelentős új eredményt és előrelépést jelent a vizsgált területen. Kutatási munkám megvalósítására olyan laboratóriumi kísérleti berendezés fejlesztését határoztam el, mely alkalmas kutatási munkánkhoz szükséges mérések és kísérletek elvégzésére. A berendezéssel szemben támasztott követelmények: a berendezés kereskedelmi forgalomban beszerezhető alkatrészekből épüljön fel; a berendezés tegyen eleget a kutatási program során felmerült követelményeknek; a berendezés legyen univerzális és könnyen kezelhető. Vizsgálataim során a penumatikus hajtások elemzésére koncentráltam. A pneumatikus hajtások legfőbb előnye az egyszerű felépítés és az ebből következő nagy üzembiztonság. Ebből kifolyólag a hajtások tervezésénél nem cél a hajtás túlbonyolítása, az egyik, vagy a másik cél elérése érdekében. A pneumatikus hajtások alkalmazásának határt szabnak a fékezési és pozicionálhatósági kérdések. Munkámmal ezeknek a határoknak a kiszélesítését céloztam meg, ezen belül olyan hajtásrendszerek fejlesztését, amelyek optimálisan alkalmazkodnak az elvégzendő feladatokhoz. Elsősorban nagy tömegek mozgatásakor, illetve alacsony működési sebességek mellett tapasztalható, hogy a munkahenger sebességét nem lehet pontosan beállítani, a mozgás darabossá válik, különböző lengések, rezgések lépnek fel. Ezeket a lengéseket a megszokott módon, a fojtások állításával kiküszöbölni már nem lehet. Gondot okoz az is, hogy a relatíve nagy tömegek mozgatásakor, a véghelyzetben, a rövid fékút miatt, nagy inerciális erők keletkeznek. Ez a gond mérsékelhető a működési sebesség csökkentésével, ezzel azonban romlik a berendezés kihasználhatósága és hatásfoka. A pneumatikus hajtások további hátránya a kedvezőtlen hatásfok, ami a fojtásos sebességszabályozásból és a levegő expanziós energiájának kihasználatlanságából ered. A legnagyobb gond azonban a munkahengerek ütközés nélküli pozicionálásának megoldásából adódik. Sokan vélik úgy, hogy ez a probléma a levegő összenyomhatósága miatt nem oldható meg. Az általam fejlesztett hajtásrendszer biztonságos fékezés mellett nagy működési gyorsaságot biztosít, ezért széles körben alkalmazható közepes és nagy inerciális terhelés mellett. A különböző felépítésű hajtások dinamikai és energetikai jellemzőinek összehasonlító elemzéséhez, azok dimenzió nélküli matemetikai modelljét alkalmaztam. Az alkalmazott vizsgálóeszköz lehetővé teszi, hogy a kapcsolás nagy működési gyorsaság mellett egyenletes fékezést biztosítson. Az egy ciklus alatt felhasznált sűrített levegő relatív tömege: Ms = 1,41. A fent felsorolt paraméterek egy inerciálisan erősen terhelt hajtásnak felelnek meg. A pneumatikus hajtás energetikai jósági fokát fajlagos munkaképességgel, azzal a legnagyobb külső munkával mérjük, amelyet a hálózatból a hajtásba jutó egységnyi tömegű sűrített levegő végez. Vizsgálati eredményeimből kiderült, hogy a klasszikus hajtásrendszerek megfelelő vezérlésével elérhető a lágy, ütésmentes megállás, sajnos azonban a hatásfok, ezzel az alprendszerrel nem javítható. Az inproduktív energiafogyasztás ugrásszerű csökkentéséhez olyan rendszert kell létrehozni, amely a hajtás különböző munkafázisaihoz optimális módon igazodik. A pneumatikus hajtások energiatakarékos struktúráinak és racionális üzemelltetési területeinek meghatározásához a két megvizsgált fékezési módban teljesen eltérő hajtástípusnál számítógéppel meghatároztam az egyenletrendszer (45-53) által leírt átmeneti folyamatokat, különböző statikus terhelések és inerciális mutató mellett. Figyelembevéve az energia egyre növekvő, és a pneumatikus berendezések egyre csökkenő árát, az energiatakarékos rendszerek alkalmazása egyre gazdaságosabbá és célszerűbbé válik. A bemutatott fékezési rendszerek és pozicionálási mód csak kiragadott példák az általam elemzett és értékelt pneumatikus modulok közül. A fékezési rendszereket a matematikai modell segítségével számítógépen modelleztem és ez alapján az igéretes rendszereket gyakorlati vizsgálatoknak vetettem alá. A dolgozatomban ezeket a vizsgálati eredményeket valamint azok elemzését, a levonható elméleti és gyakorlati következtetéseket mutattam be.The energy optimization is a basic question on several areas just like on the field of move, moving. In the sphere of moves the linear moves create a huge segment. There are several forms of linear move applications. Because of cost efficiency the linear actuators are frequently used. Based on action mechanism there are hydraulic, pneumatic and electro-mechanic systems. Naturally all systems have advantages and disadvantages. Summarize these the focus is on pneumatic positioning. The motivation is coming from that the pneumatic cylinders, as important working elements, are applied in wild range of industrial automation because of these several advantages. The pneumatic cylinders are simple, clean, cheep, reliable, able to reach high speed, the power/weight ratio is high, easy to maintain also flexible, rather safe against explosion and fire, simple operational, work safe. In the past decades the evolution of pneumatic systems was really high thanks to the intensive development for modeling of servo-pneumatic systems and the results of the theory of regulation applications. The positioning and tracking behaviors went better and the pneumatic actuators could be able for robotizing. Based on the above my research work is to analyze the pneumatic linear drives, widen the possible applications and energy optimization with positioning. I have targeted a development of a proper analyzing device also decided to develop the mathematic modeling of the results of the measurements. As a result of the research I have tried to increase the efficiency of linear drives and decrease the requested energy. To see the wide applications of pneumatic linear drives, the result of my research is a new approach and step ahead on this search field. To create my search programm I have decided to make a laboratory device that is able to do the necessary tests, records and measurements. The test device requirements: should be built of parts can be purchased from commercial sources; should matches the requirements coming out from the research program; should be universal and easy to use. During my studies I was focusing to analyze the pneumatic drives. The most important advantage of the pneumatic drives is the simple structure and the high work reliability. Coming from this it cannot be a target at the design of the drives to make more complicate it to reach one or other result. There are limits for the pneumatic drive applications coming from the issues of stopping and positioning. I have targeted to widen these limits with my work, focusing to the development of drive systems are adapting optimally to the active task. Mainly at huge weight moving and slow speed actions it is recognizable that is really hard to adjust the accurate speed of the cylinder, causing the move triggered, vibration, oscillation comes out. These oscillations cannot be reduced by adjusting dampers as it used to be. Also problems at the moving of relative huge weights at the stop, because of the short stop distance the inertial forces are getting high. This issue can be decreased by reducing the action speed but this gets wrong the capability of the device and the efficiency, too. Other disadvantage of the pneumatic drives is the unfavorable efficiency coming out from damper speed reducing and the unused air expanse energy. The biggest problem caused by to solve the cylinder stop positioning without hitting. There are thesis say this problem cannot be solved because of the pressing behavior of the air. The drive system developed by me insures high action speed with safe stop, so can be applied in wild range of mid and high inertial loads. I have applied the mathematic models without dimensions for the comparable analysis of the dynamic and energetic parameters of different structure drives. The applied test device allows switch with high action speed beside smooth stops. The relative weight of the compressed air used by one cycle is: Ms = 1,41. The parameters above are equal with a drive strongly loaded with inertial. We measure the energetic rank of the pneumatic drive with specific workability, with the biggest outside work, what the unit weight compressed air acts during comes from the system and goes into the drive. From my investigation results come out that the classic drives are able for smooth stopping without hit, but the efficiency cannot be increased with this basic system. For decreasing the unproductive energy consumption, I have to create a system what optimally adaptable for the different work phases of the drive. To determine the energy efficient structures and the rational application areas of the pneumatic drives, in the investigated two stopping methods with different drive systems, I have defined by computer the equation system (44) described transitional process flows, beside different static loads and inertial. Notice the increasing energy prices and decreasing pneumatic device prices the usage of energy safe systems is getting more economic and practical. The introduced stop systems and positioning methods are only grabbed out examples from the pneumatic modules are analyzed and evaluated by me. I have modeled the stop systems by mathematic model through computer and based on it practical tests were applied on the promising systems. In this study, I show up these research results, the analysis of these and the theoretical and practical conclusions.d