1 Inleiding proportionaal-hydrauliek

Transcriptie

1 1 Inleiding proportionaal-hydrauliek 1.1 Wat is proportionaal-hydrauliek? In de proportionaal-hydrauliek worden de hydraulische componenten zoals pompen, stuurschuiven, overdrukkleppen, reduceerkleppen, smoringen en stroomregelkleppen, door middel van een elektrisch signaal traploos aangestuurd. Daarmee worden de hydraulische grootheden druk (p) en volumestroom (q v ) zodanig geregeld dat de aangedreven installatie precies doet wat er gebeuren moet, bijvoorbeeld: De volumestroom zodanig afregelen dat de hydromotor of cilinder met de optimale snelheid beweegt en bijvoorbeeld gecontroleerd op snelheid wordt gebracht of wordt afgeremd. Dit speelt een belangrijke rol in positioneersystemen en moderne aandrijvingen waar snelle, soepele en nauwkeurige bewegingen (motion control) gevraagd worden. Het drukverloop in cilinders en motoren zodanig af te regelen dat het juiste krachtverloop ontstaat voor die toepassing, bijvoorbeeld in spuitgietmachines. De aansturing van installaties en systemen vindt meestal plaats via de PLC, industriële computersystemen en elektrische joysticks. Deze besturingssystemen sturen de hydraulische kleppen traploos aan die op hun beurt de actuatoren traploos (hydromotoren en cilinders) aansturen. De proportionaal-hydrauliek is te beschouwen als de interface tussen de besturing en de actuatoren (afbeelding 1.1) Afb. 1.1 Voorbeelden van een cilinderaandrijving met proportionaal-hydrauliek Boven: open stuurketen, dat wil zeggen zonder terugkoppeling van de cilinderpositie. Onder: gesloten regelkring waarbij de cilinderpositie wordt teruggekoppeld naar de besturing. De proportionaal-hydrauliek vormt de interface tussen besturing (computer, IPC, PLC) en actuatoren. De signaaloverdracht kan analoog of digitaal (bussystemen als CAN-bus) plaatsvinden. 1 Actuator (hydraulische cilinder of hydromotor), 2 proportionele schuif en versterker, 3 centrale besturingseenheid (PLC, IPC), 4 positie opnemer voor elektronische terugkoppeling van de cilinderpositie, 5 Axis controller of besturingseenheid cilinder

2 5 Karakteristieken van en instelmogelijkheden aan proportionele schuiven en regelaars. 5.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt ingegaan op de verschillende karakteristieken en instelmogelijkheden van proportionele schuiven. De karakteristieken en gegevens, zoals die ook in de datasheets van leveranciers voorkomen, worden uitgelegd evenals de instelmogelijkheden (versterkingsfactor, ramptijd etc.) aan schuiven met geïntegreerde elektronica en externe regelaars. 5.2 Nulpuntverstelling en sprong rond het nulpunt Zoals in hoofdstuk 3 aangegeven verstaat men bij proportionele schuiven onder de nominale of standaard volumestroom de volumestroom die door de 100% open gestuurde schuif wordt doorgelaten van P A B T bij een drukverschil over de schuif van 10 bar (5 bar per stuurkant) 1. De karakteristiek uit afbeelding 5.1 is daar op gebaseerd. Op de verticale as staat de volumestroom als percentage van de nominale volumestroom. Op de horizontale as is het percentage van het maximale stuursignaal (stuursignaal van bijvoorbeeld een joy-stick op de elektronica ingang van de schuif) uitgezet: de negatieve waarde geeft de bediening van spoel a (doorstroming van P B A T) en de positieve waarde de bediening van spoel b (doorstroming van P A B T). In de documentatie van schuiven vindt men op de verticale as ook wel de werkelijke volumestroom (l/min) die de schuif doorlaat en op de horizontale as het stuursignaal in volt (V) of milli-ampère (ma). Afb.5.1 Volumestroomkarakteristiek van een proportionele schuif bij een drukverschil van 10 bar over de schuif (5 bar per stuurkant). De karakteristieken kunnen op verschillende manieren worden getekend (links- en rechtsboven). De schuif heeft een positieve overlap zodat als de plunjer in de middenstand staat de inwendige lekkage tussen de poorten tot een minimum beperkt blijft. Door de overlap ontstaat rond het nulpunt een dode band. Als de schuif wordt aangestuurd verschuift de plunjer in dat gebied wel, maar laat nog geen olie door. De stuurkant van de plunjer zal door de overlap heen moeten verplaatsen voordat deze op het snijpunt staat zoals de situatie rechtsonder) en er olie wordt doorgelaten. In de karakteristiek is de dode band duidelijk zichtbaar. 1 Let op: sommige leveranciers hanteren een afwijkende drukwaarde bijvoorbeeld 8 bar over de schuif (4 bar per stuurkant).

3 Het nulpunt van de plunjer (het nulpunt is de plunjerpositie als er geen stuursignaal naar de elektronica gaat) kan op de versterkerkaart worden ingesteld. Zo kan men het nulpunt exact in het midden afstellen of juist net uit het midden om aan één uitgang meer druk te krijgen om bijvoorbeeld een cilinder in een bepaalde positie te houden. Ook kan de (spannings)sprong rond het nulpunt worden ingesteld. Daarbij springt de plunjer vanuit de nulstand in één keer naar het snijpunt. Als de proportionele schuif uit afbeelding 5.1 wordt gebruikt om bijvoorbeeld een hydraulische cilinder nauwkeurig in positie te houden zal de schuif rond het nulpunt kleine volumestromen moeten regelen. Om de cilinder bij afwijkingen te corrigeren, beweegt de plunjer het ene moment naar links en het volgende moment weer naar rechts. Daarbij moet de plunjer telkens door de dode band heen (2x de overlap). Dit is niet bevorderlijk voor de snelheid en nauwkeurigheid van het regelen van de cilinderpositie. De dode band kan aan de elektronische kant worden weggeregeld door de sprong rond het nulpunt (afbeelding 5.2). Het principe van de sprongverstelling is dat zodra er een minimaal stuursignaal (ingangsignaal) op de ingang van de elektronica komt te staan om de schuif aan te sturen, het uitgangssignaal van de versterker naar de betreffende schuifspoel met een sprong toeneemt en de plunjer uit de nulstand in een keer naar het snijpunt springt. De prestaties hiervan zijn nog verder te verbeteren door de positie van de plunjer (met LVDT) terug te koppelen naar de elektronica. Afb.5.2 Volumestroomkarakteristiek bij verschuiving van het nulpunt. In de linker grafiek is het nulpunt (snijpunt) verlegd (blauwe lijnen) waardoor de positieve overlap is verkleind. In de rechtergrafiek is het nulpunt zover verschoven (blauwe lijnen) dat de overlap tot nul is gereduceerd en een schuif met nullap wordt benaderd. 5.3 Nullap en volumestroomkarakteristiek bij regelschuiven In systemen waar snelheden en posities zeer snel en nauwkeurig moeten worden geregeld kiest men voor regelschuiven 2 en servokleppen. De regelschuiven werken met plunjers met nullap zoals in afbeelding 5.3 is weergegeven. De stuurkanten staan precies op het snijpunt. Dit vraagt om zeer nauwkeurig bewerkte en op elkaar aangepaste plunjer en behuizing en een nauwkeurige positionering van de plunjer in de ruststand van de schuif. Omdat van deze schuiven verwacht wordt dat zij hydromotoren en cilinders snel en nauwkeurig regelen, werken deze schuiven met een groot drukverschil (regelen, snelheid en nauwkeurigheid kosten druk ). De nominale volumestroom van deze schuiven wordt gegeven bij een drukverschil van 70 bar (35 bar per stuurkant) over de schuif. Uiteraard is in de praktijk net als bij proportionele schuiven elk ander drukverschil over de schuif mogelijk en is het drukverschil of de volumestroom onder alle omstandigheden uit te rekenen via de evenredigheidsformules. 2 In deze Technische Leergang wordt voor de proportionele schuiven die vergelijkbaar zijn met servokleppen de benaming regelschuiven gebruikt.

4 9 Regel- en servokleppen 9.1 Inleiding Zoals al eerder is opgemerkt, sluit de moderne proportionaal-hydrauliek naadloos aan op de oude servo-hydrauliek. De snelle proportionele schuiven met nullap worden ook wel aangeduid met regelschuif of servo-proportionele schuif. In dit hoofdstuk wordt kort aandacht besteed aan regelschuiven en wordt de werking van een conventionele servoschuif, in de praktijk vaak servoklep genoemd, uitgelegd. 9.2 Regelschuiven Voor hydraulische systemen met een hoge dynamiek zijn schuiven en kleppen nodig die de snelheid van het systeem aan kunnen. In het verleden konden alleen speciale servoschuiven aan deze eisen voldoen maar de moderne regelschuiven bieden in veel gevallen een uitstekend alternatief. Afbeelding 9.1 geeft twee veel voorkomende schemasymbolen van een 4/4-regelschuif. Als er geen spanning op het systeem staat, wordt de plunjer door een veer in de vierde stand gedrukt, de fail-save stand. Zodra er spanning op het systeem staat wordt de schuif elektronisch in de nullap middenstand gezet. De schuif schiet in dit geval (zeer snel) door de P A B T stand heen om in de middenstand te komen. In afbeelding 9.2 zijn de verschillende plunjerstanden weergegeven. Afb.9.1 Schemasymbolen regelschuif. Links als er geen spanning op het systeem staat, rechts met spanning op het systeem en schuif in de middenstand met nullap. In de fail-save stand zijn bij de bovenste schuif de P, T, A en B poort ten opzichte van elkaar afgesloten (positieve overlap) en zijn bij de onderste de A en B poort met T verbonden, dit afhankelijk van de toepassingseisen.

5 Afb.9.2 De regelschuif in vier verschillende posities. Het verschil tussen de fail-save stand met positieve overlap (linksboven) en middenstand met nullap (rechtsboven) is goed zichtbaar. Afb.9.3 Positieregeling van een cilinder door een 4/4-regelschuif. Afbeelding 9.3 geeft een voorbeeld van een positieregeling door een 4/4-regelschuif. De cilinder (1) drijft een machineonderdeel aan waarbij een snelle en nauwkeurige positionering vereist is. Het machineonderdeel is als massa-veersysteem (2) met demping getekend om weer te geven dat de aandrijving een zekere mate van elasticiteit (veer) heeft met wrijving (dempercilinder) en massa (m). Dit aspect komt in het hoofdstuk over dynamisch gedrag aan de orde. Om de positie van de cilinder te kunnen

6 1,5 x 0,7% van cm 3 = 210 cm 3 (0,21 l) zonder dat de cilinder bewogen heeft en zonder rekening te houden met de inhoud (= schadelijk volume ) van het leidingwerk!! Levert de pomp van dit systeem 30 l/min dan heeft de pomp ruim 0,4 s nodig om de druk op te bouwen. Regeltechnisch is dat een lange tijd. Meer hierover in het hoofdstuk over dynamisch gedrag. Omdat er in dit soort systemen een behoorlijke hoeveelheid warmte wordt ontwikkeld als gevolg van de drukval over de schuif, wordt een koeler (5) toegepast. Voor wat betreft de conditionering, is het uitgangspunt dat het reinheidsniveau van de olie in de tank voldoet aan de systeemeisen. Het persfilter (4) is een veiligheidsfilter van bijvoorbeeld 10 µm dat voorkomt dat er ongewenste deeltjes in het systeem terechtkomen waardoor de dure componenten zouden beschadigen. Het retourfilter van bijvoorbeeld 10 µm, is het hoofdfilter en zorgt er voor dat de olie die door het systeem heen geweest is weer schoon in de tank terechtkomt. Let op de plaatsing van het persfilter ten opzichte van de accumulator: de plotselinge en grote volumestroom uit de accumulator mag niet door het persfilter heen om uitspoelen van de kleinste verontreinigingen te voorkomen. Om de hydromotor en regelschuif is een kader getekend om aan te geven dat de schuif tegen de hydromotor is aangebouwd. De reden is om zo min mogelijk schadelijk volume te hebben tussen de schuif en de motor. Onder schadelijk volume verstaat men de hoeveelheid olie in het leidingwerk tussen stuurschuif en cilinder of hydromotor en schadelijk volume zorgt voor een vertraging in de drukopbouw en verlaagt de systeemstijfheid ernstig waardoor het gevaar voor slingeren (stotende beweging waarbij het systeem in eigen trilling komt) ontstaat. Is aanbouw niet mogelijk dan moet de schuif zo dicht mogelijk bij de hydromotor geplaatst worden en via stalen leidingwerk worden verbonden. Slangen tussen schuif en hydromotor mag absoluut niet want slangen zijn enorm elastisch waardoor de systeemstijfheid sterk afneemt. Afbeelding 10.2 Snel en nauwkeurig geregelde hydraulische aandrijving met constant druk pomp. 1 pomp met constant druk regeling, 2 accumulator, 3 regelschuif, 4 persfilter, 5 koeler, 6 retourfilter Constant volumestroom of Load Sensing regeling In de mobiele hydrauliek wordt veel gewerkt met Load Sensing systemen, waarbij de pomp de gevraagde volumestroom levert tegen iets meer dan de gevraagde druk. De

7 12 Meet- en regeltechniek en dynamisch gedrag 12.1 Inleiding In de meet- en regeltechniek maakt men onderscheid tussen een open stuurketen en een gesloten regelkring. In een open stuurketen wordt een hydraulische cilinder of hydromotor aangestuurd zonder dat wordt gemeten wat het resultaat is van die actie. Dit is bijvoorbeeld het geval bij proportionele kraanbesturingen zoals het schema in hoofdstuk 10 waarbij de bedienaar zelf bepaalt wat er gebeuren moet. In geautomatiseerde productieprocessen en machines werken de proportionele-, regel- en servo-schuiven vaak in een gesloten regelkring. Dit wil zeggen dat de te regelen grootheid, bijvoorbeeld de positie van een cilinder, de druk na een schuif of het toerental van een hydromotor, continu wordt gemeten en vergeleken met de gewenste waarde en waar nodig wordt bijgeregeld. Om dit soort systemen te ontwerpen, in bedrijf te stellen en om storingen op te kunnen lossen is (enige) kennis van meet- en regeltechniek noodzakelijk. In dit hoofdstuk worden enige belangrijke aspecten daarvan behandeld zonder in te gaan op de achterliggende hogere wiskunde Gesloten regelkring Afbeelding 12.1 geeft een voorbeeld van een positieregeling bij een hydraulische cilinder. De cilinder drijft een machineonderdeel aan dat zo snel mogelijk in de gewenste positie (y) moet komen. De besturing (3) berekent op basis van de verschillende procesparameters in welke positie de cilinder moet staan. De axis controller (4) berekent het verschil tussen gewenste (3) en gemeten waarde (2) en afhankelijk van het verschil ε wordt een bepaald stuursignaal naar de versterker (5) gestuurd. De regelschuif (6) wordt net zo lang aangestuurd totdat de cilinder (1) de gewenste positie bereikt heeft. Onder het schema staat het blokschema van deze gesloten regelkring. Afb.12.1 Positieregeling van een hydraulische cilinder in een gesloten regelkring. 1 hydraulische cilinder, 2 wegopnemer, 3 besturing (PLC, PC, relaisschakeling), 4 Axis controller, 5 geïntegreerde elektronica (versterker), 6 regelschuif. In het blokschema is met de letters K de versterkingsfactor of overbrengverhouding per blok aangegeven. Dat is dus de verhouding tussen het uitgangs- en ingangssignaal van het blok.