Dossier Snelheidsregeling Festo Belgium nv Kolonel Bourgstraat 101 BE-1030 Brussel www.festo.com
Inleiding Het doel van een snelheidsregeling is de snelheid van cilinders en pneumatische motoren regelen door het luchtdebiet Q te beïnvloeden. Dit gebeurt door de nominale doorlaat te wijzigen. In één geval wordt het luchtdebiet vergroot, wat een verhoging van de snelheid met zich meebrengt. Meestal wordt het luchtdebiet echter beperkt, wat een vertraging van de snelheid veroorzaakt. De eenvoudigste manier om dit te verwezenlijken is met een smoorventiel. 2
Het smoorventiel Een smoorventiel is niets anders dan een kraan die meer of minder geopend wordt. De regeling gebeurt meestal door middel van een naald. De vorm van de naald bepaalt de debietcurve van het smoorventiel. Naargelang we een nauwkeurige regeling nodig hebben in de hogere of lagere debieten, gebruiken we een smoorventiel met aangepaste curve. Figuur 2. Het instellen van het debiet gebeurt door regelen van de smoorschroef of door een mechanische bediening. Bij een smoorventiel wordt het debiet in beide richtingen geregeld. Het ingestelde debiet is ongeveer identiek in de ene of andere richting. Figuur 1. Figuur 3. Figuur 4. 3
Het snelheidsregelventiel Een snelheidsregelventiel is een smoorventiel waarbij het debiet in slechts één richting wordt beperkt, in de andere richting is de doorgang vrij. In de tegengestelde stromingsrichting kan de perslucht daarentegen praktisch zonder drukverlies de terugslagklep passeren. Dit wordt bekomen door bij dit ventiel het snelheidsregelventiel te overbruggen door een terugslagventiel. Figuur 6. Daardoor kan in de blokkeerrichting van het terugslagventiel via de smoring maar een beperkte hoeveelheid lucht doorstromen. Figuur 5. Snelheidsregeling op cilinders De snelheid van de cilinder is afhankelijk van de belasting van de cilinder (zie figuur links). De uitgaande snelheid van de cilinder wordt dus beïnvloed door de krachten F p1, F p2 en F mec. F p1 is de kracht ontwikkeld aan de ene zijde van de zuiger. F p2 is de kracht ontwikkeld aan de andere zijde van de zuiger. F mec is een combinatie van de externe krachten op de zuigerstang met de interne wrijvingskrachten. Als deze drie krachten constant blijven, blijft ook de cilindersnelheid constant. Er zijn in principe twee mogelijkheden van snelheidsregeling: 1. smoring van de ingaande lucht 2. smoring van de uitgaande lucht Figuur 7. 4
Smoring van de ingaande lucht Bij deze manier van regelen is het snelheidsregelventiel zo geplaatst, dat het terugslagventiel de naar de cilinder toe stromende perslucht blokkeert (zie figuur). Hierdoor kan de perslucht vrij uit de cilinder ontsnappen (ontluchting), terwijl de ingaande lucht, ook wel toevoerlucht genoemd, wordt gesmoord. Bij de smoring van de ingaande lucht is er geen F p2 tijdens de uitgaande slag vermits de perslucht vrij kan ontsnappen. F p1 is afhankelijk van F mec. Indien F mec beperkt is tot de mechanische wrijving, gaat de cilinder uit bij het overwinnen van deze mechanische wrijving. Dan is de druk p 1 relatief laag. Indien F mec een hogere waarde heeft, door externe krachten, dan zal de druk p 1 stijgen tot de cilinder in beweging komt. Figuur 8. Bij een smoring is er een kwadratisch verband tussen het drukverschil Δ p (zijnde het drukverschil voor en na het snelheidsregelventiel) en het debiet Q. waarbij c afhankelijk is van het gebruikte type smoring. Figuur 9. De ingangsdruk - de druk vóór het snelheidsregelventiel - blijft meestal constant. Indien de belasting van een cilinder wijzigt, zal de uitgangsdruk - de druk na het snelheidsregelventiel, (=p 1 ) - mee veranderen zoals hierboven beschreven. Deze manier van regelen veroorzaakt bij minimale variaties van de belasting grote snelheidsveranderingen. Daarom wordt het smoren van de ingaande lucht zelden gebruikt: wanneer de belasting constant blijft wanneer de belasting weinig wijzigt bij enkelwerkende cilinders 5
Smoring van de uitgaande lucht Bij deze manier van regelen is het snelheidsregelventiel zo geplaatst, dat het terugslagventiel de perslucht die uit de cilinder komt, blokkeert (zie figuur). De perslucht die naar de cilinder toe stroomt, kan ongehinderd door het terugslagventiel gaan. De vrije toegang van de perslucht tot de cilinder zorgt voor een constante druk p 1, die vanzelfsprekend resulteert in een constante kracht F p1. Deze kracht veroorzaakt de uitgaande slag. Figuur 10. Tijdens deze beweging wordt de uitgaande lucht gesmoord. Hierdoor ontstaat er een drukopbouw die een kracht F p2 veroorzaakt. F p2 is afhankelijk van F mec. Indien F mec stijgt, zal de druk in p 2 dalen tot het evenwicht is hersteld. Zo wordt een toename van F mec gecompenseerd door een afname van F p2. Figuur 11. De snelheidsveranderingen, die het gevolg zijn van een uitwendige belastingsverandering op de cilinder, zijn dan ook minder groot bij het smoren van de uitgaande lucht dan bij het smoren van de ingaande lucht. Conclusie: Als een enigszins eenparige snelheid gewenst is, moet dus de regeling steeds gebeuren op de uitgaande lucht. 6
Plaatsing van het snelheidsregelventiel In de praktijk is snelheidsregeling op 5 verschillende plaatsen mogelijk: in de toevoerleiding van het ventiel op de ontluchting van het ventiel tussen de cilinder en het ventiel op de cilinder op het ventiel Snelheidsregeling in de toevoerleiding Smoorventielen - snelheidregelventielen zonder terugslagventiel - worden ingezet voor het regelen van het debiet. De werking vindt in beide richtingen plaats. Deze wordt voornamelijk bij enkelwerkende cilinders toegepast. Figuur 12. Snelheidsregeling op de ontluchting Smoringen op de uitgaande lucht worden in de ontluchtingspoorten 3 en/of 5 van het ventiel geschroefd en maken het regelen van de zuigersnelheid mogelijk door smoring van de afgevoerde lucht. De begrenzing van de ontluchting kan eenvoudig worden ingesteld met een smoorschroef. De uitstromende lucht ontsnapt via de geïntegreerde geluiddemper. Figuur 13. 7
Snelheidsregeling tussen cilinder en ventiel Voorbeeld van regeling door smoorschroef De snelheidsregelaar GR wordt voor de regeling van debieten ingezet. Afhankelijk van de aansluiting kunnen we hierbij zowel op de ontluchting als op de beluchting ingrijpen. Het geïntegreerde terugslagventiel blokkeert het debiet van de lucht in één richting. In de andere richting kan de lucht enkel door de nominale doorsnede, die door de smoorschroef wordt ingesteld, stromen. De pijl op de behuizing duidt aan in welke richting de regeling gebeurt. Figuur 14. Voorbeeld van mechanische regeling Mechanisch bediende snelheidsregelventielen worden toegepast waar de cilindersnelheid tijdens de slag moet veranderen. Bij dubbelwerkende cilinders dient dit ventiel bijvoorbeeld voor het afremmen van de zuiger in situaties waar de bewegingsenergie te groot is voor de ingebouwde luchtbuffering van de cilinder. Figuur 15. Het maximale debiet van dit ventiel wordt ingesteld met een stelbout. Een bijkomende smoring wordt verkregen door het indrukken van de rol. Dit bepaalt de doorstroming en dus de snelheid. In dit voorbeeld sluiten we dan vóór het einde van de slag de doorgang van het ventiel proportioneel af met behulp van een door de cilinder aangedreven nok. Bij het beluchten zorgt de ingebouwde terugslagklep voor een onbelemmerde doorlaat. Figuur 16: Mechanisch bediend snelheidsregelventiel: de bedieningsweg van de rol is evenredig met de doorlaat. 8
Snelheidsregeling op de cilinder In dit geval kan de montage van een inschroefsnelheidsregelventiel handig zijn. Door vrije toevoerlucht en gesmoorde afvoerlucht wordt de zuiger tussen de luchtkussens geklemd. In principe is dit een koppeling waarbij de bout is vervangen door een compleet snelheidsregelventiel, met inbegrip van de terugslagfunctie. Bij deze plaatsing zal men gebruik maken van snelheidsregelventielen, die het debiet van de lucht die uit de cilinder komt, regelen. In omgekeerde richting stroomt de lucht via het terugslagventiel en heeft volle doorlaat. Figuur 17: Pijl = gesmoorde richting. Figuur 18. Figuur 19. Snelheidsregeling op het ventiel Bij deze snelheidsregeling worden de snelheidsregelventielen gemonteerd op de uitgangspoorten 2 en 4. Hier zal men gebruik maken van snelheidsregelventielen waarbij de lucht die uit het ventiel komt, via het terugslagventiel gaat en dus volle doorlaat heeft. De debietregeling gebeurt in de andere stroomrichting. Door vrije toevoerlucht en gesmoorde afvoerlucht wordt de zuiger tussen de luchtkussens geklemd. Figuur 17. 9
Toepassing op enkelwerkende cilinders Snelheidsregeling op enkelwerkende cilinders is zeer moeilijk. Reden hiervoor is dat we steeds de veerspanning moeten overwinnen vooraleer de cilinder in beweging komt. Hierbij is de veerkracht veranderlijk van min naar max. Bij de ingaande snelheidregeling is het zelfs zo dat wij de druk moeten laten dalen tot onder de veerdruk vooraleer er beweging is. De snelheidsvariatie is des te groter bij veranderlijke belasting. Uitgaande slag enkelwerkende cilinder Snelheidsregelaar in de toevoerleiding van het ventiel (GRO) (Fig. 18). 1. Snelheidsregelaar gemonteerd op de cilinder (GRLZ) 2. Snelheidsregelaar gemonteerd tussen cilinder en ventiel (GR) 3. Snelheidsregelaar gemonteerd op de uitgang van het ventiel (GRLA) (Fig. 18) Figuur 19. Ingaande slag enkelwerkende cilinder Snelheidsregelaar op de ontluchtingspoort van het ventiel (GRE / GRU) 1. Snelheidsregelaar gemonteerd op de cilinder (GRLA) 2. Snelheidsregelaar gemonteerd tussen cilinder en ventiel (GR) 3. Snelheidsregelaar gemonteerd op de uitgang van het ventiel (GRLZ) (Fig. 20). Figuur 20. Figuur 18. 10
Toepassing op dubbelwerkende cilinders Uitgaande slag dubbelwerkende cilinder Snelheidsregelaar op de ontluchtingspoort van het ventiel (GRE / GRU) 1. Snelheidsregelaar gemonteerd op de cilinder (GRLA) 2. Snelheidsregelaar gemonteerd tussen cilinder en ventiel (GR) 3. Snelheidsregelaar gemonteerd op de uitgang van het ventiel (GRLZ) (Fig. 23) Figuur 22. Figuur 21. Ingaande slag dubbelwerkende cilinder Snelheidsregelaar op de ontluchtingspoort van het ventiel (GRE / GRU) 1. Snelheidsregelaar gemonteerd op de cilinder (GRLA) 2. Snelheidsregelaar gemonteerd tussen cilinder en ventiel (GR) Figuur 24. 3. Snelheidsregelaar gemonteerd op de uitgang van het ventiel (GRLZ) (Fig. 21) Figuur 23. 11
Wanneer welke regeling gebruiken? Hou er steeds rekening mee dat, wanneer de toepassing het toelaat, een snelheidsregelaar zo kort mogelijk bij de cilinder moet worden geplaatst. De reden hiervoor is dat het te smoren luchtvolume zo klein mogelijk moet blijven opdat variaties in de cilinderbelasting minder snelheidsveranderingen zouden teweegbrengen. Dit is een toepassing op de wet van Boyle - Mariotte. Hieruit kunnen wij besluiten dat wanneer de cilinder op een veilige en toegankelijke manier kan worden benaderd, we gebruik maken van de snelheidsregelaar die we rechtstreeks op de cilinder monteren. Indien de smoring om praktische redenen niet op de cilinder kan worden geplaatst, wordt één van de andere montagemogelijkheden toegepast. Snelheidsregeling op de ontluchtingspoort van het ventiel kan enkel worden toegepast op individuele ventielen (ventielen die niet in batterij zijn gemonteerd). Deze snelheidsregeling is de goedkoopste versie als ook de meest compacte, omdat snelheidsregelaar en geluiddemper een geheel vormen. Deze snelheidsregelaar wordt dus rechtstreeks in de ontluchtingspoorten van het ventiel gemonteerd. Bij het gebruik van dit type snelheidsregelaar op 4/2-ventielen stelt zich het volgende probleem: de gemeenschappelijke ontluchting zorgt ervoor dat de in - en uitgaande snelheid van de cilinder niet apart te regelen zijn en soms verschillend zijn. Snelheidsregelingen, gemonteerd tussen de cilinder en het ventiel, vereisen meestal bijkomende montagestukken. Deze combinaties zijn minder compact en dus moeilijker in te zetten. Ten slotte kan de snelheidsregelaar rechtstreeks op de uitgangen 2 en 4 van elk ventiel worden gemonteerd. 12
Het snelontluchtventiel Tabel 1. Dit ventiel wordt ook wel "snelontluchter" genoemd. Het vindt toepassing in het versnellen van cilinderbewegingen. In het bijzonder zorgen ze voor het verkorten van de teruglooptijd van cilinders, dus net omgekeerd aan de functie van snelheidsregelventielen. Toevoer naar de cilinder of uitgang 2 (Fig. 26) Aan poort 1 toegevoerde perslucht duwt de manchet op het afdichtvlak van het ontluchtkanaal 3. De perslucht drukt vervolgens de afdichtlip van de manchet van de wand en gaat naar de cilinderaansluitpoort 2. De afdichting houdt poort 3 afgesloten zo lang er druk staat op poort 1. Afvoer naar ontluchting 3 Ontluchten we de leiding van poort 1, dan drukt de cilinderlucht de manchet onmiddellijk in de getekende stand terug. Poort 1 is dan afgesloten en poort 3 geopend. De cilinderlucht kan nu via 2 naar 3 ongehinderd naar buiten stromen. 13
Ontluchtpoort 3 heeft een doorlaat met grote diameter. De remmende invloed van slang en stuurventiel op het ontluchten wordt zo vermeden. Hierdoor kan de zuigersnelheid het dubbele tot het drievoudige worden van de snelheid bij "gewone" ontluchting. Figuur 25 Het is aan te raden het snelontluchtventiel direct in de cilinderpoort te monteren. Figuur 26 14
Toepassingen Hier vind je een paar voorbeelden van reële toepassingen waarbij de componenten en de technieken uit dit dossier gebruikt worden. Toepassingen voor snelheidsregelventielen In een testeenheid voor GSMtoestellen zorgen miniatuursnelheidsregelventielen ervoor dat de snelheden van de testcilinders kunnen worden geregeld vanuit de stuurkast. Indien dit geen praktische problemen schept regelt men de snelheden van de cilinders rechtstreeks op de ontluchtingen van de cilinders zoals dit het geval is bij deze pneumatische handlingeenheden. Hierbij wordt de volledige pneumatische aansluiting in een bodemplaat gefreesd waarop de pneumatische componenten worden gemonteerd. De ideale oplossing voor een geoptimaliseerde regeling van de snelheden bij cilinders is deze waarbij de snelheidsregelventielen gemonteerd staan op de cilinder en de afstand vermogenventiel - snelheidsregelventiel zo kort mogelijk wordt gehouden. Bij serieproductie van machines wordt soms de integratietechniek toegepast. 15 Hierdoor krijgen we zeer compacte stuureenheden. Hier ziet men zo een voorbeeld van integratietechniek waarbij de filtereenheid, ventielen, drukwachter, manometer en snelheidsregelventielen op één basisplaat gemonteerd zijn. De onderlinge verbinding van al deze elementen vindt plaats in de zwarte bodemplaat zichtbaar op de foto.
Toepassing voor snelontluchtingsventiel In een productie-eenheid van hoekige profielen voor warmteisolatie is een laadportaal met een pneumatische Z-as voorzien. Deze as is voorzien van een snelontluchtingsventiel dat ervoor zorgt dat de pneumatische verticale as zich met verhoogde opwaartse snelheid beweegt. Toepassing voor pneumatische impulsuitwerper In de industrie wordt perslucht al lang veelvuldig gebruikt voor het uitblazen van werkstukken uit een machine. Dat vereist vaak een kortstondig groot debiet tegen hoge druk met als resultaat een groot luchtverbruik. De impulsuitwerper voorkomt dit hoge luchtverbruik. Hij is opgebouwd uit een snelontluchtingsventiel en een luchtreservoir. Het volume van dit reservoir is aangepast aan de hoeveelheid lucht die voor het uitwerpen nodig is. De pneumatische impulsuitwerper wordt via poort 1 door het normaal geopend 3/2-stuurventiel van perslucht voorzien en vult het reservoir via poort 2 met een gekalibreerde hoeveelheid perslucht. Tijdens de bediening van het normaal open 3/2-ventiel ontlucht de snelontluchter en wordt het luchtreservoir snel over poort 3 geledigd. De met grote kracht en snelheid ontsnappende lucht leiden we via een flexibele slang naar het uitwerppunt. De straal is in staat werkstukken van transportbanden, sorteer- of verpakkingsinrichtingen te blazen. De impuls voor de bediening van het 3/2-ventiel kan zowel mechanisch als pneumatisch, elektrisch of met de hand worden gegeven. De pneumatische impulswerper wordt in de toepassing gebruikt om slechte houten verbindingspennen te verwijderen van de transportband. Om de slechte werkstukken te onderscheiden van de goede wordt een Checkbox van Festo gebruikt. De Checkbox is een systeem dat een optische typeidentificatie toelaat bij moderne installaties. Bij detectie van een slecht werkstuk wordt het 3/2 ventiel van de pneumatische impulswerper geactiveerd waardoor het werkstuk van de transportband wordt weggeblazen. Foutieve of slechte deeltjes worden zo van de automatische montage afgeblazen waardoor machinestilstanden in de verdere productie worden vermeden. 16