Sterowanie sekwencją mocowania detali.

Automatyzacja procesów mocowania detali w obróbce ma za zadanie zwiększyć wydajność produkcji, skrócić czasy przezbrojenia, redukując przestoje, jak również poprawić powtarzalność wyrobu i sprostać wymogom jakościowym. Precyzyjne, często cienkościenne i przestrzenne detale wymagają szczególnego podejścia już na etapie projektowania detalu. Miejsca mocowania jak i miejsca bazowe są często narzucane; przyrząd obróbkowy powinien uwzględniać te punkty i zapewnić stabilne oraz powtarzalne mocowanie detali. Aby kształt detalu był zachowany i nie został zaburzony w wielu wypadkach istotna jest kolejność zamocowania.

Projektowanie przyrządu obróbkowego jest procesem złożonym. Uwzględnić należy bowiem wiele czynników, jak wymiary i tolerancje detalu, jego masę, możliwości maszyny, wymiary stołu, sposób zasilania itd. Zamocowanie i oparcie detalu w przyrządzie obróbkowym powinno m.in.:

  • uwzględniać narzucone bazy oraz miejsca mocowania,
  • generować siły, które pozwolą na przeniesienie obciążeń występujących w trakcie obróbki,
  • umożliwić dostęp do miejsc obrabianych,
  • niwelować drgania występujące w trakcie obróbki,
  • zapewnić prędkości zamocowania/odmocowania na takim poziomie, aby spełnić wymogi czasowe.

Oprócz powyższych niezwykle istotną kwestię stanowi sekwencja mocowania. Jest to jeden z tych czynników, który może całkowicie zaburzyć pracę przyrządu i wpłynąć na efekt końcowy obróbki.

Ogólną ideą sterowania sekwencją jest wymuszenie kolejności zamocowania (lub odmocowania) poszczególnych sekcji lub komponentów mocujących. Ma to na celu wymuszenie odpowiedniej pozycji/ułożenia detalu, jego wstępne usztywnienie lub dociśnięcie. Zrealizować to można stosując kilka obiegów zasilających i odpowiednio programując zasterowanie kolejnymi rozdzielaczami lub – w sposób znacznie prostszy i tańszy – stosując zawory sekwencyjne. W przypadku stosowania kilku obiegów mocujących komplikuje się układ hydrauliczny – z zasilacza do przyrządu musi być dostarczonych więcej obiegów ciśnieniowych, co wpływa na ilość złączy hydraulicznych, wymiary przyłącza. Komplikuje się również sterowanie, które musi uwzględniać inicjację większej liczby rozdzielaczy w odpowiednim czasie. Drugą opcją jest zastosowanie zaworów sekwencyjnych. Zawory sekwencyjne są elementami sterującymi, w których powrót oleju jest swobodny, zaś przepływ w kierunku wykonawczym uzależniony jest od przekroczenia warunku: progu ciśnienia lub progu czasowego. Przepływ oleju jest możliwy zatem po przekroczeniu ustawionej wartości ciśnienia lub po upływie określonego czasu. Rys. 1 przedstawia zawory sekwencyjne ciśnieniowy oraz czasowy.

Rys. 1. Zawory sekwencyjne. Od lewej: ciśnieniowy, czasowy. [Fot. ROEMHELD]

Istotne jest to, ze oba typy zaworów nie wymagają osobnego zasterowania oraz zasilania. Są to elementy mechaniczno-hydrauliczne, których czas reakcji i sposób funkcjonowania jest wystarczający w większości przypadków. Na rys. 2 przedstawiono najprostszy przykład sterowania sekwencją zamocowania z wykorzystaniem ciśnieniowego zaworu sekwencyjnego. Z założenia detal ma być dociśnięty siłownikami 1, 2 i 3 do baz a, b i c, przy czym w pierwszej kolejności ma być dosunięty do bazy a, za pomocą siłownika 1; następnie do baz b i c za pomocą siłowników 2 i 3.

Rys. 2. Przykład sterowania sekwencją zamocowania [Fot. ROEMHELD]
Ponieważ w układzie zastosowany został ciśnieniowy zawór sekwencyjny, którego próg zadziałania ustawiono na 30 barów, olej hydrauliczny, w pierwszej kolejności, płynie do siłownika 1. Następuje wówczas dosuwanie detalu do bazy a, i w momencie napotkania oporu, narośnięcie ciśnienia. W momencie przekroczenia progu 30 barów następuje otwarcie zaworu sekwencyjnego i olej dostarczany zostaje do odbiorników 2 i 3, dosuwając detal do baz b i c. Po osiągnięciu właściwej pozycji detalu w całym układzie i we wszystkich odbiornikach następuje narośnięcie i wyrównanie ciśnienia wynikające z możliwości źródła zasilania. Detal jest w pełni zamocowany.

Zawory sekwencyjne dostępne są dla różnych progów zadziałania i pokrywają ciśnienia z przedziału ok. 7…450 bar lub czasy otwarcia regulowane w zakresach ok. 1…45 sekund (w zależności od ciśnienia zasilania). Dzięki szerokiemu spektrum zadziałania możliwe jest zastosowanie kilku zaworów jednocześnie, sterując sekwencją włączenia wielu sekcji/odbiorników. Zawory mogą być montowane równolegle (rys. 3), szeregowo (rys. 4) lub w sposób mieszany (rys. 5), co umożliwia wpływ na sekwencję, moment przełączenia, zagęszczenie zakresów lub skrócenie czasu cyklu włączeń/przełączeń. W układzie równoległym ciśnienie przełączania może być jednakowe dla wszystkich zaworów sekwencyjnych. W przypadku połączenia szeregowego ciśnienie przełączające kolejnego zaworu sekwencyjnego musi być wyższe od poprzedniego.

Rys. 3. Przykład zaworów sekwencyjnych połączonych równolegle. [Fot. ROEMHELD]
Rys. 4. Przykład zaworów sekwencyjnych połączonych szeregowo. [Fot. ROEMHELD/Autor]
Rys. 5. Przykład zaworów sekwencyjnych połączonych w sposób mieszany. [Fot. ROEMHELD/Autor]

Na rysunku 6 przedstawiono rozbudowany układ hydrauliczny wykorzystujący m.in. 5 zaworów sekwencyjnych połączonych szeregowo, których zadaniem jest etapowe mocowanie detali jak również, w ostatniej fazie mocowania, skierowanie medium roboczego do bloku sterującego, który odmocuje jeden z docisków zwalniając przestrzeń do obróbki.

Rys. 6. Przykładowy schemat hydrauliczny układu z 5-cioma zaworami sekwencyjnymi zabudowanymi szeregowo.

Przedstawione na rys. 6 źródło zasilania posiada jeden obieg dwustronnego działania; przyrząd funkcjonuje w trybie rozłącznym. W takim przypadku, po wymianie detalu, następuje odłączenie źródła zasilania i dostarczenie przyrządu z zamocowanym detalem do przestrzeni obróbczej maszyny; jednocześnie drugi przyrząd z obrobionym detalem przenoszony jest z przestrzeni obróbczej maszyny na stanowisko przezbrojenia. Tam następuje podpięcie zasilacza i wymiana detalu.

W przedstawionym powyżej układzie hydraulicznym, mimo tylko jednej linii zasilającej możliwe jest zamocowanie detalu w  6 krokach:

  1. wstępne dociśnięcie do baz stałych,
  2. centrowanie #1,
  3. centrowanie #2,
  4. dojazd siłowników podporowych,
  5. właściwe zamocowanie z odpowiednią siłą,
  6. wycofanie docisku wstępnego (odsłonięcie powierzchni do obróbki)

Poszczególne kroki następują po sobie samoistnie, bez ingerencji operatora. Całość zamocowania trwa kilkanaście sekund, a czas, w dużej mierze, zależy od wydajności źródła zasilania. W przyrządzie ustawione zostały progi ciśnień co ok. 20…35 barów, co jest w pełni wystarczające i zapewni właściwą realizację sekwencji mocowania.

Rys. 7 Przykład przyrządu obróbkowego z zaznaczonymi ciśnieniowymi zaworami sekwencyjnymi. [ROEMHELD/fot. Autor]

Dzięki niewielkim rozmiarom zaworów sekwencyjnych, braku konieczności podłączenia zewnętrznych sygnałów sterujących (elektrycznych, pneumatycznych), możliwości zasilania kanałowego lub rurami oraz niskiej cenie, elementy te są proste w stosowaniu, uniwersalne i dają duże możliwości rozsterowania medium roboczego na poszczególne sekcje mocujące w obrębie przyrządu obróbkowego. Pewną niedogodnością, która nie zawsze pozwala na zastosowanie zaworów sekwencyjnych w układzie, jest możliwe wydłużenie czasu wykonania sekwencji mocowania. Widoczne jest to szczególnie w układach szeregowych, w których wykonanie kolejnego kroku uzależnione jest od realizacji poprzedniego; powoduje to wydłużenie czasu mocowania o kilka-, kilkanaście sekund. Należy też mieć na uwadze sposób działania elementów – parametry przełączania zależne są od lepkości kinematycznej cieczy roboczej, a tym samym istnieje pewna korelacja miedzy czasem przełączania, a zmianą temperatury medium. W normalnych warunkach obróbczych różnice są pomijalne, a ustawienie progów co 20…40 barów lub 2…5 s jest w pełni wystarczające do poprawnej pracy zaworów sekwencyjnych

Autor: dr inż. Maciej Boldys