Sarja 10
Kon-41.3023
HYDRAULIIKKA
JA
PNEUMATIIKKA
Sähköhydrauliikka
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Päivän teemat
Onko hydrauliikasta muuhunkin kuin silkkaan
voimantuottoon?
Miten järkeä hydrauliikkaan?
Mitä sitten saadaan aikaan ja millaisin
ominaisuuksin?
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Kokoonpanolinja
agi-automation-blogspot.com
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Paperikone
www.alibaba.com
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Vetolujuuden mittauslaite
www.talurit.de
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Henkilöauto
www.beaudaniels.com
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Tukkirekka
news.cision.com
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Kaivinkone
www.newswire.ca
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Hinaaja/Pelastusalus
www.ral.ca
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Lentokone
www.defenseindustrydaily.com
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Sovellusesimerkki: Simulointitaso
www.emg-pr.com
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimintojen toteuttaminen
Edelläesitetyissä esimerkkisovelluksissa hydrauliikalla
tuotetaan erilaisia toimintoja (liike, voima/momentti),
jotka toteutetaan hydraulisilla toimilaitteilla eli sylintereillä, hydraulimoottoreilla tai vääntömoottoreilla
Sovelluksissa eri toimintojen tarkkuudelle asetetaan
erilaisia vaatimuksia ja vaatimustason mukaan toiminnot voidaan toteuttaa joko ohjaustoimintoina (alhaisempi tarkkuusvaatimus) tai säätötoimintona (suurempi tarkkuusvaatimus).
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Ohjaus- ja säätöjärjestelmät
Käskyelin
Vahvistin
Asetuslaite
Sähköteho
Hydrauliteho
Säätäjä
Asetuslaite
Toimilaite ja kuorma
Ohjaus,
ei takaisinkytkentää
Käskyelin
Eroelin
Säätö,
takaisinkytkentä
n
U
Sähköteho
Ohjaus ja säätö
Toimilaite ja kuorma
Oloarvon
mittaus
Hydrauliteho
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden ohjaus ja säätö
Toimilaitteiden liikesuuntaa ja -nopeutta ohjataan/säädetään
ohjaamalla/säätämällä tilavuusvirran suuntaa ja suuruutta.
Toimilaitteiden voimaa/momenttia ohjataan/säädetään ohjaamalla/säätämällä toimilaitteen tulo- ja lähtöliitäntöjen välistä
paine-eroa.
qV1
F
ps
pu
A2
p3
A1
ps
qV2
A3
p1
F
pu
v
A1
Ohjaus ja säätö
A3
A2
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Paineen ohjaus/säätö
Paineen ohjaus/säätö tapahtuu ohjaamalla/säätämällä tiettyyn
tilavuuteen tulevaa ja siitä poistuvaa virtausta.
x
qV1
p1
Vc
qV2
pc
V0
p2
Esimerkiksi jos tilavuuteen tuleva tilavuusvirta on suurempi
kuin poistuva (myös mahdollinen tilavuusmuutos on otettava
huomioon), niin tällöin tilavuuteen kertyvä nestemassa kasvaa,
mikä puolestaan johtaa paineen kasvuun.
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Paineen ohjaus/säätö
Paineen ohjaus/säätö on siis pohjimmiltaan
tilavuusvirran ohjausta/säätöä.
x
qV1
Ohjaus ja säätö
qV2
pc
V0
p1
Tilavuuteen
generoituva
paine
Vc
p
Ke
V0,c
p2
qV
Vc
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Tilavuusvirran ohjaus/säätö
Tilavuusvirtoja ohjataan/säädetään joko venttiileillä
tai säätyvätuottoisilla pumpuilla
venttiiliohjatut järjestelmät
pumppuohjatut järjestelmät
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Venttiiliohjaus/-säätö
Järjestelmän syöttöteho (qV· p) on suurempi kuin toimilaitteilta
vaadittava lähtöteho, jota ohjataan/säädetään venttiileiden painehäviöiden avulla
johtaa tyypillisesti alhaiseen järjestelmän hyötysuhteeseen
p1 - p2 = p
qV2
Kuristus
qV1
qV
qV
p1
p2
qV
qV
qV3
p
p
2
p
Ohjaus ja säätö
2
qV
Cq A
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Pumppuohjaus/-säätö
Järjestelmän syöttöteho (qV· p) sovitetaan toimilaitteilta vaadittavaan tehoon. Tämä tehdään ohjaamalla/säätämällä pumpun tuottoa joko muuttamalla sen kierrostilavuutta tai pyörimisnopeutta.
tuloksena korkeampi järjestelmän hyötysuhde
Bosch Rexroth
Kierrostilavuussäätö
Ohjaus ja säätö
Pyörimisnopeussäätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitesäätö eli sekundäärisäätö
Käänteisesti ajateltuna: toimilaitteiden syrjäytystilavuuden muutos muuttaa toimilaitteiden tilavuusvirta- qV ja painetarvetta p
kulloisessakin kuormitustilanteessa (= toimilaitteelta vaadittu
nopeus sekä voima/momentti).
Hydraulimoottorin kierrostilavuuden muutos mahdollistaa moottorin ominaisuuksien paremman sovittamisen kuorman ja/tai järjestelmän pumpun ominaisuuksiin.
tuloksena korkeampi järjestelmän hyötysuhde
qV,real
n Vk
v
preal
2
Vk
T
hm
(Syrjäytystilavuuden muutos on mahdollinen myös eräissä
sylintereissä, tosin vain portaallisesti, 2 3 porrasta)
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Venttiiliohjaus/-säätö
Pyörivä liike
moottori
Lineaariliike
sylinteri
v,F
qV ,p
qV ,p
n,T
qV,p
qV ,p
Ohjaus
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Säätöventtiilit
Periaatteessa toimilaitteiden jatkuva ohjaus venttiiliohjauksena toteutettuna edellyttää sähköisesti (jatkuvasti) ohjattujen venttiileiden käyttöä.
Tällaiset venttiilit mahdollistavat monipuolisten sähköisten
ohjausten liittämisen hydrauliikkaan, jolloin tuloksena on
ohjatun suureen suuri tarkkuus, toistettavuus, jne.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Säätöventtiilit
Venttiileiden ohjaus voi olla toteutettu
- analogisella käskyarvosignaalilla
- ohjauselektroniikalla voidaan tyypillisesti vaikuttaa
käskyarvon suuruuteen, venttiilin karan nollapisteeseen
ja käskyarvomuutoksen nopeuteen (ns. rampit)
- digitaalisella käskyarvosignaalilla
- ohjauselektroniikalla voidaan vaikuttaa venttiilin
toimintaan hyvin monipuolisesti
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Säätöventtiilit
Jatkuvasti ohjattujen venttiilien käyttö yksinkertaistaa hydraulijärjstelmää verrattuna yksinkertaisemmilla venttiileillä
toteutettuihin järjestelmiin, mutta monimutkaistaa ohjausta.
Esimerkki: sylinteri, jolle halutaan useita nopeuksia
Järjestelmässä kaksi
sähköisesti ohjattua
on/off-tyyppistä
suuntaventtiiliä ja neljä
virransäätöventtiiliä
neljä valinnaista
sylinterinopeutta.
Venttiiliohjaus
Järjestelmässä
säätöventtiili
käytännössä
rajaton määrä
sylinterinopeuksia.
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Säätöventtiilit
Ohjaus-/säätöjärjestelmissä käytettyjä venttiileitä:
1) Askelmaisesti ohjatut venttiilit
- kaksiasentoiset on/off-venttiilit (bistabiileja)
2) Jatkuvasti ohjatut venttiilit
- proportionaaliventtiilit (lineaarimagneetti,
takaisinkytkentä joko on tai sitä ei ole)
- regelventtiilit (lineaarimagneetti, takaisinkytkentä)
- high-response-venttiilit (lineaarimagneetti, takaisinkytkentä)
- servoventtiilit (vääntömoottori tai lineaarimagneetti,
takaisinkytkentä)
Takaisinkytkennällä varustetussa venttiilissä on
rakenteeseen integroitu anturi (tavallisesti karan asema-anturi).
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Välihuomautus alkaa
Proportionaaliventtiilin sukupolvet
Ensimmäisen sukupolven proportionaaliventtiileissä ei ollut
asema-antureita eikä siis myöskään karan asematakaisinkytkentää ja venttiilit olivat tarkoitettuja ohjausjärjestelmiin.
Myöhemmin eri valmistajat kehittivät tuotteitaan varustamalla ne asema-antureilla ja tekemällä venttiileistä muutenkin säätöjärjestelmiin soveltuvia.
Näille venttiileille kukin valmistaja antoi sitten omia nimiään, jolloin markkinoille tulivat regelventtiilit, high-responseventtiilit, jne. Nimien tarkoituksena oli erottaa nämä komponentit “perinteisistä” proportionaaliventtiileistä.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Välihuomautus jatkuu
Proportionaaliventtiili - Servoventtiili
Aiemmin nämä venttiilit erotettiin toisistaan niissä käytetyn
sähkömekaanisen muuntimen rakenteen perusteella.
N
N
S
N
S
S
Bosch Rexroth AG
Lineaarimagneetti
Lineaarimoottori
Vääntömoottori
Nykyään tämä erottelu ei ole perusteltua, sillä valmistajat
markkinoivat tuotteitaan kummallakin nimellä riippumatta
siitä, millainen sähkömekaaninen muunnin niissä on.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Välihuomautus jatkuu
Proportionaaliventtiili - Servoventtiili
Nykyään voisi olla sopivampaa puhua proportionaaliventtiilistä silloin, kun on kyse ohjausjärjestelmään tarkoitetusta
venttiilistä, ja servoventtiilistä silloin, kun on kyse säätöjärjestelmään tarkoitetusta venttiilistä (siis “paluu alkuun”).
Käskyelin
Käskyelin
Eroelin
Vahvistin
Asetuslaite
Sähköteho
Hydrauliteho
Säätäjä
Asetuslaite
Toimilaite ja kuorma
Toimilaite ja kuorma
n
U
Sähköteho
Venttiiliohjaus
Oloarvon
mittaus
Hydrauliteho
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Välihuomautus päättyy
Proportionaaliventtiili - Servoventtiili
Vääntömoottoreihin perustuvilla säätöventtiileillä on perinteisesti ollut paremmat dynaamiset ominaisuudet kuin
lineaarimagneetteihin perustuvilla säätöventtiileillä, mutta
jälkimmäisten kehitys on kaventanut eroa.
8
-240
0
-200
-3 dB
4
-160
8
-120
-90°
12
-80
16
-40
20
Phase difference
Esimerkkejä eri rakennevaihtoehtojen
tyypillisistä rajataajuuksista:
- proportionaalimagneetti
70 Hz
- servoproportionaalimagneetti 120 Hz
- voice-coil-magneetti
220 Hz
- vääntömoottori
300 Hz
[°]
100 %
5%
4
Amplitude ratio
Venttiileiden dynaamiset ominaisuudet
riippuvat suuresti niiden sähkömekaanisen muuntimen ominaisuuksista, takaisinkytkennästä sekä venttiilin koosta.
-280
[dB]
0
1
5
10
50
100
Frequency [Hz]
Esimerkkikuvaaka; ei esitä minkään tietyn
venttiilin ominaisuuksia.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Askelmaisesti ohjatut säätöventtiilit
Kun ohjaus-/säätöjärjestelmissä käytetään askelmaisesti ohjattuja on/off-venttiileitä, ne ovat tavallisesti joko
- yksittäisiä ja pulssinleveysohjattuja
- kytkentätaajuus asennosta toiseen suuri ja asennonvaihto
“jatkuva”
- osa digitaalihydraulista venttiilipakettia
- kytkentätaajuus asennosta toiseen on suhteellisen hidas
ja asennonvaihto tehdään vain “tarvittaessa”
Kummassakin tapauksessa venttiilit ovat tyypiltään 2/2-suuntaventtiileitä, joissa toinen kytkentäasento on avoin ja toinen
suljettu.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Pulssinleveysohjaus
Askelmaisesti ohjatut säätöventtiilit
Pulssinleveysohjaus-periaatteella toteutetussa säädössä yksittäistä on/off-suuntaventtiiliä ohjataan siten, että säätötilanteessa se vaihtaa kaksiasentoista tilaansa (auki/kiinni)
jatkuvasti. Tilojen välinen kytkentäaikasuhde määrää venttiilin lähtösignaalin (eli tilavuusvirran) arvon.
Ohjaussignaali
On
Off
p1
Venttiiliohjaus
p2
qV
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Digitaaliventtiilit
Askelmaisesti ohjatut säätöventtiilit
Digitaaliohjaus-periaatteella toteutetussa säädössä yksittäistä on/off-suuntaventtiiliä ohjataan vaihtamaan tilaansa
(auki/kiinni) tarvittaessa, mutta tilanmuutoksen ei tarvitse
tapahtua suurella taajuudella.
Tämä johtuu siitä, että digitaalihydrauliikan tekniikka
perustuu lukuisiin rinnan kytkettyihin venttiileihin, jotka
muodostavat venttiiliryhmän (Digital Flow Control Unit =
DFCU), jonka lähtösignaali saadaan kaikkien venttiileiden
auki/kiinni-tilojen yhteisvaikutuksena. Tällöin tarve yksittäisen venttiilin jatkuvaan tilanvaihtoon on vähäisempi
kuin pulssinleveysohjauksessa.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Digitaaliventtiilit
Askelmaisesti ohjatut säätöventtiilit
Rinnakkain kytketyillä ja itsenäisesti ohjattavilla on/off-venttiileillä saadaan tuotettua portaallisia tilavuusvirtamuutoksia,
mikä puolestaan mahdollistaa paineen
portaallisen muuttamisen.
qV
1
qVmax
Step
N= 4
p2
0
0
qV
1
1
qVmax
Step
p1
qV
Tavoite on
- vähentää komponenttikustannuksia
- kasvattaa luotettavuutta
- parantaa säädön tarkkuutta
DFCUssa olevien venttiileiden määrä voi
olla muutamia tai jopa satoja.
Venttiiliohjaus
N= 6
0
0
1
N state
N state,max
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Digitaaliventtiilit
Askelmaisesti ohjatut säätöventtiilit
DFCUssa käytetyt venttiilit ovat tavallisesti istukkatyyppisiä
(eli siis vuodottomia), sillä niiden käyttö mahdollistaa
tarkemman ja taloudellisemman tilavuusvirta- ja painesäädön
kuin luistityyppiset venttiilit.
Venttiilit voivat olla kooltaan identtisiä tai vaihtoehtoisesti
erikokoisia, jolloin koot ovat tarkoitukseen sopivalla tavalla
porrastettuja.
DFCUn ohjausstrategia sovitetaan tarpeeseen ja koska se on
ohjelmoitavissa, toimilaitteen ohjauksessa käytettävää strategiaa voidaan muuttaa tarvittaessa “lennossa”. Tällöin on mahdollista esimerkiksi muuttaa käytettävissä olevien kytkentäasentojen määrää mielivaltaisesti.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Digitaaliventtiilit
Askelmaisesti ohjatut säätöventtiilit
Kaksitoimisen sylinterin ohjaus digitaalihydrauliikalla
A
B
DFCU 1
DFCU 2
DFCU 3
DFCU 4
A T
P A
P B
B T
T
T
P
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Kun ohjaus-/säätöjärjestelmissä käytetään jatkuvasti ohjattuja
venttiileitä, ne ovat (lähes poikkeuksetta) joko
- lineaarimagneetti (lineaarimoottori) -ohjattuja
- vääntömoottoriohjattuja
- (myös muut ohjaukset, kuten esim. askelmoottoriohjaus
ovat mahdollisia, mutta harvinaisia)
Edellämainittujen sähkömekaanisten muuntimien lähtösignaali (lineaariliike tai kiertymä) on suhteessa muuntimelle annettuun käskyarvoon. Tämän seurauksena myös venttiilin kara
“siirtyy” suhteessa tähän käskyarvoon ja lopulta myös venttiilin lähtösignaali muuttuu suhteessa annettuun käskyarvoon.
(portaaton käskymuutos tuottaa portaattoman lähtömuutoksen)
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Ohjattava suure voi olla tilavuusvirta tai paine, ja tämän
mukaisesti on olemassa tilavuusvirran suunnan ja suuruuden
ohjaukseen tarkoitettuja venttiileitä, tilavuusvirran suuruuden
ohjaukseen tarkoitettuja venttiileitä ja paineen ohjaukseen
tarkoitettuja venttiileitä.
Virransäätöventtiili
a
qVmax
[%]
Käskyarvon ja
lähtösignaalin
välinen yhteys ei
välttämättä ole
lineaarinen…
b
100
pmax
[%]
80
60
100
80
60
p = 8 bar
40
40
20
20
0
0
0
20
40
60
80
100
U max [%]
Venttiiliohjaus
Paineensäätöventtiili
0
20
40
60
80
100
U max [%]
…mutta
lähtösignaali
periaatteessa
muuttuu
käskyarvon
muutoksen
mukaan.
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Proportionaalinen
suuntaventtiili, ei karan
asematakaisinkytkentää
Argo-Hytos
Proportionaalinen suuntaventtiili,
karan asematakaisinkytkentä
(regel valve / high-response
venttiili)
Bosch Rexroth
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Venttiileihin integroidut anturit ja takaisinkytkennät kuuluvat
venttiilikohtaisiin säätöjärjestelmiin, jotka valvovat ja ylläpitävät esimerkiksi venttiilille käskyarvona annettua karan
asemaa tai haluttua venttiilin lähtösignaalin (p, qV) arvoa.
Täten sähköisesti (jatkuvasti) ohjatut venttiilit mahdollistavat tilavuusvirran suunnan, tilavuusvirran suuruuden (qV) ja
järjestelmän paineen (p) jatkuvan ohjauksen, ja joissakin
tapauksissa yksittäinen venttiili voi ohjata näitä suureita
samanaikaisesti.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Hydraulisten suureiden jatkuva ohjaus puolestaan mahdollistaa hydraulisten toimilaitteiden lähtösignaalien (lähtösuureiden, sylinterissä v, F, ja moottorissa n, T) jatkuvan ohjauksen.
Käskyelin
Käskyelin
Eroelin
Vahvistin
Asetuslaite
Sähköteho
Hydrauliteho
Säätäjä
Asetuslaite
Toimilaite ja kuorma
Toimilaite ja kuorma
n
U
Sähköteho
Venttiiliohjaus
Oloarvon
mittaus
Hydrauliteho
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Muutamia esimerkkiventtiileitä
Suuntaservoventtiili
Moog
Bosch Rexroth AG
“Perinteistä”
teknologiaa
edustavia
venttiilejä.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Muutamia esimerkkiventtiileitä
High-responseventtiili
Bosch Rexroth
Lineaarimagneettiin
perustuva
servoventtiili
Moog
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Muutamia esimerkkiventtiileitä
Virransäätöventtiilin
esiohjausventtiilinä
Voice-coiltekniikkaa
edustava
venttiili.
Parker
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Ohjauselektroniikka
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Venttiilin ohjauselektroniikka on sijoitettu joko venttiilistä
erilleen (ohjain-/vahvistinkortti) tai integroitu venttiiliin.
Vahvistin (muuntaa ja) vahvistaa venttiilille annetun pienitehoisen käskyarvosignaalin venttiilin sähkömekaaniselle
muuntimelle sopivaksi virtasignaaliksi: proportionaalimagneeteilla suureksi, vääntömoottoreilla pieneksi.
Ohjauselektroniikalle annettava käskyarvo voi olla
- jännitesignaali (tyypillisesti -10 +10 V)
- virtasignaali (tyypillisesti 0 20 mA tai 4 20 mA)
- digitaalisignaali (useita väyliä ja teollinen internet)
Digitaaliohjaus mahdollistaa venttiilin ominaisuuksien
monipuolisen muokkaamisen.
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Ohjauselektroniikka
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Bosch Rexroth
Esimerkki
jännitesignaalilla
ohjattavasta
venttiilistä
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Ohjauselektroniikka
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Esimerkki
väyläohjatusta
venttiilistä
Bosch Rexroth
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Ohjauselektroniikka
Jatkuvasti ohjatut säätöventtiilit
Sähköiset ja
elektroniset
ohjaukset
mahdollistavat
hydrauliikan
helpon
liitettävyyden ja
käytettävyyden
mekatronisissa
laitteissa.
www.ageatia.com
Venttiiliohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Pumppuohjaus/-säätö
Lineaariliike
sylinteri
qV ,p
v,F
qV ,p
n,T
qV,p
Pyörivä liike
moottori
qV ,p
Ohjaus
Pumppuohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Säätöpumput
Periaatteessa toimilaitteiden jatkuva ohjaus pumppuohjauksena toteutettuna edellyttää sähköisesti (jatkuvasti) ohjattujen venttiileiden tai käyttömoottoreiden käyttöä.
Nämä järjestelyt mahdollistavat monipuolisten sähköisten
ohjausten liittämisen hydrauliikkaan, jolloin tuloksena on
ohjatun suureen suuri tarkkuus, toistettavuus, jne.
Pumppuohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Säätöpumput
Pumpun tuoton ohjaus voi olla toteutettu
- kierrostilavuuden ohjauksella
- kierrostilavuus asetetaan asetussylinterin ja sitä ohjaavan
säätöventtiilin avulla (säätöventtiiliä puolestaan
ohjataan kuten edellä on esitetty)
- pumpun pyörimisnopeuden ohjauksella
- useita toteutusmahdollisuuksia eri moottorityyppejä
käyttäen
q V,real
Pumppuohjaus
n Vk
v
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Säätötilavuuspumput
Kierrostilavuuden asetus voi olla joko portaatonta tai portaallista.
Bosch Rexroth
Portaattomasti
säätyvä
kierrostilavuus
- ohjaus venttiileillä
Pumppuohjaus
Portaallisesti
säätyvä kierrostilavuus
(digitaalipumppu)
- ohjaus venttiileillä
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Säätötilavuuspumput
Kierrostilavuuden asetus säätöventtilillä.
Asetuksen takaisinkytkentä
Pumppuohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Pyörimisnopeusohjatut pumput
Pumppuna on tavallisesti vakiotilavuuspumppu,
Asetuksen takaisinkytkentä
Bosch Rexroth
mutta myös
säätötilavuuspumpun
käyttö on
mahdollista.
Servomoottori
Kaksoispumppu
Pumppuohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Pumppuohjaus/-säätö
Pumppuohjauksessa/säädössä yleisesti käytettyjä säätöstrategioita eli säädön kohteita
- tilavuusvirran ohjaus
- paineen ohjaus
- tehon ohjaus
- yhdistetyt ohjaukset
Pumppuohjaus
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden ohjaus/säätö
Pelkkä säätöventtiilin tai säätöpumpun sisäinen takaisinkytkentä sille annetun käskyarvon toteutumisesta ei vielä
takaa sitä, että toimilaite suorittaa toimintonsa vaaditulla
tarkkuudella.
Tarkasti ohjattavasta venttiilistä tai pumpusta huolimatta
toimilaitteen lähtösignaali (eli lähtösuure) ei siis välttämättä
saavuta vaadittua tarkkuutta.
Tämä johtuu siitä, että toimilaitteen ja siihen kohdistuvan
kuormituksen ominaisuudet eivät pysy vakioina, vaan vaihtelevat eri syistä johtuen.
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden ohjaus/säätö
Saavutettavat toimilaitteen lähtösuureen tarkkuudet riippuvat järjestelmän toteutustavasta
Karkea tarkkuus
- tilavuusvirtojen ja paineiden arvot arvioidaan
Hyvä tarkkuus
- tilavuusvirtojen ja paineiden arvot mitataan ja takaisinkytketään niitä ohjaaville komponenteille
Paras tarkkuus
- toimilaitteen lähtösuureiden arvot mitataan ja takaisinkytketään toimilaitetta ohjaaville komponenteille
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden ohjaus/säätö
Toimilaitteen luotettavan ja tarkan hallinnan toteuttaminen
edellyttää siis toimilaitteen anturointia, lähtösuureiden arvojen mittausta ja takaisinkytkentää toimilaitetta ohjaaville
komponenteille, ts. lähtösuureen säätöä.
Käskyelin
Eroelin
Säätäjä
Asetuslaite
Toimilaite ja kuorma
n
U
Sähköteho
Oloarvon
mittaus
Hydrauliteho
Järjestelmässä on tällöin kaksi sisäkkäistä säätöä, sisempänä
säätöventtiilin tai säätöpumpun säätöjärjestelmä ja ulompana toimilaitteen lähtösignaalin (-suureen) säätöjärjestelmä.
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden ohjaus/säätö
qV ,p
n,T
qV ,p
qV ,p
Pyörivä liike
moottori
Takaisinkytkentä
qV ,p
v,F
Takaisinkytkentä
Lineaariliike
sylinteri
Ohjaus
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Järjestelmän anturointi
Hydraulijärjestelmissä tärkeimpiä/kiinnostavimpia suureita
ovat ne, jotka liittyvät tehon siirtoon, muuntamiseen ja hallintaan:
Järjestelmään liittyvät
paine
tilavuusvirta
lämpötila (!)
nesteen ominaisuudet
Ohjaus ja säätö
Toimilaitteisiin liittyvät
asema
nopeus
kiihtyvyys
voima
vääntömomentti
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden anturointi
Anturit voivat olla joko sijoitettuja toimilaitteen ulkopuolelle
tai rakenteeseen integroituja.
Nurmi Hydraulics
Helipebs
Rakenteeseen integroidut anturit ovat tavallisimmin asema-,
nopeus- tai paineantureita (jollainen voi olla integroitu myös
toimilaitetta ohjaavaan venttiiliin). Muita suureita mittaavat
anturit sijoitetaan tavallisesti toimilaitteen ulkopuolelle.
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden anturointi
Cowan Dynamics
Moog
Moog
Integroiduilla antureilla varustettuja toimilaitteita kutsutaan
tavallisesti servotoimilaitteiksi (servosylintereiksi ja servomoottoreiksi).
Moog
Eaton
Ohjaus ja säätö
Fox-VPS
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden anturointi
Venttiiliohjatuissa järjestelmissä toimilaitetta ohjaava venttiili
sijoitetaan tavallisesti mahdollisimman lähelle toimilaitetta (nestetilavuuden minimointi)
vähäinen jousto suuri jäykkyys
tarkkuus
mahdollisia värähtelyongelmia säätimet välttämättömiä
Moog
Ohjaus ja säätö
Hydoring
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Toimilaitteiden anturointi
Esimerkki
anturoidusta
servosylinteristä
Bosch Rexroth
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Yhteenveto
Hydraulinen säätöjärjestelmä sisältää
Teholähteen (sähkö-/polttomoottori + pumppu)
Säätökomponentti (säätöventtiili tai -pumppu)
Toimilaite (sylinteri, moottori, vääntömoottori)
Anturointi (venttiilissä, pumpussa, toimilaitteessa)
Ohjaus- ja säätöelektroniikka (yksi tai useampia takaisinkytkentöjä)
Käskyelin
Eroelin
Säätäjä
Asetuslaite
Toimilaite ja kuorma
n
U
Sähköteho
Oloarvon
mittaus
Hydrauliteho
Järjestelmän lähtösuureena on esimerkiksi toimilaitteen
asema, nopeus, voima tai vääntömomentti.
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Yhteenveto
Säätöjärjestelmän suorituskyky riippuu sen kaikista osista ja
ne tulisi valita siten, että ne ovat laadultaan ja ominaisuuksiltaan keskenään samaa tasoa.
Esimerkiksi, jos järjestelmään valitaan tarkkuudeltaan heikko
takaisinkytkentäanturi, ei järjestelmällä voida saavuttaa suurta
toimilaitteen lähtösuureen tarkkuutta, vaikka muut komponentit edustaisivatkin alansa huippua.
Ohjaus ja säätö
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Itsenäinen hydraulinen toimilaite
www.woodward.com
Lentokoneen ohjainpinnan itsenäinen ohjausyksikkö: säiliö,
pumppu, sähkömoottori, venttiilit, toimilaite, anturit, säätöelektroniikka.
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä
Sarja 10
Päivän teemat kerraten
Mihin kaikkeen hydrauliikasta onkaan?
Miten hydrauliikkaan saadaan järkeä?
Säädön dynamiikka, taloudellisuus?
Aalto-yliopisto / Koneenrakennustekniikka / Hydrauliikan Ryhmä