- laboratorium Ćwiczenie PA Projektowanie układów płynowych w środowisku FluidSim Instrukcja laboratoryjna Opracował : dr inż. Arkadiusz Winnicki Warszawa 2017
1. WPROWADZENIE Ćwiczenie polega na wstępnym zapoznaniu się z jedną z metod komputerowej symulacji działania zespołów i układów technicznych Będzie stosowany program FluidSim 4H firmy FESTO, m.in. dlatego że znaczna część laboratoriów na kierunku Automatyka i Robotyka, jest wyposażona w sprzęt tej firmy. Istnieje zatem możliwość porównania działania symulacji układu z jego rzeczywistym odpowiednikiem. Programy z serii FluidSim są przeznaczone głównie dla celów dydaktycznych do objaśnienia zagadnień związanych z urządzeniami techniki pneumatycznej i hydraulicznej. W ninejszym ćwiczeniu stosowany będzie program FluidSim-H służący do symulowania układów hydraulicznych. Podobne programy FluidSim-P i Fluidsim-E istnieją dla pneumatyki oraz elektrotechniki. Obecnie urządzenia techniczne są przeważnie powiązane z elektrotechniką (m.in. sterowanie, pomiary) oraz pracują jako analogowe lub cyfrowe (na ogół mieszane), dlatego też każdy tego typu program symulacyjny zawiera elementy elektrotechniki umożliwiając budowanie układów elektrohydraulicznych/elektropneumatycznych. 2. OBSŁUGA PROGRAMU FLUIDSIM Po uruchomieniu programu, pojawi się okno główne. Rys. 1. Okno główne programu FluidSim 2
Po lewej stronie widoczna jest biblioteka elementów FluidSIM-H (component library). Zawiera ona hierarchicznie ułożone hydrauliczne, elektryczne i cyfrowe komponenty umożliwiające zbudowanie złożonych układów hydraulicznych. Pasek Menu rozwijanego (Menu bar) znajdujący się na górze okna zawiera wszystkie funkcje niezbędne do przeprowadzenia symulacji i budowania diagramów układów. Znajdujący się poniżej pasek narzędzi (Toolbar) zawiera najczęściej używane funkcje z Paska Menu. 2.1. TWORZENIE NOWEGO SCHEMATU Otwarcie nowego okna programu z pustym arkuszem układu następuje poprzez kliknięcie na ikonę w górnym pasku menu. Schemat hydrauliczny może być tworzony i zmieniany wyłącznie w trybie edycji. Tryb ten jest sygnalizowany m.in. przez kształt kursora myszy. Używając myszy można przeciągnąć elementy z okna biblioteki i upuszczać je w obszar tworzonego schematu układu (tzw. technika drag and drop ). Zaznaczony w obszarze roboczym zespół można przesuwać i obracać (prawy przycisk myszy uruchamia podręczne menu z którego wybieramy "rotare"). 2.2. ŁĄCZENIE KOMPONMENTÓW Każdy z komponentów, posiada króćce przyłączeniowe, oznaczone kółeczkiem. Łączenie elementów polega na przemieszczeniu myszki nad króciec przyłączeniowy elementu który chcemy połączyć (kursor myszki zmienia swój wygląd na wskaźnik celownika ), a następnie trzymając lewy przycisk myszy przesuwamy kursor nad króciec przyłączeniowy kolejnego elementu (lub istniejącej już linii). Gdy utworzenie połączenia będzie możliwe, kursor zmieni wygląd na wskaźnik celownika ze strzałkami do środka. Należy wtedy puścić lewy przycisk myszy. W rezultacie pojawia się linia łącząca oba elementy: Rys.2.: Łączenie komponentów
2.. KONFIGUROWANIE KOMPONENTÓW Każdy komponent użyty w schemacie posiada zestaw parametrów, które określają w zależności od typu elementu takie wielkości, jak maksymalne przepływy, ciśnienia, długość skoku czy średnica (dla siłownika) itp. Parametry zmienia się w oknie dialogowym, które pojawia się po dwukrotnym kliknięciu myszką na wybranym elemencie. Przykładowe okno dialogowe dla rozdzielacza z przypisanymi mu parametrami pokazano na rys.. Rys.. Parametry konfiguracyjne dla rozdzielacza. 1.4. SYMULACJA PRACY UKŁADU Gdy schemat układu jest gotowy, można rozpocząć symulację jego działania poprzez ikonę w górnym pasku menu. Dodatkowo do dyspozycji są następujące ikony: - wstrzymanie symulacji, - zatrzymanie symulacji (wyjście do trybu edycji), - reset i ponowne rozpoczęcie symulacji, - symulacja w trybie pojedynczych kroków, - symulacja w trybie do zmiany stanu. 4
2.4. DIAGRAM STANÓW Diagram stanów umożliwia zarejestrowanie zachowania (stanu) istotnych elementów układu i wykreślenie tych stanów w formie graficznej. Diagram stanów (state diagram) znajdziemy w bibliotece komponentów w sekcji "Miscellaneus". Możliwe jest zarówno umieszczenie kilku diagramów stanu w jednym układzie jak i umieszczenie kilku elementów na tym samym diagramie stanów. Komponenty mogą być dodawane do diagramu stanu przez upuszczanie ich w jego obrębie. Dodając kolejne komponenty do diagramu stanu, pojawia sie automatycznie okno wyboru (selection dialog), które umożliwia wybór kolorów wyświetlania przebiegów poszczególnych zmiennych. W przypadku niewybrania żadnej zmiennej komponentu, dany komponent zostanie usunięty z diagramu stanu. Rys.4. Schemat układu z diagramem stanu 2.5. ELEKTRYCZNA CZĘŚĆ UKŁADÓW W ten sam sposób, w jaki tworzone są układy hydrauliczne, FluidSIM-H umożliwia projektowanie układów elektrycznych. Elementy, które mogą wejść w skład układu elektrycznego, znajdują się w bibliotece elementów i mogę być przeciągane na okno schematu. Łączenie elementów elektrycznych odbywa się dokładnie w ten sam sposób jak tworzenie schematów hydraulicznych. W bibliotece elementów występują elektryczne elementy umożliwiające połączenie działania schematu elektrycznego ze schematem hydraulicznym. Wśród nich można wymienić przełączniki elektryczne sterowane sygnałem hydraulicznym i cewki sterujące rozdzielaczami hydraulicznymi. Schematy elektryczne są rysowane niezależnie od schematów hydraulicznych. Dlatego koniecznym jest zdefiniowanie elementów umożliwiających współdziałanie elementów elektrycznych (cewki) z elementami hydraulicznymi (rozdzielacze). Tak zwane etykiety (Labels) umożliwiają współdziałanie obu schematów. 5
Etykiety mają unikalną nazwę i są przypisywane do konkretnych elementów. Kilka elementów mających tę samą etykietę jest ze sobą połączonych, chociaż nie jest wyświetlana pomiędzy nimi żadna linia. Nadawanie nazwy etykietom odbywa się przy użyciu okna dialogowego, które można wywołać przez dwukrotne kliknięcie na wybranym elemencie (np. cewce rozdzielacza lub cewce w obwodzie elektrycznym). Rys. 5.: okno dialogowe z przypisaniem etykiety do cewki rozdzielacza Rys.6.: Schemat elektrohydrauliczny (z przypisana etykietą 1Y do symbolu cewki na rozdzielaczu jak i w obwodzie elektrycznym) 6
2.6. CZUJNIKI Czujniki krańcowe, zbliżeniowe i mechanicznie sterowane rozdzielacze mogą być uaktywniane w wyniku przemieszczenia siłownika. W takim przypadku niezbędne jest użycie czujnika położenia, połączonego z tłoczyskiem siłownika. Aby powiązać siłownik z czujnikiem pomiarowym należy z biblioteki komponentów odnaleźć symbol czujnik położenia (Distance rule) i przenieść na okno schematu w pobliżu siłownika. Gdy czujnik położenia zostanie upuszczony w pobliżu siłownika będzie on automatycznie do niego przyciągany i z nim kojarzony. Nieznaczne przemieszczenie siłownika spowoduje przemieszczenie czujnika położenia. Właściwe ustawienie czujnika położenia uzależnione jest od typu siłownika. Może być on ustalony nad siłownikiem, przed siłownikiem (nad ruchomym elementem tłoczyskiem), bądź w obu tych miejscach jednocześnie. Rys. 7.:Lokalizacja czujnika położenia przy siłowniku Dwukrotnie kliknięcie na czujnik położenia powoduje pojawienie się okna dialogowego, gdzie podaje się nazwę etykiety czujnika (label) oraz jego umiejscowienie na siłowniku. Powiązanie czujnika w schemacie hydraulicznym/elektrycznym z miejscem jego lokalizacji na siłowniku odbywa się poprzez przypisanie tej samej etykiety (label) w obu tych elementach. Rys. 8.: Okno dialogowe przypisania etykiet i miejsca lokalizacji czujnika w elemencie Distance rule. 7
. ĆWICZENIA Przedstawione poniżej ćwiczenia są wprowadzeniem do ćwiczeń PA1, PA2, PA4 i PA5. ZADANIE 1 Naszkicować schematy hydrauliczne i przekaźnikowe układów sterowania napędami elektrohydraulicznymi wg rys. 9a/b i 10a/b. Układ powinien zapewnić wysunięcie siłownika po chwilowym wciśnięciu przycisku A i powrót siłownika po wciśnięciu przycisku B. a) b) Rys. 9.: Schematy napędów hydraulicznych do zadania 1 a) b) Rys. 10.: Schematy napędów elektrohydraulicznych do zadania 1 ZADANIE 2 Naszkicować schematy przekaźnikowych układów sterowania napędami elektrohydraulicznymi wg rys. 10a i b z zadania 1. Układ powinien zapewnić wysunięcie siłownika po chwilowym wciśnięciu przycisku start i samoczynny powrót do położenia początkowego. Do wykrycia końcowej pozycji siłownika wykorzystać elektryczne czujnik rolkowe. 8
ZADANIE Zaprojektować układ hydrauliczny oraz przekaźnikowy układ sterowania dwoma siłownikami zapewniający po naciśnięciu przycisku X kolejno: wysunięcie tłoczyska pierwszego siłownika (siłownika A), wysunięcie tłoczyska drugiego siłownika (siłownika B), wycofanie tłoczyska siłownika A, wycofanie tłoczyska siłownika B. Do wykrycia końcowej pozycji siłownika wykorzystać elektryczne czujnik bezstykowe. ZADANIE 4 Zbudować schemat układu z rys. 11. Dobrać parametry i sprawdzić jego działanie. +24V 1 2 Designation Quantity v alue 1 6 7 8 9 10 11 12 1 14 15 A B 4 A1 K1 4 State Y1 K1 Y1 P T 0V A2 Position mm 200 150 100 2 50 Rys. 11.: Schemat układu elektrohydraulicznego do zadania 4 Zbadać wpływ wydajności pompy, nastawy zaworu bezpieczeństwa, skoku tłoka siłownika, średnicę tłoka siłownika, obciążenie siłownika itp., na pracę układu. a) zwiększyć (zmniejszyć) wydajność pompy, b) zwiększyć (zmniejszyć) skok i średnicę siłownika, c) zwiększyć znacznie obciążenie masowe siłownika, d) zwiększyć zewnętrzne obciążenie siłowe siłownika, e) dla podpunktów "c" i "d" zmniejszyć nastawę zaworu bezpieczeństwa ZADANIE 5 Zbudować schemat układu z rys. 12 i sprawdzić jego działanie. a) b) c) d) P1 Y1 A P B A B T +24V 1 2 K1 K1 4 1 4 12 K2 A1 2 Y1 K1 0V A2 4 P1 K2 5 A1 A2 Designation Quantity value Pressure MPa Position mm 0 25 20 15 10 5 200 150 100 50 1 2 4 5 6 7 8 9 10 2 Rys. 12.: Schemat układu elektrohydraulicznego montażu do zadania 5: a) schemat ideowy, b) schemat hydrauliczny, c) schemat elektryczny, d) diagram 9
Zadania do wykonania: a) sprawdzić działanie układu, b) uzupełnić podstawowy schemat tak, aby wykonywana czynność samoczynnie się powtarzała, c) obciążyć tłoczysko siłownika liniowo narastającą siłą. Zinterpretować skutki wprowadzonej zmiany. 4. UWAGI KOŃCOWE W powyższym opisie przedstawiono tylko małą część możliwości programu FluidSim4H. Program może być wykorzystany do ilustracji i wstępnego badania układów i zjawisk niekoniecznie związanych z hydrauliką (np. ściśliwość cieczy, zjawisko Stick - Slip`u itp.). Program może być bardzo pomocny do prowadzenia zajęć np. z: mechaniki, elektrotechniki, fizyki itp. Zaliczenie tego ćwiczenia odbywa się w trakcie zajęć. Uwzględnia się: zaangażowanie, sprawność, zdolność prawidłowego wnioskowania. Nie jest wymagane pisemne sprawozdanie. 5. LITERATURA Kościelny W.: Instrukcje do ćwiczeń PA1 i PA2 Mednis W, Winnicki A.: Instrukcje do ćwiczeń PA4 i PA5 Olszewski M. i in.: Mechatronika. REA, Warszawa 2002 Szenajch W.: Napęd i sterowanie pneumatyczne. WNT, Warszawa 1992 Winnicki A.: FluidSIM 4-P - Instrukcja użytkownika, Festo, Warszawa 2007 Wiśniewski P.: FluidSIM 4-H - Instrukcja użytkownika, Festo, Warszawa 2008 10