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Pneumatikzylinder

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Pneumatikzylinder
Pneumatikzylinder


Themen auf dieser Seite:
  1. Problem- und Aufgabenstellung
  2. Testaufbau
  3. Programmierung

1. Problem- und Aufgabenstellung

Stribeck-Kurve
Stribeck-Kurve
Pneumatische Zylinder werden häufig in der Automatisierungstechnik als Aktoren eingesetzt. Jedoch ist die Positionsregelung eines solchen Systems im Allgemeinen schwer durchzuführen, da meist aus Kostengründen keine Proportionalventile zur Verfügung stehen. Als vorrangiges Problem ist hier der Stick-Slip-Effekt zu nennen, welcher aus der Kombination der Reibung des Kolbens am Gehäuse und der Kompressibilität von Luft resultiert, was mit Hilfe der in der nebenstehenden Abbildung dargestellten Stribeck-Kurve beschrieben werden kann. In Bereich I wirkt die Haftreibung und es gibt im Zylinder nur elastische Verformungen an der Dichtung zwischen Kolben und Gehäuse. In Bereich II löst sich die Dichtung langsam, so dass eine Mischreibung entsteht. In Bereich III wirkt nur noch die Gleitreibung. Durch den vorher aufgebauten Überdruck bewegt sich der Kolben beim Übergang in den Bereich III mit überproportionaler Geschwindigkeit, was eine Regelung von kurzen Verfahrwegen sehr erschwert, weshalb diese hier nicht betrachtet werden.

2. Testaufbau

Testaufbau mit EasyKit-Bausteinen
Testaufbau mit EasyKit-Bausteinen
Zur Validierung der EasyKit-Methodik wurde eine Positionsregelung für solche pneumatische Zylinder entwickelt. Der vorliegende Zylinder wurde mit zwei 3/2-Wege-Schaltventilen bestückt, bei denen der Strom zunächst einen Schwellwert überschreiten muss, was das Öffnen und Schließen verzögert.

Zum Aufbau der Steuerelektronik wurde ein Mikrocontroller-Baustein (8 Bit), ein analoger Eingangs-Baustein zur Anbindung eines Positionssensors und eines Potentiometers sowie zwei Bausteine mit je einem Treiber für induktive Lasten verwendet. Zur Positionsregelung werden die Ventile über ein PWM-Signal angesteuert, dessen Tastverhältnis von einem P-Regler erzeugt wird, der mittels Echtzeitüberwachung und -parametrierung (Debugging) trotz des Stick-Slip-Effekts und der Schaltschwelle der Ventile schnell empirisch dimensioniert werden kann.

3. Programmierung

Die Positionsregelung in der folgenden Abbildung besteht aus einem Datenflussprogramm, das – unter Berücksichtigung einer Toleranzgrenze – ein PWM-Signal erzeugt, mit dem das entsprechende Ventil des Zylinders angesteuert wird.

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Datenflussprogramm zur Positionsregelung (links) und Gerätemodell (rechts unten)
Datenflussprogramm zur Positionsregelung (links) und Gerätemodell (rechts unten)