Vilket mervärde kan en ejektor med inbyggd styrning ge i ett sugkoppsbaserat hanteringssystem? Inledning Tryckluftsstyrda ejektorer blir ett allt vanligare alternativ som vakuumkälla för sugkoppsfunktioner i robotar och specialmaskiner (till exempel: låd- eller kartongplacerare, avstaplare, avlastningsutrustning osv.). Det här är en pågående trend inom många olika industrier, till exempel inom paketering, elektronik, bilindustrin, glas- och plastindustrin. Fördelarna jämfört med konventionella fläktar and lamellvakuumpumpar är många: högre tillförlitlighet, lägre investeringskostnader, lägre energi- och ägandekostnader, enklare kontroll, enklare installation, mindre storlek och lägre vikt är bara några exempel. På marknaden för tryckluftsdrivna ejektorer finns en uppsjö av allt-i-ett -varianter som enligt tillverkarna ska ge mervärde genom kompakt design, inbyggd logik, energisnål drift, avancerade diagnostik- och övervakningsfunktioner osv. För den som konstruerar en robotgripanordning kan det vara komplicerat att välja rätt ejektorenhet i det snåriga utbudet. Vad är viktigt att tänka på när man ska välja ejektor? Vilka faktorer har störst betydelse för tillförlitligheten (dvs. för att undvika driftstopp) och produktiviteten i det robotsystem eller den maskin som ska konstrueras? Exempel på ejektorsystem Syftet med detta white paper är att göra det lättare för dig att välja ejektor. 1. Många specialfunktioner döljer det väsentliga En ejektors viktigaste funktioner kan sammanfattas i tre kategorier: 1. Funktioner som förbättrar drifttiden (ökar tillförlitligheten). 2. Funktioner som förbättrar hastigheten/antalet plockningar per minut. 3. Funktioner som minskar energiförbrukningen. Drifttid De flesta maskinkonstruktörer håller nog med om att hög tillförlitlighet för komponenterna i en maskin/robot är avgörande om verksamheten ska kunna vara lönsam. Viktiga maskin- eller robotkomponenter som ständigt går sönder är en riktig mardröm. Produktionsanläggningen drabbas av driftstopp och slutanvändarna blir irriterade. Maskinleverantören måste lägga tid och pengar på att besöka anläggningar som kanske ligger långt borta. En ejektorenhet är definitivt en avgörande komponent i ett sugkoppshanteringssystem. 1
Vakuumejektorer är avgörande komponenter för att säkerställa oavbruten maskin- eller robotdrift i hanteringssystem. Plockningar per minut Utöver drifttiden är maskinens eller robotens prestanda, som ofta mäts i plockningar per minut, en viktig egenskap som är direkt märkbar för slutanvändaren. Prestandan i ett vakuumhanteringssystem beror på den totala systemlösningen, dvs. hela systemet av ejektorer, sugkoppar och tillbehör. Men även ejektorerna i sig spelar en avgörande roll. För höghastighetsrobotar och -maskiner behövs ultrasnabba ejektorer. Energiförbrukning Ett tredje område, som blir allt viktigare för personer som ansvarar för att välja nya maskiner eller robotar, är energiförbrukning. Många produktionsanläggningar måste följa strikta regler om minskad energiårsförbrukning, vilket även sätter press på maskinkonstruktörerna och robotintegratörerna. Den nya energistandarden ISO 50001, som ställer ännu högre krav på minskad energiförbrukning, införs nu i hög takt hos företag runtom i världen. Ejektorteknik är, om den används och kontrolleras på rätt sätt, ett effektivt sätt att skapa vakuum. Men om ejektormunstyckets utformning inte är optimal och om släppfunktionen är ineffektiv kan systemet förbruka 3 4 gånger mer energi än de bästa systemen på marknaden. Vid val av en ejektorlösning bör man alltså vara extra uppmärksam på om det finns funktioner som stöder tillförlitlighet, hastighet och energibesparing. Som många andra industriella och kommersiella produkter på den moderna marknaden, är ejektorer utrustade med massor av funktioner. Vissa av funktionerna bidrar till ökat värde, men det finns också funktioner som i praktiken inte ger något mervärde alls, utan mest är förvillande vid bedömningen av produktens verkliga prestanda. Följande är ett exempel på en inbyggd funktion som det kan vara värt att förhålla sig skeptisk till, sett till mervärde: Inbyggd regulator för konstant tryck o En inbyggd tryckregulator av konventionellt utförande och ställd till ett fast värde, till exempel 3,5 bar (50 psi), ger nästan inget mervärde alls. Maskiner och utrustning innehåller normalt sett redan regulatorer för andra tryckluftskomponenter, och det är billigare att driva flera ejektorer från en centraliserad regulator. Ett effektivt ejektormunstycke av korrekt utförande ger bra prestanda i ett område kring optimalt tryck, vilket innebär att en inbyggd regulator är en överflödig komponent. Ju 2
fler rörliga delar i systemet, desto mer förkortas den genomsnittliga tiden mellan fel (MTBF, Mean Time Before Failure). Därmed ökar också service- och underhållsbehovet. En tryckluftsregulator för flera ejektorer är med största sannolikhet ett bättre alternativ än en inbyggd regulator i varje enhet. 2 Funktioner som ger verkligt mervärde Ejektorverkningsgrad Förmodligen den viktigaste faktorn. Hastigheten (cykeltiden) har ett starkt samband med hur snabbt ejektorn kan generera en säker vakuumnivå. Vid hantering av läckagebenäget material med materialvariationer (t.ex. wellpapp) är flödeskapaciteten vid djupare vakuumnivåer också mycket viktig för tillförlitlighetens skull. Den inledande flödeskapaciteten är extra viktig i höghastighetsmaskiner, för att skapa ett säkert och snabbt grepp med en bälgkopp. Flerstegsejektorer är 30 50 % mer effektiva än enstegsejektorer vid samma energiförbrukning. Den enda nackdelen med flerstegsutförandet är att ejektormodulen blir något längre. När en enstegsejektor används måste man kompensera med ett större ejektormunstycke för att uppnå samma prestanda. Det ger kostnader i form av energiförbrukning, buller, större ventiler, högre temperatur osv. Vakuumflöde vid olika vakuumnivåer dividerat med luftförbrukningen visar ejektorns egentliga verkningsgrad Ejektorns karakteristik Ejektormunstycken kan utformas för olika syften: för att få högre flöde vid lägre vakuumnivåer (bra vid hantering av läckagebenägna material), för att få extra djupa vakuumnivåer eller för att få bra vakuumprestanda i ett brett tryckområde. I prestandahänseende (hastighet och energieffektivitet) kan det vara mycket viktigt att välja rätt karakteristik för applikationen. Användning på hög höjd, dvs. mer än 1 000 1 500 m över havet, är ytterligare en faktor som inverkar på ejektorns prestanda. Särskilda munstyckesegenskaper behövs för att få hög tillförlitlighet och prestanda när systemet används på hög höjd. Friblås-/släppeffektivitet Nästan lika viktig som förmågan att generera vakuum, är förmågan att kunna släppa föremålet så snabbt som möjligt, så pålitligt som möjligt (dvs. att vakuumet minskas i alla sugkoppar samtidigt) och så effektivt som möjligt (dvs. att så lite tryckluft som möjligt förbrukas). I vissa applikationer (tätade material), där energisparfunktionen kan aktiveras för ejektorn, är det vanligtvis friblåsmomentet som förbrukar mest luft i arbetscykeln. Ventilernas utförande och svarstid För höghastighetsapplikationer där cykeltiden är kortare än 50 100 ms, har ventilernas svarstid stor inverkan på den totala cykeltiden. Med direktverkande ventiler elimineras den extra volymen för luftförsörjning till pilotventiler (mestadels av 3
tallriksutförande). Direktverkande ventiler ger förbättrad genomsnittlig tid mellan fel eftersom den övergripande ventilkonstruktionen innehåller färre rörliga delar. Även ventilens effekt inverkar på hastigheten. Adaptiv pulsbreddsmodulering och värme från ventiler Värmeavgivning är ett problem med likströmsventiler av högeffekttyp. Värmen förkortar ventilernas och de omgivande komponenternas livslängd. Om pulsbreddsmodulering används för en likströmsventil, är det möjligt att använda lägre effekt när ventilen är i hålläge och öka effekten endast när positionen måste ändras under några millisekunder. Med hjälp av pulsbreddsmodulering kan effekten sänkas, vilket gör det möjligt att minska ventilernas värmeavgivning med mer än 50 %. Linjär pulsbreddsmoduleringsteknik innebär dock en tillförlitlighetsrisk. Väldigt låg inspänning kan resultera i alltför låg hållspänning, så att ventilen ändrar läge okontrollerat. Detta kan undvikas med hjälp av adaptiv pulsbreddsmodulering. Inspänningen mäts och moduleringsfunktionen säkerställer att hållspänningen ligger på konstant nivå. Pulsbreddsmodulering (PWM) en genomsnittlig spänning matas till lasten med hjälp av en switch (placeras mellan matning och last) som slås på och av i snabb takt. Ju längre tid som switchen är på i förhållande till avstängningstiden, desto högre effekt matas till lasten. Tillåtet matningsspänningsområde De flesta typer av ventiler som används med kompakta ejektorer med integrerade kontroller är märkta för 24 V DC-matning med relativt liten spänningstolerans. Det är inte ovanligt att slutanvändarna har dålig kontroll över lasten på den använda spänningskällan. Plötsligt slutar ventilerna att fungera och man skyller på undermålig ventilkvalitet. Inte sällan visar en närmare undersökning att matningsspänningen i kombination med lufttrycket var utanför specifikationerna. Maskinkonstruktörer och robotintegratörer som vill minimera stilleståndstiderna bör, när en enhet ska väljas, vara särskilt noggranna med att kontrollera enhetens tillåtna matningsspänning och/eller om det finns andra implementerade funktioner som gör det möjligt att hantera varierande spänning. Adaptiv pulsbreddsmodulering är en metod som kan användas för varierande matningsspänning. Adaptiv pulsbreddsmodulering ger snabb ventilreaktion med lägre energiförbrukning. Det är ett mer robust system med säkrare ventilreaktioner, tack vare ett bredare spänningsmatningsområde. Livslängden förbättras eftersom den genomsnittliga temperaturen blir lägre. 4
Möjlighet att placera ejektorn nära sugpunkten Den effektivaste, snabbaste och mest tillförlitliga lösningen är att generera vakuumet så nära sugpunkten som möjligt. Allt-i-ett-ejektorer är ofta ganska stora och relativt tunga. I de flesta situationer placeras de centralt och används för flera sugkoppar. När vakuumet transporteras i långa slangar uppstår flödesförluster. Detta måste kompenseras med hjälp av en större ejektor. Det finns allt-i-ett-ejektorer där kontrollsektionen och ejektorsektionen kan delas upp, så att ejektorn kan placeras direkt vid eller mycket nära sugkopparna. En sådan lösning ger kraftiga förbättringar avseende plockningar per minut och tillförlitlig plockning. Diagrammet visar hur mycket mindre energi som behövs om vakuumpumpen kan placeras nära sugpunkten. Exempel: Allt-i-ett-ejektor med separat kontrollsektion och ejektorsektion ejektorsektionen kan placeras närmare sugpunkten. Lösningen ger förbättrad cykeltid och minskad energiförbrukning. Möjlighet att använda vakuumslangar av rätt storlek Alltför små vakuumportar är ett vanligt konstruktionsfel i många kompakta (allt-i-ett) ejektorer. När portarna är små måste vakuumslangar med liten diameter användas, vilket inte kan kompenseras med hjälp av en större ejektor. Det här är ett av de allra vanligaste designmisstagen och den grundläggande orsaken till att många system är bristfälliga. Ett enkelt test är att starta vakuumejektorn med alla sugkoppar öppna vakuummätaren ska då visa högst 10 kpa för ett öppet system. I annat fall finns det begränsningar som inverkar på systemets prestanda. Luftsparfunktion med ställbar hysteres En mycket bra och effektiv funktion som finns i de flesta allt-i-ett-ejektorer är en automatisk luftsparfunktion. Funktionen ger stora luft- och energibesparingar i sugkoppssystem för tätade material (metall, glas osv.) men kan även användas vid hantering av material med viss läckagebenägenhet. Ejektorn stängs av när en inställd vakuumnivå nås, och nivån övervakas. Ejektorn sätts igång igen om vakuumnivån faller under hysteresintervallets lägsta värde (omstartsnivån). Minimala läckage finns i alla sugkoppssystem men läckaget ökar om sugkoppen har blivit utsliten. Större läckage gör att ejektorenheten stängs av och startas onödigt ofta, vilket leder till ökat slitage på ventiler och andra interna delar. Dessutom kan ljudet från upprepade avstängningar och starter vara störande. Mer avancerade ejektorenheter har justerbar hysteres för luftsparfunktionen. Genom att öka hysteresen kan start-/stoppcykeln förlängas så att 5
ventilerna skyddas mot onödigt slitage. Verkligt intelligenta enheter kan dessutom bestämma läckagets omfattning och stänga av luftsparfunktionen automatiskt vid stora läckage. Grafiskt användargränssnitt och inställningar Allt-i-ett-ejektorer har många integrerade funktioner och mekanismer, exempelvis ventiler, vakuumsensor/omkopplare, filter, luftsparfunktioner, regulatorer osv. För att uppnå önskat resultat och optimal funktion är det ofta en förutsättning att kunden förstår hur enheten ska konfigureras. En felaktigt konfigurerad inställning kan ge allvarliga följder. Ett vanligt misstag är att luftsparnivån ställs till lägre nivåer än produktdetekteringssignalen till roboten/maskinen. Med största sannolikhet leder det till att produkter tappas, vilket resulterar i driftstopp. Ett gott råd är att använda allt-i-ett-ejektorer som erbjuder fullkomligt felsäker installation och konfigurering, så att risken för sådana misstag elimineras. En allt-i-ett-ejektor bör ha felsäkra inställningar för produktdetekteringssignal, vakuumnivå för luftsparfunktionen och hysteres, så att risken för försämrad prestanda, tappade produkter och driftstopp minimeras. Luftsparfunktion med plug-and-play-inkoppling Utöver sådana installations- och konfigureringsmisstag som kan ge konsekvenser i form av tappade delar, kan det också vara komplicerat att ställa in nivå och hysteres för allt-i-ett-ejektorns luftsparfunktion. Många användare som har valt en dyrare ejektor för att få en luftsparfunktion uppnår inte önskade besparingar på grund av svårigheterna med att konfigurera funktionen korrekt. Allt-i-ett-ejektorer med luftsparfunktion bör vara av plug-and-play-utförande, det vill säga direkt och konfigureringsfri inkoppling, så att luftsparfunktionens fördelar inte går användaren förbi. 3 Sammanfattning De viktigaste funktionerna som ejektorer, i synnerhet allt-i-ett-enheter, bör erbjuda kan sammanfattas i tre kategorier: 1. Funktioner som förbättrar drifttiden (ökar tillförlitligheten). 2. Funktioner som förbättrar hastigheten/antalet plockningar per minut. 3. Funktioner som minskar energiförbrukningen. Ett gott råd är att granska och testa ejektorn med avseende på ovanstående kategorier innan du går vidare med maskin- eller robotspecifikationerna. picompact MICRO, en ny och kompakt ejektorplattform från Piab, har utformats med särskilt fokus på plockhastighet och tillförlitliga komponenter/funktioner. Enheten baseras på COAX, marknadens mest energieffektiva och miljövänliga ejektorteknik. COAX -tekniken som vakuumkälla kan vara ett bra sätt att uppfylla energikraven enligt ISO 50001 för applikationer i hela världen. 6
Om Piab Piab etablerades 1951 och designar innovativa vakuumlösningar som förbättrar energieffektiviteten, produktiviteten och arbetsförhållandena för vakuumanvändare världen över. I egenskap av pålitlig samarbetspartner till många av världens största tillverkare utvecklar och tillverkar Piab en komplett serie vakuumpumpar, vakuumtillbehör, vakuumtransportörer och sugkoppar till olika processer för automatiserad materialhantering och fabriksautomation. Piab använder COAX, en helt ny dimension inom vakuumteknologi, i många av sina originalprodukter och lösningar. COAX cartridge är mindre, mer energieffektiva och mer pålitliga än konventionella ejektorer och kan integreras direkt i maskiner. Detta möjliggör att designa ett flexibelt, modulärt vakuumsystem. Piab är en global organisation med dotterbolag och distributörer i mer än 50 länder. Huvudkontoret ligger i Sverige. För mer information om Piabs vakuumlösningar för ett stort antal applikationer, besök vår hemsida www.piab.com. 7