Управление усилием и положением в интеллектуальных

Выбирайте управление положением, когда машина должна достичь измеренной координаты и удерживать её. Выбирайте управление усилием, когда процесс должен создать и регулировать нагрузку на деталь. Если важны оба параметра, применяйте контролируемую последовательность: подвод в режиме положения, подтверждение контакта, регулирование усилия и затем отвод в режиме положения.

На системном уровне сравнение режимов управления усилием и положением в интеллектуальных пневмоцилиндрах сводится к выбору величины, которая замыкает контур обратной связи. Давление в полости позволяет оценить усилие, но не измеряет усилие на детали напрямую. Аналогично, датчик положения может замкнуть контур движения, но не гарантирует безопасную контактную нагрузку. Под интеллектуальным цилиндром здесь понимается сервопневматическая ось с непрерывной обратной связью, пропорциональным распределителем и контроллером оси, а не обычный цилиндр, оснащённый только концевыми датчиками.

Ключевые выводы

По определению Festo, сервопневматическая система позиционирования состоит из 3 основных элементов: цилиндра с датчиком положения, пропорционального распределителя и контроллера положения.

Погрешность расчёта усилия по давлению включает неучтённое трение и влияние элементов силовой цепи после привода.

Для перемещения используйте режим положения, для критичной контактной нагрузки — прямую обратную связь по усилию, а если в одном цикле требуются оба режима — контролируемое переключение.

Чем управление усилием отличается от управления положением?

Festo описывает сервопневматическую систему позиционирования как 3 связанных элемента: цилиндр с датчиком перемещения, пропорциональный распределитель и контроллер положения. Одна и та же система может отрабатывать заданное положение или создавать заданное усилие, однако регулируемая по обратной связи величина и приёмочный критерий остаются разными (сервопневматические системы позиционирования Festo, дата обращения: 2026 г.).

Управление положением минимизирует ошибку положения:

e_x = x_{\mathrm{set}} - x_{\mathrm{measured}}

Переменная $e_x$ — это ошибка положения, $x_{\mathrm{set}}$ — заданное положение, а $x_{\mathrm{measured}}$ — положение, измеренное датчиком. Все три величины выражаются в одной единице длины. Контроллер дозирует подачу и выпуск воздуха из полостей цилиндра, пока измеренное положение не удовлетворит заданным критериям нахождения в позиции.

Управление усилием минимизирует ошибку усилия:

e_F = F_{\mathrm{set}} - F_{\mathrm{feedback}}

В этом уравнении $e_F$ — ошибка усилия, $F_{\mathrm{set}}$ — заданное усилие, а $F_{\mathrm{feedback}}$ — либо оценка по давлению, либо результат прямого измерения датчиком усилия. Эти два варианта обратной связи не взаимозаменяемы. Контроллер может показывать стабильное расчётное усилие, хотя фактическая нагрузка на инструмент меняется из-за трения в направляющих, упругой деформации оснастки или геометрии контакта.

Инженерный вопрос	Управление положением	Управление усилием по давлению	Прямое управление усилием
Регулируемая величина	Измеренное положение оси	Расчётное усилие поршня	Измеренная нагрузка в силовой цепи
Основные датчики	Непрерывный датчик перемещения	Датчики давления в обеих полостях и обратная связь по положению для контроля	Тензодатчик или преобразователь силы, обычно с обратной связью по положению
Оптимальное применение	Перемещение, индексация, многопозиционная обработка	Регулируемое пневматическое усилие при допустимой неопределённости из-за трения	Прессование, испытания или сборка с договорным ограничением усилия на детали
Главная слепая зона	Контактное усилие	Трение и влияние силовой цепи	Положение после упругой податливости или деформации детали

Варианты датчиков для контура положения рассмотрены в руководстве по технологиям определения положения пневмоцилиндра. Поведение клапана и точность оси также разграничены в руководстве по управлению положением с помощью пропорционального клапана.

Что в действительности измеряет каждый датчик обратной связи?

В руководстве Festo CPX-CMAX проводится принципиально важное различие: в режиме усилия контролируются силы давления в 2 полостях цилиндра, а для прямого управления усилием на детали необходим датчик усилия. В руководстве также указано, что трение в цилиндре и направляющей не учитывается при расчёте усилия (руководство по управлению Festo CPX-CMAX, дата обращения: 2026 г.).

На корректной схеме управления должна быть показана физическая точка измерения. Датчик в порту цилиндра измеряет давление именно в этом порту. Датчик на каретке измеряет положение каретки. Тензодатчик между приводом и инструментом измеряет нагрузку, передаваемую через конкретную механическую цепь.

Положение, расчётное усилие по давлению и прямое усилие относятся к трём разным границам обратной связи. Источники: документация Festo по сервопневматическим системам и руководство по управлению CPX-CMAX.

Это различие также помогает избежать распространённой ошибки в техническом задании. Для пропорционального регулятора давления могут быть заявлены показатели линейности и гистерезиса, но они характеризуют регулируемое давление в точке его датчика. ISO 10094-1:2021 требует, чтобы поставщики указывали определённые характеристики электропневматических клапанов непрерывного регулирования давления; однако спецификация регулятора не превращается из-за этого в показатель точности усилия оси цилиндра (ISO 10094-1:2021).

Усилие, рассчитанное по давлению, — лишь оценка

Даже при измерении давления в обеих полостях рассчитанное по нему усилие остаётся оценочным. Алгоритм Festo CPX-CMAX также учитывает диаметры поршня и штока, монтажное положение, базовую нагрузку и полезную нагрузку, однако в руководстве сказано, что неопределённость сохраняется в пределах статического трения привода, поскольку трение в цилиндре и направляющей не моделируется (руководство по управлению Festo CPX-CMAX, дата обращения: 2026 г.).

Для выдвижения штока цилиндра двустороннего действия с односторонним штоком сначала определите две эффективные площади:

A_p = \frac{\pi D^2}{4}

A_a = \frac{\pi \left(D^2-d^2\right)}{4}

Полная площадь поршня обозначена $A_p$ , кольцевая площадь со стороны штока — $A_a$ , диаметр поршня — $D$ , а диаметр штока — $d$ . Для получения результата в ньютонах используйте метры и паскали либо применяйте согласованный перевод инженерных единиц.

Для горизонтальной оси, медленно движущейся в направлении выдвижения, квазистатическая оценка имеет вид:

F_{\mathrm{est}} = P_c A_p - P_r A_a - F_{\mathrm{friction}}

Величины $P_c$ и $P_r$ — это избыточное давление соответственно в поршневой и штоковой полостях. Составляющая $F_{\mathrm{friction}}$ препятствует началу выдвижения, но не является одной фиксированной известной величиной. Вблизи покоя или смены направления рассматривайте трение как зависящий от направления диапазон неопределённости.

Для динамической оси, наклонённой на угол $\theta$ над горизонтом, при положительном направлении выдвижения используйте знаковый баланс сил:

F_{\mathrm{load}} = P_c A_p - P_r A_a - m a - m g \sin\theta - F_f

Общая движущаяся масса обозначена $m$ , ускорение вдоль положительного направления выдвижения — $a$ , а ускорение свободного падения — $g$ . Угол $\theta$ считается положительным, когда ось поднимается над горизонтом. Величина $F_f$ — неотрицательный модуль силы трения, препятствующей положительному выдвижению. Для втягивания перепишите баланс, поменяв местами роли давления и площади и изменив направление трения. Поэтому сопротивление на выхлопе может уменьшить доступное усилие даже при стабильном давлении питания.

Рассмотрим горизонтальный цилиндр с диаметром поршня 50 mm и диаметром штока 20 mm при квазистатическом выдвижении. При давлении 5.0 bar в поршневой полости и 0.8 bar в штоковой полости идеальная оценка по двум давлениям до учёта трения составляет около 850 N. Упрощённая формула $F = P_c A_p$ даёт около 982 N. Если пренебречь давлением со стороны штока, результат в этом примере будет завышен примерно на 132 N, или 15.5%. Такой расчёт служит исходной точкой для выбора типоразмера, а не заявлением о точности замкнутого контура. Измеряйте давление в обеих полостях во время фактического процесса, проверяйте противодавление на выхлопе и применяйте тензодатчик, если приёмочным критерием является усилие на инструменте. Эти две составляющие подробнее рассмотрены в руководстве по усилию от перепада давления и руководстве по противодавлению.

ИнструментПодбор цилиндраКалькулятор усилия цилиндраРассчитайте статическое усилие выдвижения и втягивания по диаметрам поршня и штока, давлению и поправкам; для проверки замкнутого контура используйте измеренные давления в полостях или тензодатчик.Усилие = давление × эффективная площадьдиаметр цилиндрадиаметр штокарабочее давлениеПоправка на трениеОткрыть калькулятор

Критерии выбора режима управления положением

Управление положением подходит для программируемых перемещений, индексации и задач, где результат задаётся измеренной координатой. Для CPX-CMAX компания Festo указывает 128 настраиваемых наборов положений и возможность независимой работы до 8 модулей, однако эти относящиеся к конкретной модели значения не определяют универсальную точность оси (документация на Festo CPX-CMAX, дата обращения: 2026 г.).

Выбирайте управление положением, если принимаемым результатом является измеренная координата, траектория или профиль движения. Типичные примеры: переналадка на другой формат, совмещение каретки с несколькими станциями, следование заданной траектории и возврат инструмента в подтверждённое безопасное положение. Непрерывная обратная связь по положению обязательна. Геркон может подтвердить достижение конечной точки, но не способен поддерживать постоянно корректируемый контур положения в середине хода. Не задавайте «точность» одним изолированным числом. Определите измерительную базу и проводите испытание на конечном инструменте, а не только на каретке цилиндра. Записывайте заданное и измеренное положения, направление подхода, полезную нагрузку, скорость, давление питания, длину трубки, температуру и время выдержки. Затем разграничьте следующие понятия:

Разрешение — минимальный отображаемый шаг.
Повторяемость — разброс результатов при многократном выполнении одного движения в заданных условиях.
Точность — расхождение измеренного результата с прослеживаемым эталоном.
Стабильность в позиции — перемещение оси при команде оставаться неподвижной.
Время установления — время, необходимое оси, чтобы войти в допустимый диапазон и оставаться в нём.

Что произойдёт, если инструмент встретит препятствие до достижения заданного положения? Ошибка положения сохранится, поэтому контроллер может продолжить выдавать команду на клапан. Следовательно, рабочему контуру положения необходимы ограничения усилия, давления, выходного сигнала и скорости, а также тайм-аут. Управление положением не заменяет средства обеспечения безопасности при контакте.

Критерии выбора режима управления усилием

Режим усилия следует применять в контролируемом контактном процессе, а не при неограниченном перемещении до роста давления. В руководстве CPX-CMAX уставка усилия, допуск усилия, нарастание усилия, программные конечные положения, контроль скорости и контроль хода рассматриваются как отдельные параметры. Это подтверждает, что регулирование нагрузки и контроль движения должны работать совместно (руководство по управлению Festo CPX-CMAX, дата обращения: 2026 г.).

Выбирайте управление усилием, когда высота или податливость детали меняется, а качество процесса зависит от контактной нагрузки. К этой категории могут относиться запрессовка, зажим, следование по поверхности, натяжение и испытания «усилие — перемещение». Сначала решите, достаточно ли оценки усилия по давлению. Если из-за трения, упругости оснастки или риска повреждения продукции допустимая погрешность мала, измеряйте усилие непосредственно в силовой цепи. Управлению усилием всё равно необходим контроль положения. Если ожидаемая деталь отсутствует, привод, стремящийся создать усилие, может продолжить движение, поскольку противодействующая сила не возникает. Руководство Festo предупреждает, что в таком случае возможны высокая скорость и неудерживаемый удар в конце хода, поэтому в режиме усилия предусмотрен контроль критической скорости и критического хода.

Если удар при контакте имеет значение, вместо резкого скачка используйте плавное нарастание усилия. Кроме того, задайте максимальное перемещение после обнаружения контакта, максимальное давление в каждой полости, максимальную команду клапана, время выдержки и реакцию на неисправность датчика. Контур управления не заменяет механическую допустимую нагрузку, независимую функцию безопасности или оценку риска. Регулирование давления по-прежнему может быть полезной частью системы: оно позволяет задавать воспроизводимую команду давления или ограничивать доступное усилие. Однако пропорциональный регулятор давления и пропорциональный клапан расхода регулируют разные величины, и ни один из них сам по себе не гарантирует усилие на детали.

Как выстроить последовательность режимов положения и усилия?

Надёжная последовательность перехода от положения к усилию сводит к минимуму неконтролируемое перемещение до начала регулирования усилия. Для наиболее быстрого управляемого нарастания усилия руководство Festo CPX-CMAX рекомендует позиционировать привод на расстоянии менее 1 mm от точки прессования. Это метод для конкретной модели, а не универсальная дистанция переключения (руководство по управлению Festo CPX-CMAX, дата обращения: 2026 г.).

Используйте конечный автомат, а не переключение режимов только по таймеру. Время таймера может истечь, даже если деталь отсутствует, ось запаздывает или сигнал давления сместился. Каждый переход должен требовать выполнения измеряемых условий и иметь независимый тайм-аут.

Поэтапная последовательность отделяет быстрое перемещение от защищённого контакта и регулирования усилия. Расстояния и пороги переходов необходимо проверять на фактической оси.

Состояние	Обязательное условие входа	Записываемые данные	Пример неисправности
Подвод	Ось привязана к началу отсчёта; команда находится в безопасном диапазоне	Команда, положение, скорость	Ошибка слежения или тайм-аут
Поиск контакта	Ось находится в проверенном окне подхода	Положение, оба давления, сигнал усилия	Предел хода достигнут без контакта
Нарастание усилия	Контакт подтверждён, сигналы датчиков достоверны	Уставка усилия, обратная связь, нарастание, выход клапана	Выброс усилия или отсутствие его роста
Выдержка	Усилие находится в допустимом диапазоне	Среднее, пик, минимум, длительность, дрейф положения	Усилие выходит из диапазона
Снятие нагрузки и отвод	Усилие ниже порога снятия	Остаточное усилие, график отвода, конечное положение	Нагрузка остаётся зажатой

Переключение режимов нельзя задавать универсальным числом миллисекунд. Физический переход зависит от логики контроллера, динамики клапана, объёма трубок и полостей, контактной жёсткости, полезной нагрузки и профиля нарастания усилия. Утверждать следует полную измеренную последовательность.

Ограничения безопасности и приёмочные испытания

ISO 4414:2010 — международный стандарт объёмом 38 страниц, охватывающий существенные опасности пневматических систем при проектировании, монтаже, регулировке, эксплуатации и техническом обслуживании. Поэтому штатный контур положения или усилия — лишь один уровень защиты; машине всё равно требуются определённое безопасное состояние и защитные меры, выбранные по результатам оценки риска (ISO 4414:2010).

Сначала определите реакцию на потерю электропитания и подачи воздуха, отказ датчика положения, расхождение показаний датчиков давления, перегрузку тензодатчика, разрыв трубки, потерю связи с клапаном и аварийный останов. Для вертикальной нагрузки может потребоваться механически рассчитанный тормоз или стопорное устройство. Сброс воздуха из контура также способен высвободить накопленную энергию или уронить подвешенный груз, поэтому команда «стравить воздух» не является универсально безопасной реакцией. При вводе в эксплуатацию следует получать графики параметров, а не субъективные впечатления. Записывайте заданное и измеренное положения, давление в поршневой и штоковой полостях, прямое измерение усилия при его наличии, команду клапана, состояние контроллера, флаги ограничений и временные метки. Проводите испытания при минимальной и максимальной полезной нагрузке, низком и высоком давлении питания, обоих направлениях подхода, соответствующих предельных температурах и репрезентативной длине трубок.

Используйте отдельные приёмочные критерии для каждого режима:

Показатель режима положения	Показатель режима усилия	Показатель последовательности и безопасности
Точность по заданной измерительной базе	Точность усилия по заданному тензодатчику	Максимальный ход после обнаружения контакта
Повторяемость для каждого направления подхода	Повторяемость в диапазоне деталей и температур	Максимальный выброс усилия или давления
Перерегулирование и время установления	Нарастание усилия и стабильность выдержки	Тайм-аут перехода и реакция на неисправность
Дрейф в позиции	Дрейф положения во время выдержки усилия	Безопасная реакция при отсутствии детали
Ошибка слежения по профилю движения	Разность между расчётным и непосредственно измеренным усилием	Поведение при перезапуске после прерванного цикла

Одного технического описания компонента недостаточно, чтобы принять систему по этой таблице. Например, в документации CPX-CMAX для пропорциональных клапанов VPWP указаны расходы 350, 700, 1,400 и 2,000 L/min. Эти четыре номинальных класса расхода помогают выбирать компоненты, но отклик готовой оси по-прежнему зависит от полного пневматического объёма, сопротивлений, нагрузки и настройки.

Какой режим управления подходит для вашей задачи?

В прямом режиме CPX-CMAX бит управления B1 со значением 0 соответствует положению, а со значением 1 — усилию, однако руководство всё равно задаёт для каждого состояния разные ограничения, профили нарастания и алгоритмы контроля. Один программный бит может выбрать режим, но не делает две цели управления равноценными (руководство по управлению Festo CPX-CMAX, дата обращения: 2026 г.). Принимайте решение по критерию приёмки процесса:

Основное требование	Рекомендуемая архитектура	Обязательное приёмочное испытание
Достичь нескольких запрограммированных положений	Управление положением с непрерывным датчиком	Ошибка положения, повторяемость, установление и реакция на неисправность под нагрузкой
Создавать приблизительное пневматическое усилие	Расчёт усилия по двум давлениям с контролем положения	Сопоставление расчётного усилия с эталонным тензодатчиком во всём рабочем диапазоне
Защитить хрупкий узел или сборку с нормативными требованиями	Прямое управление усилием по тензодатчику с контролем положения	Выброс усилия, стабильность выдержки, предел хода и реакция на отказ датчика
Быстро переместиться, затем выполнить прессование	Поэтапный подвод по положению, защищённый контакт, нарастание усилия и отвод по положению	Полная синхронизированная по времени запись положения, давления, усилия и состояния
Удерживать подвешенный груз	Управление движением по результатам оценки риска и подходящее механическое удерживающее устройство	Испытания при потере электропитания и воздуха, срабатывании тормоза, перезапуске и наличии запертой энергии

Если в запросе на коммерческое предложение указано только «интеллектуальный цилиндр с управлением усилием и положением», этого недостаточно. Добавьте регулируемую величину, тип и место установки датчика, метод оценки усилия, полезную нагрузку, ориентацию, ход, профиль скорости, трубки, диапазон давления, допустимую погрешность, безопасное состояние и процедуру приёмки. Эти данные определяют, нужна ли проекту оценка по давлению, прямая обратная связь по усилию или привод другого типа.

Часто задаваемые вопросы о режимах управления интеллектуальными цилиндрами

CPX-CMAX предлагает 2 выбираемых прямых режима управления — по положению и по усилию, но его внутренняя обратная связь по усилию рассчитывается по давлению. Для прямого управления усилием на детали необходим контроллер или внешний контур верхнего уровня, принимающий сигнал тензодатчика. В ответах ниже этот пример конкретного изделия отделён от универсальных требований (руководство по управлению Festo CPX-CMAX, дата обращения: 2026 г.).

Могут ли датчики давления заменить тензодатчик в контуре управления усилием?

Датчики давления позволяют оценить усилие поршня, если известны давления в обеих полостях, эффективные площади, полезная нагрузка, ориентация оси и поправка на трение. Однако они не измеряют усилие на инструменте напрямую. Если приёмочный критерий процесса зависит от фактической нагрузки на деталь, установите калиброванный датчик усилия в соответствующую силовую цепь и проверьте его соосность, диапазон, допустимую перегрузку и неопределённость измерения.

Может ли один контроллер переключаться между режимами управления положением и усилием?

Да, некоторые сервопневматические контроллеры поддерживают оба режима. Например, Festo CPX-CMAX поддерживает команды положения и усилия, а также последовательности наборов параметров. Перед выбором проверьте точные функции конкретного контроллера. Переключение должно выполняться управляемым конечным автоматом с подтверждением контакта, ограничениями усилия и хода, тайм-аутами и заданной реакцией на отсутствие ожидаемой детали.

Гарантирует ли управление положением постоянное контактное усилие?

Нет. Контур положения корректирует ошибку положения, поэтому контактное усилие может меняться из-за высоты и жёсткости детали, трения, деформации оснастки, давления и ограничений выходного сигнала контроллера. Защищайте процесс ограничениями усилия или давления. Если допуск на контактную нагрузку задан договорными требованиями, измеряйте усилие напрямую, а не выводите его из конечного положения или команды клапана.

Как задать точку переключения перед контактом?

Определяйте её по измеренному разбросу высоты деталей, тормозному пути, неопределённости датчика, повторяемости оси и допустимому ходу поиска контакта. Для одного метода прессования с CPX-CMAX компания Festo указывает менее 1 mm, но это не универсальное значение. Проверьте окно переключения при наихудших сочетаниях скорости, полезной нагрузки, давления питания, допусков оснастки и состояния детали.

Какие данные следует записывать при приёмочных испытаниях?

Синхронно записывайте положение, давление в обеих полостях, прямое измерение усилия при его наличии, команду клапана, состояние контроллера и флаги неисправностей. Выполняйте повторные циклы при разных полезных нагрузках, давлениях, температурах, направлениях подхода и вариантах деталей. Указывайте точность положения отдельно от повторяемости, а точность усилия — отдельно от линейности регулятора давления или расчётного усилия поршня.

Источники и технические материалы

Технические утверждения снабжены ссылками на соответствующий источник ISO или Festo при первом упоминании; характеристики конкретной модели нельзя переносить на другой контроллер без проверки его актуальной документации.

Управление усилием и положением в интеллектуальных пневмоцилиндрах

Eric Zhou