Въпрос: Инженерните принципи зад 'ротационните актуатори': Избор на подходящ въртящ момент за пневматична ротация?

Отговор: Избор на подходящ въртящ момент за пневматични ротационни актуатори изисква изчисляването на три основни въртящи сили: статичен въртящ момент (за преодоляване на гравитацията и външното физическо съпротивление), динамичен въртящ момент (за ускоряване на въртящата инерция на товара в рамките на целевото време) и триене (генерирано от лагерите и вътрешните уплътнения). Пневматичните ротационни актуатори генерират въртящ момент чрез преобразуване на линейното налягане на флуида в ротационна сила. Двете основни механизма са зъбчато-зъбчатият и лопатковият тип. Тъй като компресираният въздух е свиваем, изборът на актуатор с недостатъчен въртящ момент води до бавно завъртане, спиране под натоварване или нестабилно („подскачащо“) завъртане. Инженерите по проектиране трябва да изчислят общия момент на инерция и да приложат коефициент на сигурност от 1,5 до 2,0, за да се осигури гладко и контролирано завъртане.

Въведение: Силата на контролираното завъртане

В B2B индустриалната автоматизация линейното движение е само половината от историята. Много автоматизирани системи изискват компонентите да се завъртат, да ротират, да се обърнат или да се люлеят. Често срещани примери включват завъртане на роботизирана щипка, за да се предаде детайл, завъртане на дръжката на клапа по химически тръбопровод или обръщане на пакет на 180 градуса по високоскоростна конвейерна линия.

Макар електрическите сервомотори да могат да изпълняват тези задачи, те често са скъпи, изискват сложни програмни решения и са уязвими в прашни, влажни или измивани среда. Пневматичните ротационни актуатори предлагат мощна, издръжлива и изключително икономична алтернатива. Въпреки това, за да се гарантира гладко завъртане без спиране, инженерите трябва да разбират механичните принципи на изчисляване на въртящия момент. AIRWORK, водещ производител на висококачествени пневматични компоненти, предоставя инженерните инструменти и надеждни актуатори, необходими за осигуряване на стабилно завъртане.

Инженерната основа на ротационните актуаторни механизми

За да изберем правилния въртящ момент, първо трябва да разгледаме начина, по който актуаторът преобразува въздушното налягане в ротационна сила. Двете основни конструкции, използвани в промишлеността, са:

• Актуатори със зъбчато колело и зъбчато летвиче: Тази конструкция използва един или два успоредни линейни цилиндрични корпуса. Буталните пръти са проектирани като зъбчато летвиче. Когато компресираният въздух бута буталата, летвичето се плъзга по кръгло зъбчато колело (пиньон), което принуждава изходящия вал да се завърти. Актуаторите със зъбчато колело и зъбчато летвиче са изключително популярни, тъй като осигуряват постоянен и висок изходен въртящ момент през целия ъгъл на въртене, са изключително издръжливи и позволяват интегрирани регулировки на ъгъла и амортизиране в края на хода.
• Актуатори с перки: Този компактен дизайн включва цилиндричен корпус, съдържащ централна ос с радиално разположена перка. Когато компресиран въздух се подава в едната страна на корпуса, той оказва директно налягане върху перката и завърта оста. Актуаторите с перки са изключително компактни, леки и практически нямат люфт. Обаче, тъй като въздухът може бавно да изтича през уплътнението на единствената перка, те генерират по-нисък въртящ момент и обикновено се използват за по-леки товари.

Основни физични принципи при избора на въртящ момент

При избора на актуатор за B2B приложение не се ръководете само от теглото на товара. Трябва да оцените три отделни компонента на въртящия момент:

• Компонент 1: Статичен въртящ момент (Ts). Това е въртящият момент, необходим за задържане или вдигане на товара срещу гравитацията. Ако товарът се върти в хоризонтална равнина, гравитационният въртящ момент е нулев. Ако обаче товарът се завърта вертикално (например врата, която се отваря нагоре), гравитацията създава значителен съпротивителен въртящ момент, който варира според ъгъла.
• Компонент 2: Динамичен въртящ момент (Td). Това е въртящият момент, необходим за ускоряване на ротационната маса на товара от състояние на покой до целевата ъглова скорост. Той се определя от разпределението на масата на товара.
• Компонент 3: Трибологичен въртящ момент (Tf). Това е съпротивителната сила, генерирана от външни лагери, водещи бушони и вътрешните уплътнения на актуатора.

Поетапно математическо ръководство за избор на размери

За да изберете математически размера на актуатора, следвайте този поетапен инженерен протокол:

• Стъпка 1: Изчислете масовия момент на инерция (I). Моментът на инерция представлява съпротивата на тялото срещу ротационно ускорение. Той зависи от масата (m) и формата на товара. За сплошна правоъгълна плоча с маса m, ширина w и дължина h, въртяща се около централната си ос, формулата е:

I = (1 / 12) × m × (w на квадрат + h на квадрат)

За сплошния цилиндър с маса m и радиус r, въртящ се около централната си ос, формулата е:

I = 0,5 × m × (r на квадрат)

Обърнете внимание, че всички размери трябва да бъдат в килограми (kg) и метри (m), за да се получи моментът на инерция в килограм-метър на квадрат (kg·m²).

• Стъпка 2: Определете необходимото ъглово ускорение (α). Да предположим, че е необходимо товарът да се завърти под ъгъл θ (в радиани) за целево време t (в секунди), като започва от покой. При допускане на равномерно ускорение формулата е:

α = (2 × θ) / (t²)

Например, за да се извърши завъртане на 180 градуса (което е π или 3,1416 радиана) за 1,0 секунда:

• α = (2 × 3,1416) / (1,0 × 1,0) = 6,28 радиана на секунда на квадрат (rad/s²).
• Стъпка 3: Изчислете динамичния ускорителен въртящ момент (Ta). След като сте определили момента на инерция (I) и ъгловото ускорение (α), използвайте втория закон на Нютон за въртеливо движение:

Ta = I × α

Това дава въртящия момент (в нютон-метра, или N·m), необходим само за ускоряване на товара.

• Стъпка 4: Сумиране на въртящите моменти и прилагане на коефициента за безопасност B2B. Съберете статичния, динамичния и триенето предизвикан въртящ момент, за да определите теоретичния необходим въртящ момент:

T общ = Ts + Td + Tf

При машинно строителство B2B винаги прилагайте коефициент за безопасност поне 1,5 за прости, добре насочени хоризонтални въртения и 2,0 за вертикални издигания или системи, подложени на променливо триене. Следователно минималният номинален въртящ момент на вашия пневматичен актуатор при стандартното работно налягане (обикновено 5–6 бара) трябва да е:

T номинален = T общ × Коефициент за безопасност

Практичен пример за избор на размери: Завъртане на плоча за хващане

Нека изчислим въртящия момент, необходим за хоризонтално завъртане на правоъгълна стоманена плоча за хващане:

• Маса на товара (m) = 4,0 kg.
• Размери на плочата: ширина (w) = 0,2 m, дължина (h) = 0,1 m.
• Целево завъртане: 90 градуса (1,57 рад) за 0,5 секунди.

Първо изчислете момента на инерция (I):

• I = (1 / 12) × 4,0 kg × (0,2² + 0,1²) = 0,333 × (0,04 + 0,01) = 0,333 × 0,05 = 0,01665 kg × m².

Второ, изчислете ъгловото ускорение (α):

• α = (2 × 1,57 rad) / (0,5 × 0,5) = 3,14 / 0,25 = 12,56 rad/s².

Трето, изчислете динамичния въртящ момент (Ta):

• Ta = 0,01665 kg × m² × 12,56 rad/s² = 0,209 N·m.

Тъй като това е хоризонтално въртене, статичното въртящо момент от гравитацията е нула. Предполагаме, че външното триене в лагерите е пренебрежимо. Прилагаме коефициент на безопасност B2B от 1,5:

• T_номинално = 0,209 N·m × 1,5 = 0,314 N·m.

Следователно трябва да изберем ротационен актуатор AIRWORK с номинална мощност поне 0,314 N·m при работно налягане от 5 bar.

Високопроизводителни ротационни актуатори от AIRWORK

AIRWORK произвежда комплексен асортимент пневматични ротационни актуатори с зъбчато-рейков механизъм, включително много популярните серии MSQ и ротационни маси. Нашият актуатори разполагат с:

• Валове и зъбни колела от високопрочна легирана стомана за поемане на големи срязващи сили.
• Двойни зъбчати рейки с два бутала, които удвояват изходния въртящ момент, без да увеличават габаритите.
• Вградени високопроизводителни амортисьори за поглъщане на ротационната кинетична енергия и предотвратяване на подскачане в края на завъртането.
• Вътрешни магнитни ленти за поддържане на прецизни твърдотелни ъглови сензори за обратна връзка за положението на ПЛК.

Заключение: Постигнете прецизно завъртане с AIRWORK

Изборът на правилния въртящ момент е разликата между машина, която се завърта безупречно, и такава, която спира или вибрира силно. Като отделите време за изчисляване на масовия момент на инерция, определяне на скоростта на ускорение и специфициране на висококачествени зъбчати рейки и зъбни колела от AIRWORK, проектиращите инженери могат да гарантират гладко, надеждно и енергийно ефективно ротационно движение.

Посетете jzpnu.com, за да използвате нашите безплатни онлайн калкулатори за въртящ момент, да изтеглите пълните CAD чертежи на ротационни актуатори и да консултирате нашия инженерен екип за поддръжка.