Spørgsmål: Ingenejørarbejdet bag 'roterende aktuatorer': Vælg det rigtige drejningsmoment til pneumatiske drejeapplikationer?

Svar: Vælg det rigtige drejningsmoment til pneumatiske roterende aktuatorer kræver beregning af tre primære rotationskræfter: statisk drejningsmoment (for at overvinde tyngdekraften og ekstern fysisk modstand), dynamisk drejningsmoment (for at accelerere rotationsinertien for lasten inden for den ønskede tid) og friktionsdrejningsmoment (genereret af lejer og interne tætninger). Pneumatiske rotationsaktuatorer genererer drejningsmoment ved at omforme lineart væskepres til rotationskraft. De to primære mekanismer er tandstang-og-tandhjulsdesign samt vingetype-design. Da komprimeret luft er komprimerbar, fører valg af en aktuator med utilstrækkeligt drejningsmoment til træge drejebevægelser, standset drift under belastning eller ustabilt, hoppende rotation. Konstruktionsingeniører bør beregne det samlede inertimoment og anvende en sikkerhedsfaktor på 1,5 til 2,0 for at sikre glat og kontrolleret drejning.

Introduktion: Kraften i kontrolleret rotation

I B2B-industriel automation er lineær bevægelse kun halvdelen af historien. Mange automatiserede systemer kræver, at komponenter drejer, roterer, vendes eller svinger. Almindelige eksempler inkluderer rotation af en robotgreb for at overgive en komponent, drejning af en ventilhåndtag på en kemisk rørledning eller vendning af et pakke 180 grader på en højhastighedsstrømmebane.

Selvom elektriske servomotorer kan håndtere disse opgaver, er de ofte dyre, kræver kompleks programmering og er sårbare over for støvede, fugtige eller rengøringsvenlige miljøer. Pneumatiske rotationsaktuatorer tilbyder et kraftfuldt, robust og meget omkostningseffektivt alternativ. For at sikre glat rotation uden standsel skal ingeniører imidlertid forstå de mekaniske principper bag drejningsmomentberegning. AIRWORK, en ledende producent af high-end-pneumatiske komponenter, leverer de tekniske værktøjer og robuste aktuatorer, der er nødvendige for at opnå pålidelig drejning.

Teknikken bag rotationsaktuatormekanismer

For at vælge det korrekte drejningsmoment skal vi først se på, hvordan aktuatoren omdanner lufttryk til roterende kraft. De to primære designprincipper, der anvendes i branchen, er:

• Gear- og tandstangsaktuatorer: Dette design bruger én eller to parallelle lineære cylinderrør. Stempelstængerne er udført som en tandet tandstang. Når komprimeret luft presser stemplerne, bevæger tandstangen sig langs et cirkulært tandhjul (pinion), hvilket tvinger akslen til at rotere. Gear- og tandstangsaktuatorer er meget populære, fordi de leverer konstant, højt udgangsdrejningsmoment gennem hele rotationsvinklen, er meget holdbare og tillader integrerede vinkeljusteringer samt dæmpning ved slagende ende.
• Vaneaktuatorer: Denne kompakte konstruktion består af en cylindrisk kamer med en central aksel og en stråleformet vinge eller vane. Når komprimeret luft ledes ind på den ene side af kameret, presser den direkte mod vanen og roterer akslen. Vaneaktuatorer er meget kompakte, letvægtige og har næsten ingen spil. Dog genererer de lavere drejningsmoment, fordi luften langsomt kan lekke forbi den enkelte vanetætning, og de anvendes typisk til lettere laster.

Kernefysikken bag drejningsmomentudmåling: De tre komponenter

Når du dimensionerer en aktuator til en B2B-anvendelse, skal du ikke kun tage højde for lastens vægt. Du skal evaluere tre adskilte drejningsmomentkomponenter:

• Komponent 1: Statisk drejningsmoment (Ts). Dette er det drejningsmoment, der kræves for at holde eller løfte lasten op mod tyngdekraften. Hvis lasten roterer i et vandret plan, er tyngdekraftdrejningsmomentet nul. Hvis lasten imidlertid drejer lodret (f.eks. en dør, der svinger opad), skaber tyngdekraften et betydeligt modstående drejningsmoment, som varierer med vinklen.
• Komponent 2: Dynamisk drejningsmoment (Td). Dette er det drejningsmoment, der kræves for at accelerere lastens roterende masse fra hvile til dens mål-vinkelhastighed. Dette styres af lastens massefordeling.
• Komponent 3: Friktionsdrejningsmoment (Tf). Dette er den modkræftende kraft, der genereres af eksterne lejer, føringsskæringer og aktuatorens interne tætninger.

Trin-for-trin-matematisk dimensioneringsvejledning

For at dimensionere en aktuator matematisk skal du følge denne trin-for-trin-tekniske procedure:

• Trin 1: Beregn masstrådmodstanden (I). Masstrådmodstanden repræsenterer et legemes modstand mod roterende acceleration. Den afhænger af massen (m) og lastens form. For en massiv rektangulær plade med massen m, bredden w og længden h, der roterer om sin centrale akse, er formlen:

I = (1 / 12) × m × (w i anden + h i anden)

For en massiv cylinder med massen m og radius r, der roterer om sin centrale akse, er formlen:

I = 0,5 × m × (r i anden)

Bemærk, at alle mål skal være angivet i kilogram (kg) og meter (m), så inertimomentet beregnes i kg·m² (kg gange m i anden potens).

• Trin 2: Bestem det krævede vinkelacceleration (alpha). Antag, at du skal rotere lasten gennem en vinkel på theta (i radianer) inden for en måltid på t (i sekunder), idet starten sker fra hvile. Under antagelse af jævn acceleration er formlen:

alpha = (2 × theta) ÷ (t i anden potens)

For eksempel for at rotere 180 grader (som svarer til pi, eller 3,1416 radianer) på 1,0 sekund:

• alpha = (2 × 3,1416) ÷ (1,0 × 1,0) = 6,28 radianer pr. sekund i anden potens (rad/s²).
• Trin 3: Beregn det dynamiske accelerationsmoment (Ta). Når du har inertimomentet (I) og vinkelaccelerationen (alpha), bruges Newtons anden lov for rotation:

Ta = I × alpha

Dette giver dig momentet (i newtonmeter, eller N·m), der udelukkende kræves for at accelerere lasten.

• Trin 4: Summer drejningsmomenterne og anvend B2B-sikkerhedsfaktoren. Læg de statiske, dynamiske og friktionsbetingede drejningsmomenter sammen for at finde det teoretiske krævede drejningsmoment:

T total = Ts + Td + Tf

I B2B-maskinbygning skal der altid anvendes en sikkerhedsfaktor på mindst 1,5 til simple, velstyrede horisontale rotationer og 2,0 til vertikale løft eller systemer udsat for variabel friktion. Drejningsmomentet for din pneumatiske aktuator ved den standard driftstryk (normalt 5–6 bar) skal derfor være mindst:

T nominel = T total × Sikkerhedsfaktor

Praktisk dimensioneringseksempel: Drejning af en grebeplate

Lad os beregne det drejningsmoment, der kræves for at rotere en massiv stålrektangulær grebeplate horisontalt:

• Lastmasse (m) = 4,0 kg.
• Pladens dimensioner: Bredde (w) = 0,2 meter, længde (h) = 0,1 meter.
• Ønsket rotation: 90 grader (1,57 radianer) på 0,5 sekund.

Beregn først inertimomentet (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.

For det andet beregnes vinkelaccelerationen (alpha):

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

For det tredje beregnes den dynamiske drejningsmoment (Ta):

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

Da det her er en vandret rotation, er det statiske tyngdedrejningsmoment nul. Vi antager, at ydre lejrefriktion er tilnærmelsesvis ubetydelig. Vi anvender en B2B-sikkerhedsfaktor på 1,5:

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

Derfor skal vi vælge en AIRWORK-roterende aktuator, der er certificeret til at levere mindst 0,314 N·m drejningsmoment ved vores driftstryk på 5 bar.

Højtydende roterende aktuatorer fra AIRWORK

AIRWORK fremstiller et omfattende udvalg af tandstangs- og tandhjuls-pneumatiske roterende aktuatorer, herunder de meget populære MSQ-serie og roterende bordserier. Vores aktuatorer har følgende egenskaber:

• Aksler og tandhjul af højstærkt legeret stål til at håndtere kolossale skæraftager.
• Rakdesign med dobbeltkolve til at fordoble udgangsmomentet, mens der opretholdes en kompakt størrelse.
• Integrerede højtydende støddæmpere til at absorbere rotationskinetisk energi og forhindre hop i slutningen af rotationen.
• Indvendige magnetiske bånd til at understøtte præcise solid-state vinkelsensorer til PLC-positionstilbagemelding.

Konklusion: Opnå præcis drejning med AIRWORK

At vælge det rigtige moment er forskellen mellem en maskine, der drejer fejlfrit, og en, der går i stå eller vibrerer kraftigt. Ved at tage tid til at beregne masse-inertimomentet, fastslå accelerationshastighederne og specificere premium rack-and-pinion-aktuatorer fra AIRWORK kan konstruktionsingeniører sikre glat, pålidelig og energieffektiv roterende bevægelse.

Besøg jzpnu.com for at få adgang til vores gratis online momentberegner, downloade komplette CAD-tegninger af roterende aktuatorer og rådføre dig med vores tekniske supportteam.