Kysymys: 'Pyörivät toimilaitteet' -tekniikan taustalla: Miten valitaan oikea vääntömomentti pneumaattisiin kiertäviin sovelluksiin?

Vastaus: Oikean vääntömomentin valinta pneumaattisille pyöriville toimilaitteille vaatii kolmen pääasiallisen pyörivän voiman laskemista: staattinen vääntömomentti (voittaa painovoiman ja ulkoiset fyysiset vastukset), dynaaminen vääntömomentti (kiihdyttää kuorman pyörimisjäykkyyttä tavoitellussa ajassa) ja kitkavääntömomentti (jota tuottavat laakerit ja sisäiset tiivistykset). Pneumaattiset pyörivät toimilaitteet tuottavat vääntömomenttia muuntamalla lineaarisen nestepaineen pyöriväksi voimaksi. Kaksi pääasiallista mekanismia ovat hammasratto- ja kampipyöräjärjestelmä sekä siivekkeellinen rakenne. Koska puristettu ilma on puristuvaa, liian pieni vääntömomentti johtaa hitaaseen kääntymiseen, pysähtymiseen kuormituksen alla tai heilahtelevaan pyörimiseen. Suunnittelijoiden tulee laskea kokonaishitausmomentti ja käyttää turvakerrointa 1,5–2,0 varmistaakseen sujuvan ja hallitun kääntymisen.

Johdanto: Hallitun pyörimisen voima

B2B-teollisessa automaatiossa lineaarinen liike on vain puolet tarinasta. Monet automatisoidut järjestelmät vaativat komponenttien kääntyvän, pyörivän, kääntyvän ympäri tai heilahtavan. Tyypillisiä esimerkkejä ovat robottikahvaimen kääntäminen osan siirtämiseksi, kemikaaliputken venttiilin käsikahvan kääntäminen tai pakkaus kääntäminen 180 astetta korkean nopeuden kuljetinradalla.

Vaikka sähköiset servomoottorit voivat hoitaa nämä tehtävät, ne ovat usein kalliita, vaativat monimutkaista ohjelmointia ja ovat alttiita pölyisille, kosteilta tai pesuun tarkoitetuille ympäristöille. Pneumaattiset pyörivät toimilaitteet tarjoavat tehokkaan, kestävän ja erinomaisen kustannustehokkuuden vaihtoehdon. Kuitenkin varmistaakseen tasaisen pyörähtämisen ilman pysähtymistä insinöörit täytyy ymmärtää vääntömomentin laskennan mekaaniset periaatteet. AIRWORK, johtava korkealuokkaisen pneumaattisen komponenttivalmistuksen valmistaja, tarjoaa insinöörityökalut ja kestävät toimilaitteet luotettavan kääntämisen saavuttamiseksi.

Pyörivän toimilaitteen mekanismien taustalla oleva insinööritiede

Oikean vääntömomentin valitsemiseksi on ensin tarkasteltava, miten toimilaite muuntaa ilmanpaineen pyöriväksi voimaksi. Teollisuudessa käytetyt kaksi pääsuunnittelua ovat:

• Hampurin ja hammaspyörän toimilaitteet: Tässä suunnittelussa käytetään yhtä tai kahta rinnakkaista lineaarista sylinteriputkea. Pistonvarret on suunniteltu hampuriksi. Kun puristettu ilma työntää pistejä, hampuri liukuu ympyränmuotoisen hammaspyörän yli, mikä pakottaa ulostuloväksyn pyörimään. Hampurin ja hammaspyörän toimilaitteita käytetään laajalti, koska ne tarjoavat vakion ja korkean vääntömomentin koko pyöräytyskulman ajan, ne ovat erinomaisen kestäviä ja niissä voidaan integroida kulman säätöjä sekä iskunvaimennusta kulkumatkan päässä.
• Siivekkeelliset toimilaitteet: Tämä kompakti rakenne koostuu sylinterimäisestä kammiossa, jossa on keskellä sijaitseva akseli, johon on kiinnitetty säteittäinen siiveke. Kun paineilmaa ohjataan kammion toiselle puolelle, se painaa suoraan siivekettä ja pyörittää akselia. Siivekkeelliset toimilaitteet ovat erinomaisen kompakteja, keveitä ja niissä ei ole melkein lainkaan takaiskuja. Kuitenkin, koska ilma voi vuotaa hitaasti yhden siivekkeen tiivisteen ohi, ne tuottavat alhaisempaa vääntömomenttia ja niitä käytetään yleensä kevyempien kuormien käsittelyyn.

Vääntömomentin mitoituksen perusfysiikka: Kolme komponenttia

Kun mitoitetaan toimilaitetta B2B-sovellukseen, älä tarkastele pelkästään kuorman painoa. Sinun on arvioitava kolme erillistä vääntömomenttikomponenttia:

• Komponentti 1: Staattinen vääntömomentti (Ts). Tämä on vääntömomentti, joka vaaditaan kuorman pitämiseen tai nostamiseen vastaan painovoimaa. Jos kuorma pyörii vaakasuorassa tasossa, painovoiman aiheuttama vääntömomentti on nolla. Jos kuorma kuitenkin pyörii pystysuorassa tasossa (esimerkiksi ovi, joka avautuu ylöspäin), painovoima aiheuttaa merkittävän vastustavan vääntömomentin, joka vaihtelee kulman mukaan.
• Komponentti 2: Dynaaminen vääntömomentti (Td). Tämä on vääntömomentti, joka vaaditaan kuorman pyörivän massan kiihdyttämiseen levosta tavoitekulmanopeuteen. Tätä säätelee kuorman massajakauma.
• Komponentti 3: Kitkavääntömomentti (Tf). Tämä on vastusvoima, joka syntyy ulkoisissa laakerointeissa, ohjausliukukilvissä ja toimilaitteen sisäisissä tiivistelmissä.

Vaiheittainen matemaattinen mitoitusopas

Actuatorin matemaattiseen mitoitukseen noudatetaan seuraavaa vaiheittaista insinöörimenetelmää:

• Vaihe 1: Laske massahitausmomentti (I). Hitausmomentti kuvaa kappaleen vastustusta pyörivälle kiihtyvyydelle. Se riippuu kuorman massasta (m) ja muodosta. Kiinteän suorakulmaisen levyn, jonka massa on m, leveys w ja pituus h, keskiksi akseliksi pyörivän hitausmomentin kaava on:

I = (1 / 12) × m × (w² + h²)

Kiinteän sylinterin, jonka massa on m ja säde r, keskiksi akseliksi pyörivän hitausmomentin kaava on:

I = 0,5 × m × r²

Huomaa, että kaikkien mittojen on oltava kilogrammoissa (kg) ja metreissä (m), jotta hitausmomentti saadaan yksikössä kilogramma neliömetriä (kg × m²).

• Vaihe 2: Määritä vaadittu kulmakiihtyvyys (α). Oletetaan, että kuorman on pyörähtävä kulman θ (radiaaneina) verran tavoitellussa ajassa t (sekunneissa), lähtien levosta. Tasaisen kiihtyvyyden oletuksella kaava on:

α = (2 × θ) / (t²)

Esimerkiksi 180 asteen pyörähtämiseen (eli π, eli 3,1416 radiaania) 1,0 sekunnissa:

• α = (2 × 3,1416) / (1,0 × 1,0) = 6,28 radiaania sekuntiin neliössä (rad/s²).
• Vaihe 3: Laske dynaaminen kiihdytystorsio (Ta). Kun sinulla on hitausmomentti (I) ja kulmakiihtyvyys (α), käytä pyörivän liikkeen Newtonin toista lakia:

Ta = I × α

Tämä antaa sinulle torquen (newtonmetreinä, Nm), joka vaaditaan ainoastaan kuorman kiihdyttämiseen.

• Vaihe 4: Laske momenttien summa ja sovella B2B-turvakerrointa. Lisää staattinen, dynaaminen ja kitkamomentti yhteen, jotta saat teoreettisen vaaditun momentin:

T kokonais = Ts + Td + Tf

B2B-koneiden rakentamisessa on aina käytettävä vähintään 1,5:n turvakerrointa yksinkertaisiin, hyvin ohjattuihin vaakasuoriin kierroksiin ja 2,0:n turvakerrointa pystysuoriin nostoihin tai muuttuvaa kitkaa kohtaaviin järjestelmiin. Siksi pneumaattisen toimilaitteen vähimmäisnimellismomentin tulee olla standardissa käyttöpaineessa (yleensä 5–6 bar):

T nimellis = T kokonais × turvakerroin

Käytännön mitoitusesimerkki: Tarttumalevyn kiertäminen

Lasketaan momentti, joka vaaditaan kiertymään kiinteää teräksestä valmistettua suorakulmaista tarttumalevyä vaakasuoraan:

• Kuorman massa (m) = 4,0 kg.
• Levyn mitat: leveys (w) = 0,2 metriä, pituus (h) = 0,1 metriä.
• Kohdekierros: 90 astetta (1,57 radiaania) 0,5 sekunnissa.

Laske ensin hitausmomentti (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.

Toiseksi lasketaan kulmakiihtyvyys (α):

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

Kolmanneksi lasketaan dynaaminen vääntömomentti (Ta):

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

Koska kyseessä on vaakasuora pyörähdys, staattinen painovoimavääntömomentti on nolla. Oletamme, että ulkoisen laakerin kitka on merkityksetön. Käytämme B2B-turvakerrointa 1,5:

• T_nimellinen = 0,209 Nm × 1,5 = 0,314 Nm.

Siksi meidän on valittava AIRWORKin pyörivä toimilaite, jonka nimellisvääntömomentti on vähintään 0,314 Nm käyttöpaineessa 5 bar.

AIRWORKin korkean suorituskyvyn pyörivät toimilaitteet

AIRWORK valmistaa laajan valikoiman hampaiden ja hammaspyörän ilmapaineisiin pyörivätoimilaitteisiin, mukaan lukien erinomaisesti suosittu MSQ- ja pyöriväpöytäsarja. Meidän toimilaitteissamme on seuraavat ominaisuudet:

• Korkean vetolujuuden omaavat seoksesta valmistetut teräksiset akselit ja hammaspyörät, jotka kestävät suuria leikkausvoimia.
• Kaksipistoolinen rautatiepohjainen rakenne, joka kaksinkertaistaa lähtövääntömomentin säilyttäen samalla tiukat mitat.
• Sisäiset korkean suorituskyvyn iskunvaimentimet, jotka ottavat vastaan pyörivän liike-energian ja estävät pomppimisen pyöräytysliikkeen päätyessä.
• Sisäiset magneettiset renkaat, jotka tukevat tarkkoja kiinteän tilan kulmasensoreita PLC:n paikannustakaisinkytkentää varten.

Yhteenveto: Saavuta tarkka pyörähtäminen AIRWORK-tuotteilla

Oikean vääntömomentin valinta on ratkaiseva tekijä siinä, toimiiko kone moitteettomasti vai pysähtyykö tai värähteekö se voimakkaasti. Kun suunnittelumiehet ottaa huomioon massahitausmomentin laskemisen, kiihtyvyysnopeuden määrittämisen ja AIRWORKin premium-laatuisten hammaspyörä- ja rautatiepohjaisten toimilaitteiden määrittelyn, he voivat varmistaa sileän, luotettavan ja energiatehokkaan pyörähdysliikkeen.

Vieraile osoitteessa jzpnu.com käyttääksesi ilmainen online-vääntömomenttilaskurimme, ladataksesi täydelliset pyörähtävien toimilaitteiden CAD-piirrustukset ja keskustellaksesi teknisen tuen tiimin kanssa.