Întrebare: Ingineria din spatele «actuatorilor rotativi»: Selectarea cuplului potrivit pentru pivotarea pneumatică?

Răspuns: Selectarea cuplului potrivit pentru actuatorii rotativi pneumatici necesită calcularea a trei forțe de rotație principale: cuplul static (pentru a învinge gravitația și rezistența fizică externă), cuplul dinamic (pentru a accelera inerția de rotație a sarcinii utile în timpul țintă) și cuplul de frecare (generat de rulmenți și etanșări interne). Actuatorii rotativi pneumatici generează cuplu prin conversia presiunii liniare a fluidului în forță de rotație. Cele două mecanisme principale sunt cele cu cremalieră și pinion, respectiv cele cu paletă. Deoarece aerul comprimat este compresibil, alegerea unui actuator cu cuplu insuficient duce la o mișcare de pivotare lentă, blocare sub sarcină sau rotație oscilantă. Inginerii de proiectare trebuie să calculeze momentul total de inerție și să aplice un factor de siguranță de 1,5–2,0 pentru a asigura o pivotare lină și controlată.

Introducere: Puterea rotației controlate

În automatizarea industrială B2B, mișcarea liniară reprezintă doar jumătate din poveste. Multe sisteme automate necesită ca componente să se rotească, să se învârtească, să se răstoarne sau să se balanseze. Exemple comune includ rotirea unei pinze robotizate pentru a preda o piesă, învârtirea manetei unei supape pe o conductă chimică sau întoarcerea unei ambalaje cu 180 de grade pe o bandă rulantă de înaltă viteză.

Deși motoarele electrice servo pot gestiona aceste sarcini, ele sunt adesea scumpe, necesită programare complexă și sunt vulnerabile în medii prăfuite, umede sau supuse spălării intensive. Actuatorii pneumatici rotativi oferă o alternativă puternică, robustă și extrem de cost-eficientă. Totuși, pentru a garanta o rotație fără întreruperi, inginerii trebuie să înțeleagă principiile mecanice ale calculului cuplului. AIRWORK, un producător de top de componente pneumatice de înaltă calitate, pune la dispoziție instrumentele inginerești și actuatorii robusti necesari pentru a asigura o pivotare fiabilă.

Ingineria din spatele mecanismelor actuatorilor rotativi

Pentru a selecta cuplul corect, trebuie mai întâi să analizăm modul în care actionatorul transformă presiunea aerului în forță de rotație. Cele două principale tipuri de construcție utilizate în industrie sunt:

• Actionatoare cu cremalieră și pinion: Această construcție utilizează unul sau două cilindri liniari paraleli. Tijele pistonului sunt realizate sub formă de cremalieră danturată. Pe măsură ce aerul comprimat împinge pistoanele, cremaliera alunecă pe o roată dințată circulară (pinion), determinând rotația arborelui de ieșire. Actionatoarele cu cremalieră și pinion sunt foarte populare, deoarece oferă un cuplu constant și ridicat pe întreaga gamă de unghiuri de rotație, sunt extrem de durabile și permit ajustări integrate ale unghiului, precum și amortizarea la capetele cursei.
• Actuatori de tip paletă: Această construcție compactă are o cameră cilindrică care conține un arbore central cu o paletă radială. Când aerul comprimat este direcționat într-o parte a camerei, acesta acționează direct asupra paletei, provocând rotația arborelui. Actuatorii cu paletă sunt extrem de compacți, ușori și au practic lipsă de joc. Totuși, deoarece aerul poate scăpa încet pe lângă etanșarea unică a paletei, aceștia generează un cuplu mai mic și sunt utilizați, în general, pentru sarcini mai ușoare.

Fizica de bază a dimensionării cuplului: Cele trei componente

La dimensionarea unui actuator pentru o aplicație B2B, nu vă uitați doar la greutatea sarcinii utile. Trebuie să evaluați trei componente distincte ale cuplului:

• Componenta 1: Cuplul static (Ts). Acesta este cuplul necesar pentru a menține sau ridica sarcina utilă împotriva gravitației. Dacă sarcina utilă se rotește într-un plan orizontal, cuplul datorat gravitației este zero. Totuși, dacă sarcina utilă se rotește vertical (de exemplu, o ușă care se deschide în sus), gravitația creează un cuplu rezistent semnificativ, care variază în funcție de unghi.
• Component 2: Cuplul dinamic (Td). Acesta este cuplul necesar pentru a accelera masa rotativă a sarcinii utile de la repaus până la viteza unghiulară țintă. Acesta este determinat de distribuția masei sarcinii utile.
• Component 3: Cuplul de frecare (Tf). Acesta este forța rezistentă generată de rulmenții externi, bucșele de ghidare și etanșările interne ale actuatorului.

Ghid matematic pas cu pas pentru dimensionare

Pentru a dimensiona un actuator din punct de vedere matematic, urmați acest protocol ingineresc pas cu pas:

• Pasul 1: Calculați momentul de inerție al masei (I). Momentul de inerție reprezintă rezistența unei corpuri la accelerația rotativă. El depinde de masă (m) și de forma sarcinii utile. Pentru o placă rectangulară solidă de masă m, lățime w și lungime h, care se rotește în jurul axei sale centrale, formula este:

I = (1 / 12) × m × (w² + h²)

Pentru un cilindru solid de masă m și rază r, care se rotește în jurul axei sale centrale, formula este:

I = 0,5 × m × (r²)

Rețineți că toate dimensiunile trebuie să fie exprimate în kilograme (kg) și metri (m) pentru a obține Momentul de Inerție în kilograme-metru pătrat (kg × m²).

• Pasul 2: Determinați accelerația unghiulară necesară (alpha). Presupunem că este necesar ca sarcina utilă să efectueze o rotație cu un unghi theta (în radiani) într-un interval țintă de timp t (în secunde), pornind din repaus. Presupunând o accelerație uniformă, formula este:

alpha = (2 × theta) / (t²)

De exemplu, pentru a efectua o rotație de 180 de grade (adică pi, sau 3,1416 radiani) în 1,0 secundă:

• alpha = (2 × 3,1416) / (1,0 × 1,0) = 6,28 radiani pe secundă pătrat (rad/s²).
• Pasul 3: Calculați cuplul de accelerație dinamic (Ta). Odată ce aveți momentul de inerție (I) și accelerația unghiulară (alpha), utilizați legea a doua a lui Newton pentru rotație:

Ta = I × alpha

Aceasta vă oferă cuplul (exprimat în newton-metri, sau N·m) necesar exclusiv pentru accelerarea sarcinii utile.

• Pasul 4: Însumați cuplurile și aplicați coeficientul de siguranță B2B. Adăugați împreună cuplurile statice, dinamice și de frecare pentru a determina cuplul teoretic necesar:

T total = Ts + Td + Tf

În construcția de mașini B2B, aplicați întotdeauna un coeficient de siguranță de cel puțin 1,5 pentru rotații orizontale simple și bine ghidate și de 2,0 pentru ridicări verticale sau sisteme supuse frecării variabile. Prin urmare, cuplul minim nominal al acționării pneumatice trebuie să fie:

T nominal = T total × Coeficientul de siguranță

Exemplu practic de dimensionare: Rotirea unei plăci de prindere

Să calculăm cuplul necesar pentru rotirea unei plăci rectangulare de prindere din oțel masiv, în plan orizontal:

• Masa sarcinii (m) = 4,0 kg.
• Dimensiunile plăcii: lățime (w) = 0,2 metri, lungime (h) = 0,1 metri.
• Rotația dorită: 90 de grade (1,57 radiani) în 0,5 secunde.

Mai întâi, calculați momentul de inerție (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.

În al doilea rând, calculați accelerația unghiulară (alpha):

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

În al treilea rând, calculați cuplul dinamic (Ta):

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

Deoarece aceasta este o rotație orizontală, cuplul static datorat gravitației este zero. Vom presupune că frecarea exterioară a lagărelor este neglijabilă. Aplicăm un factor de siguranță B2B de 1,5:

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

Prin urmare, trebuie să selectăm un actionator rotativ AIRWORK care să fie clasificat pentru o ieșire de cel puțin 0,314 N·m la presiunea noastră de funcționare de 5 bar.

Actionatoare rotative de înaltă performanță de la AIRWORK

AIRWORK produce o gamă completă de actionatoare rotative pneumatice cu cremalieră și pinion, inclusiv seria foarte populară MSQ și seria de mese rotative. Actionatoarele noastre prezintă:

• Arbori și pinioane din oțel aliat cu rezistență ridicată la tracțiune, concepute pentru a suporta forțe de forfecare masive.
• Construcții cu cremalieră cu dublu piston pentru dublarea cuplului de ieșire, păstrând în același timp un gabarit compact.
• Amortizoare integrate de înaltă performanță pentru absorbția energiei cinetice de rotație și pentru prevenirea oscilațiilor la finalul rotației.
• Benzi magnetice interne pentru susținerea senzorilor de unghi cu stare solidă, preciși, care furnizează feedback-ul poziției PLC.

Concluzie: Obțineți pivotare precisă cu AIRWORK

Alegerea cuplului potrivit face diferența între o mașină care se rotește fără probleme și una care se blochează sau vibrează violent. Prin calculul atent al momentului de inerție al masei, determinarea ratelor de accelerare și specificarea actuatorilor premium cu cremalieră și pinion de la AIRWORK, inginerii de proiectare pot asigura o mișcare rotativă lină, fiabilă și eficientă energetic.

Accesați jzpnu.com pentru a utiliza gratuit calculatorii online de cuplu, pentru a descărca desenele CAD complete ale actuatorilor rotativi și pentru a consulta echipa noastră de sprijin tehnic.