Fråga: Tekniken bakom 'roterande aktuatorer': Hur väljer man rätt vridmoment för pneumatiska svängapplikationer?

Svar: Välja rätt vridmoment för pneumatiska roterande aktuatorer kräver beräkning av tre primära rotationskrafter: statisk vridmoment (för att övervinna gravitationen och yttre fysisk motstånd), dynamiskt vridmoment (för att accelerera rotationsmassan för lasten inom den angivna tiden) och friktionsvridmoment (som genereras av lager och interna tätningsringar). Pneumatiska roterande aktuatorer genererar vridmoment genom att omvandla linjärt fluidtryck till rotationskraft. De två huvudsakliga mekanismerna är kuggstange-och-kugghjulsdesign och skivdesign. Eftersom komprimerad luft är kompressibel leder valet av en aktuator med otillräckligt vridmoment till tröga svängningar, stannande under belastning eller studsande rotation. Konstruktörer bör beräkna det totala tröghetsmomentet och applicera en säkerhetsfaktor på 1,5–2,0 för att säkerställa smidig och kontrollerad svängning.

Introduktion: Kraften i kontrollerad rotation

Inom B2B-industrin inom automatisering är linjär rörelse bara halva historien. Många automatiserade system kräver att komponenter ska vridas, roteras, vändas eller svängas. Vanliga exempel inkluderar att rotera en robotgreppare för att överlämna en del, vrida ett ventilhandtag på en kemisk pipeline eller vända ett paket 180 grader på en höghastighetsbandtransportör.

Även om elektriska servomotorer kan hantera dessa uppgifter är de ofta dyra, kräver komplicerad programmering och är känsliga för dammiga, fuktiga eller rengöringsmiljöer (washdown). Pneumatiska rotationsaktuatorer erbjuder ett kraftfullt, robust och mycket kostnadseffektivt alternativ. För att garantera slät rotation utan blockering måste ingenjörer dock förstå de mekaniska principerna för vridmomentberäkning. AIRWORK, en ledande tillverkare av högkvalitativa pneumatiska komponenter, tillhandahåller de tekniska verktygen och robusta aktuatorerna som krävs för att uppnå pålitlig vridning.

Tekniken bakom rotationsaktuatorer

För att välja rätt vridmoment måste vi först undersöka hur aktuatorn omvandlar lufttryck till roterande kraft. De två huvudsakliga konstruktionerna som används inom branschen är:

• Kuggstång-och-kugghjulsaktuatorer: Denna konstruktion använder en eller två parallella linjära cylinderkamrar. Kolvrören är utformade som en kuggad kuggstång. När komprimerad luft trycker på kolvarna glider kuggstången över ett cirkulärt kugghjul, vilket tvingar utgående axeln att rotera. Kuggstång-och-kugghjulsaktuatorer är mycket populära eftersom de ger konstant, högt utmatningsvridmoment över hela rotationsvinkeln, är mycket slitstarka och möjliggör integrerade vinkeljusteringar och dämpning vid slutet av slaglängden.
• Vän-aktuatorer: Denna kompakta konstruktion består av en cylindrisk kammare som innehåller en central axel med ett strålande vinge- eller vän-element. När komprimerad luft ledes in på ena sidan av kammaren trycker den direkt mot vingen och roterar axeln. Vän-aktuatorer är mycket kompakta, lättviktiga och har nästan ingen spel. Emellertid genererar de lägre vridmoment eftersom luften kan sakta läcka förbi den enda vän-tätningsringen, och används därför vanligtvis för lättare laster.

Grundläggande fysik för dimensionering av vridmoment: De tre komponenterna

När du dimensionerar en aktuator för en B2B-applikation ska du inte endast ta hänsyn till lastens vikt. Du måste utvärdera tre olika vridmomentkomponenter:

• Komponent 1: Statiskt vridmoment (Ts). Detta är det vridmoment som krävs för att hålla eller lyfta lasten mot gravitationen. Om lasten roterar i ett horisontellt plan är gravitationsvridmomentet noll. Om lasten dock roterar vertikalt (t.ex. en dörr som svänger uppåt) skapar gravitationen ett betydande motståndande vridmoment som varierar med vinkeln.
• Komponent 2: Dynamisk vridmoment (Td). Detta är det vridmoment som krävs för att accelerera den roterande massan hos lasten från stillastående till dess mål-vinkelhastighet. Detta styrs av massfördelningen hos lasten.
• Komponent 3: Friktionsvridmoment (Tf). Detta är den motverkande kraft som genereras av externa lager, ledningsbussningar och aktuatorns interna tätningsringar.

Steg-för-steg-matematisk dimensioneringsguide

För att dimensionera en aktuator matematiskt följ denna steg-för-steg-tekniska procedur:

• Steg 1: Beräkna massyttröghetsmomentet (I). Yttröghetsmomentet representerar en kropps motstånd mot rotationsacceleration. Det beror på massan (m) och formen hos lasten. För en solid rektangulär platta med massan m, bredden w och längden h, som roterar kring sin centrala axel, är formeln:

I = (1 / 12) × m × (w² + h²)

För en solid cylinder med massan m och radien r, som roterar kring sin centrala axel, är formeln:

I = 0,5 × m × (r²)

Observera att alla dimensioner måste anges i kilogram (kg) och meter (m) för att momentet av tröghet ska erhållas i kg·m² (kg gånger m kvadrat).

• Steg 2: Bestäm den erforderliga vinkelaccelerationen (alpha). Antag att du behöver att lasten roterar genom en vinkel theta (i radianer) inom en måltid på t (i sekunder), med start från stillastående. Om man antar likformig acceleration ges formeln av:

alpha = (2 × theta) ÷ (t kvadrat)

Till exempel, för att rotera 180 grader (vilket motsvarar pi, eller 3,1416 radianer) på 1,0 sekund:

• alpha = (2 × 3,1416) ÷ (1,0 × 1,0) = 6,28 radianer per sekund kvadrerat (rad/s²).
• Steg 3: Beräkna den dynamiska accelerationsmomentet (Ta). När du har bestämt momentet av tröghet (I) och vinkelaccelerationen (alpha) använder du Newtons andra lag för rotation:

Ta = I × alpha

Detta ger dig det moment (i newtonmeter, eller N·m) som krävs endast för att accelerera lasten.

• Steg 4: Summera vridmomenten och tillämpa B2B-säkerhetsfaktorn. Addera de statiska, dynamiska och friktionsbetingade vridmomenten för att få det teoretiska vridmoment som krävs:

T total = Ts + Td + Tf

Vid B2B-maskinbyggnad ska alltid en säkerhetsfaktor på minst 1,5 användas för enkla, välstyrda horisontella rotationer och 2,0 för vertikala lyft eller system som utsätts för varierande friktion. Det minsta nominella vridmomentet för din pneumatiska aktuator vid standarddrifttrycket (vanligtvis 5–6 bar) bör därför vara:

T nominellt = T total × Säkerhetsfaktor

Praktisk dimensioneringsexempel: Svängning av en greppplatta

Låt oss beräkna det vridmoment som krävs för att rotera en solid stålrektangulär greppplatta horisontellt:

• Lastmassa (m) = 4,0 kg.
• Plattans mått: Bredd (w) = 0,2 meter, längd (h) = 0,1 meter.
• Önskad rotation: 90 grader (1,57 radianer) på 0,5 sekunder.

Beräkna först tröghetsmomentet (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.

Beräkna sedan vinkelaccelerationen (alpha):

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

Beräkna sedan den dynamiska vridmomentet (Ta):

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

Eftersom detta är en horisontell rotation är det statiska gravitationsvridmomentet noll. Vi antar att yttre lagerfriktion är försumbar. Vi tillämpar en B2B-säkerhetsfaktor på 1,5:

• T rated = 0,209 Nm × 1,5 = 0,314 Nm.

Vi måste därför välja en AIRWORK-roterande aktuator som är dimensionerad för att leverera minst 0,314 Nm vridmoment vid vårt drifttryck på 5 bar.

Högpresterande roterande aktuatorer från AIRWORK

AIRWORK tillverkar ett omfattande sortiment av kugghjuls- och pinjongpneumatiska roterande aktuatorer, inklusive de mycket populära MSQ- och roterande bordsserierna. Våra aktuatorer har följande egenskaper:

• Axlar och kugghjul av höghållfast legerad stål för att hantera stora skjuvkrafter.
• Dubbla kolvmotorer i kuggstangskonstruktioner för att fördubbla utmatningsvridmomentet samtidigt som en kompakt storlek bibehålls.
• Integrerade högpresterande stötdämpare för att absorbera rotationskinetisk energi och förhindra studsning vid rotationsänden.
• Inbyggda magnetiska band för att stödja precisionsstarka solid-state-vinkelsensorer för PLC-positionsmatning.

Slutsats: Uppnå precision i roterande rörelse med AIRWORK

Att välja rätt vridmoment är skillnaden mellan en maskin som roterar felfritt och en som stannar eller vibrerar våldsamt. Genom att ta tid på sig att beräkna masströghetsmomentet, fastställa accelerationshastigheterna och specificera premium kuggstangs- och kugghjulsdrivmotorer från AIRWORK kan konstruktörer säkerställa slät, tillförlitlig och energieffektiv roterande rörelse.

Besök jzpnu.com för att få tillgång till våra kostnadsfria online-vridmomentberäkningsverktyg, ladda ner kompletta CAD-ritningar av roterande drivmotorer och konsultera vårt tekniska supportteam.