Ci sono considerazioni elettriche e meccaniche da tenere in conto quando si implementa un attuatore lineare. A volte può essere difficile scegliere la dimensione e la forza corrette. Ad esempio, l’attuatore può essere classificato per gestire il doppio del peso di una botola in termini di forza, ma avere comunque difficoltà ad aprirla. Ciò potrebbe accadere a causa dell’angolo di applicazione della forza o di una leva insufficiente.
In questo blog condivideremo una serie di calcoli semplificati che offrono un buon punto di partenza per definire i requisiti di forza e di lunghezza di Corsa per un attuatore lineare.
Movimento lineare
Quando parliamo di movimento lineare, intendiamo che lo spostamento del carico è lineare e può avvenire sotto forma di sollevamento o pompaggio. Questo blog tratterà principalmente il movimento verticale, ma le stesse tecniche possono essere utili anche per analizzare il movimento orizzontale. Diamo un’occhiata all’esempio in figura qui sotto.
Figura 1: Movimento lineare con attuatore inclinato
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Variabile |
Spiegazione |
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L1 |
Lunghezza dell’attuatore quando è completamente retratto. |
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L2 |
Lunghezza dell’attuatore quando è completamente esteso. |
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Y1 |
Distanza sull’asse Y tra il punto di Montaggio anteriore dell’attuatore e quello posteriore. |
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X1 |
Distanza sull’asse X tra il punto di Montaggio anteriore dell’attuatore e quello posteriore. |
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Y2 |
La distanza verticale che il carico dovrà percorrere. |
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S |
Corsa dell’attuatore – la distanza di cui un attuatore si estende. |
Qui abbiamo un attuatore inclinato che cerca di spostare una massa verso l’alto. La massa ha rulli su entrambi i lati per indicare che può muoversi solo su e giù. I punti di Montaggio all’estremità anteriore e posteriore dell’attuatore sono fissati in posizione, quindi possono solo ruotare.
Calcolo della lunghezza di Corsa dell’attuatore
Se X1 fosse 0, l’attuatore lineare non sarebbe più inclinato, quindi la distanza verticale percorsa dal carico sarebbe uguale alla Corsa.
Esaminiamo un caso più impegnativo in cui X1 non è 0. Per ottenere lo spostamento verticale del carico, l’ attuatore elettrico dovrà sia estendersi sia ruotare. Questo è vantaggioso perché l’attuatore occuperà meno spazio. In tal caso, la lunghezza di Corsa non coinciderà con lo spostamento verticale. Per trovare la lunghezza di Corsa, servirà fare un po’ di calcoli!
Ricorda che la Corsa è semplicemente la differenza tra la lunghezza dell’attuatore completamente esteso e quella completamente retratta.
Le lunghezze dell’attuatore completamente retratto ed esteso sono l’ipotenusa di un triangolo definito dai punti di Montaggio anteriore e posteriore.
Figura 2: Determinare le lunghezze retratta (L1) ed estesa (L2) di un attuatore
Con questo metodo possiamo trovare la lunghezza di Corsa corrispondente alla distanza verticale desiderata per lo spostamento della massa. In base alla formula, più piccolo è il valore di X1, maggiore sarà la quota di lunghezza di Corsa che contribuisce allo spostamento verticale. Se X1 è grande, piccoli aumenti della lunghezza di Corsa porteranno a grandi variazioni della distanza di spostamento verticale.
Se l’attuatore fosse posizionato perfettamente in verticale, la variazione di altezza sarebbe semplicemente pari all’estensione dell’attuatore. Posizionare l’attuatore inclinato aumenterà l’intervallo totale di movimento lineare della massa e l’attuatore potrebbe occupare meno spazio. Detto ciò, causerà anche del carico laterale e occorre fare attenzione a non far flettere lo stelo dell’attuatore. Quando si colloca l’attuatore con questa inclinazione, si raccomandano Corse più corte.
Figura 3: Confronto tra lunghezza di Corsa e distanza di spostamento per il movimento lineare
Calcolo della forza dell’attuatore
Possiamo continuare a usare le proprietà dei triangoli per trovare la forza dell’attuatore. Nota che, se l’attuatore è inclinato, la forza applicata si scompone in una componente orizzontale e una verticale. La componente orizzontale della forza non contribuisce al movimento. La componente verticale spingerà la massa verso l’alto, quindi dobbiamo assicurarci che l’attuatore fornisca sempre forza sufficiente.
Figura 4: Scomposizione delle forze per il movimento lineare
Partiamo calcolando la forza verticale della massa.
Possiamo calcolare la forza verticale richiesta all’attuatore come segue:
Qui usiamo L1 perché l’attuatore avrà la minore forza verticale quando è completamente retratto. Quando si sceglie un attuatore, dobbiamo assicurarci che sia in grado di fornire una forza dinamica e statica superiore a F Total che abbiamo calcolato.
Movimento rotativo
Quando parliamo di movimento rotativo, intendiamo che il carico o la massa ruota attorno a un asse. Questo può riguardare un’applicazione con una porta o un portello che si apre. Potrebbe anche essere l’inclinazione di un cassone su un camion.
Figura 5: Movimento rotativo con attuatore inclinato
In Figura 5 vediamo una vista laterale di una porta verticale o di un portello predisposto per essere aperto con un attuatore lineare. La retrazione completa dell’attuatore è indicata dalla posizione ① e l’estensione completa dalla posizione ②. L’attuatore è montato inclinato sia in massima estensione sia in massima retrazione.
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Variabile |
Spiegazione |
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L1 |
Lunghezza dell’attuatore quando è completamente retratto. |
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L2 |
Lunghezza dell’attuatore quando è completamente esteso. |
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Y1 |
Distanza sull’asse Y tra il punto di Montaggio posteriore dell’attuatore e l’asse di rotazione della porta (cerniera). |
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X1 |
Distanza sull’asse X tra il punto di Montaggio posteriore dell’attuatore e l’asse di rotazione della porta (cerniera). |
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Y2 |
Distanza tra l’asse di rotazione della porta (cerniera) e il punto di Montaggio anteriore dell’attuatore. |
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S |
Corsa dell’attuatore – la distanza di cui un attuatore si estende. |
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L3 |
La lunghezza totale della porta. |
L’esempio usa un attuatore lineare montato inclinato per considerare un caso più generale. Se vuoi trovare la lunghezza di Corsa e la forza dell’attuatore quando è montato perpendicolarmente alla porta, puoi seguire la guida impostando quanto segue:
Calcolo della lunghezza di Corsa dell’attuatore
Useremo lo stesso metodo dei triangoli impiegato nella sezione sul movimento lineare. L’unica differenza è che qui i triangoli vengono costruiti in modo diverso.
Figura 6: Determinazione della lunghezza dell’attuatore retratto (L1) ed esteso (L2)
Come prima, la lunghezza di Corsa è la differenza tra la lunghezza completamente estesa e quella completamente retratta dell’attuatore. Possiamo trovarla semplicemente così:
In questo caso, la lunghezza di Corsa dell’attuatore dipende fortemente dalla posizione dei punti di Montaggio anteriore e posteriore. Quanto più avviciniamo il punto di Montaggio anteriore alla cerniera della porta, tanto meno l’attuatore dovrà spostarsi per aprire o chiudere la porta. Analogamente, quanto più il punto di Montaggio posteriore è vicino alla cerniera, tanto minore sarà la Corsa necessaria per aprire la porta.
Esiste un punto di flesso oltre il quale allontanare l’attuatore dalla cerniera non causa più grandi variazioni nella lunghezza di Corsa, perché la lunghezza dell’attuatore si avvicina a quella della porta e la maggior parte del movimento avviene per rotazione. Questa non è una buona posizione per l’attuatore perché il braccio di leva è molto sfavorevole, ma ne parleremo nelle sezioni successive.
Figura 7: Lunghezza di Corsa in funzione della posizione del punto di Montaggio anteriore (ovvero distanza dal punto di Montaggio anteriore alla cerniera della porta)
Figura 8: Lunghezza di Corsa in funzione della posizione del punto di Montaggio posteriore
Da Figura 8 vediamo che variare la posizione del punto di Montaggio posteriore influisce sulla Corsa richiesta, ma l’effetto tende ad attenuarsi rapidamente.
Calcolo della forza dell’attuatore
Per trovare il valore di forza del nostro attuatore, dobbiamo determinare il carico atteso della porta. Poiché la porta ruota attorno alle cerniere, conoscere semplicemente la massa della porta non basta per determinare la forza esercitata sull’attuatore. Per questa applicazione, dobbiamo trovare il momento d’inerzia di massa della porta.
Intuitivamente, sappiamo che aprire una porta usando la maniglia (posizionata lontano dalla cerniera) è molto più facile che aprirla spingendo vicino alla cerniera.
Figura 9: Rappresentazione di una porta che si apre verticalmente
Il momento d’inerzia (indicato con I) della porta che si apre verticalmente attorno alla cerniera può essere trovato come segue:
Ora che abbiamo il momento d’inerzia, conosciamo la coppia che l’attuatore deve applicare alla porta per metterla in movimento. Possiamo quindi calcolare la forza come segue:
Questa forza è chiamata F normal perché è solo una componente della forza applicata all’attuatore e non la forza completa. È illustrato meglio in Figura 10. Come puoi vedere, F normal non agisce lungo la linea L1 o L2, ma con un angolo.
Figura 10: Posizione di Montaggio degli attuatori
Questo significa che dobbiamo convertire F normal da semplice componente in forza totale sull’attuatore. Poiché il nostro carico è una porta in rotazione, la forza F normal rimane costante, ma il carico applicato all’attuatore cambia. Ad esempio, quando l’attuatore è completamente retratto in posizione ①, la cerniera della porta sopporta gran parte del carico, quindi l’attuatore non subirà molta forza finché non dovrà muovere la porta. D’altra parte, quando l’attuatore è completamente esteso in posizione ② la cerniera sostiene meno la porta. In quel caso, l’attuatore deve sostenere la maggior parte del carico.
Possiamo calcolare la forza necessaria all’attuatore in retrazione e in estensione. A seconda delle condizioni di Montaggio, la forza in estensione potrebbe essere superiore a quella in retrazione, o viceversa. Per questo motivo, dobbiamo calcolarle entrambe e scegliere la più alta per garantire che l’applicazione sia robusta.
Ad esempio, in Figura 10, la forza maggiore viene applicata all’attuatore quando è completamente esteso. Quindi il valore minimo di forza per l’attuatore dovrà essere pari o superiore a F extended.
Conclusione
In questo blog abbiamo visto metodi semplificati per calcolare il valore di forza desiderato e la lunghezza di Corsa per gli attuatori lineari. Le equazioni qui presentate possono essere usate per stimare i requisiti per il movimento lineare e rotativo del carico. Contattaci all’indirizzo sales@progressiveautomations.com per qualsiasi ulteriore domanda: il nostro team di ingegneri sarà felice di aiutarti.