Pri implementácii lineárneho aktuátora treba zohľadniť elektrické aj mechanické hľadiská. Niekedy je ťažké zvoliť správnu veľkosť a silu. Napríklad aktuátor môže mať hodnotenie na zvládnutie dvojnásobnej hmotnosti padacích dverí z hľadiska sily, no aj tak má problém ich otvoriť. Môže sa to stať kvôli uhlu aplikácie sily alebo nedostatočnému pákovému efektu.
V tomto blogu sa podelíme o súbor zjednodušených výpočtov, ktoré poslúžia ako dobrý východiskový bod pre požiadavky na silu a dĺžku zdvihu pre lineárny aktuátor.
Lineárny pohyb
Keď hovoríme o lineárnom pohybe, myslíme tým, že pohyb zaťaženia je lineárny a môže byť vo forme zdviháka alebo čerpadla. Tento blog sa bude väčšinou venovať vertikálnemu pohybu, no rovnaké techniky môžu byť užitočné aj na analýzu horizontálneho pohybu. Pozrime sa na príklad na obrázku nižšie.
Obrázok 1: Lineárny pohyb s aktuátorom pod uhlom
|
Premenná |
Vysvetlenie |
|
L1 |
Dĺžka aktuátora pri úplnom zasunutí. |
|
L2 |
Dĺžka aktuátora pri úplnom vysunutí. |
|
Y1 |
Vzdialenosť v osi Y medzi predným montážnym bodom aktuátora a zadným montážnym bodom. |
|
X1 |
Vzdialenosť v osi X medzi predným montážnym bodom aktuátora a zadným montážnym bodom. |
|
Y2 |
Vertikálna vzdialenosť, ktorú musí zaťaženie prejsť. |
|
S |
Zdvih aktuátora – vzdialenosť, o ktorú sa aktuátor vysunie. |
Tu máme aktuátor pod uhlom, ktorý sa snaží posunúť hmotu nahor. Hmota má na oboch stranách valčeky, čo naznačuje, že sa môže pohybovať len hore a dole. Montážne polohy na prednom aj zadnom konci aktuátora sú pevné, takže sa môžu iba otáčať.
Výpočet dĺžky zdvihu aktuátora
Ak by X1 bolo 0, lineárny aktuátor by už nebol pod uhlom, takže vertikálna vzdialenosť, ktorú by zaťaženie prešlo, by sa rovnala zdvihu.
Preskúmajme náročnejší prípad, keď X1 nie je 0. Aby sme dosiahli vertikálny pohyb zaťaženia, elektrický aktuátor by sa musel zároveň vysúvať aj otáčať. Je to výhodné, pretože aktuátor zaberie menej miesta. Vtedy sa dĺžka zdvihu nebude rovnať vertikálnemu posunu. Na zistenie dĺžky zdvihu si spravíme trochu jednoduchej matematiky!
Pamätajte, že zdvih je jednoducho rozdiel medzi úplne vysunutou dĺžkou aktuátora a úplne zasunutou dĺžkou aktuátora.
Úplne zasunutá aj úplne vysunutá dĺžka aktuátora predstavujú preponu trojuholníka, ktorý tvoria zadný a predný montážny bod.
Obrázok 2: Hľadanie dĺžok aktuátora pri zasunutí (L1) a vysunutí (L2)
Týmto spôsobom môžeme nájsť dĺžku zdvihu, ktorá bude zodpovedať požadovanej vertikálnej dráhe hmoty. Podľa vzorca platí: čím menšia je hodnota X1, tým viac dĺžky zdvihu bude zodpovedať vertikálnemu pohybu. Ak je X1 veľké, malé zvýšenia dĺžky zdvihu povedú k veľkým zmenám vertikálnej dráhy.
Ak by bol aktuátor umiestnený striktne vertikálne, zmena výšky by sa jednoducho rovnala jeho vysunutiu. Umiestnenie aktuátora pod uhlom zvýši celkový rozsah lineárneho pohybu hmoty a aktuátor môže zaberať menej miesta. Zároveň to však spôsobí určité bočné zaťaženie a musíme dbať na to, aby sa tyč aktuátora neohýbala. Pri takomto uhle sa odporúčajú kratšie dĺžky zdvihu.
Obrázok 3: Porovnanie dĺžky zdvihu a prejdenej vzdialenosti pri lineárnom pohybe
Výpočet menovitej sily aktuátora
Môžeme ďalej využívať vlastnosti trojuholníkov na určenie sily aktuátora. Všimnite si, že ak je aktuátor pod uhlom, sila, ktorú vyvíja, sa rozdelí na horizontálnu a vertikálnu zložku. Horizontálna zložka sily k pohybu neprispieva. Vertikálna zložka sily bude tlačiť hmotu nahor, preto musíme zabezpečiť, aby aktuátor vždy poskytoval dostatočnú silu.
Obrázok 4: Rozklad síl pri lineárnom pohybe
Začneme výpočtom vertikálnej sily hmoty.
Požadovanú vertikálnu silu aktuátora môžeme vypočítať nasledovne:
Tu používame L1, pretože aktuátor bude mať najnižšiu vertikálnu silu pri úplnom zasunutí. Pri výbere aktuátora musíme zabezpečiť, aby bol schopný vyvinúť dynamickú aj statickú silu vyššiu než F Total, ktorú sme vypočítali.
Rotačný pohyb
Keď hovoríme o rotačnom pohybe, znamená to, že zaťaženie alebo hmota sa otáča okolo určitej osi. Môže ísť o aplikáciu s otváranými dverami alebo poklopom. Dokonca to môže byť vyklápanie korby na nákladnom aute.
Obrázok 5: Rotačný pohyb s aktuátorom pod uhlom
Na Obrázku 5 vidíme bočný pohľad na vertikálne dvere alebo poklop, ktoré sú nastavené tak, aby sa otvárali pomocou lineárneho aktuátora. Úplné zasunutie aktuátora je označené polohou ① a úplné vysunutie označuje poloha ②. Aktuátor je namontovaný pod uhlom, a to pri plnom vysunutí aj pri plnom zasunutí.
|
Premenná |
Vysvetlenie |
|
L1 |
Dĺžka aktuátora pri úplnom zasunutí. |
|
L2 |
Dĺžka aktuátora pri úplnom vysunutí. |
|
Y1 |
Vzdialenosť v osi Y medzi zadným montážnym bodom aktuátora a osou otáčania dverí (pántom). |
|
X1 |
Vzdialenosť v osi X medzi zadným montážnym bodom aktuátora a osou otáčania dverí (pántom). |
|
Y2 |
Vzdialenosť medzi osou otáčania dverí (pántom) a predným montážnym bodom aktuátora. |
|
S |
Zdvih aktuátora – vzdialenosť, o ktorú sa aktuátor vysunie. |
|
L3 |
Celková dĺžka dverí. |
Príklad používa lineárny aktuátor namontovaný pod uhlom, aby poskytol všeobecnejší prípad. Ak chcete nájsť dĺžku zdvihu a silu aktuátora, keď je namontovaný kolmo na dvere, môžete pokračovať podľa návodu, ale nastavte nasledovné:
Výpočet dĺžky zdvihu aktuátora
Použijeme rovnakú trojuholníkovú metódu, akú sme použili v časti o lineárnom pohybe. Jedinou zmenou je, že trojuholníky sú teraz zostavené inak.
Obrázok 6: Hľadanie dĺžky aktuátora pri zasunutí (L1) a vysunutí (L2)
Rovnako ako predtým, dĺžka zdvihu je rozdiel medzi úplne vysunutou a úplne zasunutou dĺžkou aktuátora. Jednoducho ju nájdeme takto:
V tomto prípade závisí dĺžka zdvihu aktuátora výrazne od polohy predného a zadného montážneho bodu. Čím bližšie umiestnime predný montážny bod k pántu dverí, tým menej sa bude musieť aktuátor pohybovať, aby dvere otvoril alebo zatvoril. Podobne, čím bližšie je zadný montážny bod k pántu, tým menší zdvih je potrebný na otvorenie dverí.
Existuje zlomový bod, pri ktorom posúvanie aktuátora ďalej od pántu už nespôsobuje veľké zmeny v dĺžke zdvihu, pretože dĺžka aktuátora sa blízko zhoduje s dĺžkou dverí a väčšina pohybu prebieha rotáciou. Toto nie je vhodná poloha pre aktuátor, pretože pákový efekt je veľmi slabý, no tomu sa budeme venovať v ďalších častiach.
Obrázok 7: Dĺžka zdvihu vzhľadom na polohu predného montážneho bodu (t. j. vzdialenosť od predného montážneho bodu k pántu dverí)
Obrázok 8: Dĺžka zdvihu vzhľadom na polohu zadného montážneho bodu
Z Obrázka 8 vidíme, že zmena polohy zadného montážneho bodu ovplyvňuje potrebnú dĺžku zdvihu, no účinok sa pomerne rýchlo ustáli.
Výpočet menovitej sily aktuátora
Aby sme určili menovitú silu pre náš aktuátor, musíme stanoviť očakávané zaťaženie dverí. Keďže sa dvere otáčajú okolo pántov, samotná znalosť hmotnosti dverí nestačí na určenie sily pôsobiacej na aktuátor. Pre túto aplikáciu potrebujeme nájsť moment zotrvačnosti dverí.
Intuitívne vieme, že otvoriť dvere pomocou kľučky (umiestnenej ďaleko od pántu) je oveľa jednoduchšie, než otvárať dvere tlačením niekde pri pánte.
Obrázok 9: Zobrazenie dverí, ktoré sa otvárajú vertikálne
Moment zotrvačnosti (označený I) pre dvere otvárané vertikálne okolo pántu možno určiť nasledovne:
Keď máme moment zotrvačnosti, poznáme krútiaci moment, ktorý musí aktuátor vyvinúť na dvere, aby sa pohli. Preto môžeme silu vypočítať takto:
Táto sila sa nazýva F normal, pretože ide len o jednu zložku sily pôsobiacej na aktuátor, nie o celkovú silu. Lepšie je to znázornené na Obrázku 10. Ako vidíte, F normal nepôsobí pozdĺž línie L1 ani L2, ale pod uhlom.
Obrázok 10: Miesto montáže aktuátorov
To znamená, že musíme previesť F normal z čiastkovej zložky na celkovú silu aktuátora. Keďže naším zaťažením sú otáčajúce sa dvere, sila F normal zostáva konštantná, no zaťaženie pôsobiace na aktuátor sa mení. Napríklad keď je aktuátor úplne zasunutý v polohe ①, pánt dverí nesie väčšinu zaťaženia, takže aktuátor nepocíti veľkú silu, kým dvere nezačne pohybovať. Naopak, keď je aktuátor úplne vysunutý v polohe ② pánt dvere až tak nepodopiera. Vtedy musí aktuátor niesť väčšinu zaťaženia.
Môžeme vypočítať potrebnú silu v zasunutej aj vo vysunutej polohe aktuátora. V závislosti od podmienok montáže môže byť sila vo vysunutej polohe vyššia než v zasunutej, alebo naopak. Z tohto dôvodu musíme vypočítať obe a zvoliť vyššiu, aby sme mali istotu, že naša aplikácia bude robustná.
Napríklad na Obrázku 10 bude na aktuátor pôsobiť najvyššia sila, keď je úplne vysunutý. Minimálna menovitá sila aktuátora teda musí byť rovná alebo vyššia než F extended.
Záver
V tomto blogu sme sa pozreli na zjednodušené spôsoby výpočtu požadovanej menovitej sily a dĺžky zdvihu pre lineárne aktuátory. Rovnice v tomto blogu možno použiť na približný výpočet požiadaviek pre lineárny aj rotačný pohyb zaťaženia. V prípade ďalších otázok nás kontaktujte na sales@progressiveautomations.com a náš tím inžinierov vám rád pomôže.