UNIVERSITATEA VALAHIA DIN TRGOVI TE FACULTATEA: INGINERIA MATERIALELOR, MECATRONIC I ROBOTIC SPECIALIZAREA: ECHIPAMENTE SI INSTALA II INDUSTRIALE

Proiect de Licen

NDRUM TOR: Prof. Dr. Ing. FILIP VIVIANA

ABSOLVENT: Olteanu Marian

- 2011 -

APLICA IILE MU CHILOR PNEUMATICI N REALIZAREA DISPOZITIVELOR DE PRESARE

CUPRINSCap1. Prezentarea mu chilor pneumatici 1.1 Descrierea mu chilor 1.2 Aplica ii ale mu chilor pneumatici Cap2. Studiul mu chilor pneumatici 2.1. Construc ia mu chilor pneumatici Cap 3. Determinarea experimental a dependen ei presiune for 3.1 Prezentarea general a standului experimental.3.2 Rezultate experimentale

3.3 Calculul mu chilor pneumatici Cap4. Proiectarea unei prese ac ionata de mu chi pneumatic 4.1 Calculul presei 4.2 Desene de execu ie i de ansamblu 4.3 Calculul tehnico economic. Analiza comparativ intre presa cu mu chi i cea cu cilindri pneumatici Cap5. Concluzii. Contribu ii proprii. - Studiul bibliografic asupra temei abordate - Determinarea experimental a dependentei p-F - Interpretarea rezultatelor experimentale - Proiectarea presei

Capitolul IPrezentarea mu chilor pneumatici

1.1 Descrierea mu chilorMu chii artificiali pneumatici (MAP) sunt dispozitive contractile, asemenea motoarelor liniare ac ionate cu ajutorul aerului comprimat. Conceptul lor este foarte simplu: n esen mu chiul artificial pneumatic este format dintr-o membran nchis care sub ac iunea presiunii aerului expandeaz radial i a c rei capete axiale, legate prin fitinguri de organul ac ionat, se apropie dezvoltnd o for de contrac ie n lungul axei longitudinale asem n toare celei generate de mu chii scheletici. Literatura de specialitate consemneaz o relativ varietate de mu chii artificiali pneumatici dintre care men ion m: -mu chii McKibben (Figura 1.1)

Figura 1.1

-mu chii Yarlott (Figura 1.2)

Figura 1.2

- ROMAC (Figura1.3 )

Figura1.3

-Kukolj (Figura1. 4)

Figura 1.4

-Morin (Figura 1.5)

Figura 1.5

-Baldwin (Figura 1.6)

Figura 1.6

- muschi plisati (PPAM) (Figura 1.7).

Figura 1.7 Utilitatea MAP s-a dovedit n primul rnd n domeniul roboticii i al automatiz rilor n ultimul timp, robotica se bazeaz pe pneumatic ca principal surs de energie de mi care. Una dintre cele mai importante atrac ii despre pneumatice este greutatea mic comportamentele inerente neconforme de ac ionare sale. Conformitatea se datoreaz compresibilit ii de aer i, ca atare, pot fi influen ate prin controlul presiunii de func ionare. Aceasta este o caracteristic important ori de cte ori exist o interac iune ntre om i ma in sau atunci cnd opera iunile delicate trebuie s fie efectuate (de exemplu, manipularea de obiecte fragile) i interac iunea n condi ii de siguran poate fi garantat cu u urin . hidraulicele i electricele , n schimb, au un comportament extrem de rigid i poate fi realizat numai de a ac iona ntr-un mod compatibil, prin utilizarea strategiilor relativ complex de control . Aerul comprimat reprezint una dintre cele mai eficiente metode de automatizare i ac ionare a sistemelor de produc ie. Utilizarea n cre tere pe scar larg a aerului comprimat n aplica ii industriale se datoreaz avantajelor sale: generare i stocare u oar incombustibil, risc minim de explozie efort de ntre inere minim a sistemelor pneumatice, etc.. i

Un alt important avantaj al aerului comprimat este faptul c este un combustibil curat, ecologic cu care se poate lucra n procese din industria alimentar , electronic sau farmaceutic . Actuatorii pneumatici, de obicei cilindri, sunt utiliza i pe scar larg n automatizarea fabricilor. n ultimul timp, robo ii au nceput s utilizeze actuatori pneumatici ca surs de mi care. Cteva tipuri de actuatori pneumatici cilindri, motoare pneumatice i chiar motoare pneumatice pas cu pas sunt utilizate cu prec dere n ziua de azi.

Studiile asupra elementelor actuatorilor pneumatici au condus la conceperea unei membrane, n anul 1950 1960, i astfel s-au conceput mu chii artificiali pneumatici (Figura. 1.8) care simuleaz mu chii umani.

Figura 1.8 Mu chi pneumatici sunt extrem de u ori din cauza elementului principal care este o membran i cu toate acestea poate transfera aceea i energie ca un cilindru datorit faptului c opereaz la aceea i presiune i volume. Din acest motiv au un mare poten ial ca s fie utiliza i ca surs de ac ionare pentru robo i din ce n ce mai mult i pe lng acesta au avantaje adi ionale cum ar fi conectarea direct , nlocuirea u oar continu for i operarea n siguran . mi c rile umane i n domeniul robo ilor Mu chii pneumatici sunt utiliza i n prezent ca actuatori n sisteme robotice i a cunoscut o dezvoltare n general n cele care imit industriali. Mu chi pneumatici pot fi considera i asemenea unor actuatori, ei avnd nevoie fie de o intern sau extern pentru a reveni la starea ini ial . Acest tip de ac ionare poate fi utilizat att orizontal ct i vertical, unele sunt utilizate pentru a pozi iona scule, mu chii fiind utiliza i i ca dispozitiv de fixare de ma in unealt . Mu chiul pneumatic este un sistem bazat pe o membran care se contract depinde n mod direct de presiunea de alimentare (Figura 1.9). i care sub ac iunea aerului comprimat i m re te diametrul i i mic oreaz lungimea. Lungimea cursei

Figura 1.9 Mu chi pneumatic n cele dou cazuri relaxat (presiunea p = 0, lungimea n i for a F) i contractat(diferen a de lungime cu care s contractat s)

Elementul principal este o membran flexibil ranforsata de forma unui tub care este prins la capete cu fitinguri prin care se transmite puterea c tre sistemul mecanic. n timp ce n membran se ntroduce ori se elimin aer presurizat, aceasta se umfl (contract ) sau se dezumfl (relaxeaz ). Sursa de energie a mu chilor pneumatici este un gaz, de obicei aer, care intr s u iese din ace tia, generarea i alimentarea de aer comprimat este u or de realizat, avnd n vedere presiune mediului ambiant de aproximativ 100kPa, mai mult energie poate fi transmis prin suprapresiune dect prin subpresiune. n acest fel mu chi pneumatici sunt alimenta ide diferen a de presiune din interiorul acestora i presiunea normal din mediul nconjur tor. Acest tip de actuatori au un raport putere greutate excelent, ndeplinind condi iile de siguran , simplitate, precum rezolv i problema greut i sistemelor acestea fiind u oare. Un mu chi pneumatic este construit dintr-un tub interior de diferite lungimi, confec ionat dintr-un material elastic, de regul neopren. Acest tub este nf urat ntr-o es tur multistrat, realizat din nylon, care-i confer rezisten es turii, notat cu contractat de 54,7. Mu chi pneumatici sunt mecanisme de ac ionare pneumatice cu o istorie vast de aplica ii n domeniul biomecanic, totu i poten ialul s u nu a fost pe larg explorat n robotic , controlul mi c rii, manipularea de materialelor, i alte aplica ii industriale. Spre deosebire de actuatorii obi nui i, mu chi pneumatici au cea mai mare for la trac iune, cnd aerul comprimat ajunge n mu chi, acesta fiind blocat la un cap t se umfl , presiunea din interiorul membranei ac ioneaz asupra plasei de nailon acesta i i va marii diametrul i se va scurta lungimea (Figura 1.10). i protec ie la ac iunile mediului de lucru. Unghiul de nf urare a , n starea relaxat a mu chiului are valoarea de 25,4, iar pentru starea maxim

Figura 1.10

For a generat de acest tip de actuatori este liniara i unidirec ional aceasta fiind la nceputul contrac iei la maxim i scade pn la zero odat ce volumul este ocupat n totalitate. Cu ct cantitatea de aer cre te ntr-un mu chi pneumatic cu att acesta i va modifica lungimea i va ncepe s se contracte corespunz tor (Figura 1.11).

Figura 1.11 Puterea de contrac ie a mu chilor este limitat de suma puterii totale a fibrelor individuale din materialul care constituie membrana. Membrana se extinde radial i se contract axial cnd este sub presiunea aerului genernd o for a la trac iune pe axa longitudinal . For a de contrac ie a mu chilor depinde de presiunea i lungimea acestuia. Distan a pe care mu chi se extind este limitat de leg turile etan e ale membranei, o membran cu perete mai sub ire permite o bombare mai mare, care mai departe r suce te fibrele de nailon ce o compun. Cercet rile din domeniu au demonstrat c spre deosebire de un cilindru pneumatic, mu chi dezvolt o for categorii: mu chi artificiali ac iona i de presiunea aerului (mu chi pneumatici); mu chi artificiali ac iona i de presiunea unui fluid. Sistemele de evi care sunt supuse unor mi c ri termale i la vibra ii mecanice folosesc acela i concept ca i mu chi pneumatici la leg turile dintre ele pentru a preveni distrugerea acestora. Principalele propriet i ale mu chilor pneumatici sunt: -caracteristicile statice de sarcin lungimea de echilibru a unui mu chi pneumatic n condi ii statice va fi determinat de nivelul de presiune, sarcina extern volum lungime al mu chiului respectiv (Figura 1.12) ; i de raportul mai mare dect ace tia, fiind nevoie n continuare de mai multe studii. Mu chi artificiali pot s se mpart n func ie de elementul ce i ac ioneaz astfel n dou

Figura 1.12: Raportul for conformitate datorit

contrac ie de

compresibilit i aerului toate motoarele de ac ionare

pneumatice arat un comportament asem n tor. Cu toate acestea, mu chi pneumatici au o for

sc dere a curbei de contrac ie ca o a doua surs de conformitate, chiar dac presiunea este men inut la un nivel fix, mu chiul ac ioneaz ca un resort ca urmare a schimb rii for ei n raport cu lungimea. caracterul antagonist mu chi pneumatici sunt dispozitive contractile care genereaz mi care ntr-o singur direc ie. asem narea mu chilor pneumatici cu scheletul muscular se aseam n cu mu chi umani prin faptul c ac ioneaz n acela i mod, liniar i se contract , greutate mic i putere mare ace ti actuatorii sunt extrem de u ori datorit faptului de contrac ie de cteva mii de newtoni. c componenta lor principal este o membran . Datorit descoperirilor din domeniul materialelor acestea pot ajunge s aib o for conectare direct n multe aplica ii ac ion rile electrice au nevoie de o reducere a vitezei din cauza vitezei lor de revolu ie mari i a valorilor sc zute ale cuplului. Astfel de angren ri de reducere a vitezei introduce fenomene nedorite n sistem, cum ar fi reac ii negative i iner ie suplimentar . Mu chii pneumatici se pot conecta direct la structura care se dore te a fi ac ionat , intrnd cu u urin deoarece sunt mici, i n general valorile vitezei i a for elor sunt n general n intervalul a ceea ce este necesar.

nlocuire rapid datorit conexiuni directe, nlocuirea unui mu chi defect este foarte u or i rapid fiind necesar doar decuplarea mu chiului ce se dore te a se schimba i a aliment ri cu aer. utilizarea f r pericol n ceea ce prive te efectele sale asupra mediului nconjur tor prin folosirea aerului nu poate afecta sub nici o form . Ca i n cazul celorlalte dispozitive pneumatice nu exist pericol de incendiu sau explozie. Datorit capacit i intrinsece i a faptului c poate fi ajustat pentru a avea o atingere moale, astfel este foarte potrivit pentru interac iunea om ma ina n condi ii de siguran .

1.2 Aplica ii ale mu chilor pneumaticin ultima perioad s-au realizat multiple aplica ii cu ajutorul mu chilor pneumatici n diferite domenii industriale, de la industria alimentarea la industria constructoare de avioane. n urm toarele pagini voi prezenta aplica ii ct mai diverse realizate de oameni i institu ii din ntreaga lume. Fluidic Muscle Press Station Acest sistem este un modul, o sta ie creat cu scop didactic care prin e alte elemente con ine i un mu chi pneumatic (Figura 2.1).

Figura 2.1: Fluidic Muscle Press Station Sta ia const din ase p r i: un modul de pres ac ionat cu mu chi pneumatici (Figura 2.2); un sistem rotativ liniar de schimbare masa pe care se vor prinde toate componentele; sistem mobil de deplasare a sta iei consola de control; procesorul industrial. i de a le transfera mai

Scopul acestei sta ii este acela de a presa piesele ntr-o alt pies departe c tre o alt sta ie.

Figura 2.2: Modul de pres ac ionat cu mu chi pneumatic Atunci cnd se alimenteaz cu presiune mu chiul pneumatic acesta se contract i pune n mi care batiul mobil care va presa piesa 1 n piesa 2. Datorit faptului c eliberarea aerului din mu chiul pneumatic nu asigur revenirea n pozi ia ini ial a batiului mobil se utilizeaz dou arcuri plasate pe ghidajul batiului mobil care asigur mi carea de transla ie . Presiunea precum i viteza se poate presiune. Aceast aplica ie are la baz instruire didactic a persoanelor care dore te s se familiarizeze cu mediul de programare STEP 7, precum i modul de a gndi aplica ia astfel nct n final s rezulte o succesiune de comenzi cu o gndire logic . Diferitele componente sunt interconectate cu ajutorul a diferite elemente, controlul i comanda unui sistem se face pe baza a unui program care analizeaz senzorii (optici, inductivi, laser) care sunt conecta i direct sau printr-un mic dispozitiv de decizie local i pe baza c rora se d comenzi mai departe c tre partea pneumatic prin intermediul unor electrovalve sau a unui regulator de presiune care transform semnalele electrice n mi care prin intermediul unui dispozitiv regla cu ajutorul unui regulator propor ional de

de ac ionare (actuator, cilindru, motor, etc.), n cazul de fa dou piese una n alta.

un mu chi pneumatic pentru a presa

Studiul utiliz rii mu chilor pneumatici n mi carea flapsurilor n industria avioanelor este necesar ca avioanele s aib o greutate propor ional cu for a pe care o dezvolt pentru a se deplasa. n acest sens s dezvoltat o aplica ie cu mu chi pneumatici n ceea ce prive te nlocuirea actuatorilor ce sunt folosi i pentru punerea n mi care a flapsurilor avionului, s-a pus n eviden raportul for greutate n modul de lucru antagonist. n contrast cu i respectiv sistemele hidraulice i cele piezoelectrice mu chii pneumatici au o greutate mai mic pentru mi carea flapsurilor (Figura 2.3).

ofer o putere mult mai mare, caracteristicile generale fac din ace tia s devin candida i excelen i

Figura 2.3 n urma studiului realizat s-a concluzionat c acest model ofer predic ii privind for a blocajului flapsurilor la presiuni moderate i astfel pot fi utilizate pentru a evalua dimensiunea actuatorului necesar pentru o aplica ie dat . n prezent variabilele de proiectare trebuie decise pe baza caracteriz rii exacte a actuatorilor. Este important de remarcat c toate actuatoarele utilizate n acest studiu au unghiurile formate de firele de nailon constante. Unghiul este un element important n performan a mu chilor pneumatici deoarece determin ct de mult acesta se extinde radial i se contract sub presiune, astfel se poate observa ct de mult for expansiunea radial este capabil s ofere. Unghiul format de firele de nailon precum i lungimea acestora ar trebui analizate n viitoare studii ca variabile pentru a controla for a, i contrac ia mu chilor pneumatici. Sistemul de activare a flapsurilor poate fi

mbun t it pe baza acestor teste. Cre terea dimensiuni actuatorului va mbun t i for a cu care fiecare mu chi pus n pereche antagonist se va contracta f r a afecta cantitate de contrac ie. Festo Airmotion Cu ajutorul mu chilor pneumatici s-a realizat un simulator proiectat pentru a simula ceea ce se simte atunci cnd se conduce o masina de lux, ca un Ferrari sau Lamborghini, care const dintr-o platform mobil cu un scaun ata at. Acesta tehnologie s-a dezvoltat astfel nct n prezent s devin ct mai real . Utilizarea camerelor i cu ajutorul sistemelor digitale se genereaz terenul pe care pilotul conduce ma ina precum i interac iunile acestuia cu mediul nconjur tor n diferite condi ii. n general pentru simularea mi c rilor se utilizeaz un hexapod cu actuatorii hidraulici cu ase axe de mi care. Simulatorul Festo Airmotion este suspendat de trei supor i de o el i prins cu ase mu chi pneumatici ace tia fiind ideali pentru a simula mi carea autoturismelor. (Figura 2.4).

Figura 2.4: Simulatorul Festo Airmotion Simulatorul are o greutate mai mic datorit utiliz ri acestor tipuri de actuatorii, mu chi pneumatici, care au o form simpl ce genereaz att mi c ri fine ct i accelera ii mari f cnd din acesta solu ia ideal pentru aplica ii de simulare foarte realiste cu un cost de ntre inere mic i un spa iu de desf urare deasemenea mic. Datorit faptului c nu are p r i mecanice n mi care opereaz f r frecare i permite mi c ri la viteze foarte mici f r trepida ii sau a altor efecte nedorite.

Lungimea stlpilor de care mu chilor pneumatici se prind ntr-o parte sunt calcula i pentru o pozi ie dorit a scaunului relativ fa de cadru. Provocarea n acest caz const n utilizarea mu chilor pneumatici n pozi ie suspendat , datorit faptului c ace tia pot exercita for a doar la trac iune scaunul trebuie s fie tot timpul sub tensiune. Pentru un control ct mai real ase valve transform variabilele de control n presiune i astfel n mi carea dorit . Pozi ia pilotului este determinat i controlat de un calculator n timp real cu ajutorul unui program de simulare care converte te cele ase valori axiale printr-o interfa , lungime mu chilor pneumatici contracta i este calculat utiliznd un algoritm de retransformare a unui hexapod. Mi care i viteza celor ase axe este controlat pneumatic propor ional. Air Arm n domeniu robo ilor se ncearc crearea unor diferite aplica ii care s simuleze comportamentul uman ct mai aproape de realitate. Inspirat din natur prin analiz picioarelor homarilor, a l custelor mpreun mi care similare cu cele ale unui om. O analiz a mi c rilor umane a identificat numeroase oportunit ii pentru realizarea tehnic . Scopul tehnic al acestui bra este acela de a atinge ct mai multe puncte distan e n spa iu ntr-un interval de func ionare emisferic dintr-un punct specificat n spa iu (figura 2.5). Ca premise pentru diferitele abord ri posibile sub titlul de smart mechanics, urm toarele categorii au fost eviden iate: u or de proiectat; flexibilitate; elasticitate; complexitate redus ; robuste e; control adaptiv. i cu gesturi umane de indicare, s-a dezvoltat un bra din dou segmente cu un schelet extern i modele de i reglat utiliznd un regulator

Figura 2.5: Festo AirArm Pentru a asigura o greutate mic i o complexitate redus , triangula ia modulelor bra ului au fost executate prin analogie cu scheletul exterior al piciorului unei l custe. Mu chi pneumatici ca un mecanism antagonist permite un grad ridicat de flexibilitate n combina ie cu consum minim de energie pentru a permite men inerea sistemului n pozi ia specificat . Pentru a reduce greutatea componentelor, acestea au fost strunjite pe ambele p r i pn la grosimea minim necesar , i contururile 3D au fost ad ugate de laser, elementele de ar mare fiind sudate de asemenea cu laser de piesa de baz . Pentru a ob ine o cinetic optim pentru sistemul bra ului, mu chi au fost modifica i astfel: prin crearea unor furci speciale mai scurte; prin integrarea rulmen ilor opu i n conexiunile presate care asigur alimentarea cu aer; auto centrare cu un grad necesar de rota ie. AirArm a combinat structura unui picior cu raz de ac iune a bra ului uman, axele de rota ie i raza de mi care a cuplelor au trebuit mai nti s fie determinate. Acest sistem de mu chi pneumatici este controlat prin intermediul a trei bucle de feedback: mi carea dorit de la un punct la altul este convertit n presiune de referin progresiv pentru to i mu chi pneumatici; Datele necesare pentru pentru calculul au fost ini ial ob inute dintr-un model matematic al AirArm. Se evalueaz mi carea pentru a se vedea dac bra ul chiar a executat ac iunea n modul n care s dorit, unghiurile articula iei sunt constant m surate, n cazul devia iilor traiectoria este modificat n concordan cu ce sa dorit. a doua bucl urm re te lungime mu chiului, aceasta are scopul de a corecta presiunea i previne vibra iile n mi c rile dinamice.

-

regulatorul de presiune asigur o presiune stabil n mu chi pneumatici prin compara ia acestuia la fiecare supap de ie ire cu presiunea de referin .

ntregul sistem de control este proiectat pe baza unui model matematic al AirArm conceput pe un calculator unde este elaborat i optimizat.

Utilizarea mu chilor pneumatici i a oscilatoarelor neliniare n locomo ia patrupedelor Locomo ia este o func ie de baz a unui robot mobil i una din c i pentru a atinge acest lucru sunt utilizate picioarele care permite deplasarea pe teren accidentat. Din acest motiv s alocat resurse pentru controlul mi c rii picioarelor n vederea c robo ii pe viitor vor trebui s execute diverse ac iuni pe teren accidentat i s se adapteze la mediu n timp real precum i adaptarea n func ie de schimb rile de mediu (Figura 2.6).

Figura 2.6 Robo i ce se doresc a se deplasa au dou etape esen iale: etapa de balansare; etapa de sus inere.

n etapa de balansare actuatorii se relaxeaz dispu i antagonist.

i ncheieturile pasive spre deosebire de etapa

de sprijinire cnd ncheieturile devin foarte rigide datorit for ei dezvoltate de mu chi pneumatici Prin controlul rigidit i ncheieturilor, prin ajustarea balansului generat de for a mu chilor pneumatici se urm re te ca robotul s devin mai adaptat la varia iile de mediu i la suprafa a terenului. Un nou sistem este propus pentru controlul mi c ri cu oscilatoare neliniare pentru robo i patrupezi cu mu chi pneumatici. Mi care periodic ntre etapa de balansare i etapa de sus inere se realizeaz pe baza unei faze a oscilatorului. n momentul n care piciorul face contact cu p mntul, faza oscilatorului este resetat i din etapa de balansare se trece n etapa de sprijinire. Aceste interac iuni dinamice face posibil antrenarea reciproc dintre oscilatoare i creaz un ciclu constant a perioadei totale dinamice a locomo iei cu patru picioare. Echipament izokinetic ac ionat cu mu chi pneumatici, destinat recuper rii bolnavilor cu afec iuni posttraumatice ale articula iilor portante. Echipamentul are ca scop efectuarea unor mi c ri continue pasive de reabilitare a articula iilor portante ale membrului inferior (Figura 2.7). Medicina are ca obiective men inerea i refacerea organismului precum i prevenirea disfunc iilor prin apelarea la tehnici kinetice, ortotice, etc..

Figura 2.7 Studii interna ionale au scos n eviden cu aproximativ 50% fa de cazul neutiliz rii lor. faptul c utilizarea pentru refacere a unor echipamente capabile de efectuarea unor mi c ri pasive continue au sc zut costurile de reabilitare

Necesitatea conceperii unor echipamente moderne, complexe, destinate reabilit rii persoanelor cu afec iuni posttraumatice ale membrului inferior rezult din inciden a ridicat a acestor dizabilit i. Astfel, n perioada 2002-2005, n cadrul Clinicii de Recuperare a INRMF Bucure ti s-au f cut cteva studii cu privire la ponderea bolnavilor cu afec iuni ale articula iilor portante ale membrelor inferioare. Din aceste studii rezult cu claritate necesitatea introducerii kinetoterapiei ca mijloc de tratament posttraumatic al articula iilor portante, mi carea pasiv Echipamentele izokinetice generatoare de mi care continu continu pasiv reprezentnd un instrument optim n arsenalul terapeutic al profesioni tilor din domeniul reabilit rii. pot fi mp r ite, n general, n dou categorii: dispozitive pluri-articulare (sau multi-articula ie) care permit cu ajutorul unor accesorii testarea i reabilitarea tuturor articula iilor importante, i dispozitive monoarticulare (sau mono-articula ie) destinate unei singure articula ii specifice. La nivel mondial au fost realizate astfel de sisteme speciale pentru old, genunchi sau glezn , cum sunt cele Fisiotek (Figura 2.8).

Figura 2.8 Echipamentele izokinetice necesare efectu rii mi c rilor pasive continue existente la aceast or pe pia sunt antrenate cu motoare electrice, structura lan urilor lor cinematice fiind rigid . Pre urile unor asemenea echipamente sunt destul de ridicate, de cteva mii de dolari, dep ind de multe ori posibilit ile financiare ale poten ialilor utilizatori. Folosirea mu chilor pneumatici pentru diferite aplica ii industriale se afl n faz de nceput, datorit caracterului de relativ noutate a acestor componente. Cu ajutorul acestor componente se pot asambla i d n exploatare rapid robo i u ori, multisenzor.

Capitolul IIStudiul mu chilor pneumatici 2.1. Construc ia mu chilor pneumatici Am utilizat programul SolidWorks pentru a construi un mu chi pneumatic utiliznd modelul McKiben Muscle i un model cad Festo pe care l-am descompus n cele cinci p r i componente (Figura 2.1): urub cu alimentarea de aer integrat ; urub pentru prindere;

membran care const n plas de nailon i neopren; dou fitinguri presate care asigur etan eitate.

Figura 2.1: Mu chi pneumatic captur de imagine din SolidWorks Materialele din care se realizeaz membrana mu chiului trebuiesc alese n func ie de propriet ile de material pe care le au i care conteaz foarte mult n cazul mu chilor pneumatici. Astfel n cazul membranei este necesar de un material elastic care s dureze n timp n acela i mod este nevoie de un material foarte flexibil care s aibe o rezisten mare. Membrana mu chiului pneumatic este alc tuit din dou componente: fire de nailon i neopren, deci din dou materiale diferite cu propriet i diferite care au o importan foarte mare n func ionare (Figura 2.2). Membrana am modelat-o n SolidWorks cu ajutorul unor helixuri pe care le-am extras dintrun tub cilindric ob inut din descompunerea unui model cad Festo rezultnd n final o membran cu goluri n interior. Am asamblat membrana cu helixurile (firele) extrase putnd atribui propriet i de

material membranei i helixurilor. n acest mod am specificat materialul din care este realizat membrana neopren i helixurile (fire) nailon ce era necesar pentru realizarea unei simul ri a mu chiului pneumatic (Figura 2.2) O membran simpl din neopren sub presiunea aerului se va umfla asemenea unui balon, efectul dorit de mi care liniara pentru a ac iona un element nu se va realiza. Neoprenul (C4 H5Cl) sau cloropren ( Standard Code - CR), a fost inventat de firma DuPont n anul 1930 odat cu comercializarea unor produse noi din cauciuc pe baz de policloropren. Policloroprenul este obtinut prin polimerizarea cloroprenului, dar macromoleculele au i catene laterale nesaturate, asem n toare celor din cauciucurile butadien -stiren sau butadien acrilonitril. Polimerizarea se realizeaz cu oxizi metalici, care reac ioneaz cu ini iatori radicalici, iar vulcanizarea se face cu atomii de clor, formnd pun i de oxigen ntre

macromolecule.Ini ial neoprenul s-a numit duprene, fiind primul tip de cauciuc sintetic produs industrial pentru uz general. Neoprenul prezint rezisten superioar cauciucului natural la ac iunea razelor solare, ozon, hidrocarburi, greutate redus , fiind folosit din ce n ce mai mult n cele mai diverse sectoare industriale (tuburi, garnituri etan e rezistente la ac iunea carburan ilor, accesorii de calculator, medicin , izolator electric etc). n ultimul timp datorit dezvolt rii sporturilor acvatice, neoprenul este folosit pentru confec ionarea costumelor de scufundare, surfing, deoarece n ap confer flotabilitate pozitiv sporit precum i o mai bun protec ie termic .n anul 2000 au fost produse la nivel mondial peste 300.000 tone de neopren .

De aceea se introduce o plas

dintr-un material (de exemplu nailon) n componen a

membranei care are ca scop, n cazul mu chiului pneumatic de a limita neoprenului cre terea de volum astfel nct acesta s se extind radial i s se comprime pe lungime genernd o mi care liniar produs prin introducere de aer sub presiune. Nailonul este un polimer, material termoplastic cu o flexibilitate i rezisten poate diferi n compozi ia materialului ct i n func ie de tehnologia de produc ie. mare, cu o aplicabilitate foarte mare n diferite domenii de activitate, de asemenea exist numeroase variante ce

Figura 2.2: Inser ie din fire de nailon (SolidWorks) n principal membrana este un tub cilindric din neopren cu fire de nailon ce o str bat asemenea unui helix pe toat lungimea acestuia. Cu ct firele de nailon (helixurile) din cauciuc sunt mai dese rezultatul este mai bun, n principiu pentru McKiben Muscle firele sunt dispuse foarte aproape unele de altele pentru a controla ct mai bine presiunea ce ac ioneaz asupra cauciucului care tinde s i m reasc volumul asemenea unui balon men innd form cilindric a acestuia (Figura 1.3). Diametrul firelor de nailon poate varia n func ie de produc tor i de m rimea diametrului membranei. Dispunerea firelor de nailon n interiorul membranei este de forma unui helix cu un num r de rota ii pe o anumit lungime tiut i cu un unghi de plecare determinat i constant pe toat lungimea membranei. n cazul de fa unghi de 57 fa0

am inserat fire de nailon cu un diametru de 0,75 mm la un

de axa longitudinal . modelul SolidWorks, cu o anumit presiune ce

Alimentarea cu aer a mu chilor pneumatici se poate face fie pe la ambele capete fie numai pe la un sigur cap t, cum este i n cazul de fa genereaz o for optim i o contrac ie maxim .

Pentru a nu exista pierderi de aer prinderea membranei pe uruburi se realizeaz cu fitinguri presate pe acesta ce asigur o etan eitate foarte bun permi nd o func ionare normal . Prinderea mu chilor pneumatici ntr-un sistem se realizeaz prin intermediul uruburilor cu diferite cuple astfel nct mi care s se transmit n mod direct f r elemente adi ionale.

Figura 2.3: a) fire de nailon n sec iune; b) fire de nailon n interiorul membranei; c) imagine de ansamblu a firelor de nailon n mu chiul pneumatic realizat n SolidWorks

Capitolul 3. Determinarea experimental a dependen ei presiune forPentru a realiza aceast determinare experimental am folosit standul pneumatic de joas presiune, din dotarea laboratorului. 3.1 Prezentarea general a standului experimental Plac de profil de aluminiu anodizat Plac de profil din aluminiu formeaz baza pentru toate pachetele de formare. Toate componentele se potrivesc n condi ii de siguran n canelurile de pe placa de profil. Exist caneluri pe fiecare parte i, dac este necesar, ambele p r i pot fi echipate cu componente. Caneluri sunt compatibile cu sistemul de profil ITEM. Dimensiunile Grid: 50 mm. Pentru instalarea pe mese, se recomand picioare corespunz toare din cauciuc (Ordinul nr. 158343). Dimensiuni 350 x 1100 mm i 350 x 250 mm furnizate f r capace laterale (H x W)

Regulator supapa de presiune cu manometruRegulatorul de presiune este o supap care automat taie fluxul de lichid sau gaz la o anumit presiune. Sunt folosite pentru a permite conectarea la rezervoare de alimentare de nalt presiune i s fie redus la condi ii de siguran i / sau presiuni utilizabile pentru diverse aplica ii. Func ia unui regulator de presiune principal este de a se potrivi cu fluxul de gaz prin intermediul autorit ii de reglementare pentru cereri de gaze plasat asupra sistemului. n cazul n care scade fluxul de sarcin , atunci fluxul de reglementare trebuie s scad de asemenea. n cazul n care cre te fluxul de sarcin , atunci fluxul de reglementare trebuie s creasc , n scopul de a men ine presiunea controlat de sc dere de gaz n sistemul sub presiune.

Prghia role 3/2-way supap cu retur inactiv, n mod normal nchis Culbutorul de supap role cu retur inactiv este ac ionat atunci cnd prghia rolei este traversat de un cilindru ntr-o anumit direc ie. Dup eliberare a levierului role, supapa este adus la pozi ia ini ial de c tre un arc de retur. 0 - 800 kPa (0-8 bar) Debitul nominal de 1 ... 2: 80 l / min

Element ,,SAU Supap de transfer este activat pn la ie ire, prin aplicarea de aer comprimat la una dintre intr rile (sau func ia). Design: poarta SAU (de transfer de la robinet) Gama de presiune: 100 - 1000 kPa (1 - 10 bar) Debitul nominal 1, 1/3...2: 500 l / min Dual-supapa de presiune (SI)

Supap 5/2-way pilot dublu, ac ionat pneumatic, ambele p r i Supapa de pilot pneumatic dublu este inversat de semnale pneumatice din laturi supleant. Circuitul de stat este re inut dup ndep rtarea semnalului pn la urm torul semnal de contracarare. Design: supapa de suveic , ac ionat direct, ambele p r i Gama de presiune: 250 - 1000 kPa (2,5 - 10 bar) Debit nominal de 1 ... 2 Rata: 500 l / min Debit nominal 1 ... 4 Rata: 500 l / min Timp de raspuns la 600 kPa (6 bar): 5 ms Colector Colector cu opt auto-nchidere clapete de re inere. Un colector comun (QS-6 tuburi de plastic 6 x 1) permite furnizarea de aer comprimat pentru a controla prin intermediul a opt porturi individuale

Supap On-off cu Ventil de reglare cu filtru supapa regulator filter cu manometru, supapa de on-off, rapid push-in conectori si plug cuplaj rapid, montate pe un suport rotativ. Filtrul cu separator de apa indeparteaza murdaria, sinter eav , rugina si apa de condensare. Regulatorul de presiune men ine presiunea de aer la presiunea de func ionare stabilit i compenseaz fluctua iile de presiune. Vas filtru are un robinet de golire condens.

Senzor de presiune cu displayPiezoresistive senzor de presiune relativ cu afi aj LCD, liber programabile func ia de comutare, histerezisul reglabil i ie ire analogic pentru m surat direct achizi ie de date. Rotativ 360 , 15 detenting fiecare conexiune prin conectori de siguran 4 mm integrate n Quick-Fix rapid conectorul de sistem Alimentare 15-30 V DC Ie ire n comuta ie PNP Ie ire analogic 0 - 10 V DC conexiune pneumatice prin QS-4 push- n interval de m surare a presiunii de amenajare 0-1000 kPa (0 - 10 bar)-Quick Fix siguran i rapid con Sensor de for Senzor pentru m surarea for ei de piston n TP210. Montarea cu dou ciocan-nuci pe placa de profil. Interval de masurare: 0 - 1 KN Alimentare: 24V valoare de referin (valoarea): 0 - 10V

Senzor Debit cu afi aj TP 240 senzor de curgere pe Quick-Fix de siguran cablu cu M12 x 1 priz i sistem rapid de montare pentru pl ci de profil rotativ, 90 detenting conector M12x1, 5-pin i 4 mm plug de siguran cu ie ire witching, 2 x PNP Ie ire analogic 0 - 10 V tensiune de operare 12 - 30 V DC func ia de element de comutare, func ia selectabil de comutare liber programabile debitului gama de m surare, 0.5 - 10 l / min

Muschi pneumatic m rimea 10

Easy port USB

Conectarea software / simulare cu

echipamente reale de formare / toate automatele programabile Principiul este simplu: interfata USB este conectat la PC.

Conectarea la echipamentul de automatizare se face prin conectori standard SysLink. semnale de intrare i de ie ire pot fi astfel citite de la un PC. A a c EasyPort se poate adapta la diferite situa ii, ne-am dezvoltat software pentru driverele de dispozitiv cu o interfa intermediul conexiunilor care pot fi f cute. grafic a utilizatorului, prin

Unitate de conectare, analog Gama admis de tensiune: 22-27 V DC Referin : GND 4 intr ri analogice de tensiune: Range: -10 V - 10 V (max. 30 V), rezisten a de intrare: 200 k 4 intr ri analogice curent: Range: 0 - 20 mA ( max -4 30 V 2 ie iri analogice: 30 V, siguran e- 24 mA), tensiune de intrare:. max.

Tensiune: -10 la 10 V, scurt-circuit-dovada, max. de asemenea, utilizat ca o unitate de conectare analog pentru EduTrainer PLC.

protejate, curent: max. 20 mA Utilizarea unui cablu analog (Ordinul nr. 189551), unitatea poate fi,

I / O cablu de date, analogice Pentru conectarea conectorului analogic la EduTrainers PLC folosind unitate de conectare analog (Ordinul nr. 162247)

Quick-supap de evacuare Quick-supap de evacuare cu built-in amortizorul de zgomot. Design: p pu min gama de supap de presiune: 50 - 1000 kPa (0,5 - 10 bar) Debitul nominal de 1 ... 2: 300 l / min Rata de debitul nominal de 2 ... 3: 390 l /

Mas unitate de alimentare cu tensiune de intrare: 85 - 265 V AC (47 63 Hz) Tensiune de iesire: 24 V DC, scurt-circuit-dovada Curent de ie ire: max. 4.5 A Dimensiuni: 75 x 155 x 235 mm Recomand ri pentru accesorii, mass-media i extensii mas unitate de alimentare cu energie

Cilindru cu dubl ac iune Cilindru cu dubl ac iune cu came de control. amortizare End-pozi ie, cu dou uruburi de reglare. Un magnet permanent este montat pe piston cilindru. campul magnetic poate declan a un comutator de proximitate. Design: piston cilindru de presiune de operare: maximum 1000 kPa (10 bar) mpingere maxima la 600 kPa (6 bar): 165 N trac iune ntoarcere la 600 kPa (6 bar): 140 N Drosel cale One-way de control al supapelor debit 539773

Drosel de cale control de flux const dintr-o combina ie de o valv de control debit i o supap de re inere dispuse paralel cu supapa de control al fluxului. Controlul sec iunii de curgere transversal poate fi reglat cu un urub striat. Design: controlul fluxului combinat / de nchidere gama de supap de presiune: 20 - 1000 kPa (0,2 - 10 bar) Standard debitul nominal: n direc ia de control al fluxului de 0 la 110 l / min Rata Standard debitul nominal n direc ia blocat: 65-110 l / min

Cilindru cu simpl ac iune Design: piston cilindru de presi une de operare: maximum 1000 kPa (10 bar) trac iune la 600 kPa (6 bar): 150 N

TP 101, BIBB -P, TP 111 manometru indic presiunea din circuitele de comand pneumatice. Design: tub Bourdon presiune ecartament gam de afi are: 0 - 1000 kPa (0 - 10 bar) Clasa de calitate: 1.6

-Sursa de aer comprimat Compresor lubrifiat cu ulei, extrem de silen ios (45 dB (A)) . Ideal pentru utilizare n s lile de clas . Cu regulator de presiune i separator de ap . Presiune: 800 kPa (8 bar) Pmax de performan : 50 l / min Capacitate rezervor: 24 l de evacuare a aerului comprimat: "Nivel de zgomot: 45 dB (A) / 1 m Ciclu: max. 50%

3.2 Determinarea experimental

Semnalele digitale preluate de la senzorii respectivi vor fi procesate cu ajutorul EasyPortului pentru a putea ajunge, n final, la calculator. Softul FluidLab permite vizualizarea rezultatelor. Mu chiul pneumatic (Figura 3.1) supus testelor este de timpul DMSP -10- 250N (mu chi pneumatic cu diametrul interior de 10 mm i cu lungimea nominal de 250 mm, temperatura mediului de lucru -5..600C). Valoarea maxim a presiunii suportate de acest mu chi este de 8 bar, valoare pentru care dezvolt o for de 630 N. Pentru efectuarea m sur torilor se va utiliz valori ale presiunii ntre 1 i 6 bar. a Reglarea presiunii se va face din 0,5 n 0,5 bar.

Figura 3.1

Rezultate experimentale si discu ii Softul FluidLab este o interfa care prelucreaz semnalele primite de la easyport i le afi eaz grafic. Pentru a prelucra semnalele din easyport softul este prev zut cu canale de primire a semnalelor.Aceste canale depind de un factor de compensare. Pentru determinarea valorilor for elor n func ie de alimentarea cu presiune, a fost necesar determinarea factorului de compensare att pentru traductorul de presiune ct i pentru traductorul de for . Factor presiune = (Valoare final presiune Valoare ini ial presiune) / (Valoare tensiune maxim Valoare tensiune minim ) Valoare final presiune = 10 bar Valoare ini ial presiune = 0 bar Valoare tensiune maxim = 10 V Valore tensiune minim = 0 V Factor presiune = (10 - 0) / (10 - 0) = 1 Compensare presiune = - (Valoare ini ial presiune Factor presiune x Valoare tensiune minim ) Compensare presiune = - (0 1 x 0) = 0

Factor for = (Valoare final for Valoare tensiune minim ) Valoare final for = 1kN Valoare ini ial for = 0 kN Valoare tensiune maxim = 10 V Valore tensiune minim = 0 V

Valoare ini ial for ) / (Valoare tensiune maxim

Factor for = (1 - 0) / (10 - 0) = 1/10 = 0,1 Compensare for = - (Valoare ini ial for Factor for Compensare for = - (0 0, 1 x 0) = 0 Valorile ob inute se introduc n set rile programului FluidLab (figura 3.2), iar odat ce setarea se realizeaz , atunci cnd se alimenteaz mu chiul cu presiune (canalul 0) se nregistreaz n mod automat i valoarea for ei (canalul 3) corespunz toare presiunii. x Valoare tensiune minim )

Figura 3.2 Pentru a putea verifica dac factorul de compensare este corect i c semnalul primit de la traductorul de for este corect, am f cut urm toarea opera ie: Din literatura de specialitate am aflat c cilindrul pneumatic cu simpl ac iune la presiunea de 6 bar dezvolt o for aproximativ egal cu 150 N a a c am nc rcat acest cilindru (figura 3.3) cu o presiune de 6 bar i am ac ionat asupra senzorului de for i am ob inut o for afi at n graficul generat de softul FluidLab (Figura 3.4) de 156 N

Figura 3.3

Figura 3.4

Prima determinare s-a efectuat prin nc rcarea mu chiului pneumatic cu aer la presiunea de 1 bar, evolu ia n timp a presiunii fiind nregistrat de traductoarele de presiune. Evolu ia for ei de trac iune a mu chiului pneumatic n intervalul de timp , al turi de evolu ia presiunii sunt nregistra i n graficul din Figura 3.5, grafic generat de softul FluidLab.

Figura 3.5 Dup cum se poate observa in graficul generat de softul Fluid Lab la nc rcarea mu chiului pneumatic cu presiune de 1 bar acesta dezvolt o for de trac iune de 33 N.

A doua determinare (Figura 3.6) se va efectua la o nc rcare cu aer ,avnd presiunea de 1,5 bar. La aceast presiune mu chiul pneumatic dezvolt o for de 62 N .

Figura 3.6.

n Figura 3.7, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiune de 2 bar, mu chiul dezvolt o for de 90 N

Figura 3.7

n Figura 3.8, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiunea de 2,5 bar, valoarea for ei dezvoltate de mu chi este de 123 N.

Figura 8

n Figura 3.9, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiunea de 3 bar, valoarea for ei dezvoltate de mu chi este de 153 N.

Figura 3.9

n Figura 3.10, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiunea de 3,5 bar, valoarea for ei dezvoltate de mu chi este de 188 N.

Figura 3.10

n Figura 3.11, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiunea de 4 bar, valoarea for ei dezvoltate de mu chi este de 221 N.

Figura 3.11 n Figura 3.12, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiunea de 4,5 bar, valoarea for ei dezvoltate de mu chi este de 248 N.

Figura 3.12

n figura 3.13, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiunea de 5 bar, valoarea for ei dezvoltate de mu chi este de 269 N.

Figura 3.13 n Figura 3.14, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiunea de 5,5 bar, valoarea for ei dezvoltate de mu chi este de 296 N.

Figura 3.14

n Figura 3.15, este prezentat diagrama n care mu chiul pneumatic este nc rcat cu presiunea de 6 bar, valoarea for ei dezvoltate de mu chi este de 326 N.

Figura 3.15

Dup finalizarea determin rilor am introdus datele ntr-un grafic(Figura 3.16).

Figura 3.16

2.2Modelarea i simularea comportamentului mu chilor pneumatici. Modelarea matematic a unui mu chi artificial se realizeaz plecnd de la o serie de ipoteze simplificatoare: - mu chiul este considerat un cilindru (se neglijeaz efectele p r ii non-cilindrice); - se neglijeaz efectele grosimii peretelui; - materialul exterior se consider inextensibil. Geometria nf ur rii acoperitoare este redat n figura 2.1. Se poate observa faptul c la efectuarea unei anumite curse, nf urarea se comport asemenea unui foarfece.

Figura 2.1 Pornind de la nota iile de mai sus se poate calcula for a dezvoltat de un mu chi pneumatic:

n care: - p este presiunea de lucru; - d este diametrul interior al mu chiului pneumatic. Mu chiul pneumatic are un comportament asem n tor unui arc, ceea ce nseamn c la efectuarea cursei maxime, for a dezvoltat este egal cu zero. Prin prelucrarea rela iei de mai sus rezult c pentru F = 0 N, unghiul = 54,7.