Muschi Pneumatici [PDF]

Zitiervorschau

ÎNDRUMĂTOR:

ABSOLVENT:

APLICAŢIILE MUŞCHILOR PNEUMATICI ÎN REALIZAREA DISPOZITIVELOR DE PRESARE

CUPRINS Cap1. Prezentarea muşchilor pneumatici 1.1 Descrierea muşchilor 1.2 Aplicaţii ale muşchilor pneumatici Cap2. Studiul muşchilor pneumatici 2.1. Construcţia muşchilor pneumatici Cap 3. Determinarea experimentală a dependenţei presiune – forţă 3.1 Prezentarea generală a standului experimental. 3.2 Rezultate experimentale

3.3 Calculul muşchilor pneumatici Cap4. Proiectarea unei prese acţionata de muşchi pneumatic 4.1 Calculul presei 4.2 Desene de execuţie şi de ansamblu 4.3 Calculul tehnico – economic. Analiza comparativă intre presa cu muşchi şi cea cu cilindri pneumatici Cap5. Concluzii. Contribuţii proprii. - Studiul bibliografic asupra temei abordate - Determinarea experimentală a dependentei p-F - Interpretarea rezultatelor experimentale - Proiectarea presei

Capitolul I Prezentarea muşchilor pneumatici

1.1

Descrierea muşchilor

Muşchii artificiali pneumatici (MAP) sunt dispozitive contractile, asemenea motoarelor liniare acţionate cu ajutorul aerului comprimat. Conceptul lor este foarte simplu: în esenţă muşchiul artificial pneumatic este format dintr-o membrană închisă care sub acţiunea presiunii aerului expandează radial şi a cărei capete axiale, legate prin fitinguri de organul acţionat, se apropie dezvoltând o forţă de contracţie în lungul axei longitudinale asemănătoare celei generate de muşchii scheletici. Literatura de specialitate consemnează o relativă varietate de muşchii artificiali pneumatici dintre care menţionăm: -muşchii McKibben (Figura 1.1)

Figura 1.1

-muşchii 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 în primul rând în domeniul roboticii şi al automatizărilor În ultimul timp, robotica se bazează pe pneumatică ca principală sursă de energie de mişcare. Una dintre cele mai importante atracţii despre pneumatice este greutatea mică şi comportamentele inerente neconforme de acţionare sale. Conformitatea se datorează compresibilităţii de aer şi, ca atare, pot fi influenţate prin controlul presiunii de funcţionare. Aceasta este o caracteristică importantă ori de câte ori există o interacţiune între om şi maşină sau atunci când operaţiunile delicate trebuie să fie efectuate (de exemplu, manipularea de obiecte fragile) şi interacţiunea în condiţii de siguranţă poate fi garantată cu uşurinţă. hidraulicele şi electricele , în schimb, au un comportament extrem de rigid şi poate fi realizată numai de a acţiona într-un mod compatibil, prin utilizarea strategiilor relativ complex de control . Aerul comprimat reprezintă una dintre cele mai eficiente metode de automatizare şi acţionare a sistemelor de producţie. Utilizarea în creştere pe scară largă a aerului comprimat în aplicaţii industriale se datorează avantajelor sale: -

generare şi stocare uşoară incombustibil, risc minim de explozie efort de întreţinere minimă a sistemelor pneumatice, etc..

Un alt important avantaj al aerului comprimat este faptul că este un „combustibil “curat, ecologic cu care se poate lucra în procese din industria alimentară, electronică sau farmaceutică. Actuatorii pneumatici, de obicei cilindri, sunt utilizaţi pe scară largă în automatizarea fabricilor. În ultimul timp, roboţii au început să utilizeze actuatori pneumatici ca sursă de mişcare. Câteva tipuri de actuatori pneumatici – cilindri, motoare pneumatice şi chiar motoare pneumatice pas cu pas sunt utilizate cu precădere în ziua de azi. Studiile asupra elementelor actuatorilor pneumatici au condus la conceperea unei membrane, în anul 1950 – 1960, şi astfel s-au conceput muşchii artificiali pneumatici (Figura. 1.8) care simulează muşchii umani.

Figura 1.8 Muşchi pneumatici sunt extrem de uşori din cauza elementului principal care este o membrană şi cu toate acestea poate transfera aceeaşi energie ca un cilindru datorită faptului că operează la aceeaşi presiune şi volume. Din acest motiv au un mare potenţial ca să fie utilizaţi ca sursă de acţionare pentru roboţi din ce în ce mai mult şi pe lângă acesta au avantaje adiţionale cum ar fi conectarea directă, înlocuirea uşoară şi operarea în siguranţă. Muşchii pneumatici sunt utilizaţi în prezent ca actuatori în sisteme robotice şi a cunoscut o continuă dezvoltare în general în cele care imită mişcările umane şi în domeniul roboţilor industriali. Muşchi pneumatici pot fi consideraţi asemenea unor actuatori, ei având nevoie fie de o forţă internă sau externă pentru a reveni la starea iniţială. Acest tip de acţionare poate fi utilizată atât orizontal cât şi vertical, unele sunt utilizate pentru a poziţiona scule, muşchii fiind utilizaţi şi ca dispozitiv de fixare de maşină unealtă. Muşchiul pneumatic este un sistem bazat pe o membrană care se contractă şi care sub acţiunea aerului comprimat îşi măreşte diametrul şi îşi micşorează lungimea. Lungimea cursei depinde în mod direct de presiunea de alimentare (Figura 1.9).

Figura 1.9 Muşchi pneumatic în cele două cazuri relaxat (presiunea – p = 0, lungimea – n şi forţa – F) şi contractat (diferenţa de lungime cu care să contractat – s)

Elementul principal este o membrană flexibilă ranforsata de forma unui tub care este prinsă la capete cu fitinguri prin care se transmite puterea către sistemul mecanic. În timp ce în membrană se întroduce ori se elimină aer presurizat, aceasta se umflă (contractă) sau se dezumflă (relaxează). Sursa de energie a muşchilor pneumatici este un gaz, de obicei aer, care intră său iese din aceştia, generarea şi alimentarea de aer comprimat este uşor de realizat, având în vedere presiune

mediului ambiant de aproximativ 100kPa, mai multă energie poate fi transmisă prin suprapresiune decât prin subpresiune. În acest fel muşchi pneumatici sunt „alimentaţi“de diferenţa de presiune din interiorul acestora şi presiunea normală din mediul înconjurător. Acest tip de actuatori au un raport putere – greutate excelent, îndeplinind condiţiile de siguranţă, simplitate, precum rezolvă şi problema greutăţi sistemelor acestea fiind uşoare. Un muşchi pneumatic este construit dintr-un tub interior de diferite lungimi, confecţionat dintr-un material elastic, de regulă neopren. Acest tub este înfăşurat într-o ţesătură multistrat, realizată din nylon, care-i conferă rezistenţă şi protecţie la acţiunile mediului de lucru. Unghiul de înfăşurare a ţesăturii, notat cu α, în starea relaxată a muşchiului are valoarea de 25,4º, iar pentru starea maxim contractată de 54,7º. Muşchi pneumatici sunt mecanisme de acţionare pneumatice cu o istorie vastă de aplicaţii în domeniul biomecanic, totuşi potenţialul său nu a fost pe larg explorat în robotică, controlul mişcării, manipularea de materialelor, şi alte aplicaţii industriale. Spre deosebire de actuatorii obişnuiţi, muşchi pneumatici au cea mai mare forţă la tracţiune, când aerul comprimat ajunge în muşchi, acesta fiind blocat la un capăt se umflă, presiunea din interiorul membranei acţionează asupra plasei de nailon acesta işi va marii diametrul şi se va scurta lungimea (Figura 1.10).

Figura 1.10 Forţa generată de acest tip de actuatori este liniara şi unidirecţională aceasta fiind la începutul contracţiei la maxim şi scade până la zero odată ce volumul este ocupat în totalitate. Cu cât cantitatea de aer creşte într-un muşchi pneumatic cu atât acesta îşi va modifica lungimea şi va începe să se contracte corespunzător (Figura 1.11).

Figura 1.11 Puterea de contracţie a muşchilor este limitată de suma puterii totale a fibrelor individuale din materialul care constituie membrana. Membrana se extinde radial şi se contractă axial când este sub presiunea aerului generând o forţa la tracţiune pe axa longitudinală . Forţa de contracţie a muşchilor depinde de presiunea şi lungimea acestuia. Distanţa pe care muşchi se extind este limitată de legăturile etanşe ale membranei, o membrană cu perete mai subţire permite o bombare mai mare, care mai departe răsuceşte fibrele de nailon ce o compun. Cercetările din domeniu au demonstrat că spre deosebire de un cilindru pneumatic, muşchi dezvoltă o forţă mai mare decât aceştia, fiind nevoie în continuare de mai multe studii. Muşchi artificiali pot să se împartă în funcţie de elementul ce îi acţionează astfel în două categorii: Ř

muşchi artificiali acţionaţi de presiunea aerului (muşchi pneumatici);

Ř

muşchi artificiali acţionaţi de presiunea unui fluid.

Sistemele de ţevi care sunt supuse unor mişcări termale şi la vibraţii mecanice folosesc acelaşi concept ca şi muşchi pneumatici la legăturile dintre ele pentru a preveni distrugerea acestora. Principalele proprietăţi ale muşchilor pneumatici sunt: -caracteristicile statice de sarcină – lungimea de echilibru a unui muşchi pneumatic în condiţii statice va fi determinată de nivelul de presiune, sarcina externă şi de raportul volum – lungime al muşchiului respectiv (Figura 1.12) ;

Figura 1.12: Raportul forţă – contracţie Ř conformitate – datorită compresibilităţi aerului toate motoarele de acţionare pneumatice arată un comportament asemănător. Cu toate acestea, muşchi pneumatici au o forţă de scădere a curbei de contracţie ca o a doua sursă de conformitate, chiar dacă presiunea este menţinută la un nivel fix, muşchiul acţionează ca un resort ca urmare a schimbării forţei în raport cu lungimea. Ř caracterul antagonist – muşchi pneumatici sunt dispozitive contractile care generează mişcare într-o singură direcţie.  asemănarea muşchilor pneumatici cu scheletul muscular – se aseamănă cu muşchi

umani prin faptul că acţionează în acelaşi mod, liniar şi se contractă,  greutate mică şi putere mare – aceşti actuatorii sunt extrem de uşori datorită faptului

că componenta lor principală este o membrană. Datorită descoperirilor din domeniul materialelor acestea pot ajunge să aibă o forţă de contracţie de câteva mii de newtoni. Ř conectare directă – în multe aplicaţii acţionările electrice au nevoie de o reducere a vitezei din cauza vitezei lor de revoluţie mari şi a valorilor scăzute ale cuplului. Astfel de angrenări de reducere a vitezei introduce fenomene nedorite în sistem, cum ar fi reacţii negative şi inerţie suplimentară. Muşchii pneumatici se pot conecta direct la structura care se doreşte a fi acţionată, intrând cu uşurinţă deoarece sunt mici, şi în general valorile vitezei şi a forţelor sunt în general în intervalul a ceea ce este necesar. Ř înlocuire rapidă – datorită conexiuni directe, înlocuirea unui muşchi defect este foarte uşor şi rapid fiind necesar doar decuplarea muşchiului ce se doreşte a se schimba şi a alimentări cu aer.

Ř utilizarea fără pericol – în ceea ce priveşte efectele sale asupra mediului înconjurător prin folosirea aerului nu poate afecta sub nici o formă. Ca şi în cazul celorlalte dispozitive pneumatice nu există pericol de incendiu sau explozie. Datorită capacităţi intrinsece şi a faptului că poate fi ajustat pentru a avea o atingere moale, astfel este foarte potrivit pentru interacţiunea om – maşina în condiţii de siguranţă.

1.2 Aplicaţii ale muşchilor pneumatici În ultima perioadă s-au realizat multiple aplicaţii cu ajutorul muşchilor pneumatici în diferite domenii industriale, de la industria alimentarea la industria constructoare de avioane. În următoarele pagini voi prezenta aplicaţii cât mai diverse realizate de oameni şi instituţii din întreaga lume.

Fluidic Muscle Press Station Acest sistem este un modul, o staţie creată cu scop didactic care prinţe alte elemente conţine şi un muşchi pneumatic (Figura 2.1).

Figura 2.1: Fluidic Muscle Press Station Staţia constă din şase părţi: -

un modul de presă acţionată cu muşchi pneumatici (Figura 2.2);

-

un sistem rotativ liniar de schimbare

-

masa pe care se vor prinde toate componentele;

-

sistem mobil de deplasare a staţiei

-

consola de control;

-

procesorul industrial.

Scopul acestei staţii este acela de a presa piesele într-o altă piesă şi de a le transfera mai departe către o altă staţie.

Figura 2.2: Modul de presă acţionată cu muşchi pneumatic Atunci când se alimentează cu presiune muşchiul pneumatic acesta se contractă şi pune în mişcare batiul mobil care va presa piesa 1 în piesa 2. Datorită faptului că eliberarea aerului din muşchiul pneumatic nu asigură revenirea în poziţia iniţială a batiului mobil se utilizează două arcuri plasate pe ghidajul batiului mobil care asigură mişcarea de translaţie . Presiunea precum şi viteza se poate

regla cu ajutorul unui regulator proporţional de

presiune. Această aplicaţie are la bază instruire didactică a persoanelor care doreşte să se familiarizeze cu mediul de programare STEP 7, precum şi modul de a gândi aplicaţia astfel încât în final să rezulte o succesiune de comenzi cu o gândire logică. Diferitele componente sunt interconectate cu ajutorul a diferite elemente, controlul şi comanda unui sistem se face pe baza a unui program care analizează senzorii (optici, inductivi, laser) care sunt conectaţi direct sau printr-un mic dispozitiv de decizie local şi pe baza cărora se dă comenzi mai departe către partea pneumatică prin intermediul unor electrovalve sau a unui regulator de presiune care transformă semnalele electrice în mişcare prin intermediul unui dispozitiv de acţionare (actuator, cilindru, motor, etc.), în cazul de faţă un muşchi pneumatic pentru a presa două piese una în alta.

Studiul utilizării muşchilor pneumatici în mişcarea flapsurilor În industria avioanelor este necesar ca avioanele să aibă o greutate proporţională cu forţa pe care o dezvoltă pentru a se deplasa. În acest sens să dezvoltat o aplicaţie cu muşchi pneumatici în ceea ce priveşte înlocuirea actuatorilor ce sunt folosiţi pentru punerea în mişcare a flapsurilor avionului, s-a pus în evidenţă raportul forţă – greutate în modul de lucru antagonist. În contrast cu sistemele hidraulice şi cele piezoelectrice muşchii pneumatici au o greutate mai mică şi respectiv oferă o putere mult mai mare, caracteristicile generale fac din aceştia să devină candidaţi excelenţi pentru mişcarea flapsurilor (Figura 2.3).

Figura 2.3 În urma studiului realizat s-a concluzionat că acest model oferă predicţii privind forţa blocajului flapsurilor la presiuni moderate şi astfel pot fi utilizate pentru a evalua dimensiunea actuatorului necesar pentru o aplicaţie dată. În prezent variabilele de proiectare trebuie decise pe baza caracterizării exacte a actuatorilor. Este important de remarcat că toate actuatoarele utilizate în acest studiu au unghiurile formate de firele de nailon constante. Unghiul este un element important în performanţa muşchilor pneumatici deoarece determină cât de mult acesta se extinde radial şi se contractă sub presiune, astfel se poate observa cât de multă forţă este capabil să ofere. Unghiul format de firele de nailon precum şi lungimea acestora ar trebui analizate în viitoare studii ca variabile pentru a controla forţa, expansiunea radială şi contracţia muşchilor pneumatici. Sistemul de activare a flapsurilor poate fi îmbunătăţit pe baza acestor teste. Creşterea dimensiuni actuatorului va îmbunătăţi forţa cu care fiecare muşchi pus în pereche antagonistă se va contracta fără a afecta cantitate de contracţie. Festo Airmotion

Cu ajutorul muşchilor pneumatici s-a realizat un simulator proiectat pentru a simula ceea ce se simte atunci când se conduce o masina de lux, ca un Ferrari sau Lamborghini, care constă dintr-o platformă mobilă cu un scaun ataşat. Acesta tehnologie s-a dezvoltat astfel încât în prezent să devină cât mai reală. Utilizarea camerelor şi cu ajutorul sistemelor digitale se generează terenul pe care pilotul conduce maşina precum şi interacţiunile acestuia cu mediul înconjurător în diferite condiţii. În general pentru simularea mişcărilor se utilizează un hexapod cu actuatorii hidraulici cu şase axe de mişcare. Simulatorul Festo Airmotion este suspendat de trei suporţi de oţel şi prins cu şase muşchi pneumatici aceştia fiind ideali pentru a simula mişcarea autoturismelor. (Figura 2.4).

Figura 2.4: Simulatorul Festo Airmotion Simulatorul are o greutate mai mică datorită utilizări acestor tipuri de actuatorii, muşchi pneumatici, care au o formă simplă ce generează atât mişcări fine cât şi acceleraţii mari făcând din acesta soluţia ideală pentru aplicaţii de simulare foarte realiste cu un cost de întreţinere mic şi un spaţiu de desfăşurare deasemenea mic. Datorită faptului că nu are părţi mecanice în mişcare operează fără frecare şi permite mişcări la viteze foarte mici fără trepidaţii sau a altor efecte nedorite. Lungimea stâlpilor de care muşchilor pneumatici se prind într-o parte sunt calculaţi pentru o poziţie dorită a scaunului relativă faţă de cadru. Provocarea în acest caz constă în utilizarea muşchilor pneumatici în poziţie suspendată, datorită faptului că aceştia pot exercita forţa doar la tracţiune scaunul trebuie să fie tot timpul sub tensiune. Pentru un control cât mai real şase valve transformă variabilele de control în presiune şi astfel în mişcarea dorită. Poziţia pilotului este determinată şi controlată de un calculator în timp real cu ajutorul unui program de simulare care converteşte cele şase valori axiale printr-o interfaţă, lungime muşchilor pneumatici contractaţi este calculată utilizând un algoritm de retransformare a

unui hexapod. Mişcare şi viteza celor şase axe este controlată şi reglată utilizând un regulator pneumatic proporţional. Air Arm În domeniu roboţilor se încearcă crearea unor diferite aplicaţii care să simuleze comportamentul uman cât mai aproape de realitate. Inspirat din natură prin analiză picioarelor homarilor, a lăcustelor împreună şi cu gesturi umane de indicare, s-a dezvoltat un braţ din două segmente cu un schelet extern şi modele de mişcare similare cu cele ale unui om. O analiză a mişcărilor umane a identificat numeroase oportunităţii pentru realizarea tehnică. Scopul tehnic al acestui braţ este acela de a atinge cât mai multe puncte distanţe în spaţiu într-un interval de funcţionare emisferic dintr-un punct specificat în spaţiu (figura 2.5). Ca premise pentru diferitele abordări posibile sub titlul de „smart mechanics“, următoarele categorii au fost evidenţiate: Ř

uşor de proiectat;

Ř

flexibilitate;

Ř

elasticitate;

Ř

complexitate redusă;

Ř

robusteţe;

Ř

control adaptiv.

Figura 2.5: Festo AirArm Pentru a asigura o greutate mică şi o complexitate redusă, triangulaţia modulelor braţului au fost executate prin analogie cu scheletul exterior al piciorului unei lăcuste. Muşchi pneumatici ca un mecanism antagonist permite un grad ridicat de flexibilitate în combinaţie cu consum minim de energie pentru a permite menţinerea sistemului în poziţia specificată. Pentru a reduce greutatea componentelor, acestea au fost strunjite pe ambele părţi până

la grosimea minimă necesară, şi contururile 3D au fost adăugate de laser, elementele de armare fiind sudate de asemenea cu laser de piesa de bază. Pentru a obţine o cinetică optimă pentru sistemul braţului, muşchi au fost modificaţi astfel: -

prin crearea unor furci speciale mai scurte;

-

prin integrarea rulmenţilor opuşi în conexiunile presate care asigură alimentarea cu aer;

-

auto centrare cu un grad necesar de rotaţie.

AirArm a combinat structura unui picior cu rază de acţiune a braţului uman, axele de rotaţie şi raza de mişcare a cuplelor au trebuit mai întâi să fie determinate. Acest sistem de muşchi pneumatici este controlat prin intermediul a trei bucle de feedback: -

mişcarea dorită de la un punct la altul este convertită în presiune de referinţă progresivă pentru toţi muşchi pneumatici; Datele necesare pentru pentru calculul au fost iniţial obţinute dintr-un model matematic al AirArm. Se evaluează mişcarea pentru a se vedea dacă braţul chiar a executat acţiunea în modul în care să dorit, unghiurile articulaţiei sunt constant măsurate, în cazul deviaţiilor traiectoria este modificată în concordanţă cu ce sa dorit.

-

a doua buclă urmăreşte lungime muşchiului, aceasta are scopul de a corecta presiunea şi previne vibraţiile în mişcările dinamice.

-

regulatorul de presiune asigură o presiune stabilă în muşchi pneumatici prin comparaţia acestuia la fiecare supapă de ieşire cu presiunea de referinţă.

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

Utilizarea muşchilor pneumatici şi a oscilatoarelor neliniare în locomoţia patrupedelor Locomoţia este o funcţie de bază a unui robot mobil şi una din căi pentru a atinge acest lucru sunt utilizate picioarele care permite deplasarea pe teren accidentat. Din acest motiv să alocat resurse pentru controlul mişcării picioarelor în vederea că roboţii pe viitor vor trebui să execute diverse acţiuni pe teren accidentat şi să se adapteze la mediu în timp real precum şi adaptarea în funcţie de schimbările de mediu (Figura 2.6).

Figura 2.6 Roboţi ce se doresc a se deplasa au două etape esenţiale: -

etapa de balansare;

-

etapa de susţinere.

În etapa de balansare actuatorii se relaxează şi încheieturile pasive spre deosebire de etapa de sprijinire când încheieturile devin foarte rigide datorită forţei dezvoltate de muşchi pneumatici dispuşi antagonist. Prin controlul rigidităţi încheieturilor, prin ajustarea balansului generat de forţa muşchilor pneumatici se urmăreşte ca robotul să devină mai adaptat la variaţiile de mediu şi la suprafaţa terenului. Un nou sistem este propus pentru controlul mişcări cu oscilatoare neliniare pentru roboţi patrupezi cu muşchi pneumatici. Mişcare periodică între etapa de balansare şi etapa de susţinere se realizează pe baza unei faze a oscilatorului. În momentul în care piciorul face contact cu pământul, faza oscilatorului este resetată şi din etapa de balansare se trece în etapa de sprijinire. Aceste interacţiuni dinamice face posibilă antrenarea reciprocă dintre oscilatoare şi crează un ciclu constant a perioadei totale dinamice a locomoţiei cu patru picioare. Echipament izokinetic acţionat cu muşchi pneumatici, destinat recuperării bolnavilor cu afecţiuni posttraumatice ale articulaţiilor portante.

Echipamentul are ca scop efectuarea unor mişcări continue pasive de reabilitare a articulaţiilor portante ale membrului inferior (Figura 2.7). Medicina are ca obiective menţinerea şi refacerea organismului precum şi prevenirea disfuncţiilor prin apelarea la tehnici kinetice, ortotice, etc..

Figura 2.7 Studii internaţionale au scos în evidenţă faptul că utilizarea pentru refacere a unor echipamente capabile de efectuarea unor mişcări pasive continue au scăzut costurile de reabilitare cu aproximativ 50% faţă de cazul neutilizării lor. Necesitatea conceperii unor echipamente moderne, complexe, destinate reabilitării persoanelor cu afecţiuni posttraumatice ale membrului inferior rezultă din incidenţa ridicată a acestor dizabilităţi. Astfel, în perioada 2002-2005, în cadrul Clinicii de Recuperare a INRMF Bucureşti s-au făcut câteva studii cu privire la ponderea bolnavilor cu afecţiuni ale articulaţiilor portante ale membrelor inferioare. Din aceste studii rezultă cu claritate necesitatea introducerii kinetoterapiei ca mijloc de tratament posttraumatic al articulaţiilor portante, mişcarea pasivă continuă reprezentând un instrument optim în arsenalul terapeutic al profesioniştilor din domeniul reabilitării. Echipamentele izokinetice generatoare de mişcare continuă pasivă pot fi împărţite, în general, în două categorii: dispozitive pluri-articulare (sau multi-articulaţie) care permit – cu ajutorul unor accesorii – testarea şi reabilitarea tuturor articulaţiilor importante, şi dispozitive monoarticulare (sau mono-articulaţie) destinate unei singure articulaţii specifice. La nivel mondial au fost realizate astfel de sisteme speciale pentru şold, genunchi sau gleznă, cum sunt cele Fisiotek (Figura 2.8).

Figura 2.8 Echipamentele izokinetice necesare efectuării mişcărilor pasive continue existente la această oră pe piaţă sunt antrenate cu motoare electrice, structura lanţurilor lor cinematice fiind rigidă. Preţurile unor asemenea echipamente sunt destul de ridicate, de câteva mii de dolari, depăşind de multe ori posibilităţile financiare ale potenţialilor utilizatori. Folosirea muşchilor pneumatici pentru diferite aplicaţii industriale se află în fază de început, datorită caracterului de relativă noutate a acestor componente. Cu ajutorul acestor componente se pot asambla şi dă în exploatare rapid roboţi uşori, multisenzor.

Capitolul II Studiul muşchilor pneumatici 2.1. Construcţia muşchilor pneumatici Am utilizat programul SolidWorks pentru a construi un muşchi pneumatic utilizând modelul McKiben Muscle şi un model cad Festo pe care l-am descompus în cele cinci părţi componente (Figura 2.1): Ř

şurub cu alimentarea de aer integrată;

Ř

şurub pentru prindere;

Ř

membrană care constă în plasă de nailon şi neopren;

Ř

două fitinguri presate care asigură etanşeitate.

Figura 2.1: Muşchi pneumatic – captură de imagine din SolidWorks Materialele din care se realizează membrana muşchiului trebuiesc alese în funcţie de proprietăţile de material pe care le au şi care contează foarte mult în cazul muşchilor pneumatici. Astfel în cazul membranei este necesar de un material elastic care să dureze în timp în acelaşi mod este nevoie de un material foarte flexibil care să aibe o rezistenţă mare. Membrana muşchiului pneumatic este alcătuită din două componente: fire de nailon şi neopren, deci din două materiale diferite cu proprietăţi diferite care au o importanţă foarte mare în funcţionare (Figura 2.2). Membrana am modelat-o în SolidWorks cu ajutorul unor helixuri pe care le-am extras dintrun tub cilindric obţinut din descompunerea unui model cad Festo rezultând în final o membrană cu goluri în interior. Am asamblat membrana cu helixurile (firele) extrase putând atribui proprietăţi de material membranei şi helixurilor. În acest mod am specificat materialul din care este realizată membrana – neopren şi helixurile (fire) – nailon ce era necesar pentru realizarea unei simulări a muşchiului pneumatic (Figura 2.2) O membrană simplă din neopren sub presiunea aerului se va umfla asemenea unui balon, efectul dorit de mişcare liniara pentru a acţiona un element nu se va realiza. Neoprenul (C4H5Cl) sau cloropren ( Standard Code - CR), a fost inventat de firma DuPont în anul 1930 odată cu comercializarea

unor

produse

noi

din cauciuc pe

bază

de

policloropren.

Policloroprenul este obtinut prin polimerizarea cloroprenului, dar macromoleculele au și catene laterale nesaturate, asemănătoare celor din cauciucurile butadienă-stiren sau butadienăacrilonitril. Polimerizarea se realizează cu inițiatori radicalici, iar vulcanizarea se face cu oxizi metalici,

care

reacționează

cu atomii de clor,

formând

punți

de oxigen între

macromolecule.Inițial neoprenul s-a numit duprene, fiind primul tip de cauciuc sintetic produs industrial pentru uz general. Neoprenul

prezintă

rezistență

superioară

cauciucului

natural

la

acțiunea razelor

solare, ozon, hidrocarburi, greutate redusă, fiind folosit din ce în ce mai mult în cele mai diverse sectoare industriale (tuburi, garnituri etanșe rezistente la acțiunea carburanților, accesorii de calculator, medicină, izolator electric etc). În ultimul timp datorită dezvoltării sporturilor acvatice, neoprenul este folosit pentru confecționarea costumelor de scufundare, surfing, deoarece în apă conferă flotabilitate pozitivă sporită precum și o mai bună protecție termică. În anul 2000 au fost produse la nivel mondial peste 300.000 tone de neopren. De aceea se introduce o plasă dintr-un material (de exemplu nailon) în componenţa membranei care are ca scop, în cazul muşchiului pneumatic de a limita neoprenului creşterea de volum astfel încât acesta să se extindă radial şi să se comprime pe lungime generând o mişcare liniară produsă prin introducere de aer sub presiune. Nailonul este un polimer, material termoplastic cu o flexibilitate şi rezistenţă mare, cu o aplicabilitate foarte mare în diferite domenii de activitate, de asemenea există numeroase variante ce poate diferi în compoziţia materialului cât şi în funcţie de tehnologia de producţie.

Figura 2.2: Inserţie din fire de nailon (SolidWorks) În principal membrana este un tub cilindric din neopren cu fire de nailon ce o străbat asemenea unui helix pe toată lungimea acestuia. Cu cât firele de nailon (helixurile) din cauciuc sunt mai dese rezultatul este mai bun, în principiu pentru McKiben Muscle firele sunt dispuse foarte aproape unele de altele pentru a controla cât mai bine presiunea ce acţionează asupra cauciucului care tinde să îşi mărească volumul asemenea unui balon menţinând formă cilindrică a acestuia (Figura 1.3). Diametrul firelor de nailon poate varia în funcţie de producător şi de mărimea diametrului membranei. Dispunerea firelor de nailon în interiorul membranei este de forma unui helix cu un număr de rotaţii pe o anumită lungime ştiut şi cu un unghi de plecare determinat şi constant pe toată

lungimea membranei. În cazul de faţă am inserat fire de nailon cu un diametru de 0,75 mm la un unghi de 570 faţă de axa longitudinală. Alimentarea cu aer a muşchilor pneumatici se poate face fie pe la ambele capete fie numai pe la un sigur capăt, cum este şi în cazul de faţă modelul SolidWorks, cu o anumită presiune ce generează o forţă optimă şi o contracţie maximă. Pentru a nu exista pierderi de aer prinderea membranei pe şuruburi se realizează cu fitinguri presate pe acesta ce asigură o etanşeitate foarte bună permiţând o funcţionare normală. Prinderea muşchilor pneumatici într-un sistem se realizează prin intermediul şuruburilor cu diferite cuple astfel încât mişcare să se transmită în mod direct fără elemente adiţionale.

Figura 2.3: a) fire de nailon în secţiune; b) fire de nailon în interiorul membranei; c) imagine de ansamblu a firelor de nailon în muşchiul pneumatic realizat în SolidWorks

Capitolul 3. Determinarea experimentală a dependenţei presiune – forţă Pentru a realiza această determinare experimentală am folosit standul pneumatic de joasă presiune, din dotarea laboratorului. 3.1 Prezentarea generală a standului experimental Placă de profil de aluminiu anodizat Placă de profil din aluminiu formează baza pentru toate pachetele de formare. Toate componentele se potrivesc în condiţii de siguranţă în canelurile de pe placa de profil. Există caneluri pe fiecare parte şi, dacă este necesar, ambele părţi pot fi echipate cu componente. Caneluri sunt compatibile cu sistemul de profil ITEM. Dimensiunile Grid: 50 mm. Pentru instalarea pe mese, se recomandă picioare corespunzătoare din cauciuc (Ordinul nr. 158343). Dimensiuni 350 x 1100 mm şi 350 x 250 mm furnizate fără capace laterale (H x W)

Regulator supapa de presiune cu manometru Regulatorul de presiune este o supapă care automat taie fluxul de lichid sau gaz la o anumită presiune. Sunt folosite pentru a permite conectarea la rezervoare de alimentare de înaltă presiune şi să fie redusă la condiţii de siguranţă şi / sau presiuni utilizabile pentru diverse aplicaţii. Funcţia unui regulator de presiune principală este de a se potrivi cu fluxul de gaz prin intermediul autorităţii de reglementare pentru cereri de gaze plasat asupra sistemului. În cazul în care scade fluxul de sarcină, atunci fluxul de reglementare trebuie să scadă de asemenea. În cazul în care creşte fluxul de sarcină, atunci fluxul de reglementare trebuie să crească, în scopul de a menţine presiunea controlată de scădere de gaz în sistemul sub presiune. Pârghia role 3/2-way supapă cu retur inactiv, în mod normal închis Culbutorul de supapă role cu retur inactiv este acţionat atunci când pârghia rolei este traversată de un cilindru într-o anumită direcţie. După

eliberare a levierului role, supapa este adusă la poziţia iniţială de către un arc de retur. 0 - 800 kPa (0-8 bar) Debitul nominal de 1 ... 2: 80 l / min

Element ,,SAU” Supapă de transfer este activată până la ieşire, prin aplicarea de aer comprimat la una dintre intrările (sau funcţia). 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)

Supapă 5/2-way pilot dublu, acţionat pneumatic, ambele părţi Supapa de pilot pneumatic dublu este inversată de semnale pneumatice din laturi supleant. Circuitul de stat este reţinut după îndepărtarea semnalului până la următorul semnal de contracarare. Design: supapa de suveică, acţionată direct, ambele părţi 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-închidere clapete de reţinere. 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 Supapă 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 ţeavă, rugina si apa de condensare. Regulatorul de presiune menţine presiunea de aer la presiunea de funcţionare stabilit şi compensează fluctuaţiile de presiune. Vas filtru are un robinet de golire condens.

Senzor de presiune cu display Piezoresistive senzor de presiune relativă cu afişaj LCD, liber programabile funcţia de comutare, histerezisul reglabil şi ieşire analogică pentru măsurat direct achiziţie de date. Rotativ 360 °, 15 ° detenting fiecare conexiune prin conectori de siguranţă 4 mm integrate în Quick-Fix ® rapid conectorul de sistem Alimentare 15-30 V DC Ieşire în comutaţie PNP Ieşire analogică 0 - 10 V DC conexiune pneumatice prin QS-4 push- în interval de măsurare a presiunii de amenajare 0-1000 kPa (0 - 10 bar)-Quick Fix ® siguranţă şi rapid con Sensor de forţă Senzor pentru măsurarea forţei de piston în TP210. Montarea cu două ciocan-nuci pe placa de profil. Interval de masurare: 0 - 1 KN Alimentare: 24V valoare de referinţă (valoarea): 0 - 10V

Senzor Debit cu afişaj TP 240 senzor de curgere pe Quick-Fix ® de siguranţă şi sistem rapid de montare pentru plăci de profil rotativ, 90 ° detenting conector M12x1, 5-pin cablu cu M12 x 1 priză şi 4 mm plug de siguranţă cu ieşire witching, 2 x PNP Ieşire analogică 0 - 10 V tensiune de operare 12 - 30 V DC funcţia de element de comutare, funcţia selectabil de comutare liber programabile debitului gama de măsurare, 0.5 - 10 l / min

Muschi pneumatic mărimea 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 şi de ieşire pot fi astfel citite de la un PC. Aşa că EasyPort se poate adapta la diferite situaţii,

ne-am dezvoltat software pentru driverele de dispozitiv cu o interfaţă grafică a utilizatorului, prin intermediul conexiunilor care pot fi făcute.

Unitate de conectare, analog Gama admisă de tensiune: 22-27 V DC Referinţă: GND 4 intrări analogice de tensiune: Range: -10 V - 10 V (max. 30 V), rezistenţa de intrare: 200 kΩ 4 intrări analogice curent: Range: 0 - 20 mA ( max -4 - 24 mA), tensiune de intrare:. max. ± 30 V 2 ieşiri analogice: Tensiune: -10 la 10 V, scurt-circuit-dovada, max. ± 30 V, siguranţeprotejate, curent: max. 20 mA Utilizarea unui cablu analog (Ordinul nr. 189551), unitatea poate fi, de asemenea, utilizat ca o unitate de conectare analog pentru EduTrainer ® PLC.

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

Quick-supapă de evacuare Quick-supapă de evacuare cu built-in amortizorul de zgomot. Design: păpuşă gama de supapă 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 / min

Masă 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 ieşire: max. 4.5 A Dimensiuni: 75 x 155 x 235 mm Recomandări pentru accesorii, mass-media şi extensii masă unitate de alimentare cu energie

Cilindru cu dublă acţiune

Cilindru cu dublă acţiune cu came de control. amortizare End-poziţie, cu două şuruburi de reglare. Un magnet permanent este montat pe piston cilindru. campul magnetic poate declanşa un comutator de proximitate. Design: piston cilindru de presiune de operare: maximum 1000 kPa (10 bar) Împingere maxima la 600 kPa (6 bar): 165 N tracţiune Întoarcere la 600 kPa (6 bar): 140 N Drosel cale One-way de control al supapelor debit 539773

Drosel de cale control de flux constă dintr-o combinaţie de o valvă de control debit şi o supapă de reţinere dispuse paralel cu supapa de control al fluxului. Controlul secţiunii de curgere transversală poate fi reglat cu un şurub striat. Design: controlul fluxului combinată / de închidere gama de supapă de presiune: 20 - 1000 kPa (0,2 - 10 bar) Standard debitul nominal: în direcţia de control al fluxului de 0 la 110 l / min Rata Standard debitul nominal în direcţia blocat: 65-110 l / min Cilindru cu simplă acţiune Design: piston cilindru de presiune de operare: maximum 1000 kPa (10 bar) tracţiune la 600 kPa (6 bar): 150 N

TP 101, BIBB-P, TP 111 manometru indică presiunea din circuitele de comandă pneumatice. Design: tub Bourdon presiune ecartament gamă de afişare: 0 - 1000 kPa (0 - 10 bar) Clasa de calitate: 1.6

-Sursa de aer Compresor Ideal pentru utilizare separator de apă.

comprimat lubrifiat cu ulei, extrem de silenţios (45 dB (A)) . în sălile de clasă. Cu regulator de presiune şi Presiune: 800 kPa (8 bar) Pmax de performanţă: 50

l / min Capacitate rezervor: 24 l de evacuare a aerului comprimat: ¼ "Nivel de zgomot: 45 dB (A) / 1 m Ciclu: max. 50%

3.2 Determinarea experimentală

Semnalele digitale preluate de la senzorii respectivi vor fi procesate cu ajutorul EasyPortului pentru a putea ajunge, în final, la calculator. Softul FluidLab permite vizualizarea rezultatelor. Muşchiul pneumatic (Figura 3.1) supus testelor este de timpul DMSP -10- 250N (muşchi pneumatic cu diametrul interior de 10 mm şi cu lungimea nominală de 250 mm, temperatura mediului de lucru -5..600C). Valoarea maximă a presiunii suportate de acest muşchi este de 8 bar, valoare pentru care dezvoltă o forţă de 630 N. Pentru efectuarea măsurătorilor se va utiliza valori ale presiunii între 1 şi 6 bar. Reglarea presiunii se va face din 0,5 în 0,5 bar.

Figura 3.1

Rezultate experimentale si discuţii Softul FluidLab este o interfaţă care prelucrează semnalele primite de la easyport şi le afişează grafic. Pentru a prelucra semnalele din easyport softul este prevăzut cu canale de primire a semnalelor.Aceste canale depind de un factor de compensare. Pentru determinarea valorilor forţelor în funcţie de alimentarea cu presiune, a fost necesară determinarea factorului de compensare atât pentru traductorul de presiune cât şi pentru traductorul de forţă. Factor presiune = (Valoare finală presiune – Valoare iniţială presiune) / (Valoare tensiune maximă – Valoare tensiune minimă)

Valoare finală presiune = 10 bar Valoare iniţială presiune = 0 bar Valoare tensiune maximă = 10 V Valore tensiune minimă = 0 V Factor presiune = (10 - 0) / (10 - 0) = 1 Compensare presiune = - (Valoare iniţială presiune – Factor presiune x Valoare tensiune minimă) Compensare presiune = - (0 – 1 x 0) = 0

Factor forţă = (Valoare finală forţă – Valoare iniţială forţă) / (Valoare tensiune maximă – Valoare tensiune minimă) Valoare finală forţă = 1kN Valoare iniţială forţă = 0 kN Valoare tensiune maximă = 10 V Valore tensiune minimă = 0 V Factor forţă = (1 - 0) / (10 - 0) = 1/10 = 0,1 Compensare forţă = - (Valoare iniţială forţă – Factor forţă x Valoare tensiune minimă) Compensare forţă = - (0 – 0, 1 x 0) = 0 Valorile obţinute se introduc în setările programului FluidLab (figura 3.2), iar odată ce setarea se realizează, atunci când se alimentează muşchiul cu presiune (canalul 0) se înregistrează în mod automat şi valoarea forţei (canalul 3) corespunzătoare presiunii.

Figura 3.2 Pentru a putea verifica dacă factorul de compensare este corect şi că semnalul primit de la traductorul de forţă este corect, am făcut următoarea operaţie: Din literatura de specialitate am aflat că cilindrul pneumatic cu simplă acţiune la presiunea de 6 bar dezvoltă o forţă aproximativ egală cu 150 N aşa că am încărcat acest cilindru (figura 3.3)

cu o presiune de 6 bar şi am acţionat asupra senzorului de forţă şi am obţinut o forţă afişată în graficul generat de softul FluidLab (Figura 3.4) de 156 N

Figura 3.3

Figura 3.4 Prima determinare s-a efectuat prin încărcarea muşchiului pneumatic cu aer la presiunea de 1 bar, evoluţia în timp a presiunii fiind înregistrată de traductoarele de presiune. Evoluţia forţei de tracţiune a muşchiului pneumatic în intervalul de timp , alături de evoluţia presiunii sunt înregistraţi în graficul din Figura 3.5, grafic generat de softul FluidLab.

Figura 3.5 După cum se poate observa in graficul generat de softul Fluid Lab la încărcarea muşchiului pneumatic cu presiune de 1 bar acesta dezvoltă o forţă de tracţiune de 33 N.

A doua determinare (Figura 3.6) se va efectua la o încărcare cu aer ,având presiunea de 1,5 bar. La această presiune muşchiul pneumatic dezvoltă o forţă de 62 N .

Figura 3.6.

În Figura 3.7, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiune de 2 bar, muşchiul dezvoltă o forţă de 90 N

Figura 3.7

În Figura 3.8, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiunea de 2,5 bar, valoarea forţei dezvoltate de muşchi este de 123 N.

Figura 8 În Figura 3.9, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiunea de 3 bar, valoarea forţei dezvoltate de muşchi este de 153 N.

Figura 3.9

În Figura 3.10, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiunea de 3,5 bar, valoarea forţei dezvoltate de muşchi este de 188 N.

Figura 3.10 În Figura 3.11, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiunea de 4 bar, valoarea forţei dezvoltate de muşchi este de 221 N.

Figura 3.11

În Figura 3.12, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiunea de 4,5 bar, valoarea forţei dezvoltate de muşchi este de 248 N.

Figura 3.12 În figura 3.13, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiunea de 5 bar, valoarea forţei dezvoltate de muşchi este de 269 N.

Figura 3.13 În Figura 3.14, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiunea de 5,5 bar, valoarea forţei dezvoltate de muşchi este de 296 N.

Figura 3.14 În Figura 3.15, este prezentată diagrama în care muşchiul pneumatic este încărcat cu presiunea de 6 bar, valoarea forţei dezvoltate de muşchi este de 326 N.

Figura 3.15

După finalizarea determinărilor am introdus datele într-un grafic(Figura 3.16).

Figura 3.16 2.2Modelarea şi simularea comportamentului muşchilor pneumatici. Modelarea matematică a unui muşchi artificial se realizează plecând de la o serie de ipoteze simplificatoare: - muşchiul este considerat un cilindru (se neglijează efectele părţii non-cilindrice); - se neglijează efectele grosimii peretelui; - materialul exterior se consideră inextensibil. Geometria înfăşurării acoperitoare este redată în figura 2.1. Se poate observa faptul că la efectuarea unei anumite curse, înfăşurarea se comportă asemenea unui foarfece.

Figura 2.1 Pornind de la notaţiile de mai sus se poate calcula forţa dezvoltată de un muşchi pneumatic:

În care: - p este presiunea de lucru;

- d este diametrul interior al muşchiului pneumatic. Muşchiul pneumatic are un comportament asemănător unui arc, ceea ce înseamnă că la efectuarea cursei maxime, forţa dezvoltată este egală cu zero. Prin prelucrarea relaţiei de mai sus rezultă că pentru F = 0 N, unghiul α = 54,7º.