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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Muscoli dall'aria. Laboratorio di scienze per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Con una certa estensione, possiamo considerare che l'azionamento pneumatico delle macchine è uno dei più antichi. Dopotutto, il vento ha servito a lungo l'uomo sia nelle vele delle navi che nelle pale dei mulini. Con un approccio più rigoroso, l'azionamento pneumatico è forse uno dei più giovani, e quindi molto promettente. Viene utilizzato per il bloccaggio elettrico di parti, il movimento di utensili, avanzamenti a gradini e intermittenti in linea retta e lungo un cerchio, utilizzato per il taglio, la pressatura, l'assemblaggio e molte altre operazioni tecnologiche. Basti pensare che circa la metà dei robot industriali sono azionati pneumaticamente. La sua idea di base è estremamente semplice. Il compressore comprime l'aria. Questa "molla" a gas immagazzina l'energia potenziale finché l'aria non viene fornita al motore pneumatico. Durante l'espansione, l'energia potenziale si trasformerà nell'energia cinetica del collegamento di uscita, ad esempio un pistone con un'asta, che, a sua volta, metterà in movimento la parte lavorativa della macchina. Oltre alla semplicità del design, l'azionamento pneumatico presenta numerosi vantaggi. Innanzitutto il fluido di lavoro è sempre a portata di mano, viene letteralmente preso “dal nulla”. Inoltre, dopo l'uso viene gettato lì, e quasi senza problemi ambientali. E poiché l'aria è igienica rispetto ad altri fluidi di lavoro, gli azionamenti pneumatici sono ampiamente utilizzati nell'industria alimentare, elettronica e farmaceutica, nonché nella costruzione di strumenti di precisione. Le installazioni con azionamento pneumatico, a parità di altre condizioni, sono più economiche, più affidabili, funzionano bene con il caldo e il freddo, non temono l'umidità elevata e la polvere e garantiscono la completa sicurezza antincendio, elettrica ed antideflagrante. La durata degli azionamenti pneumatici arriva fino a 20000 ore, la forza operativa raggiunge diverse tonnellate e le velocità operative sono 5 volte superiori a quelle di un azionamento idraulico e sia la forza che la velocità possono essere regolate senza problemi utilizzando dispositivi molto semplici. In molti casi l'azionamento pneumatico può essere collegato direttamente alla parte operativa della macchina, che viene quindi azionata senza complessi ingranaggi meccanici. Altri importanti vantaggi rispetto alla trazione elettrica sono la possibilità di frenare fino all'arresto completo sotto carico per un tempo illimitato e la possibilità di fare a meno dei dispositivi di protezione da sovraccarico. I vantaggi sono quindi molteplici e l'azionamento pneumatico sarebbe sicuramente fuori concorrenza se non presentasse altrettanto numerosi svantaggi. È difficile liberarsene, poiché queste carenze sono una continuazione organica dei vantaggi. Sono dovuti al fatto che il fluido di lavoro è l'aria, un gas comprimibile. A causa di questa proprietà, è impossibile spostare agevolmente le parti operative della macchina quando il carico oscilla, è difficile fermare l'utensile in un punto strettamente definito e il comando pneumatico attraverso la tubazione può essere trasmesso solo alla velocità di suono. Pertanto, in alcuni casi, sono convenienti i sistemi ibridi: pneumoidraulici (se è necessaria elevata scorrevolezza o precisione di frenata) ed elettropneumatici (se è necessario garantire velocità). Il vantaggio di un azionamento idraulico è la capacità di utilizzare l'alta pressione del fluido di lavoro (fino a 500 atmosfere). Ti consente di creare forze di centinaia e migliaia di tonnellate con cilindri di piccole dimensioni. Perché negli azionamenti pneumatici non vengono utilizzate pressioni altrettanto elevate? In primo luogo, è difficile da creare in un compressore d'aria e, in secondo luogo, è pericoloso da usare. Se una tubazione si rompe, l'aria compressa disperderà i frammenti come schegge. Quindi, riassumendo, possiamo dire che, salvo i casi in cui è richiesto grande sforzo e precisione nel fissare un pezzo o uno strumento di lavoro, è meglio utilizzare un azionamento pneumatico semplice, economico ed affidabile. Come motori pneumatici vengono utilizzati diversi meccanismi: membrana, pistone, pala, turbina... Ma non basta avere un motore che produca lavoro meccanico, bisogna anche controllarne il movimento, e per questo è necessario risolvere tre problemi principali: cambiare la direzione del movimento lineare e rotatorio, cambiare dolcemente la sua velocità e regolare dolcemente la forza di lavoro generata. A questo scopo sono stati creati tutti i tipi di dispositivi pneumatici.
Lasciate che vi raccontiamo qualcosa in più su questi meccanismi. Il motore pneumatico più semplice è un attuatore a membrana con una molla di ritorno, che viene compressa durante la corsa in avanti. I suoi principali vantaggi sono la semplicità del design, la tenuta della cavità di lavoro e una sola linea di comando pneumatica. E lo svantaggio principale è la corsa relativamente piccola. Il meccanismo a membrana è ampiamente utilizzato nell'industria petrolchimica e del gas, nonché nei trasporti. Apre le porte degli autobus e aziona i freni dei vagoni ferroviari e dei camion. Il cilindro pneumatico a pistone è ancora più popolare tra i costruttori di macchine. I cilindri a semplice effetto sono simili ai motori a membrana e presentano gli stessi vantaggi e svantaggi. I cilindri pneumatici a doppio effetto forniscono corse notevolmente più lunghe e vengono quindi utilizzati più spesso. Fino a poco tempo fa, in tali motori solo l'asta fungeva da collegamento di uscita. Quando l'aria compressa viene fornita ad una delle cavità del cilindro, l'altra cavità è collegata all'atmosfera. Pertanto, in un cilindro pneumatico a doppio effetto, il pistone e lo stelo possono trovarsi solo in due posizioni estremamente stabili: lo stelo è completamente retratto o completamente esteso. Quando il diametro del cilindro è limitato si utilizza un cilindro pneumatico doppio o anche triplo. È costituito da due o tre cilindri collegati in serie, funzionanti su un'asta comune. In questo caso le forze che agiscono sui pistoni si sommano. Se il cilindro pneumatico è installato verticalmente, quando viene interrotta la fornitura di aria compressa, la sua asta potrebbe abbassarsi sotto l'influenza della gravità. Per evitare questo fenomeno, la società FESTO (Austria) ha sviluppato un cilindro pneumatico in cui l'asta è fissata saldamente tramite uno speciale meccanismo e quando viene fornita aria compressa viene nuovamente rilasciata. La trasmissione del movimento mediante un'asta presenta numerosi svantaggi. Innanzitutto, l'asta deve essere sigillata. In secondo luogo, quando lo stelo è completamente esteso, la lunghezza totale del cilindro pneumatico quasi raddoppia. In terzo luogo, l'entità della corsa di lavoro è limitata dalla rigidità dell'asta: con una corsa elevata, l'asta inizierà a piegarsi. Negli ultimi anni numerose aziende straniere hanno sviluppato cilindri pneumatici senza stelo che non presentano questi svantaggi. Pertanto, l'azienda FESTO ha sviluppato un design in cui potenti anelli magnetici permanenti sono integrati nel pistone e nel carrello. Quando il pistone si muove sotto l'azione delle forze magnetiche, anche il carrello mobile esterno si muove lungo l'asse del cilindro. Ad essa è fissata la parte operativa della macchina. Ciò fornisce i seguenti vantaggi. In primo luogo, la lunghezza totale del cilindro non cambia quando il pistone si muove e, in secondo luogo, tale cilindro può fornire una corsa significativamente più lunga rispetto a quella convenzionale, fino a 10 metri o più. Inoltre è necessaria solo una guarnizione tra il pistone e il cilindro e il cilindro stesso, con due ingressi di aria compressa, diventa una struttura sigillata. In un cilindro pneumatico senza stelo della ORIGA (Svezia), il pistone è rigidamente collegato ad un carrello mobile situato sulla superficie esterna del cilindro attraverso una fessura longitudinale scorrevole. Questo spazio viene sigillato utilizzando due nastri flessibili in acciaio (interno ed esterno) e magneti permanenti. Il collegamento rigido del pistone al carrello garantisce che la forza di lavoro trasmessa dipenda dalla pressione dell'aria compressa, cosa che distingue questo design dal precedente. Il cilindro pneumatico BOSCH (Germania) ha steli su entrambi i lati del pistone, ma sono una striscia di acciaio flessibile. Questi nastri vengono compattati contro il cilindro e trasmettono il movimento al carro mobile esterno attraverso due rulli. Quando il pistone si sposta a destra, il carrello si sposta a sinistra e viceversa. Il carrello è dotato di freno pneumatico che ne consente l'arresto non solo in posizioni estreme, ma anche in qualsiasi posizione intermedia. Tuttavia, la precisione di tale posizionamento è bassa. Anche il motore pneumatico del tubo non ha un'asta: un tubo di gomma cavo, lungo l'asse del quale un carrello con due rulli può muoversi lungo la sua superficie esterna. Nei cilindri pneumatici, alle alte velocità, il pistone può creare urti a fine corsa. Per prevenirli sono stati realizzati cilindri pneumatici con freno, che possono essere regolati dolcemente utilizzando delle valvole a farfalla - fori di sezione variabile. I cilindri pneumatici rotanti sono ampiamente utilizzati per azionare mandrini, serrare pezzi e materiale da barra su torni a vite. L'aria compressa viene loro fornita tramite un accoppiamento speciale. Il corpo del cilindro può ruotare attorno all'asse longitudinale, ma l'accoppiamento rimane fermo. Esistono numerose operazioni tecnologiche di impatto, ad esempio lo stampaggio. Per loro sono stati sviluppati cilindri pneumatici ad impatto, in cui l'energia potenziale dell'aria compressa viene convertita in energia cinetica d'impatto. Un altro tipo di motore pneumatico è la camera o il palloncino. Sono utilizzati nelle frizioni e nei freni delle presse, utilizzati come martinetti per automobili, "macchine pneumatiche" per il sollevamento di strutture massicce, ad esempio nella costruzione di aeromobili, nelle sospensioni pneumatiche dei telai delle automobili. Questa sospensione consente di regolare l'altezza da terra del veicolo. Spesso è necessario ruotare la parte operativa della macchina. A questo scopo vengono utilizzati motori pneumatici rotativi, molto spesso motori a pistoni e a palette. Nel tipo a pistone, due pistoni sono collegati da un'asta comune, sulla quale è presente una cremagliera che ingrana con un ingranaggio. L'albero di quest'ultimo è il collegamento di uscita del motore pneumatico. Sotto l'influenza dell'aria compressa, i pistoni con stelo eseguono un movimento alternativo, che viene convertito in rotazione dell'albero di uscita. In un soffiatore pneumatico a palette, l'alloggiamento è realizzato sotto forma di un anello con un divisorio fisso. All'interno di questo alloggiamento, sotto l'influenza dell'aria compressa, può ruotare una lama (o saracinesca) sigillata, anch'essa collegata all'albero di uscita. Nei motori pneumatici, l'energia potenziale dell'aria compressa viene convertita in movimento rotatorio multigiro dell'albero di uscita. Esistono molti tipi di motori pneumatici: ingranaggi, piastre, turbine, viti. I più diffusi sono i motori pneumatici a piastre e turbine, in particolare per l'azionamento di utensili pneumatici: trapani e rettificatrici, cacciaviti, avvitatori ad impulsi, forbici, lime e molti altri. Il loro vantaggio principale è la completa sicurezza elettrica ed antideflagrante. Si è già detto che l'azionamento pneumoidraulico combinato non presenta gli svantaggi dell'azionamento pneumatico legati alla comprimibilità dell'aria. In questa definizione, la parola “pneumo” viene prima per un motivo. La fonte di energia in esso contenuta è l'aria compressa. Questa trasmissione è composta da due cilindri: pneumatico e idraulico, i cui pistoni e aste sono fissati rigidamente l'uno all'altro, garantendo un'elevata scorrevolezza. La velocità di movimento viene controllata utilizzando una valvola a farfalla installata sulla tubazione di bypass. Se la comunicazione tra le cavità del cilindro idraulico viene chiusa mediante una valvola, a causa dell'incomprimibilità del liquido, è possibile fermare il pistone con lo stelo in una qualsiasi posizione intermedia, ovvero effettuare un posizionamento preciso. Una tale spinta combinata ha tutte le proprietà positive dei suoi “genitori”, tranne una: non crea grandi forze lavoro. Questo è comprensibile. Dopotutto, la fonte di energia è l'aria compressa a bassa pressione (rispetto a un azionamento idraulico). Forze maggiori sono fornite dal moltiplicatore idraulico pneumatico. La fonte di energia in esso contenuta è l'aria compressa, la cui pressione viene trasmessa attraverso l'asta all'olio. In un cilindro idraulico, la pressione è decine di volte maggiore della pressione dell'aria compressa: ciò dipende dal rapporto tra le aree del pistone e dello stelo. L'uso di moltiplicatori idraulici pneumatici è particolarmente conveniente nei dispositivi di bloccaggio delle macchine utensili. In essi, quando si spostano le ganasce fino al contatto con il prodotto, è necessaria una bassa pressione e per garantire il bloccaggio del prodotto è necessaria un'alta pressione. Tali amplificatori hanno trovato applicazione anche nei dispositivi di frenatura di varie macchine e negli strumenti di guida, ad esempio i trapani, dove forniscono una coppia maggiore. Tali amplificatori della MEKMAN (Svezia) forniscono una pressione dell'olio di 250 atmosfere con una pressione dell'aria compressa di sole 10 atmosfere! Soffermiamoci più in dettaglio sull'uso degli azionamenti pneumatici nei manipolatori robotici industriali. Lo sviluppo della robotica è iniziato con la creazione dei robot industriali più semplici e leggeri, quindi l'azionamento pneumatico si è rivelato molto utile. Tipicamente, i collegamenti del manipolatore sono strutture rigide. Ogni maglia è dotata di un proprio azionamento, proprio come la spalla, l'avambraccio e la mano di una persona hanno i propri muscoli. Il numero di collegamenti (o le loro unità) determina il numero di gradi di mobilità del robot. Per la maggior parte dei robot esistenti, questo numero non supera i sei o i sette. Ma il numero di gradi di mobilità determina la manovrabilità del manipolatore, inclusa la capacità di aggirare o aggirare gli ostacoli. La mano umana ha 22 gradi di mobilità. Recentemente, nell'URSS è stato sviluppato un attuatore pneumatico di rigidità variabile. Questo meccanismo a forma di serpente consente di creare un manipolatore con un numero infinito di gradi di mobilità. È un guscio cavo e flessibile con diverse camere longitudinali. Quando vengono fornite pressioni uguali a tutte le camere, il manipolatore assume una posizione verticale, mentre quando vengono fornite pressioni diverse, si piega verso le camere con pressione inferiore. In Francia è stato sviluppato un robot pneumatico "Cedroma-3" che, come un verme, si muove in modo peristaltico - grazie ai successivi allungamenti e contrazioni del suo "corpo" flessibile. Si compone di tre sezioni. Ognuno di essi è un tubo corrugato elastico, simile al tubo di una maschera antigas. Un robot verme di questo tipo può strisciare lungo qualsiasi canale, tubo, superficie piana, convessa o concava, in direzione orizzontale o addirittura verticale. Può effettuare svolte con un angolo fino a 90°, muoversi in ambienti sciolti - sabbia, grano, neve, detriti. A riposo, questo robot è lungo 3 me ha un diametro di 120 mm. Il suo peso è di 10 kg, la forza di trazione è di 80 kg, la velocità di movimento è superiore a 1 m/min. Può “strisciare” per distanze superiori a 30 m e resistere a temperature fino a 80° C. In Giappone per azionare il robot vengono utilizzate camere elastiche tubolari riempite di aria compressa. Tale unità è un pezzo di tubo di gomma racchiuso in una treccia di materiale sintetico. Quando viene fornita aria compressa, il tubo inizia ad espandersi in diametro e a contrarsi in lunghezza in direzione assiale, come un muscolo. Il tubo di gomma termina con basi in metallo su entrambi i lati. Per controllare ogni grado di mobilità del robot, vengono utilizzati due di questi attuatori in gomma. Una delle basi metalliche di ciascun azionamento è fissata in modo fisso, mentre le altre sono collegate tra loro da un cavo flessibile gettato su una puleggia. Questa puleggia è collegata a uno dei collegamenti nel braccio del robot. Quando la pressione in una delle unità aumenta, "si accorcia" e quando la pressione diminuisce contemporaneamente della stessa quantità, l'altra unità "si rilassa" (cioè si allunga). Di conseguenza, il cavo si muove e fa ruotare la puleggia e il collegamento del braccio del robot. Un tale robot è controllato tramite un microcomputer. Il peso ridotto e la flessibilità lo rendono non pericoloso per l'uomo. Grazie alla sua semplicità, questo robot può essere utilizzato per eseguire molti compiti semplici, come la verniciatura di parti. Soprattutto, attraverso l'uso di “muscoli” di gomma riempiti di aria compressa, è stato possibile ottenere un rapporto senza precedenti tra la massa del robot (6 kg) e il carico sollevato (2 kg) - 3:1. Dopotutto, questo rapporto è solitamente 10: 1 o più. Ma un robot del genere è ancora lontano dall’essere umano. Ricordiamo che i sollevatori di pesi sollevano pesi 2-2,5 volte i propri. Quindi è troppo presto perché i progettisti di robot si calmino! Quali sono le prospettive per lo sviluppo degli azionamenti pneumatici? Secondo la nota azienda FESTO (Austria), nel 1986 il volume di produzione totale di azionamenti pneumatici in Europa, Stati Uniti e Giappone ammontava a 6,5 miliardi di marchi tedeschi. Questi fondi sono sufficienti per produrre 200.000 comode auto di classe media! Nei paesi capitalisti sviluppati, molte dozzine di aziende grandi e piccole producono una vasta gamma di apparecchiature di azionamento pneumatico. Le più grandi di queste società sono FESTO, Wabco-Westinghouse (Germania), Martoier (Germania), Mekman (Svezia). La gamma di elementi dell'azionamento pneumatico FESTO ammonta a diverse migliaia di unità, compresi cilindri pneumatici di vario tipo con diametro da 6 a 320 mm, corsa di lavoro da diversi millimetri a diversi metri e l'attrezzatura che li controlla di tutte le dimensioni - con croce- sezioni dei fori per il passaggio dell'aria da 2,5 fino a 20 mm. Nei paesi del COMECON si producono anche apparecchiature di azionamento pneumatico - nella Repubblica popolare di Bielorussia, nella RDT e, soprattutto, in Ungheria (produzione congiunta con l'azienda Mekman) - di una vasta gamma e di alta qualità. Vediamo qual è la situazione con la produzione e l'utilizzo di azionamenti pneumatici nell'industria nazionale. Non può essere definito altro che deplorevole. La produzione centralizzata delle apparecchiature di azionamento pneumatico e la loro fornitura a tutti i rami dell'ingegneria meccanica viene effettuata dal Ministero dell'industria delle macchine utensili. Ci sono solo 4 imprese coinvolte nella produzione di apparecchiature pneumatiche e i cilindri pneumatici per l'ingegneria meccanica in tutto il paese sono prodotti dall'impianto sperimentale di apparecchiature pneumatiche Ordzhonikidze (!?). La sua gamma comprende solo 58 modelli di cilindri pneumatici. Un piccolo numero di motori pneumatici rotativi e cilindri pneumatici a corsa lunga per robot industriali sono prodotti dall'associazione di produzione di Simferopoli "Pnevmatika". I cilindri pneumatici miniaturizzati e i cilindri pneumatici con freno non sono prodotti da nessuna impresa del Ministero dell'Industria Meccanica. Vengono prodotti in totale 150 modelli di cilindri pneumatici senza freno e ne servono 1000. Di cilindri pneumatici con freno ne servono 1200 modelli. Vengono prodotti solo 4 modelli di motori pneumatici rotativi e ne occorrono 24 (tutti i dati forniti sono secondo VNIIgidroprivod, Kharkov). Alcuni rami dell'ingegneria meccanica hanno organizzato la propria produzione di azionamenti pneumatici. Pertanto, lo stabilimento di treni elettrici e metropolitane di Mytishchi produce cilindri pneumatici per azionare le porte di questi vagoni. L'industria automobilistica produce attuatori pneumatici a membrana per sistemi frenanti di automobili e azionamenti per porte di autobus. Tuttavia, questi singoli esempi non cambiano il quadro generale. La qualità delle superfici di sfregamento e delle guarnizioni in gomma delle apparecchiature pneumatiche prodotte dall'impianto pilota di Ordzhonikidze e dall'Associazione di produzione pneumatica di Simferopol è molto scarsa. Ciò porta a una bassa affidabilità e a una durata di servizio insufficiente dell'apparecchiatura. E questo mentre i cilindri pneumatici prodotti da VNR forniscono 50 milioni di doppie corse, sufficienti per l'intera vita utile di quasi tutte le macchine! La situazione con la produzione di apparecchiature di distribuzione e controllo, nonché di apparecchiature per la preparazione dell'aria compressa, non è migliore. La sua portata è molto ristretta e la qualità e l'affidabilità (ad eccezione dell'attrezzatura dell'AP di Mosca "Pnevmoapparat") sono basse. Tutto ciò ha portato a un utilizzo molto limitato degli azionamenti pneumatici nell'ingegneria meccanica domestica. Vi è una particolare carenza di apparecchiature di azionamento pneumatico in miniatura. Quando si padroneggia la produzione di nuove macchine su licenza di società straniere, è necessario passare ai componenti nazionali, compresi quelli per l'azionamento pneumatico. In questo caso, ogni volta l'ostacolo è la mancanza delle necessarie apparecchiature di azionamento pneumatico domestico, che devono essere acquistate all'estero in valuta estera. Lo sviluppo accelerato dell'ingegneria meccanica domestica e la creazione di attrezzature di alto livello sono impossibili senza creare una base moderna per la produzione di tutti i tipi di azionamenti, compresi quelli pneumatici. Senza una soluzione rapida ed efficiente a questo compito importantissimo, la nostra ingegneria meccanica non sarà in grado di avanzare e diventare competitiva sul mercato mondiale. Motori pneumatici lineari Cilindro pneumatico a doppio effetto
Cilindro pneumatico a semplice effetto
Cilindro magnetico pneumatico senza stelo
Cilindro pneumatico senza stelo
Cilindro pneumatico a fune
Motore ad aria compressa
Cilindro pneumatico con frenatura
Cilindro pneumatico rotante
Cilindro pneumatico a impatto
Motore ad aria della camera
Motori pneumatici rotativi Pistone con cremagliera e pignone
Cancello (a lame)
Motori pneumatici Ingranaggio
Paletta rotante
Turbina
Azionamento pneumoidraulico
Booster pneumoidraulico
Motore pneumatico "Snake"
"Muscoli" pneumatici
Autore: V. Levin
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