Realizzazione del MOTO ROTATORIO della camera espandibile;

Capitolo 3 - DEFINIZIONE DELLE SOLUZIONI COSTRUTTIVE

3.1. Premessa

In questa fase della progettazione si sono analizzati separatamente diversi aspetti funzionali dello spreader; per poter rispettare le specifiche, individuate nella fase precedente, si sono ipotizzate alcune differenti soluzioni costruttive per ogni singolo aspetto:

Modalità di realizzazione della CAMERA ESPANDIBILE;

Realizzazione del MOTO ROTATORIO della camera espandibile;

Realizzazione del MOTO LINEARE della camera espandibile;

Definizione di un dispositivo per la RIDUZIONE DEL RAPPORTO DI TRASMISSIONE MINIMO │i

│;

Definizione di un dispositivo per INTERFACCIARE lo spreader con la macchina di processo (stazione di verniciatura).

Per la definizione di massima delle varie soluzioni costruttive si è eseguita l’analisi solo per il dispositivo con cui realizzare la stesura delle pelli tagli quadro (gropponi).

3.2. Camera espandibile

Come esposto nel paragrafo (1.3.1) la camera espandibile del prototipo, presente presso la Sezione Produzione del DIMNP dell’Università di Pisa, è costituita da un pallone in PVC con una struttura interna in tela, in cui viene immessa aria compressa.

Per evitare gli inconvenienti riscontrati durante le prove svolte sul prototipo, indicate nel paragrafo (2.1.3.1) e sinteticamente riconducibili ad un errato rientro della camera espandibile all’interno della sede, con conseguente formazione di pieghe nella stesura della pelle successiva, si sono ipotizzate inizialmente due diverse soluzioni costruttive che consentano di ottenere una corretta fase di rientro della camera.

Soluzione A. Utilizzo di un soffietto circolare

Soluzione B. Utilizzo di un sistema composto da cilindri coassiali

3.2.1. Camera espandibile costituita da un soffietto circolare

Una delle cause principali che impediscono un rientro completo della camera espandibile del

prototipo è la formazione di pieghe irregolari ed imprevedibili durante la fase di sgonfiaggio. È stata

quindi considerata la possibilità di utilizzare un soffietto per realizzare la camera espandibile.

Il soffietto, grazie alla sua particolare forma, può riposizionarsi correttamente all’interno della sede della camera. Deve essere verificato che il soffietto possa realizzare la corsa assiale (C), necessaria per eseguire la stesura della pelle e che, nella condizione di pacco chiuso (P.C.), abbia dimensioni tali da poter essere inserito nella sede.

Per verificare tali condizioni si è eseguito il dimensionamento proposto da una azienda costruttrice di soffietti (PEI) (tabella 3.2).

Per avere un diametro esterno del soffietto (ø

) coincidente con il diametro della camera espandibile (D

) è necessario utilizzare un soffietto cucito realizzato in tessuto gommato; infatti non è possibile ottenere un soffietto con un diametro di 470 [mm] con altre tecniche costruttive.

I dati di input per il dimensionamento sono mostrati nella tabella (3.1) e sono riferite alle dimensioni indicate nella Fig. (3.1).

I dati in uscita dal dimensionamento, mostrati nella tabella (3.3), ci indicano che con un soffietto circolare cucito, realizzato in tessuto gommato, si realizza la corsa (C) richiesta e le sue dimensioni di pacco chiuso consentono un suo posizionamento all’interno della sede.

Per evitare la formazione di pieghe sulla pelle, durante il moto assiale del soffietto, il valore dell’apertura di un passo (AP) deve essere il più piccolo possibile in modo che la pelle non segua il profilo esterno del soffietto.

Devono essere posizionate delle boccole di guida all’interno del soffietto, per impedire a questo ultimo di flettersi durante l’espansione.

CORSA ASSIALE

C

* Il valore di S.P. dipende dala materiale con cui è realizzato il soffietto (Neoprene - Kevlar)

DIAMETRO INTERNO SOFFIETTO

ø

DIAMETRO ESTERNO SOFFIETTO

ø

PACCO CHIUSO P.C. ^mm 200

SPESSORE DI UN PASSO* S.P. ^mm 3,5

Tabella 3.1 – Dati di Input per il dimensionamento del soffietto

470 57 50

APERTURA DI UN PASSO AP ^mm 14,1

DIAMETRO ESTERNO FLANGIA

ø

NUMERO DI PASSI MASSIMO N.P*

NUMERO DI PASSI NECESSARIO N.P.

Tabella 3.3 – Dati di Output del dimensionamento del soffietto Tabella 3.2 – Formule dimensionamento

(catalogo PEI)

Figura 3.1 - Dimensioni soffietto circolare cucito

Come si osserva dalla figura (3.2) il soffietto viene posizionato tra il disco interno (a, Fig. 3.2) e il disco esterno della camera espandibile (b, Fig. 3.2). La camera espandibile deve ruotare durante la stesura della pelle, è necessario quindi che il disco interno applichi il moto rotatorio al soffietto e che questo ultimo a sua volta lo trasmetta al disco esterno.

Il soffietto però non è adatto a trasmettere momenti torcenti è necessario quindi realizzare un dispositivo che metta in rotazione il disco esterno al posto del soffietto.

PRO:

Non si creano pieghe che impediscono un corretto rientro del soffietto. .

CONTRO:

Il soffietto non è adatto a trasmettere momenti torcenti, è necessario quindi realizzare un dispositivo che trasmetta il moto rotatorio al posto del soffietto;

Il soffietto deve essere sostenuto durante il moto assiale.

Figura 3.2 – Modello CAD camere espandibili (realizzate con due soffietti circolari)

(a) DISCO INTERNO (b) DISCO ESTERNO

3.2.2. Camera espandibile costituita da un sistema di cilindri coassiali

Altra soluzione costruttiva ipotizzata per realizzare la camera espandibile è quella di utilizzare un sistema di cilindri coassiali telescopici. Il cilindro esterno ha un diametro coincidente con quello della camera espandibile e la sua dimensione assiale deve essere tale da consentire il corretto posizionamento della pelle sulle camere espandibili (Fig. 3.3); lo spessore dei cilindri è di 2 [mm]

per consentire la loro realizzazione tramite calandratura.

Per facilitare lo scorrimento dei cilindri interni si è imposto che tra i cilindri ci sia un gioco radiale di 6 [mm]; a causa di questo gioco si ha una progressiva riduzione del diametro della camera espandibile.

Il numero di cilindri utilizzati e le loro dimensioni assiali dipendono dalla corsa da realizzare (C) e dalle dimensioni assiali della sede della camera (L

); per realizzare la corsa (C) di 480 [mm], necessaria per stendere la pelle, è necessario un sistema composto da tre cilindri telescopici (Fig.

3.4); in posizione completamente aperta i tre cilindri si sormontano permettendo l’inserimento di un

elemento che eviti che sporco e polvere entrino all’interno dei cilindri (es. guarnizione a labbro).

CILINDRO 0 CILINDRO 1 CILINDRO 2

255

245 815

Ls = 670 270 130

C = 480

Dc = 470

Figura 3.3 – Dimensioni sistema cilindri coassiali

Figura 3.5 – Modello CAD sistema cilindri coassiali

(configurazione chiusa) Figura 3.4 – Modello CAD sistema cilindri coassiali

PRO:

Garanzia di un corretto rientro della camera;

Possibilità di posizionare sopra le camere una fascia in silicone per aumentare l’aderenza della pelle sui cilindri.

CONTRO:

Deve essere realizzato un dispositivo per sostenere e mettere in rotazione il sistema telescopico;

Valutare gli effetti dati dalla riduzione

del diametro della camera sulla stesura

della pelle.

3.3. Moto rotatorio della camera espandibile

Dall’analisi precedente si nota che in entrambe le soluzioni costruttive, proposte per realizzare la camera espandibile, è necessario predisporre:

Un dispositivo che metta in rotazione l’intera camera, infatti il moto rotatorio dall’albero superiore deve essere trasmesso al disco esterno;

Un dispositivo per sostenere la camera nella configurazione aperta.

Si sono valutate due possibili soluzioni che riescono contemporaneamente a sostenere e mettere in rotazione le camere espandibili:

Soluzione A. Alberi a profilo scanalato con guide telescopiche

Soluzione B. Sistema di guide lineari

3.3.1. Alberi a profilo scanalato con guide telescopiche

Alle estremità dell’albero superiore (a, Fig. 3.6), su cui è calettata la ruota dentata (b, Fig. 3.6), sono posizionati due mozzi a profilo scanalato (d, Fig. 3.7) (c, Fig. 3.8) in cui scorrono due alberi a profilo scanalato (f, Fig. 3.7) (e, Fig. 3.8).

Il disco esterno (g, Fig. 3.9) è collegato all’albero (e) tramite una flangia di collegamento, mentre il disco esterno (h, Fig. 3.10) è collegato all’albero (f).

Mettendo in rotazione l’albero superiore (a) si mettono quindi in rotazione gli alberi a profilo scanalato (tramite i mozzi (c - d)) che trasmettono la rotazione ai dischi esterni (g – h).

a a

b b

g g h h

i i

n n

o o

a a

b b

g g h h

i i a a

b b

g g h h

a a a a

b b b

b g g g g h h h

h

i i i

i n n n n

o o o o

Figura 3.6 – Modello CAD dispositivo con alberi a profilo scanalato

Sull’albero (e) viene realizzato un foro passante (Fig. 3.11) in modo che, nella configurazione chiusa (Fig. 3.12), l’albero (f) possa posizionarsi al suo interno; l’albero (a) è a sua volta cavo in modo da permettere all’albero (e) di scorrervi dentro (Fig. 3.11).

d d

f f

d d d d

f f f f

Figura 3.7 – Modello CAD collegamento mozzo - albero

c c

e e

c c c c

e e e e

Figura 3.8 – Modello CAD collegamento mozzo - albero

h h f f

m m

q q h h h h f f f

f

m m m m

q q q q

Figura 3.9 – Modello CAD collegamento albero scanalato (f) -

disco esterno (h)

e e

g g

l l

p e p

e

g g

l l

e e

g g e

e e e

g g g g

l l l l

p p p p

Figura 3.10 – Modello CAD collegamento albero scanalato (e) -

disco esterno (g)

Albero (e) UNI 8953 Albero (e) UNI 8953 – –

8 x 32 x 38 8 x 32 x 38

Albero (f) UNI 8953 Albero (f) UNI 8953 – –

6 x 18 x 22 6 x 18 x 22 Albero (a) Albero (a)

Ruota Ruota

(b) (b) Albero (e) UNI 8953 Albero (e) UNI 8953 – –

8 x 32 x 38 8 x 32 x 38

Albero (f) UNI 8953 Albero (f) UNI 8953 – –

6 x 18 x 22 6 x 18 x 22 Albero (a) Albero (a)

Ruota Ruota

(b) (b)

Figura 3.12 – Modello CAD dispositivo con alberi a profilo scanalato

(configurazione chiusa)

Albero (e) UNI 8953 Albero (e) UNI 8953 – –

8 x 32 x 38 8 x 32 x 38

Albero (f) UNI 8953 Albero (f) UNI 8953 – –

6 x 18 x 22 6 x 18 x 22 Albero (a) Albero (a)

Ruota Ruota

(b) (b) Albero (e) UNI 8953 Albero (e) UNI 8953 – –

8 x 32 x 38 8 x 32 x 38

Albero (f) UNI 8953 Albero (f) UNI 8953 – –

6 x 18 x 22 6 x 18 x 22 Albero (a) Albero (a)

Ruota Ruota

(b) (b)

Figura 3.11 – Modello CAD

dispositivo con alberi a profilo

scanalato (configurazione aperta)

Come si vede nella figura (3.6) ogni singolo albero a profilo scanalato è guidato, durante il moto assiale, da due coppie di guide lineari telescopiche (i, Fig. 3.6); questa tipologia di guida non può essere caricata a torsione, è necessario quindi che durante il moto rotatorio della camera le guide restino ferme.

Per evitare la rotazione delle guide sono stati predisposti due supporti rotanti (n – o, Fig. 3.6) (q, Fig. 3.9) (p, Fig. 3.10), posizionati su ogni singolo albero a profilo scanalato, con al loro interno un cuscinetto orientabile con rulli a botte (m, Fig. 3.9) (l, Fig. 3.10); la presenza del cuscinetto permette la rotazione dell’albero scanalato senza che questa sia trasmessa alle guide.

È stato utilizzato un cuscinetto con rulli a botte poiché sul cuscinetto sono applicate anche forze assiali; tali forze sono quelle necessarie per la traslazione orizzontale della camera.

3.3.2. Sistema di guide lineari

Per evitare l’inconveniente di dover realizzare due dispositivi, uno per trasmettere il moto rotatorio alle camere espandibili e uno per sorreggere le camere durante il moto assiale, si è definito un sistema che contemporaneamente esegue le due funzioni.

Il dispositivo utilizza guide lineari non telescopiche, le quali possono trasmettere anche momenti torcenti di considerevole entità.

Le guide vengono disposte in serie in modo da sommare le corse di ogni singola guida;

sull’elemento di collegamento (a, Fig. 3.13) sono posizionate due coppie di guide (b – c – d – e , Fig. 3.13), ad ogni guida posizionata sull’elemento di collegamento viene collegata, tramite una piastra di collegamento (l, Fig. 3.13), una successiva guida lineare (f – g – h – i, Fig. 3.13).

Per poter selezionare la tipologia ed il modello di guida lineare, utilizzabile per realizzare il dispositivo, sono stati determinati i carichi massimi a cui vengono sottoposte le guide e le corse che devono realizzare.

Sulle guide sono applicati: un momento flettente (M

, M

– Fig. 1.14) (la cui direzione varia a seconda della posizione della guida durante la rotazione della camera espandibile), un momento

a a

g g

c c f f b b

d d e e

i i

h h l l a a a a

g g g g

c c c c f f f

f b b b b

d d d d

e e e e i i i i

h h h h l l l

l

Figura 3.13 – Modello CAD sistema guide lineari

torcente (M

– Fig. 1.14) e una forza (C

, C

– Fig. 1.14) (la cui direzione varia a seconda della posizione della guida durante la rotazione della camera espandibile).

Determinando i pesi dei vari componenti che realizzano la camera espandibile e le distanze dei loro baricentri dall’asse centrale del cursore della guida (g, Fig. 3.13), è possibile stabilire l’entità dei momenti flettenti e del momento torcente applicati alla guida lineare (g).

Figura 3.14 – Definizione carichi applicati sulle guide lineari

M

= M

= 51 [Nm]

M

= 5 [Nm]

C

= C

= 140 [N]

Le capacità di carico delle guide dipendono, oltre che dalla tipologia della guida stessa, anche dalla dimensione del cursore; più è grande la dimensione assiale del cursore, maggiori sono le capacità di carico delle guide.

Il sistema di guide deve realizzare una corsa (C) di 480 [mm] e deve poter essere inserito all’interno della sede delle camere espandibili; la corsa eseguibile da una guida dipende, a parità di lunghezza della pista, dalla dimensione del cursore.

Eseguendo la verifica, proposta dai costruttori delle guide, sono state selezionate due differenti tipologie di guide lineari in grado di sopportare i carichi applicati e di realizzare le corse richieste:

Guide con gabbia a sfere e cursore interno (figura 3.15) (GUIDA EASY RAIL SN28 – 130 – 120 – 290, ROLLON);

Guide profilate a ricircolo di sfere (figura 3.16)

(GUIDA LLMWS 15 LA, SKF-LINEAR MOTION).

Guide con gabbia a sfere e cursore interno

La guida con gabbia a sfere selezionata è composta da tre componenti base: guida fissa, cursore mobile e gabbia a sfere (Fig. 3.15); il cursore, di lunghezza 130 [mm], scorre sempre nella parte interna della guida fissa aumentando la robustezza e l’affidabilità.

Nella tabella (Fig. 3.15) sono riportati i dati riguardanti le capacità di carico delle guide; come si nota le guide sono capaci di reggere carichi superiori a quelli precedentemente determinati.

Figura 3.15 – Guida con gabbia a sfere e cursore interno

Guide profilate a ricircolo di sfere

Questa tipologia di guida utilizza un sistema a ricircolo di sfere che le conferisce elevate capacità di carico con dimensioni del cursore più ridotte rispetto alle guide con gabbia a sfere;

infatti, come si nota dalla tabella (Fig. 3.16), la lunghezza del cursore è di 74,5 [mm] mentre le capacità di carico sono poco inferiori rispetto alla tipologia di guida analizzata precedentemente.

Figura 3.16 – Guida profilate a ricircolo di sfere

Dopo aver definito la tipologie ed i modelli di guide utilizzabili si è eseguita una prima analisi comparativa delle soluzioni proposte, in modo da avere un modello di camera espandibile di riferimento per la definizione delle successive soluzione costruttive.

GUIDA CON GABBIA A SFERE

(modello: SN28-130-120-290, ROLLON) Corsa realizzabile: 120 [mm];

Lunghezza Cursore: 130 [mm];

Distanza guida – cursore: 20 [mm];

Lunghezza totale: 290 [mm];

Momento flettente max: 114 [Nm].

GUIDA PROFILATA

(modello: LLMWS 15 LA, SKF) Corsa realizzabile: 120 [mm];

Lunghezza Cursore: 75 [mm];

Distanza guida – cursore: 10 [mm];

Lunghezza totale: 195 [mm];

Momento flettente max: 94 [Nm].

Tabella 3.4 – Analisi comparativa (guida con gabbia a sfere – guida profilata)

Dai dati presenti nella tabella (3.4) si nota che, a causa di un cursore di dimensioni assiali maggiori, la guida con gabbia a sfere (Fig. 3.15) ha una lunghezza totale maggiore della guida profilata (Fig. 3.16); a causa della sua lunghezza assiale, come si osserva nella figura (3.19), per poter posizionare il sistema di guide con gabbia a sfera all’interno della sede delle camere espandibili, è necessario modificare la forma del disco esterno.

Figura 3.19 – Modello CAD camere espandibili (guide con gabbia a sfere)

Anche se si può presumere che la forma convessa del disco esterno non pregiudichi il corretto posizionamento della pelle sulle camere, è necessario osservare che, utilizzando guide lineari profilate, con dimensione assiale minore, si ottiene una superficie esterna del disco piana (Fig.

3.20); questo fatto è uno dei principali motivi per cui è stato scelto di utilizzare guide profilate per

realizzare il dispositivo per la trasmissione del moto rotatorio delle camere espandibili, nonostante il loro costo superiore rispetto alle guide con gabbia di sfere.

Figura 3.20 – Modello CAD camere espandibili (guide profilate)

Per quanto riguarda il dispositivo stenditore per la movimentazione dei gropponi, le camere espandibili sono costituite da tre cilindri coassiali telescopici; le guide lineari, posizionate all’interno della camera, hanno la funzione di trasmettere il moto rotatorio al cilindro 1 e al cilindro 2 (Fig. 3.21) e di sorreggere tutta la camera quando questa è completamente aperta.

Per realizzare la corsa (C) di 480 [mm] sono necessarie 4 guide lineari; infatti ogni singola guida ha una corsa massima di 120 [mm].

STAFFA STAFFA CENTRALE CENTRALE

CERCHIATURA CERCHIATURA

CENTRALE CENTRALE

CERCHIATURA CERCHIATURA

ESTERNA ESTERNA ELEMENTO DI ELEMENTO DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO STAFFA

STAFFA CENTRALE CENTRALE

CERCHIATURA CERCHIATURA

CENTRALE CENTRALE

CERCHIATURA CERCHIATURA

ESTERNA ESTERNA ELEMENTO DI ELEMENTO DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO

Figura 3.21 – Modello CAD camere espandibili

(GROPPONI)

La staffa centrale è vincolata, tramite bulloni, all’elemento di collegamento (Fig. 3.21), a cui è trasmesso il moto rotatorio dalle guide profilate; il cilindro (1) (Fig. 3.22) viene messo in rotazione dalla cerchiatura centrale che è solidale alla staffa centrale (Fig. 3.21).

CILINDRO 0

CILINDRO 0 CILINDRO 2 CILINDRO 2

CILINDRO 1 CILINDRO 1 CILINDRO 0

CILINDRO 0 CILINDRO 2 CILINDRO 2

CILINDRO 1 CILINDRO 1

Figura 3.22 – Modello CAD camere espandibili (GROPPONI)

Il cilindro (2) (Fig. 3.22) riceve il moto rotatorio dalla cerchiatura esterna vincolata al disco esterno che è messo in rotazione dalle guide profilate (Fig. 3.21).

Le camere espandibili, realizzate per eseguire la stesura delle mezzine, sono costituite da due cilindri coassiali e sono necessarie solo 2 guide lineari per realizzare la corsa (C) di 400 [mm] (Fig.

3.23).

CILINDRO 0 CILINDRO 0

CILINDRO 1 CILINDRO 1 CILINDRO 0

CILINDRO 0

CILINDRO 1 CILINDRO 1

Figura 3.23 – Modello CAD camere espandibili

(MEZZINE)

Per ridurre le dimensioni delle guide è necessario introdurre un elemento che distanzi le guide dal disco interno (Fig. 3.24).

DISCO DISCO INTERNO INTERNO

DISTANZIALE DISTANZIALE

GUIDA GUIDA LINEARE LINEARE DISCO

DISCO INTERNO INTERNO

DISTANZIALE DISTANZIALE

GUIDA GUIDA LINEARE LINEARE

Figura 3.24 – Modello CAD camere espandibili (MEZZINE)

Le guide prese in esame hanno una buona capacità di autoallineamento. Per un loro corretto montaggio si deve però garantire un parallelismo tra le superfici opposte dell’elemento di collegamento.

Non avendo bisogno di una elevata precisione di posizionamento lineare, si possono utilizzare cursori con gioco radiale e classe di precisione normale; la tolleranza di parallelismo, tra le superfici esterne opposte dell’elemento di collegamento (Fig. 3.17), deve assumere un valore massimo di 190 [µm].

ELEMENTO DI ELEMENTO DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO ELEMENTO DI ELEMENTO DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO

Figura 3.17 – Elemento di collegamento sistema di guide lineari

Per consentire il montaggio del sistema di guide lineari, si deve anche valutare il parallelismo

tra le guide posizionate in serie (guida (d) – guida (h), guida (g) – guida (c)); visto che i cursori

sono montati con gioco sulle guide profilate, la tolleranza di parallelismo tra le guide deve assumere

un valore massimo di 35 [µm].

Le piastrine, con cui si collega il sistema di guide ai dischi della camera espandibile, devono avere dei fori asolati per consentire l’allineamento delle guide durante il loro montaggio (Fig. 3.18).

DISCHI CAMERA DISCHI CAMERA

ESPANDIBILE ESPANDIBILE

h h

d d

g g c c

DISCHI CAMERA DISCHI CAMERA

ESPANDIBILE ESPANDIBILE

h h h h

d d d

d g g g g

c c c c

Figura 3.18 – Piastrine serraggio guide con fori asolati

3.4. Moto di espansione assiale della camera espandibile

Nel prototipo realizzato dalla Sezione Produzione del DIMNP dell’Università di Pisa, l’espansione della camera avviene tramite immissione di aria compressa all’interno della camera espandibile; realizzando la camera espandibile come indicato nel precedente paragrafo non è evidentemente possibile eseguire il moto assiale tramite un sistema ad aria compressa.

Si è valutata quindi la possibilità di utilizzare cilindri pneumatici per applicare la traslazione ai cilindri coassiali che costituiscono la camera espandibile (paragrafo 3.1.2); tale dispositivo potrebbe essere valido anche se la camera fosse costituita da un soffietto circolare cucito (ipotesi costruttiva formulata del paragrafo 3.1.1).

3.4.1. Cilindro pneumatico telescopico interno

In un precedente lavoro di tesi [6] è stata proposta la possibilità di eseguire l’espansione introducendo all’interno della camera espandibile un cilindro pneumatico telescopico (Fig. 3.25).

Tale soluzione proponeva che il cilindro fosse posizionato in corrispondenza dell’asse di rotazione della camera e che ruotasse insieme ad essa.

Durante la fase di progettazione del prototipo questa soluzione non è stata analizzata più precisamente, vista la scelta di utilizzare un sistema ad aria compressa per effettuare l’espansione delle camere.

Eseguendo un’analisi più approfondita di questa soluzione, si è potuto rilevare che, per posizionare un cilindro all’interno della camera che sia in grado di realizzare la corsa necessaria di 480 [mm], è necessario utilizzare un cilindro telescopico a tre stadi.

Contattando direttamente una ditta costruttrice di cilindri pneumatici (Univer) è stato constatato

che i cilindri pneumatici telescopici non sono particolarmente adatti a lavorare in orizzontale a

sbalzo, condizione di lavoro a cui sarebbero sottoposti i cilindri all’interno delle camere; per questo

motivo si è ipotizzato di utilizzare cilindri pneumatici monostadio.

Figura 3.25 – Modello CAD camera espandibile con cilindri telescopici [6]

3.4.2. Cilindro pneumatico monostadio

I cilindri pneumatici, le cui dimensioni assiali sono tali da consentire un loro posizionamento all’interno delle camere espandibili, non sono evidentemente in grado di realizzare le corse richieste (C) per eseguire la stesura della pelle.

Se i cilindri sono posizionati in modo da occupare tutta la dimensione assiale (L

) delle sedi delle camere espandibili, è possibile utilizzare cilindri di dimensione assiale maggiore e quindi capaci di compiere la corsa di espansione (C) (Fig. 3.27) (Fig. 3.28).

I cilindri devono essere collocati all’esterno della camera espandibile, in modo da consentire alla camera rotazioni superiori a 360°, necessarie per completare la stesura delle pelli; posizionando i cilindri all’esterno si devono però valutare due diversi aspetti fondamentali.

Prima problematica riguardante la posizione dei cilindri pneumatici

L’asse del cilindro (direzione in cui viene applicata la forza assiale del cilindro) non è coincidente con l’asse di rotazione della camera espandibile (direzione della forza resistente alla traslazione della camera, dovuta, oltre che alle forze di inerzia dei componenti con cui è realizzata la camera, principalmente alle forze di attrito che si generano sulle piste delle guide profilate); si crea quindi un momento flettente che agisce sullo stelo del cilindro durante la fase iniziale della traslazione, in cui la forza resistente è superiore alla forza applicata dal cilindro. A causa del momento flettente sono necessarie delle unità di guida che sorreggano il cilindro durante la propria corsa ed evitino che carichi radiali e momenti flettenti siano trasmessi allo stelo.

Seconda problematica riguardante la posizione dei cilindri pneumatici

Come esposto nel paragrafo (2.2.2.2.1), per poter aumentare il range di dimensioni movimentabili con lo spreader (condizione necessaria per rendere il dispositivo realmente utilizzabile nelle linee produttive), l’asse di rotazione del portasatellite deve essere traslato in orizzontale (s) rispetto all’asse di rotazione del rullo del trasportatore (Fig. 3.26).

La presenza dei cilindri non permette di far assumere ad s valori troppo elevati; infatti

spostando eccessivamente l’asse di rotazione del portasatellite, durante la rotazione satellitare delle

camere, i cilindri pneumatici urtano con i rulli del trasportatore a fili.

ω

ω

L

D

D

θ

ε

I

ω

s

d

ω

ω

L

D

D

θ

ε

I

ω

s

d

Figura 3.26 – (s) spostamento orizzontale dell’asse di rotazione del portasatellite rispetto all’asse di rotazione del rullo del

trasportatore a fili

I cilindri possono essere posizionati entrambi sul lato posteriore del portasatellite (configurazione (a) Fig. 3.27) oppure, come mostrato in figura (3.28), essere collocati uno di fronte all’altro (configurazione (b)).

Per facilitare il passaggio della pelle dalla camera espandibile al trasportatore a fili è stata montata una piastra sull’unità di guida del cilindro pneumatico (Fig. 3.31).

Figura 3.27 – Modello CAD posizionamento cilindri pneumatici

(configurazione a)

Figura 3.28 – Modello CAD posizionamento cilindri pneumatici (configurazione b)

Per definire la posizione dei cilindri, altra condizione importante, è che la loro presenza non impedisca il posizionamento della pelle sulla camera espandibile (Fig. 3.29a - b) e la sua corretta stesura sul trasportatore a fili (Fig. 3.30a - b).

Figura 3.29a – Modello CAD corretto posizionamento della pelle

(configurazione a)

Figura 3.29b – Modello CAD corretto posizionamento della pelle

(configurazione b)

Figura 3.30a – Modello CAD corretta stesura della pelle sul trasportatore a fili (configurazione a)

Figura 3.30b – Modello CAD corretta stesura della pelle sul trasportatore a fili

(configurazione b)

Figura 3.31 – Modello CAD posizionamento della piastra per facilitare il passaggio della pelle dalle camere espandibili al rullo

del trasportatore

Per valutare il miglior posizionamento dei cilindri (configurazione (a) o (b)), in modo da ottenere un valore di s

il più grande possibile, si deve eseguire un’analisi geometrica della distanza tra l’asse di rotazione del portasatellite e la superficie esterna del rullo del trasportatore (R

) (Fig. 3.32) e della distanza minima tra l’asse di rotazione del portasatellite e il cilindro pneumatico (R

) (Fig. 3.32).

Per evitare il contatto tra il cilindro pneumatico e il rullo del trasportatore a fili, la distanza R

(distanza tra l’asse di rotazione del portasatellite e la superficie esterna del rullo del trasportatore)

deve essere inferiore alla distanza R

(distanza minima tra l’asse di rotazione del portasatellite e il

cilindro pneumatico); ponendo R

= R

è possibile determinare il valore di s

limite, oltre il quale

avviene il contatto cilindro – rullo.

D

H

d H

a I d

b

D

R

R

s

b

RULLO TRASPORTATORE

PORTASATELLITE CILINDRO PNEUMATICO

Figura 3.32 – Analisi geometrica per la determinazione di s

Nel paragrafo (2.2.2.2.1) si sono esposte due diverse soluzioni per poter diminuire │i

│ e quindi le dimensioni minime delle pelli movimentabili con lo spreader:

Soluzione A. Si esegue una inclinazione del piano del trasportatore a fili di un angolo (φ) (figura 3.33);

Soluzione B. Si realizza uno spostamento verticale (H

) dell’asse di rotazione del portasatellite rispetto all’esse di rotazione del rullo del trasportatore a fili (figura 3.34).

ω

ω

d

L

D

θ

ε

I

ω

L

D

φ

ω3

ωp

Dc

Dr

θ

ε

I

ω1

s Hs

dy

Ld

Il valore massimo di s (s

) può essere determinato tramite la formula (3.1a) (soluzione A), oppure tramite la formula (3.1b) (soluzione B); la valutazione di H

dipende da quale soluzione si analizza (formula 3.2a) (formula 3.2b).

[ (cos( ) 1 ) ]

2 2

max

= d − H

− L

⋅ ϕ −

s (3.1a); s

= d

− H

(3.1b)

p

r

H

H = (soluzione A) (3.2a); H

= H

(soluzione B) (3.2b)

( ) ϕ

⋅ sin

=

p

L

H (3.3)

La distanza d si ottiene dalla formula (3.5), che deriva dalla (3.4) sostituendo R

a R

, (condizione limite in cui si ha il contatto del cilindro pneumatico con il rullo del trasportatore); Rc è facilmente ricavabile da considerazioni puramente geometriche (formula 3.6).

2

r R

d D

R = + (3.4);

2

c R

R D

d = − (3.5)

2 2

b a

R

= + (3.6); a = I − d

− H

(3.7)

c

p

b

b = b +

2 (3.8)

Dalle formule (3.7 – 3.8) si osserva, come è intuibile, che il valore di R

e quindi di s

dipende dalle dimensioni del portasatellite (b

), dalle dimensioni dei cilindri (H

), ma anche dalla distanza orizzontale dei cilindri dal portasatellite (b

) e dalla distanza verticale dei cilindri dall’asse di rotazione delle camere espandibili (d

) (figura 3.32).

Definizione caratteristiche cilindri pneumatici

Si passa alla scelta di cilindri e delle loro unità di guida e quindi alla definizione delle esigenze funzionali che devono soddisfare.

Il momento flettente massimo a cui è sottoposto il cilindro dipende principalmente dalla forza di attrito che si ha tra le sfere e le piste delle guide profilate.

Eseguendo un’analisi cautelativa, si impone che su ogni singola guida sia applicato tutto il carico derivante dal peso dei componenti che realizzano le camere espandibili (P=140 [N]); dal catalogo del costruttore delle guide risulta che, in condizione di normale utilizzo (pulizia e allineamento), le guide hanno un coefficiente di attrito statico (f) di 0,01. Si ottiene una forza di attrito su ogni singola guida (F

) di 1,4 [N] e quindi una forza resistente totale (F

) di 11,2 [N], per quanto riguarda il dispositivo per la stesura dei gropponi; mentre, per il dispositivo per la stesura delle mezzine, si ottiene una F

di 5,6 [N].

La distanza massima tra l’asse del cilindro e l’asse di rotazione delle camere espandibili è di

450 [mm] (configurazione (a), dispositivo gropponi) e di 300 [mm] (configurazione (a), dispositivo

mezzine); il momento flettente massimo, per i due dispositivi (gropponi, mezzine) è indicato nelle

tabelle (3.5) (3.6), nelle quali sono riportati anche gli altri parametri per la scelta della tipologia e del modello dei cilindri.

onsultando il catalogo del costruttore dei cilindri (UNIVER), sono stati selezionati i seguenti cilindri pneumatici e le rispettive unità di guida:

GROPPONI

GROPPONI

CORSA LINEARE DA REALIZZARE C ^mm 480

LUNGHEZZA MAX UNITA' DI GUIDA Lcmax mm 670

MOMENTO FLETTENTE APPLICATO Mf Nm 5

MEZZINE

CORSA LINEARE DA REALIZZARE C ^mm 400

LUNGHEZZA MAX UNITA' DI GUIDA Lcmax mm 650

MOMENTO FLETTENTE APPLICATO Mf Nm 2

Tabella (3.6) – Dati per la scelta del cilindro (dispositivo mezzine) Tabella (3.5) – Dati per la scelta del

cilindro (dispositivo gropponi)

C

→ Cilindro: KD-200-032-0500 (Fig. 3.5) → Unità di Guida: J14-A-3-3-0500-A (Fig. 3.6);

MEZZINE → Cilindro: M-100-025-0400 (Fig. 3.7)

GROPPON 3-0500-A, UNIVER

→ Unità di Guida: J14-A-2-2-0400-A (Fig. 3.8).

I: Cilindro KD-200-032-0500 – Unità di guida J14-A-3-

Figura 3.35 – Cilindro pneumatico (Dispositivo Gropponi)

Figura 3.37 – Caratteristiche dimensionali cilindro pneumatico (Dispositivo Gropponi)

Tabella 3.7 – Dimensioni unità di guida (Dispositivo Gropponi)

Figura 3.38 – Caratteristiche dimensionali unità di guida (Dispositivo Gropponi)

L L

= H2 + Corsa = = H2 + Corsa =

185 + 500 = 685 mm

185 + 500 = 685 mm

L L

= H2 + Corsa = = H2 + Corsa =

185 + 500 = 685 mm

185 + 500 = 685 mm

Tabella 3.8 – Dimensioni unità di guida (Dispositivo Gropponi)

Tabella 3.9 – Momenti flettenti massimi applicabili all’unità di guida (Dispositivo Gropponi)

Dai dati mostrati nelle tabelle (3.7) si può notare che la dimensione assiale totale dell’unità di guida (L

) è di poco superiore alla dimensione massima (L

) indicata nella tabella (3.5); questa piccola differenza tra le lunghezza non compromette il corretto posizionamento della pelle sulle camere espandibili.

L’unità di guida del cilindro è capace di assorbire un momento massimo flettente (M

– M

) (tabella 3.8) (Fig. 3.39) di entità molto superiore a quello che realmente è applicato al cilindro (M

) (tabella 3.5); in questo modo siamo in grado di garantire la durata del cilindro anche in caso di sovraccarichi dovuti ad un non corretto moto traslatorio delle guide lineari profilate, a sua volta causato ad un errato montaggio delle camere espandibili.

MEZZINE: Cilindro M-100-025-0400 - Unità di Guida J14-A-2-2-0400-A, UNIVER

Figura 3.39 – Cilindro pneumatico (Dispositivo Mezzine)

Figura 3.40 – Unità di guida cilindro pneumatico (Dispositivo Mezzine)

Figura 3.41 – Caratteristiche dimensionali cilindro pneumatico (Dispositivo Mezzine)

Figura 3.42 – Caratteristiche dimensionali unità di guida (Dispositivo Mezzine)

Tabella 3.10 – Dimensioni unità di guida (Dispositivo Mezzine)

L

L

= H2 + Corsa = = H2 + Corsa = 171 + 400 = 571 mm 171 + 400 = 571 mm L

L

= H2 + Corsa = = H2 + Corsa =

171 + 400 = 571 mm

171 + 400 = 571 mm

Tabella 3.11 – Dimensioni unità di guida (Dispositivo Mezzine)

Tabella 3.12 – Momenti flettenti massimi applicabili all’unità di guida (Dispositivo Mezzine)

La dimensione assiale dell’unità di guida (L

) (tabella 3.11) è inferiore alla dimensione assiale massima (L

) (tabella 3.5).

Per avere un maggior grado di sicurezza, anche in questo caso si è ritenuto di usare una unità di guida capace di assorbire un momento flettente (M

– M

) (tabella 3.12) molto superiore a quello realmente applicato al cilindro (M

) (tabella 3.5).

Dopo avere selezionato i cilindri pneumatici e le loro unità di guida si passa alla scelta della configurazione con cui posizionare i cilindri sul portasatellite.

Per ridurre gli ingombri e quindi consentire uno spostamento (s) dell’asse di rotazione del portasatellite maggiore, si collocano i cilindri uno di fronte all’altro (configurazione (b)) nel dispositivo per la stesura delle peli taglio quadro (gropponi) (Fig. 3.43); per quanto riguarda lo spreader per la movimentazione delle mezzine, i cilindri sono posizionati entrambi sul lato posteriore del portasatellite (Fig. 3.44), questo è possibile vista la dimensione assiale elevata delle sedi delle camere espandibili (L

).

Figura 3.43 – Modello CAD posizionamento cilindri pneumatici (Dispositivo Gropponi)

Figura 3.44 – Modello CAD posizionamento cilindri pneumatici (Dispositivo Mezzine) Per consentire il posizionamento della pelle sulle camere espandibili, nel dispositivo stenditore per le mezzine, è necessario sagomare opportunamente il lato posteriore del portasatellite (Fig.

3.45); la presenza dei cilindri non impedisce la corretta stesura della pelle ed il suo passaggio sui fili del trasportatore (Fig. 3.46).

Figura (3.46) – Corretta stesura della pelle (Dispositivo Mezzine)

Figura (3.45) – Modifiche lato posteriore del

portasatellite

(Dispositivo Mezzine)

A causa dei piccoli errori di montaggio e delle deformazioni dei componenti della camera espandibile e del cilindro, non è possibile garantire il perfetto parallelismo tra l’asse di rotazione della camera espandibile e l’asse del cilindro; sono quindi necessari dei dispositivi che permettano piccoli spostamenti del braccio di collegamento tra la camera espandibile e il cilindro (Fig. 3.47).

BRACCIO DI BRACCIO DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO

CUSCINETTO CUSCINETTO ORIENTABILE ORIENTABILE GUIDA LINEARE

GUIDA LINEARE

ELEMENTO ELEMENTO DEFORMABILE (DUMPER) DEFORMABILE (DUMPER)

PIASTRA DI PIASTRA DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO BRACCIO DI

BRACCIO DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO

CUSCINETTO CUSCINETTO ORIENTABILE ORIENTABILE GUIDA LINEARE

GUIDA LINEARE

ELEMENTO ELEMENTO DEFORMABILE (DUMPER) DEFORMABILE (DUMPER)

PIASTRA DI PIASTRA DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO

Figura 3.47 – Modello CAD dispositivi per disaccoppiare il moto lineare della camera con il moto del cilindro (Dispositivo Mezzine)

Per consentire piccole rotazioni (≈ 3°) al bracco di collegamento rispetto all’asse di rotazione della camera espandibile, (Fig. 3.47) è stato posizionato sull’asse di rotazione un albero montato su un supporto provvisto di cuscinetto orientabile con rulli a botte (Fig. 3.47); è stato scelto di utilizzare un cuscinetto orientabile a rulli vista la presenza del carico assiale che va a gravare sul cuscinetto.

Durante il moto assiale della camera, si deve consentire al braccio di collegamento (Fig. 3.47) di poter eseguire piccoli spostamenti verticali; per questo motivo è stata inserita una guida lineare tra il braccio e la piastra di collegamento del cilindro (Fig. 3.47).

L’elemento deformabile (dumper) è stato interposto tra la piastra del cilindro e la guida lineare per consentire piccole rotazioni (Fig. 3.48).

PIASTRA DI PIASTRA DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO GUIDA LINEARE

GUIDA LINEARE ELEMENTO ELEMENTO DEFORMABILE (DUMPER) DEFORMABILE (DUMPER)

PIASTRA DI PIASTRA DI COLLEGAMENTO COLLEGAMENTO GUIDA LINEARE

GUIDA LINEARE

ELEMENTO

ELEMENTO

DEFORMABILE (DUMPER)

DEFORMABILE (DUMPER)

3.5. Metodo per la movimentazione di pelli di dimensione ridotte

Conoscendo gli ingombri, dei vari componenti che realizzano il dispositivo stenditore, è possibile eseguire un’analisi comparativa sulle due soluzioni costruttive, proposte nel paragrafo (2.2.2.1), per la riduzione del rapporto di trasmissione minimo (i

).

3.5.1. Inclinazione del piano del trasportatore (Soluzione A)

L’asse di rotazione del rullo del trasportatore a fili viene traslato rispetto all’asse di rotazione del portasatellite di una quantità (s); si realizza anche l’inclinazione del piano del trasportatore (di un angolo φ) in modo da ridurre l’interasse e quindi la distanza d

(Fig. 3.49).

L’analisi di questa soluzione viene fatta assumendo un valore del diametro del rullo (D

) di 200 [mm], come quello del trasportatore a fili del prototipo.

ω

ω

d

L

D

θ

ε

I

ω

L

D

φ

Figura 3.49 – Soluzione A

2 1

0

2 ⎟ ⋅

⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛ − ⋅

=

d

B D

L α (3.9)

( )

( ) s

L

L

=

⋅ cos ϕ − 1 + (3.10)

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

⋅ +

= ⋅

I D

L

2 arcsin 2

θ

(3.11)

( θ ) sin ( ) ϕ

cos

− 2 − ⋅

⋅

≈

y

D L

I

d (3.12)

( )

max 0 min min

1 2

θ

⋅

+

−

= ⋅

c d y

D L

i d (3.13)

dove: B = lunghezza pelle (Gropponi) B = larghezza pelle (Mezzine) L

= lunghezza piano trasportatore

3.5.2. Spostamento verticale dell’asse di rotazione portasatellite (Soluzione B)

Oltre ad eseguire uno spostamento orizzontale (s) si realizza anche uno spostamento verticale dell’asse del rullo del trasportatore rispetto all’asse di rotazione del portasatellite (H

); grazie a questa traslazione si aumenta il valore massimo che può assumere lo spostamento s (s

) (Fig.

3.50).

Il diametro del rullo del trasportatore viene ridotto (D

= 120 [mm]) in modo da aumentare il

valore dello spostamento massimo (s

).

ω

ω

D

D

θ

ε

I

ω

s

H

d

L

Figura 3.50 – Soluzione B

⎟ ⎠

⎜ ⎞

⎝

⎛

⋅ +

= ⋅

I D

s

2 arcsin 2

θ

(3.14)

( )

y

D H

I

d = ⋅ − −

cos θ

2 (3.15)

Nella tabella (3.13) sono riportati i valori delle dimensioni caratteristiche delle due soluzioni costruttive.

s

: 178 [mm]

s: 170 [mm]

φ: 3°

i

: 2,21 i

: 2,22 L

: 900 [mm]

L

: 1800 [mm]

s

: 112 [mm]

s: 105 [mm]

φ: 1°

i

: 2,92 i

: 2,97 B

: 600 [mm]

B

: 1100 [mm]

GR G RO OP PP PO ON NI I ME M EZ ZZ ZI IN NE E

s

: 318 [mm]

s: 305 [mm]

H

: 170 [mm]

i

: 2,21 i

: 2,22 L

: 900 [mm]

L

: 1800 [mm]

s

: 309 [mm]

s: 300 [mm]

H

: 170 [mm]

i

: 2,25 i

: 2,34 B

: 500 [mm]

B

: 1100 [mm]

G GR RO OP PP PO ON NI I ME M EZ ZZ ZI IN NE E

S

So ol lu uz zi io on ne e A A So S ol lu uz zi io on ne e B B

Tabella 3.13 – Sistemi per la riduzione della dimensione minima delle pelli movimentabili con lo

spreader (Soluzione A – Soluzione B)

La soluzione costruttiva (B) (traslazione verticale dell’asse si rotazione del portasatellite) è stata preferita rispetto alla soluzione (A) (inclinazione del piano del trasportatore a fili) poiché presenta i seguenti vantaggi:

È possibile stendere mezzine con una dimensioni minima di 500 [mm], mentre utilizzando la soluzione A la dimensione minima è di 600 [mm] (tabella 3.13);

Non è necessario l’inserimento nel dispositivo di un ulteriore grado di libertà, con la conseguente riduzione della complessità realizzativa della macchina;

Possono essere posizionate contemporaneamente, sul trasportatore a fili, due gropponi di dimensione anche notevolmente diversa; questo non può avvenire nella soluzione (A), poiché la riduzione dell’interasse riguarda entrambi i dispositivi stenditori.

La soluzione (B) però presenta anche degli svantaggi rispetto alla soluzione (A):

A causa dell’aumento dell’interasse il momento resistente statico che si oppone alla rotazione del portasatellite aumenta e quindi è necessaria una coppia motrice maggiore;

Non è più presente l’inclinazione del piano del trasportatore che può facilitare lo spostamento della pelle sui fili.