Aktuátorok és szenzorok. Aktuátorok

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK

Aktuátorok és szenzorok Aktuátorok Írta: Dr. Jakab Endre


Tartalom 1. Bevezetés – Mozgásinformáció leképzés – Relatív és elemi mozgások – Elemi mozgások, szánok – Struktúraképzések – Az aktuátor fogalma, elhelyezkedése – Energiaátalakítók, energiafajták 2. Mechanikai aktuátorok 3. Fluidmechanikai aktuátorok 4. Villamos aktuátorok

Aktuátorok 5/17/2011

2


Aktuátor- és szenzortechika

Mechanika

Elektrotechnika

Mechatronika Folyamatirányítás

Modellezés

Információtechnika

1.ábra: A mechatronikai rendszer építıelemei

Az 1. ábrán az egyes mezık, metszetek rendszerbeli és egymáshoz viszonyított arányai mechatronikai szerkezetektıl függıen változóak lehetnek. A metszeteken kívüli mezık a mechatronikai rendszer passzív egységei és elemei, míg a többi aktív egység és elem. Az aktuátor- és szenzortechnika a mechanika és elektrotechnika (elektronika) szoros kapcsolatára utal, ami nem nélkülözheti az információtechnikai hátteret. Aktuátorok 5/17/2011

3


Mozgásinformáció leképzés

F1=Fm

Az aktuátorok magyarázata a mozgásinformáció leképzési modell segítségével Jelölések • I=Információ • k=Kinematikai lánc (kA, ki) • A=Alakítási-Kapcsolódási mechanizmus • F1=A kapcsolódó felületpár egyik fele (a származtatott felülető munkadarab Fm) • F2= A kapcsolódó felületpár másik fele (a származtató felülető szerszám Fsz)

A

F2=Fsz

k

k I

2. ábra: Mozgásinformáció leképzési modell


4


• A 2. ábra szerinti modell azt mutatja, hogy a közölt I információk alapján k kinematikai láncokon keresztül valósul meg két fizikai test (mennyiség) között szükséges relatív mozgás. A k kinematikai láncok számát, egymással való kapcsolatát (technológiai, kinematikai), a mozgások összekapcsolásának módját (soros, párhuzamos) a feladat határozza meg. Rendszerek egyszerőtıl az igen bonyolultig egyaránt elıfordulhatnak. • A k=kA+ki kinematikai láncok elemei: • kA-az alapkényszerek és azokon tárolt mozgások, amelyek a mozgást határozottá teszik. • ki- mozgások: elemi mozgások, illetve relatív mozgások. • A kinematikai láncok lehetnek: – tisztán mechanikus, elektronikus, hidraulikus, pneumatikus, termikus, – vagy vegyesek, mint elektromechanikus, elektrohidraulikus, elektropneumatikus, hidropneumatikus.


5


Relatív és elemi mozgások A mechatronikai rendszerekben valamely elempár között szükséges relatív mozgásokat célszerően elemi mozgásokból hozzuk létre. Az elemi mozgások, illetve azt megvalósító szánok a Descartes-i derékszögő koordinátarendszer tengelyeinek megfelelıen, legtöbbször merılegesen épülnek egymásra, ami megmunkálási célszerőségbıl következik. A számjegyvezérléssel irányított tengelyek (D) száma sok esetben igen magas is lehet. Az egyes tengelyek lehetnek egyidejőleg egymással összefüggésben, szimultán irányíthatók (2D-6D-s berendezések), meg nem is (kinematikai, technológiai). Gépváltozatok az irányított tengelyek számától függıen képezhetık.

Elemi mozgások, szánok Az elemi mozgás biztosításához a tér lehetséges 6 (3 egyenesvonalú haladó, 3 forgó) szabadságfokából 5-öt kényszerekkel (kA) kötünk meg.


6


Az elemi mozgásokat szánok (3. ábra) valósítják meg: egyenesvonalú haladó mozgást lineáris szánok, forgómozgást forgó szánok (orsók, tengelyek, körasztalok), vagy transzlációs körmozgású szánok.

Fontos! Ha lehet mindig forgómozgású szerkezeteket építsünk és csak a kinematikai lánc legvégén alakítsuk át a forgó mozgást egyenesvonalú haladó, vagy más mozgássá. Ennek elınyei: dinamikailag kedvezıbb szerkezet, forgó mozgásnál magas mozgásparaméterek biztosíthatók, a forgásszimmetrikus alkatrészek elıállítása olcsóbb.


7


Rz

z Szabadságfokok száma: 6 Haladó mozgások: x, y, z Forgó mozgások: Rx, Ry, Rz Ry y

x Rx

3. ábra: Elemi mozgások

.

a.,

b.,

c.,

4. ábra: Elemi mozgásokat megvalósító szánok Aktuátorok 5/17/2011

8


Struktúraképzések A mechatronikai rendszerek építésekor igen gyakran alkalmazzák a módszeres tervezés két gyakori és fontos elemét a struktúrák és a paraméterváltozatok képzését, az optimális megoldás kereséshez a mőszaki és gazdasági értékelemzést. Ezekhez szorosan kapcsolódik az építıszekrény elv, a moduláris építés elve. • A strukturális változatok képzésének alapja az, hogy az egymástól mechanikusan független irányított tengelyekbıl (aktuátor láncokból) meghatározott szabályok szerint különbözı gépváltozatok modulárisan építhetık. A változatok képzésének alapja: mozgásmegosztás az alakítási mechanizmusban egymásra ható két oldal (például szerszám-munkadarab mozgatása) között (szélsı esetben minden mozgást az egyik, vagy a másik oldal végez) oldal, továbbá a sorosan kapcsolódó aktuátor láncok (szánok) egymásra épülési sorrendváltozatai (pl. A-ra épül a B, vagy fordítva), vagy másként rendőség változatai.


9


A paraméterváltozatokat geometriai sor szerint képezzük. A paraméterváltozatok nagyságrendi változatok, amelyeket katalógusok foglalnak általában össze, például villanymotorok teljesítménysora, hidraulikus és pneumatikus hengerek méretsora említhetı. A paraméterváltozatok képzésére az alábbi összefüggés használatos:

ϕ=n m ahol ϕ a geometriai paramétersor szorzótényezıje, n a képzett tagok száma, m a felosztott tartomány szélessége (Renard-sorok).

Az aktuátor fogalma: Az „aktuátor” szó magyarázatát a latin aktor=cselekvıt is jelentı szóból indítjuk. Aktuátor az energia bevezetéstıl az energia felhasználásig terjedı kinematikai láncban elhelyezkedı, mozgást (vagy állapotváltozást) létrehozó és átalakító rendszerek, egységek, elemek összessége. Aktuátorok 5/17/2011

10


A szerszámgépek mőködésére jellemzı modell Feladat Információk Kezelıi utasítások

Nyers elıgyártmány

GÉP Technológia Szerszám Készülék Segédanyag

Gazdaságossági, termelékenységi, pontossági tényezık

Kész munkadarab

Hulladék


11


5. ábra: Aktuátorok a mechatronikai rendszerben Aktuátorok 5/17/2011

12


A fıhajtómő és a mellékhajtómő kapcsolata A fıhajtómő és a mellékhajtómő kapcsolata lehet kinematikai függvénykapcsolatú, amelynél nagy pontosságot követelnek meg az egyes mozgáskomponensek között, és amelyet hagyományosan mechanikus kinematikai láncokkal valósítanak meg (pl. esztergagép, 5.9.a ábra) A technológiai függvénykapcsolatok nem igényelnek pontos összhangot a fı- és mellékmozgások között (pl. marógép, 5.9.b ábra). Technológiai függvénykapcsolatra természetesen a kinematikai függvénykapcsolatú gépek is alkalmasak, amire példa az esztergagépek elıtoló lánca. MF

FH Fo

ME MH

Asztal


13

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 1

2

3

1

3

4

1

3

6. ábra: Hajtómő funkcióábrák a.,

b.,

c.,

A 6. ábra fokozatnélküli fordulatszámot elıállító hajtómővek lehetséges funkcióábráit szemlélteti. Az ábrák számozása: 1- fokozat nélkül állítható fordulatszámú motor, 2-fokzatos hajtómő, vagy állandó áttétel, 3-hajtott tengely (fıorsó)- végrehajtó szerv, 4-tengelykapcsoló. A 6.a ábra motor és vele sorba kapcsolt fokozatos hajtómőegységet (állandó áttétel) szemléltet. A fogaskerekes fokozatos hajtómővek ma is gazdaságos megoldásai a nyomatékerısítésnek és a fordulattartomány kijelölésnek. Aktuátorok 5/17/2011

14


Példaként említhetık az NC szerszámgép (esztergagép, fúró-maró megmunkáló központ, stb.) fıhajtómővek, a teljesítmény hajtómővek, vagy a szervomotortól a végrehajtó mechanizmusig található kinematikai hajtások, legegyszerőbb esetben egyetlen lépcsıs hajtással, ami igen gyakran fogazott szíjas hajtás. A 6.b megoldásban a motor és az orsó egytengelyő (koaxiális), köztük szög- és tengelyhibát kiegyenlítı, nagy torziós merevségő tengelykapcsoló található. Kinematikai hajtások tipikus megoldásai, pl. a szervomotor és golyósorsó kapcsolatban, vagy teljesítmény hajtásokban (köszörőgép, marógép, faipari felsıfejes marógép stb.). A 6.c motororsós megoldásban a motor tengelye egyben a végrehajtó szervet hordozza, ezáltal a közvetlen (direkt) hajtás eszköze. A motor tengelye különbözı mechanizmusokat közvetlenül is mozgathat. A megoldás gyakori a kinematikai és a teljesítményhajtásokban. Direkt villamos hajtásra a lineáris aktuátoroknál késıbb mutatunk példát. Aktuátorok 5/17/2011

15


A kimeneten a végrehajtó szerv helyezkedik el, amely meghatározott kinematikai, mozgást, erıt, vagy nyomatékot (s, v, a, F, illetve ϕ, ω, ε, M) ad. Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben (5. ábra).

Energiaátalakítók, energiafajták Megállapodás: mőködtetı energiaként a továbbiakban olyan energiákat tekintünk, amelyek hálózatról levehetık, a berendezések elhelyezését nem befolyásolják, vagy a berendezés mellé telepíthetı energiaforrás. A legkézenfekvıbb, és legrugalmasabb energiaforrás villamos, amelyet a legtöbb mechatronikai berendezésnél használnak. A villamos energiát, átalakítók teszik alkalmassá másfajta energia kifejtésére. Villamos—mechanikai energiaátalakítók A villamos forgómotor kapcsain keresztül betáplált villamos teljesítmény (Pvill) a motor tengelyén mechanikai teljesítményként (Pm) jelenik meg, amely legtöbbször további mechanikus aktuátorok kiinduló láncszeme (7. ábra). Villamos motorok típusai: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptetı. Aktuátorok 5/17/2011

16


ωki M

Mki Ibe

Sz

HM

Ube

7. ábra: Villamos-mechanikai enegiaátalakító

8. ábra: Villamos-mechanikai-fluidmechanikaimechanikai enegiaátalakító

Villamos-mechanikai-fluidmechanikai-mechanikai energiaátalakítók A motorhoz kapcsolt szivattyú a mechanikai teljesítményt (Pm) fluidmechanikai (pl. hidraulikus) teljesítménnyé (Pfl) alakítja át, amelyet azután mechanikai munka végzésére használunk fel (8. ábra). Azonos energiatípusok esetén azonos típusú aktuátorok kapcsolódnak: villamos-villamos, mechanikai-mechanikai, fluidmechanikai-fluidmechanikai. Energiaátalakításkor a hasznos levehetı teljesítmény csökken az átalakító egység hatásfokától függıen: P P −P P η = ki = be veszt = 1 − veszt Pbe Pbe Pbe Aktuátorok 5/17/2011

17


A különbözı energiafajtáknak megfelelı teljesítmények ismert formuláit a következıkben foglaltuk össze. Ezzel egyszerő az energiaátalakítókra vonatkozó teljesítményeknek a hatásfokok figyelembevételével történı odaés vissza felírása.

Energiaátalakítók, energiafajták Teljesítmény összefüggések (potenciál x áramlásérték) 1.

Mechanikai teljesítmény – Haladó mozgásnál: Pm=v x F (Nm/sec), ahol v (m/sec) sebesség, F (N) erı. – Forgó mozgásnál: Pm=ω x M (Nm/sec), ahol ω (1/sec) szögsebesség, M (Nm) nyomaték.

2.

Villamos teljesítmény – Pvill=U x I (VA), ahol U (V) feszültség, I (A) áramerısség.


18


3.

4.

Fluidmechanikai teljesítmény Pfl=p x Q (Nm/sec=watt), ahol p (N/m2=Pa) nyomás, Q (m3/sec) térfogatáram. Termikus teljesítmény

5.

Phı=∆T x hA (watt), ahol ∆T (oC) hımérsékletdifferencia, h (w/m2 oC) hıátadási tényezı, A (m2) hıátadási felület. Kémiai teljesítmény (robbanómotorok) Pm=Ha x Bηö=Mω (J/sec=W), ahol Ha (J/kg) a tüzelıanyag főtıértéke, B (kg/sec) az idıegység alatti üzemanyag fogyasztás, ηö a rendszer összhatásfoka (37-44 %).


19


2. Mechanikai aktuátorok A mechanikai aktuátorok a kinematikai- és erı viszonyok (nyomatékviszonyok) megváltoztatására szolgálnak. Típusaik: FORGÓ-FORGÓ HALADÓ-FORGÓ

2.1

FORGÓ-HALADÓ HALADÓ-HALADÓ

FORGÓ-FORGÓ mozgásátalakítók

• Fogaskerékhajtások a hengeres fogaskerekes (8. ábra), kúpfogaskerekes és csigahajtások. • Dörzshajtások. • Szíjhajtások: erızárók (ékszíj, laposszíj és Poly-V szíj, zsinór), szíjhajtások, amelyek megfelelı mőködéséhez szíjfeszítés szükséges, továbbá alakzáró szíjhajtások, mint fogazott szíjhajtás (11. ábra). Aktuátorok 5/17/2011

20


Szerkezeti egységek jelképi jelölése


21

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK z3

z1 n1

n1

I. z2

n2

z1

I.

II.

k=

1 i

n z4

I.

z3

nbe

I.

II. n z4

z1

z3

nbe

I. Tk.1 Tk.2

Tk.

z2

z6 z2

z3

z1 nbe

nbe

ω2 n2 z1 k= ω =n = z 1 1 2

II.

n2

z1

ω1 n z i = ω = n1 = z2 2 2 1

k

II.

z5

II. z2

z4

n

II. z2

z4

n

8. ábra: Homlokfogaskerekes hajtások Aktuátorok 5/17/2011

22


Fogaskerékhajtások, hajtómővek • A bal felsı ábra állandó áttételő (hajtóviszonyú) hajtást mutat. A k hajtóviszony a hajtó és hajtott fogaskerekek fogszámainak hányadosa, az i módosítás reciproka, amellyel a kihajtó fordulatszámok közvetlenül kifejezhetık (nki=nbek). Az egylépcsıs egység (lehet kétlépcsıs), állandó, vagy változtatható (cserélhetı) hajtóviszonyú. • A jobb felsı ábra háromfokozatú, tolótömbös elemi hajtómőegységet szemléltet. A fogaskerék tengelykapcsoló funkciót is ellát. • Az alsó ábrák kétfokozatú elemi hajtómőegység háromféle megvalósítását (tolótömbös, mechanikus és elektromágneses tengelykapcsolós) szemléltetik. • A fenti hajtómőegységekbıl változatos összetett hajtómővek képezhetık soros, ritkábban párhuzamos kapcsolással. Tengely-agy kapcsolat: fészkes retesz, siklóretesz, bordás tengely-agy kötés, Ringspann feszítıgyőrős kötés (szíjtárcsáknál, nagy fordulatok)


23


Az irányváltó (2) a mellékhajtás forgásirányának megváltoztatására szolgál. Különbözı kinematikai megoldások az 5.12. ábrákon láthatók. A cél elsısorban nem a mozgás nagyságok, hanem a forgásirányok megváltoztatása. Az 5.12.a ábra szerinti homlok fogaskerekes megoldásban a z0 fordítókerék gondoskodik arról, hogy a kihajtó oldalon a behajtó oldallal azonos forgásirány legyen. Az 5.12.b ábrán az I.-III. tengelyek 120°-os elrendezése, és a kapcsoló fogaskerék axiális helyzetei biztosítják a megfelelı kapcsolatokat, és a különbözı irányú, de azonos nagyságú fordulatokat.


24

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK z1 nbe I.

I.

z2

nbe nbe

z3

z1 z3 z2 z4

n

z4 II. n

II. n

Tkf

Elıtolás

Mf Mozgásösszegzı Mgy Tkgy

Gyorsjárat


25


Fogaskerékhajtások, csigahajtások Fogaskerékhajtások hézagtalanítása A kinematikai pontosság gyakran megköveteli a fogaskerékpár, fogaskerék fogasléc pár, csiga-csigakerék pár kis hézagokkal, vagy hézagtalan építését. Ilyen igény merül fel pl. mérı hajtásokban, pontos pozícionáló (szán, manipulátor) hajtásokban. Egyenes fogazatoknál a hajtó z1 fogszámú fogaskereket szélességében kettéosztják. A két fogaskerék felet (z1a, z1b) egymáshoz viszonyítva elfordítják és hézagtalan állapotban axiálisan, erızáró kötéssel rögzítik. Ferde fogazatoknál az egyik fogaskereket kettéosztva és a két fél egymáshoz viszonyított axiális elállítása (pl. hézagoló tárcsával) lehet a megoldás. Csigahajtás hézagtalanítása Hézagtalan, vagy kishézagú hajtásokat igényelnek a a robotcsukló hajtások, folytonos osztóasztalok (CNC körasztal, C tengely, optikai osztóasztal). Aktuátorok 5/17/2011

26


A baloldali csigahajtás a precíziós osztóasztalok jól bevált megoldása (kis kapcsolószög, nagy fogmagasság). Az egyik csigafél a tengelyen fix helyzető, a másik csigafél tengelyirányú (axiális) állítása szolgál hézagtalanításra. A jobboldali megoldásban a csiga lefejkörözésével, radiális állításával, vagy billentésével (pl. optikai osztóasztalok) érik el a hézagtalan állapot.

ωbe

z1a z1b

Mbe

ωki z2

Mki

ωbe

z1a z1b

Mbe

ωki z2

Mki

10 ábra: Hézagtalanított fogaskerék- és csigahajtások Aktuátorok 5/17/2011

27


Egyenes fogazatú hengeres fogaskerék hajtásnál az egyik megoldás az, hogy az egyik fogaskereket kettéosztjuk, és a két felet egymáshoz képest elfordítjuk addig, amíg a másik fogaskerékkel hézagmentesen nem kapcsolódnak, majd ebben a helyzetben erızáró kötéssel (pl. csavarszorításokkal, vagy feszítıgyőrős kötéssel) rögzítjük egymáshoz a két felet (2.a ábra). Ekkor 2b szélességő fogaskerékre van szükség, ha a fogaskereket mindkét irányban terheljük. (Megj.: Más megoldás is lehetséges.) Ferde fogazatú fogaskerekek hézagmentesítésére is alkalmazható

3 1

2

B

A

5/17/2011

az osztott 1, 2 kerék-felek egymáshoz képesti elfordítása, és az erızáró rögzítés (A). Más megoldásban az osztott kerekek közé hézagoló tárcsát helyeznek (vagy rugós szétfeszítést alkalmaznak). Ekkor is lehetséges a csavarszorításos rögzítés, de alkalmazható a kerekek közötti feszítıgyőrős kötés is (B), amit példaként a tengely és a fogaskerék között ábrázoltunk (2.b ábra). Az ábra szemlélteti a két fél tengelyirányú (axiális) széthúzásának eredményét: az osztott kerék egyik felének fogazatai a kapcsolódó kerék fogárkának egyik oldalán, a másik felének fogazatai a kapcsolódó kerék fogárkának másik oldalán kapcsolódnak. Megjegyzés: hasonló megoldást alkalmaznak (csak összefeszítéssel) a folytonos osztású körasztalok egyes hézagmentes csigahajtásainál. Továbbá hézagmentes hajtásláncok hozhatók létre dupla hajtásláncokkal, és azok elıfeszítésével. Aktuátorok 28


b.,

a.,

Feszítıgyőrős (Ringspann) kötés


29


v D1 n1

k=D1/D2

D2 n2

L a

11. ábra: Szíjhajtás modellje

Szíjhajtások: erızáró és alakzáró • Erızáró: ékszíj, Poly-V szíj, lapos-szíj, • Alakzáró: fogas-szíj


30


1.2. További beépített szerkezeti elemek és egységek 1.2.1 Szíjhajtások A szerszámgépeken alkalmazott szíjhajtások közül a laposszíj- ékszíj- Poly-V szíj-hajtások az erızáró, míg a fogas-szíj hajtások az alakzáró vonóelemes hajtások körébe tartoznak. A hajtást húzóerıvel terhelt vonóelem(ek) közvetíti(k). A szíjhajtások elınyei a csendes, nyugodt járás, kedvezı dinamikai jellemzık, csillapítás, jó hatásfok (η=0,95÷0,98), szükség esetén a túlterhelés elleni védelem. Hátrányai a nagy elıfeszítı erıkbıl, és a szíj rugalmasságából adódnak. 1.2.1.1 Fogas-szíj hajtások A fogas-szíj hajtás alakzáró vonóelemes hajtás, amely egyesíti a laposszíj-hajtás és a lánchajtás elınyeit. Az alakzáró mellett azonban erızáró kapcsolódás is kialakul. Néhány gyártó: Continental Gummi-Werke AG., Gates GmbH., MULCO Maschinentechnische AG., PEMÜ, Rud. Uiker AG., Uniroyal GmbH.


31


Fogasszíj profilok A fogasszíjak kezdetben trapéz alakú fogakkal rendelkeztek. A magyar szabvány a trapézprofilú, zollos osztású fogasszíj-hajtásokat foglalja magába (MSZ-05 24.4901/1, 2, 3, 4-82). A szabványban a méretezés, kiválasztás menete is megtalálható. b

bs

pb

Heveder

s

ht

rr

Húzóelemek hs

ra

Fog Futófelület

a.,

hs

ht

ht

hs

ht

HTD pb

b.,

Egyre nagyobb átvihetı teljesítményt értek el és nagyobb sebességeknél a légellenállásból adódó zaj is csökkent. Igen beváltak ilyen szempontból a HTD (High Torque Drive) fogasszíj hajtások. Aktuátorok 5/17/2011

32


Nagy lassítású hajtómővek (excenteres hajtómővek) A csigahajtások mellett nagy lassítást és nyomatékerısítést valósítanak meg a különbözı fogaskerekes reduktorok és bolygómővek. SCARA típusú robotok csuklómozgatására szolgáló Harmonic Drive és CYCLODRIVE (Sumitomo) ciklois bolygómőves, valamint közvetlen motorhajtású megoldásokat mutatnak a 12. ábrák. Elvek:???


33


12. ábra: Robotcsuklók mozgatása Aktuátorok 5/17/2011

34


12. ábra: Robotcsuklók mozgatása Aktuátorok 5/17/2011

35


2.2 FORGÓ-HALADÓ mozgásátalakítók Orsó-anya: egyik legrégebben alkalmazott megoldás, amely sikló és gördülı megoldásban létezik. A hézagtalan és elıfeszített un. golyósorsó-anya (jó átviteli tényezıjő) párt széles körben alkalmazzák precíziós hajtásokban, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (anya hajtott, orsó áll) (13.a ábra). Fogaskerék-fogasléc: széles körben alkalmazott, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (fogasléc a tartó elemen). Igényesebb megoldásban hézagtalanított fogaskerék-fogasléc hajtású (13.b ábra) Csiga-csigaléc: nagy elmozdulásoknál precíziós utazó hajtásként, gyakran hidrosztatikus kivitelben (13.c ábra). Fogasszíj-hajtás, zsinórhajtás: olcsó, széles körben alkalmazott, megbízható hajtás (plotterek, nyomtatók, másolók, gépszánok stb. mozgatására). A mozgatott egységet a fogasszíjhoz kapcsolják (13.d). Forgattyús mechanizmusok: kiinduló mechanizmus a négytagú-négycsuklós mechanizmus (14.a ábra). Megoldásai pl. az egyszerő forgattyús (14.b ábra), forgattyús-kulisszás (14.c ábra), forgattyús-lengıhimbás, forgattyúskönyökös mechanizmusok a kívánt speciális kinematikai- és erıviszonyok létrehozására (optimalizált gyorsulásgörbéjő mechanizmusok). Aktuátorok 5/17/2011

36


ωbe

m

Mbe ro vki

Fki

b., a.,

Mbe, ωbe

Mbe ωbe

Fki, vki

ro

c.,

Szán m

Fki, vki

d.,

13. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók Aktuátorok 5/17/2011

37


r r

Mbe, ωbe

l

Mki, ωki a.,

Mbe, ωbe

Fki, vki

Mbe, ωbe b.,

Szán m

Fki, vki

Fki, vki Mbe,ωbe

c.,

d.,

14. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók Aktuátorok 5/17/2011

38


(m, s, v, a)

Szán

Tk

Szervomotor

Ft

Mstat, Mdin, Jmot

Golyósorsó-anya (do,po,Jo)

15. ábra: Közvetlen golyósorsó-anya hajtás Aktuátorok 5/17/2011

39


Motornyomaték számítások közvetlen golyósorsós hajtásnál (15. ábra) A szervomotort a szükséges mőködési fordulatszám tartomány (nm,min-nm,max), az Mm,stat statikus és az Mm,din dinamikus nyomaték alapján választjuk ki. A sebességek menete A 16. ábra a szán mozgási sebesség, vagy a motortengely szögsebesség változásának trapéz alakú jellegét mutatja. A gyorsítás kezdetén és a fékezés végén a sebességek értéke zérus. v

m

(m/p) (1/sec)

vmax

t gy = t f = 50 ÷ 400 ms

max

t (sec) tgy

t

tf

ε=

ωm,max − ωm,0 ωm,max = t gy t gy

a=

vmax − v 0 vmax = t gy t gy

16. ábra: Sebesség- és szögsebesség viszonyok Aktuátorok 5/17/2011

40


Dinamikus nyomaték: Mm,din=Jöε/ηm A Jö a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték, ε a szöggyorsulás, ηm a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A haladó m tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére, T a golyósorsó egy körülfordulásának ideje, Ao az orsó átviteli tényezıje. 2 1 2 1 1 v mv = J m,o ω02 = J m,o ω2m → J m,o = m 2 . 2 2 2 ω

po v= , T

2π ωm = , T

2

p  J m,o = m o  = mA o2 .  2π 

J ö = J m,o + J o + J m . Aktuátorok 5/17/2011

41


A motor és orsó közé épített k hajtóviszony esetén az orsóra redukált tehetetlenségi nyomatékokat (Jo,red) a motor tengelyére k2-el redukáljuk (Jo,mot=Jo,red k2). ηm Statikus nyomaték: Mm,stat=Mo/η Az Mo az orsó tengelyére redukált, a szánt terhelı Ft erıbıl adódó nyomaték, ηm a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A k hajtóviszony esetén az orsóra számított statikus nyomatékot k-val redukáljuk a motor tengelyére (Mstat=Mok/ηm). Αz Ft szánerı redukálása az orsóra, ahol (ρg=0, α a menetemelkedés szöge, do az orsó közepes átmérıje): Mo =

do d d p p Ft tg(α + ρg ) ≅ o Ft tgα = o Ft o = Ft o = Ft A o . 2 2 2 doπ 2π

A tehetetlenségi nyomatékok redukálásának további esetei Fogazott szíjas hajtással és fogaskerék-fogasléc hajtással mozgatott m tömeg esetén, ahol az ro a fogas szíjtárcsa, vagy a fogaskerék osztókör sugara:

J m,o = mro2 Aktuátorok 5/17/2011

42


Menetvágás NC esztergagépen A fentiek kapcsán célszerő bemutatni a menetvágás kinematikai láncának egyszerősített vázlatát NC esztergagépre is (5.41. ábra).

1 ford ⋅ k ⋅ν ⋅ k vill δ = p m , k vill =

pm = C vill ⋅ p m ν ⋅δ

Ez összevethetı a hagyományos esztergagépek menetvágására jellemzı egyszerősített kinematikai lánccal (5.23. ábra) azzal a különbséggel, hogy itt hiányzik a fıhajtómővet (fıorsót) és a mellékhajtómővet (a menetvágó kést mozgató elıtoló szánt) összekötı mechanikus kinematikai lánc. Helyette Elektronikus Kinematikai Lánc (EKL) szolgál a két mozgás között elıírt kinematikai kapcsolat megvalósítására, amelyet Mester-Szolga (Master-Slave) hajtásnak neveznek. A z irányú szán mozgatásához szükséges alapjelet a forgó impulzusadó (ROD) és jelfeldolgozó rendszer szolgáltatja. A ROD meghajtása a fıorsóról történik k=1/1 hajtóviszonyú fogas szíjhajtáson keresztül. A különbözı pm menetemelkedések készítéséhez itt kvill, villamos hajtóviszonyt kell biztosítani ahhoz, hogy egy villamos impulzushoz egységnyi elmozdulás tartozzon, amit a helyzetszabályozó old meg. A menetvágás kinematikai egyenlete: Aktuátorok 5/17/2011 43


Speciális vezérpályás mechanizmusok Folytonos és egyenletes forgómozgás mellett meghatározott mozgásfüggvényő alternáló mozgások létrehozására szolgálnak (14.d ábra). Mozgásfüggvények számításához gyakran az optimalizált gyorsulásgörbéket használják fel (pl. szinoid+egyenes+szinoid).

2.3 HALADÓ-FORGÓ mozgásátalakítók A 2.3 alatti szerkezetek fordítottjai, amennyiben nem önzáróak: pl. a fogasléc fogaskerék, fogazott szíj-szíjtárcsa (17. ábra), de lehet dugattyú - hajtórúd – forgattyús tengely.

2.3 HALADÓ-HALADÓ mozgásátalakítók A fogasléc-fogaskerék-fogasléc, emelıkaros mechanizmusok (18. ábra).


44


ωki

Mki

vbe

vbe

Mki, ωki

Fbe,

Fbe

l

r

17. ábra: Haladó-forgó mozgásátalakítók

Fki

vki

vbe

Fbe sbe

Fbe

Fki ski

18. ábra: Haladó-haladó mozgásátalakítók Aktuátorok 5/17/2011

45


4. Villamos aktuátorok Csak a mozgást elıidézı elektromos és mágneses aktuátorokat tárgyaljuk.

4.1 Villamos motorok- A kétmágnes elv A villamos gépekben keletkezı nyomaték, a mozgás létrehozása két mágnes egymásra hatásával szemléltethetı. A 31. ábra egy közös forgástengellyel rendelkezı belsı és külsı, hengergyőrő alakú, északi (É) és déli (D) pólusokkal rendelkezı mágnest mutat. A mágnesek között δ légrés található. Nyugalmi állapotban a belsı és külsı mágnesek ellentétes mágnes pólusai szemben állnak, mivel az ellentétes pólusok vonzzák egymást. Gondolatban forgassuk el a külsı mágnest, a belsı mágnes az elmozdítást követi. A külsı, vagy a belsı mágnes egyenletes forgatása a másik mágnes folytonos forgó mozgását eredményezi. A két oldalra ható elektromágneses nyomaték egyenlı, de ellentétes irányú. Aktuátorok 5/17/2011

46


A nyomaték nagyságát a két mágnes mágneses tengelyei által bezárt β szög, a terhelési szög jellemzi. Stabil állapot és zérus nyomaték β=0O-nál, maximális nyomaték β=±90O -nál, labilis helyzet és zérus nyomaték β=180O -nál adódik. A villamos gépek állandósult üzemének (nyomatékának) feltétele két együttforgó mágneses mezı megléte. A motor csak addig mőködıképes, a két oldal csak addig fejt ki nyomatékot egymásra, amíg az együttjárás megvalósul és azt a pólusok egymáshoz viszonyított helyzete biztosítja. Az egyes forgó (lineáris) motortípusok az álló és forgórészek pólus rendszereinek kialakításában és a mágnesek keletkezésének módjában különböznek egymástól. A Φ fluxus, az I áram elıállítási módja és a β terhelési szög alakulása attól függ, hogyan keletkezik az egyik illetve a másik mágnes.

Motortípusok Forgó és lineáris: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptetımotor.


47


A motorok fordulatszáma, sebessége fokozatmentesen állítható és legtöbbször 4/4-es hajtással rendelkeznek (33. ábra). A motor funkcióösszevonást valósít meg azzal, hogy mindkét irányban létrehozható forgás és fékezés. Természetesen lehet 2/4-es és 1/4-es táplálás is. A szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlatát a 34. ábra mutatja.

Egyenáramú gépek A külsı gerjesztéső, kefe-kommutátoros egyenáramú motor egyszerősített kapcsolási vázlatát a 35. ábra szemlélteti. A motor armatúrakör egyenlete: U = U b + IR U b = U − IR A motor armatúra (forgórész) tekercseiben az állórész mágneses mezı Φ fluxusa által indukált Ub belsı feszültség ωm motortengely szögsebességnél és k motorállandónál:

U b = kω m Φ Aktuátorok 5/17/2011

48


δ

ϖ

D É

−180o

−90o

0o

90o

180o

F D

ϖ

É

31. ábra: Kétmágnes elv

32. ábra: Szinkron gép jelleggörbéje

ωm Generátor (fékez)

Motor (hajt)

Motor (hajt) II.

I.

III.

IV.

Program adatok Vezérlés

Hálózat ~ = Szabályozott tápegység

Motor

Hajtómő

Végrehajtó szerv

Mm

Mérı, ellenırzı jelek

Generátor (fékez)

33. ábra: Villamos gépek hajtási negyedei

34. ábra: Szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlata Aktuátorok

5/17/2011

49


Az elektromágneses motor nyomatéka:

Pm U b I U − kΦ ω m ( kΦ ) 2 U Mm = = = kΦI − ωm ) M m = kΦ = ( ωm ωm R R kΦ Primer és szekunder fordulatszám szabályozás Primer fordulatszám (kapocsfeszültség) szabályozáskor a fluxus Φnévl értékő, az U kapocsfeszültség növelésével Unévl-ig a fordulatszám egyenes arányban nı. Az I. tartomány szabályozhatósága: SzI=10-50, attól függıen, hogy a motor általános rendeltetéső, vagy szervomotor . Szekunder fordulatszám (mezıgyengítéses, fluxuscsökkentéses) szabályozáskor a kapocsfeszültség Unévl értékő, a Φ fluxus csökkentésével a fordulatszám fordítottan változik, azaz nı. A II. tartomány szabályozhatósága: SzII=4-5. Vegyes fordulatszám szabályozáskor az U és a Φ egyaránt csökken. A III. tartomány szabályozhatósága: SzIII.=1,2-1,3. Aktuátorok 5/17/2011

50


A 36. és 37. ábra szemlélteti a fordulatszám szabályozás egyes módjainak megfelelı, a motorra jellemzı, teljesítmény és nyomaték határ diagrammokat, A 37. ábra logaritmikus léptékő.

Állandó mágneső egyenáramú motorok Az egyenáramú motorok álló- vagy forgórésze állandó mágnessel is készülhet. Az állórészükön állandó (permanens) mágneses motorok többségükben kisteljesítményő törpemotorok, amelyek fluxusa állandó. A forgórészükön permanens mágneses motorok az egyszerő egyenáramú motor kifordításával képzelhetık el. A forgórész helyére kerülı állórész ekkor állandó mágneső (Φ=áll), a nagy mágneses térerıt kerámia mágnesek biztosítják. A kialakításból adódóan ezek kefe és kommutátor nélküli motorok, melyeket elektronikus kommutációjú, vagy szinkron motornak is neveznek. Aktuátorok 5/17/2011

51

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK R

Ug

-

+

+ I U

Pm Mm (Nm) (kW)

Ig

ωm

Pm(nm)

Ub

Pmax

Φ

Mm

Ug - gerjesztı feszültség -

Mmax

Mm(nm)

Ig - gerjesztı áram

Mmin Pmin

35. ábra: Az egyenáramú motor egyszerősített kapcsolása

nmin I.

lgMm lgPm (Nm) (kW)

nn II.

nv nmax nm III. (min-1)

lgPm(lgnm)

36. ábra: Teljesítmény és nyomaték határdiagramok

Pmax lgMm(lgnm)

Mmax Mmin Pmin nmin

nr nmax lgnm(min-1)

nn I.

II.

37. ábra: Logaritmikus teljesítmény és nyomaték határdiagramok

III.


52


Az állórész legtöbbször három- vagy négyfázisú tekercselését a fordulatiránynak megfelelı sorrendben kommutáló tranzisztorok kapcsolják az egyenáramú hálózathoz a forgórész helyzetétıl függıen, amelyet pl. Hall elemek mérnek.

Szinkron motorok A szinkron gépek állórésze rendszerint háromfázisú (az indukciós gépekhez hasonló), forgórésze pedig valamilyen állandó mágnes. Itt ismerhetı fel legtisztábban a kétmágnes elv, a két mágnes, a mágneses tengelyek és a terhelési szög. Az állórészen állandó mágnessel kialakított egyenáramú géphez hasonlóság alapján (álló és forgórész csere) „kefenélküli egyenáramú gépnek” is nevezik, ahol a háromfázisú táplálás az elektronikus kommutációval vethetı össze. A forgó szinkronmotor elvi felépítését a 38. ábra szemlélteti. A szinkron motor, azaz a két mágnes egymásra nyomatékot csak akkor fejt ki, ha a forgó mágneses mezıvel a forgórész együtt, szinkron forog. Állandó terhelı nyomatéknál a forgó mezı és rotor között β terhelési szög alakul ki. Túlterhelésnél a motor szinkronból kieshet. Aktuátorok 5/17/2011

53


Szinkronmotorok fajtái A hiszterézis (veszteség) motorokat a finommechanikában használják, teljesítményük kicsi (50÷100 W). Az állandó mágneső szinkron motorokat elsısorban elıtoló, pozicionáló hajtásokban, robothajtásokban használják. fordulatszámtartásuk jó, teljesítményük 0,5-10 kW. A reluktancia motorok a pólusok irányában és arra merıleges irányban eltérı mágneses ellenállást (reluktanciát) használják ki, ezért kiálló pólusokkal készülnek. Teljesítményük 50÷200 W. Szinkronmotorokkal több hajtás együttfutása egyszerően biztosítható 1:1 hajtóviszonyú elektronikus kinematikai lánccal. A fokozatmentes fordulatszám állítás frekvenciaváltoztatással, pl. közbülsı egyenáramú körös frekvenciaváltóval történik (39. ábra). Az egyenáramú gépekhez viszonyítva jó a fordulatszám tartásuk, dinamikájuk, magas fordulatszámnál rövid ideig túlterhelhetık és nincs kommutációs probléma. A magasabb fordulatokat korlátozza a forgó mágnesekre ható röpítı erı. Aktuátorok 5/17/2011

54

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Φ D/É

I

~ ~

R S T

É

U

~ ~

D

f=50 Hz

É/D

(U, f)=vált.

39. ábra: Közbensı egyenáramú körös frekvenciaváltó

n=f/p, p= póluspárok száma U=szinuszos

38. ábra: Szinkronmotor egyszerősített felépítése

R' S' T'

Mm Mb - billenı nyomaték

Mb Mm(nm)

Mn - névleges nyomaték Mü - üresjárási nyomaték

40. ábra: Aszinkronmotor nyomaték diagramja

nb - billenı pont fordulatszáma

Mn s=0 Mü

nn - névleges fordulatszám nü - üresjárási fordulatszám

nb

nn nü

nm s


55


Reluktancia motor forgórész vaslemezek A reluktancia motorok 50-200 W teljesítményre készülnek. Forgórészük az aszinkron motorok kalickás forgórészére emlékeztet, de a reluktancia nyomaték keletkezése érdekében a forgórészt kiálló pólusokkal látták el azáltal, hogy kb. a pólusok felének megfelelı részeken a légrést a fogak kimarásával megnövelték. A kimarások helyét és a forgórész hornyait alumíniummal öntik ki, amit a homlokoldalakon győrők kötnek össze. Ilymódon egyrészt kialakult a kiképzett pólusú (nem állandó légréső) forgórésztest, másrészt indítókalicka is keletkezik.


56


Hiszterézis motor 50-100 W teljesítményekre készül. A forgórészen levı mágnesezhetı, (kemény mágneses anyagból készült) acélgyőrő, egy nem mágnesezhetı vas, vagy mőanyag belsı hengeren helyezkedik el. Aszinkron üzemben, pl. indításkor kétféle nyomaték lép fel: • a forgórész vastestében, (az acélgyőrőben) idukálódó örvényáramok miatt Masz, aszinkronos nyomaték, • az acélgyőrő átmágnesezıdése miatt hiszterézis veszteség ill. Mh hiszterézis nyomaték. Elınyök: • nagy idítónyomaték, • rendkívüli nyugodt járás a forgórész tökéletes (horonymentes) körszimmetriája miatt. Hátrány: drága. Aktuátorok 5/17/2011

57


Aszinkron motorok A legszélesebb körben alkalmazott villamos forgógép, amelynek fı jellemzıi: háromfázisú váltóáramú táplálás, egyszerő szerkezeti felépítés, nagy választék, kis karbantartás igény, kis tehetetlenségi nyomaték. Az állandó teljesítményő tartományban lényegesen magasabb fordulatszámok érhetık el, ui. nincsenek kommutációs problémák. Az aszinkronmotorok alkalmazását jelentısen kiszélesítette a jó minıségő, megbízható frekvenciaváltók- és szabályozók kifejlesztése. A szokásos frekvenciasáv 0÷400 Hz, de igény esetén több kHz-es feszültség és ezáltal magas fordulat állítható elı. Igényesebb hajtásoknál a motor kialakítása, vasmag anyagminısége, stb. eltér a szokásos aszinkron gépekétıl. Az aszinkron motorok nyomaték fordulatszám (szlip) jellegörbéje a 40. ábrán látható. A motorok nn névleges fordulatszáma, különbözı pl. 850, 1000, 1150, 1500, 1800, f/perc lehet. A motornyomaték és a fordulat az alábbi összefüggésekkel írható fel, ahol K a gépállandó, U a feszültség, f a frekvencia, p póluspárok száma, s, sB szlip: 2 Mb U 60 ⋅ f1  M m (s) ≅ M K = n = (1 − s)   m m s sb p f  + sb

s


58


Az aszinkron motorokra is jellemzı teljesítmény és nyomaték határdiagramok a 36. és 37. ábra szerintiek. A közbensı egyenáramú körös frekvenciaváltók mellett (39. ábra) az un. mezıorientált (vektor kontroll) fordulatszám szabályozás terjed. Ennek oka a tranziens üzem kedvezı jellemzıi, jó fordulatszámtartás és a fordulatszám gyors és lengésmentes beállítása.

Léptetımotorok Mőködésük a szinkrongépekhez, reluktancia motorokhoz hasonló, állórészük kiálló pólusú (2, 3, 4, 5), szimmetrikus, vagy aszimmetrikus alakú. A pólusokat tekercsekbe vezetett egyenáram gerjeszti vezérléstıl függıen, az eredı mágneses mezı csak diszkrét helyzeteket foglalhat el. Szinkrongépeknél a mezı állandó szögsebességgel forog. A forgórész állandó mágneső (gerjesztett), vagy gerjesztetlen (lágyvas) és különbözı alaki jellemzıkkel épülhet.


59


A váltakozó (bipoláris), vagy azonos (unipoláris) polaritású vezérlések közül bipoláris kapcsolást szemléltet a 41. ábra, ahol a fázistekercs két szembenálló póluson helyezkedik el. Az álló- és forgórész pólusok száma eltérı lehet. Az α lépésszög, zforg-a forgórész pólusok, m-a fázisok száma: 360o α=

z forg m


60


Léptetımotorok üzemmódjai: • Egyfázisú : egyszerre csak egy tekercs van gerjesztve, 1 – 2 – 3 – 4 - …, egy lépés tipikusan 1.8° – 5 °. • Teljes lépéses (Full step) : egyszerre két szomszédos tekercs van gerjesztve, 12 – 23 – 34 – 41 - …, így nagyobb a nyomaték, lépésszög nem változik • Féllépéses (Half step) : 1 – 12 – 2 – 23 – 3 – 34 – 4 …, felezıdik a lépésszög • Mikrolépéses (Micro step) : a tekercsek gerjesztıfeszültsége analóg növekvı-csökkenı értékeket vesz fel (felváltva szinusz illetve koszinusz). Szinte bármilyen pozíció beállítható -> finom, rezgésmentes járás, cserébe bonyolult, drága vezérlés. Aktuátorok 5/17/2011

61


Direkt hajtások Direkt hajtásnak nevezzük azokat a megoldásokat, amelyeknél az aktuátor mozgását közvetlenül a motor mozgásához kötjük, azaz nincs közbeiktatott mozgásátalakító. Forgó mozgású motoroknál az aktuátor közvetlenül a motortengelyre szerelt (9.c ábra). Egy motororsó megoldást részletesen is szemléltet a 42. ábra. A haladó mozgású közvetett és közvetlen hajtású szánmozgatás összehasonlítása a 43. ábrán látható. A lineáris motor elvi kialakítása a felnyitott és kiterített forgómotorokból vezethetı le (44. ábra), legelterjedtebbek az aszinkron típusok. A PASIM Direktantriebe GmbH kivitelezett megoldását a 45. ábra szemlélteti. Kivitelük lehet egyoldali, kétoldali, vagy henger alakú (szolenoid).


62


Motortípusok, szabályozások. A szabályozott teljesítmény- és kinematikai hajtásokban található motorok szerkezeti kialakításukban, tulajdonságaikban jelentısen eltérnek. A hajtásszabályozások alapvetı típusai: Sebességszabályozás: a szabályozott jellemzı fordulat, sebesség. Helyzetszabályozás: a szabályozott jellemzık az elmozdulás és a fordulat, vagy sebesség. A szabályozott és egymással összefüggı tengelyek száma 1-6 lehet, jelölésük: 1D-6D. Elektronikus kinematikai láncok (EKL), vagy más néven Master-Slave (Mester-Szolga) hajtások kinematikailag összefüggı mozgásokhoz szolgálnak.


63


41. ábra: Léptetımotor bipoláris táplálása és elvi kapcsolása

42. ábra: Direkt hajtású orsó


64


43. ábra: Szánmozgatási módok

44. ábra: Lineáris motor modell Aktuátorok 5/17/2011

65


Szán Mérıegység Motor mozgórész Motor állórész Gránitágy

45. ábra: PASIM GmbH direkt lineáris hajtása Aktuátorok 5/17/2011

66



67


4.2 Villamos készülékek A villamos készülékek a mechatronikai berendezések villamos motorokon kívüli nélkülözhetetlen elemei, amelyek az elektromechanikus, villamos és fluidmechanikai rendszerekben használatosak. Ehelyütt néhány alapvetı elem bemutatására vállalkozhatunk az elmozdulást végzı kisfeszültségő elemekbıl. Ezek lehetnek: - kapcsolók (pl. mágneskapcsoló, relé) - érzékelık (pl. végállás kapcsoló) - elektromechanikus tengelykapcsolók (pl. súrlódó lemezes tk.) - illetve egyéb villamos készülékek


68


A készülékek többféleképpen rendszerezhetık. Kapcsoló, vagy analóg típusú készülékek. A kapcsoló típusokon belül lehetnek mőködtetı (pl. elektromágnesek, mágneskapcsolók, segédrelék, idırelék, stb.) és érzékelı (végállás kapcsolók) készülékek. A készülékek lehetnek húzó, vagy nyomó üzemmódúak, váltó-vagy egyenárammal mőködtetettek, behúzásra, vagy elengedésre késleltetettek, stb.

Görgıs végálláskapcsoló Elektromágneses tengelykapcsoló

Mágneskapcsoló


69


A 46.a ábra mágneskapcsoló (kontaktor) elvi felépítését mutatja, ahol 1-a mőködtetı mágnes és tekercse, 2-a mágnes mozgó részét kikapcsoló rugó, 3 érintkezık, 4-mozgó érintkezıt feszítı rugó. A 46.b ábra relé alkalmazására mutat példát, rendszerint segédáramkörökben. A 46.c ábra a hengeres (szolenoid) kialakítású elektromágnes elvi kialakítását szemlélteti, ahol 1-fémház (vas), 2-tekercs, 3-vasmag, 4-ütközı, 5-a mőködtetett elem. A táplálás váltó-vagy egyenáramú, az elektromágnes nyomó, vagy húzó. Alkalmazásukra pl. a fluidmechanikai szelepek mőködtetése említhetık, löketük maximum 20-25 mm-ig terjed.


70


A 46.d ábra egy kétállapotú (bistabil) hengeres elektromágnes kialakítását mutatja, ahol 1-fémház, 2-tekercs, 3-állandó mágnes, 4- tekercs. Alkalmazása gépkocsik központi zárrendszerének mőködtetésére, vagy a fluidtechnikában impulzus szelepek két állapotának kapcsolására. További elektromágnes alkalmazások Súrlódó lemezes elektromágneses tengelykapcsolók, fékek Az elektromágnessel mőködtetett elektromechanikus tengelykapcsolók, fékek lehetnek erızárók egy, vagy több súrlódó lemezzel és alakzárók fogakkal. Indukciós tengelykapcsolók, fékek. Lényegében aszinkrongép. A primer forgórész gerjesztı tekercseit csúszógyőrőn keresztül táplálják, a szekunder rész a forgórészt szlippel követi, ami terhelésfüggı. Hátrányuk a melegedés. Mágnesporos tengelykapcsolók A két tengelykapcsoló fél között mágnesezhetı és kenıanyagban elhelyezkedı vaspor teremt kapcsolatot gerjesztéskor. Aktuátorok 5/17/2011

71

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 3

4

Mőködtetés Táplálás

2 1

Elektromágnes

46.a ábra: Mágneskapcsoló elvi felépítése

1

4

2

3

46.b ábra: Relé

5

46.c ábra: Hengeres (szolenoid) elektromágnes

1

2

3

4

46.d ábra: Kétállapotú hengeres elektromágnes Aktuátorok

5/17/2011

72


4.3 Új típusú villamos aktuátorok Piezoelektromos, Elektrostriktív (elektromos tér hatására szimmetrikus kristályok alakváltozása) Magnetostriktív (mágneses térbe helyezett ferromágneses anyagok (kristályok) alakváltozása), Elektrorheologiai (elektromos mezıbe helyezett folyadék viszkozitás értékének növekedése), Magnetorheologiai (mágneses mezıbe helyezett egyes folyadékok viszkozitás értékének növekedése), Ikerfémek (hıbimetállok), Emlékezı fémek (SMA, NiTinol, „izomhuzal”), Térfogatváltoztató anyagok. A felsoroltakból a piezoelektromos aktuátorokat érintjük röviden. Teljesítményerısítésük jobb, mint a elektrostriktív és magnetostriktív aktuátoroknak, gyors mőködésőek, nagy erık állíthatók elı, kopásmentesek, viszonylag kis elmozdulások jellemzik. Mőszaki paramétereik Umax=800÷1000 V, ∆l=70÷200 µm, s= ÷1800-2000 N/µm, ω0=2÷50 kHz, ωg~0,8ω0 η=50%. A piezohatás lényege: a piezokristály hossza elektromos feszültség hatására az elektromos mezı irányában megváltozik (nı). Ha az elmozdulás korlátozott, akkor a hatás erı alakjában jelenik meg.


73


A jelenség fordítottját a piezoelektromos méréstechnika használja. Kristályanyag lehet természetes pl. kvarc (SiO2), vagy mesterséges, mint pl. a báriummal bíró különbözı összetételő kristályok. A piezoelektromos hatásmechanizmus alapján, a kristályok anizotróp tulajdonsága miatt, gerjesztéstıl függıen (a kristályok alakváltozási irányainak megfelelı) két alaptípus létezik: hosszirányú (longitudinális), azaz polarizációs tengelyirányú (47.a ábra), és keresztirányú (transzverzális), amely az elızıre merıleges (47.b ábra). Legtöbb alkalmazásnál a feszültség a polarizációs irányba esik. Az elmozdulás arányos a feszültség nagyságával. Piezohatás addig van, amíg gerjesztés is van. Gyakorlati alkalmazásokra többrétegő piezoaktuátorokat alkalmaznak (48. ábra). A hosszirányban rétegelt kialakítás vékony piezokerámia lapokból áll, amelyek között vékony, sík fémelektródák találhatók a tápláláshoz. Ezeket hosszirányú alakváltozás jellemzi (48.a ábra). A keresztirányban, sávokban rétegelt kialakításnál a keresztirányú hatást használják ki (48.b ábra). Egyedi feladatokra szolgálnak a hajlító, bimorf (kettıs) és hibrid aktuátorok. Aktuátorok 5/17/2011

74


A piezoaktuátorok egyre szélesebb körben nyernek alkalmazást. Fı alkalmazási terület ott található, ahol kis és pontos elmozdulásokra, illetve nagy erıkre van szükség. Példaként említhetık tükörbeállítások, szerkezetek hézagtalanítása, elıfeszítése, nagypontosságú vezetések, pontos pozícionálások az aktuátorlánc különbözı helyeire (pl. szerszámba, golyósorsó-anya hajtásba) beépített piezoaktuátorral szubmikronos berendezéseknél. Nexline N-111 piezo lineáris léptetımotor Mozgástartomány: 10 mm Felbontás: 0.025 nm / 5 nm Mőködtetı erı: 50 N Tartóerı: 70 N Max. sebesség: 1 mm/s Tápfeszültség: ± 250 V Tömeg: 245 g Aktuátorok 5/17/2011

75

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK z (3)

(1) x Fny, ∆x

Fny, ∆z y (2)

a.,

y (2)

x (1) U

∆z

b., z (3)

U

47. ábra: Piezoelektromos hatásmechanizmus

∆x x

z

a.,

48. ábra: Piezoaktuátor kialakítások

b.,


76


Bolygómővek típusai Nagy lassítások valósíthatók meg - Jó hatásfok (akár 99%) - Kis méret - Nagy teherbírás (akár több ezer kW) - Zajos - Hajtásösszegzıként és hajtás-szétágaztatóként is alkalmazható Alkalmazásaik: Egyszerő bolygómő részei: - Kéziszerszámgépek (2-3 fokozat) - a: napkerék (sun) - b: bolygókerék (planetary) - Hibrid gépjármővek (hajtásösszegzı) - c: bolygók. hordozó kar - Automata sebességváltók (planetary carrier) - Differenciálmővek (hajtás-szétágaztató) - d: győrőkerék (ring) Két szabadságfok, egyet lefogunk. - e: ház (case)


77


Hengeres kerekes differenciálmővek k-k típusú (n2=nj)

E z3 z2 n1

n1

n2=nj

nE

n3

+1

+1

+1

+1

-1

0

z1/z2

-(z1/z2)*(z3/z4)

0

1

1+z1/z2

1-(z1/z2)*(z3/z4)

n2=nj

1. sor : minden taggal +1 fordulatot közlünk 2. sor : az n2-vel 0, az n1-el -1 fordulatot közlünk 3. sor : az 1. és 2. sor összege A bolygómő egyenlete: a., n2 = nj = 0 esetén n3=n1*(z1/z2)*(z3/z4) n3

z1

z4

b., n1 = 0

esetén n3=n2*(1-(z1/z2)*(z3/z4) = n2(1-k)

c., n1 ≠ 0; n2 ≠ 0

n3=n1*k+n2*(1-k)


78


Kúpkerekes differenciálmővek

Belsı áttétele: k=-1

n1

n2

n3

+1

+1

+1

-1

0

+1

ha n2=0 n3=-n1

0

1

2

ha n1=0 n3=2n2

n1

nj= n2

n3

+1

+1

+1

-1

0

-1/2

0

1

1/2


79


További differenciálmővek k-b típusú z3

z2 nj (n3) n1

n1

n2

nj

+1

+1

+1

-1

0

(z1/z2)*(z2/z3)

0

1

1+(z1/z3)

n2 z1

a., n2=0

nj=(-n1)(z1/z3)

b., n1=0

nj=n2(1+z1/z3)

c., n3≠0, n1≠0 nj=-n1(z1/z3)+n2(1+z1/z3)


80


További differenciálmővek „b” típus, ciklois hajtómő

n1

nj

n2

+1

+1

+1

zb

0

-1

-(zb/zk)

zk

0

1

1-(zb/zk)

nj

n1

n2

a., n1=0

n2=nj(zb/zk)

b., nj=0

n2=n1(1-zb/zk)

c., n1≠0, nj≠0 n2=n1(zb/zk)+n1(1-zb/zk) n1(1-zb/zk)+n1(zb/zk)-n2=0


81


További differenciálmővek Kéziszerszámgép hajtómőve „k-b” típusú bolygómő

z3=42

3/1 z2=15

k/1

3/2 k/2

3/3 k/3

n=17500 min-1 n=192 min-1 z1=12

2/1 2/2 2/3 -1 n=3889 min n=864 min-1

Bolygókerék Győrőkerék

Napkerék


82


Összefoglalás • Az oktatott tananyag megértése, számonkérése. • Gyakorlati tréningek módjai: példák keresése és bemutatása kinek-kinek a szakmai területérıl. • Kérdések külön lapon.

• További információk • Actuator címszó alatt az interneten mintegy 451000 cím található. Ezekben igen széleskörő mechatronikai oktatási anyagok, irodalmak, cikkek, alkalmazások és gyártmányismertetık találhatók. • Könyvek részben elektronikus keresés nyomán, részben a megadott irodalomjegyzék alapján szerezhetık be.


83


Az anyag elsajátítását segítı témajegyzék • 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben. Az aktuátorok fogalma. A mozgásinformáció leképzés. Relatív és elemi mozgások, szánok. Struktúrák, paraméterváltozatok, az építıszekrény elv. Energiaátalakítók, energiafajták, teljesítmény összefüggések. Mechanikai aktuátorok. Forgó-forgó mozgásátalakítók. Fogaskerekes hajtómővek hézagtalanítás. Nagy lassítású hajtómővek, alkalmazások. Forgó-haladó mozgásátalakítók. Golyósorsós hajtások, számítások. Haladó-forgó, haladó-haladó mozgásátalakítók. Fluidmechanikai aktuátorok, hidraulikus körfolyamok építıelemei. Hidraulikus szivattyúk, motorok. Irányító elemek és azok mőködtetése. Aktuátorok

5/17/2011

84


16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32.

Áramlásirányítók, mint útváltó- útirányító szelepek. Mennyiségirányítók (térfogatáram irányítók), mint pl. a fojtószelep, és mennyiségállandósító szelepek. Nyomásirányítók: nyomáshatároló, nyomáscsökkentı szelepek. Tápegység kialakítás körfolyamok. Vezérelt és szabályozott hidraulikus aktuátorok, erısítık. Hidraulikus motorok fordulatszám állítása. Arányos- és szervoszelepek, merev visszavezetéső erısítık. Villamos motorok, kétmágnes elv. Egyenáramú gépek. Szinkron gépek. Aszinkron gépek. Léptetımotorok. Direkt hajtások. Hajtási negyedek. Teljesítmény és nyomaték határgörbék, fordulatszám szabályozás. Villamos készülékek, elektromágnesek, relék, tengelykapcsolók, stb. Új típusú villamos aktuátorok. Aktuátorok

5/17/2011

85


Irodalom [1] [2] [3]

[11] [12] [13] [14]

Baumüller: Dokumentation LSE – Baureihe Version 1 W. Bolton: Mechatronics, Elektronic control systems in mechanical Engineering B. Bork: Linear-Direktantriebe in Werkzeugmaschinen, Darmstadt, Hua Gao Werkstatt und Betrieb, Band 131 (1998) H. 7-8, S. 654-663 D.A. Bradley – D. Dawson - N.C. Burd – A.J. Loader: Mechatronics, Chapman § Hall Devdas – Richard: Mechatronic System Design, PWS Publishing Company Boston, 1997 Excel-Csepel Szerszámgépgyártó Kft.: Dokumentációk FESTO Pneumatic: Pneumatika alapválaszték Katalógus Halász, S.-Hunyár, M.-Schmidt, I.: Automatizált villamos hajtások II: Mőegy. Kiadó, 1999 B. Heinmann – W. Gerth _ K. Popp: Mechatronik (Komponenten-MethodenBeispiele), Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 1998 G. Henneberger: Linearantriebe für den industriellen Einsatz, Stand der Technik, Entwicklungstendenzen. Achen Internationale ETG-Tage 1999, Band 79, Seite 439R. Isermann: MechatronischeSysteme-Grundlagen, Springer Verlag Berlin Heidelb, 1999 Ipsits I.: Villamos automatikaelemek, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002 Kröell-Dulay I.: Szerszámgépek hidraulikus rendszerei, Kézirat Tankönyvkiadó Bp., 1974

[15]

Kröell-Dulay I.: Szerszámgépek automatizálása I., Kézirat, Nemzeti Tankönyvkiadó, 1993

[4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]


86

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK [16] [17]

[18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [33]

Mannesmann-Rexroth AG: Katalog 1998 (RD 0 155-01, RD 0 155-02)

Mádai, F.: Villamos hajtások, Oktatási segédlet, Kézirat, Miskolc 1999 Mádai, F.: Egyenáramú és aszinkron motoros négynegyedes hajtás vizsgálata,Miskolc1995 G. Pritschow: Linearmotor oder Kugelgewindetrieb? Stuttgart J. Bretschneider VDIZeitschrift Special, (2000) Heft 2, Seite 26-29 W. Roddeck: Einführung in die Mechatronik, Teubner Stuttgart, 1997 Siemens AG.: SIMODRIVE Projektierungsanleitung Lineamotor (1FN1, 1FN3) München Stefányi I. – Szandtner K.: Villamos kapcsolókészülékek, Tankönyvkiadó, Bp.1991 Szemerey Z.: Kisfeszültségő kapcsolókészülékek, Mőszaki könyvkiadó, 1990 Tajnafıi, J.: Szerszámgéptervezés I. Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1973 Tajnafıi, J.: Szerszámgéptervezés II. Kézirat, Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1990 Tajnafıi, J. – Patkó, Gy. – Takács, Gy. – Hegedős, Gy.:Visszavezetı-tag tájolása golyósorsók esetén, GÉP 2003/3-4. LIV. Évf. pp. 9- 12. G. Vizi – E. Jakab: Latest Results in theMachining of Epicycloidal Gearing, Wesic, Miskolc, 2003 p.10 Vágó Ivánné: Elektrotechnika, GAMF Kecskemét 1987 Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssystemen Band 2. VDI-Verlag GmbH, 1991 Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002 Ilene J. Busch – Vishniac: Elektromechanical Sensors and Actuators, Springer 1998 www.ipi.uni-hannover.de/html/lehre...lomarbeiten/1999/geisler.jens/aktoren Aktuátorok

5/17/2011

87

Aktuátorok és szenzorok. Aktuátorok

Recommend Documents