Miskolci Egyetem RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK. Aktuátorok. Dr. Jakab Endre

Miskolci Egyetem RBMT RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK

Aktuátorok 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 5/2/2012

2

Miskolci Egyetem RBMT RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Aktuátor- és szenzortechika Mechanika

Elektrotechnika

Mechatronika Folyamatirányítás

Modellezés

Információtechnika

1.ábra: A mechatronikai rendszer építőelemei Az 1. ábrán az egyes mezők, metszetek rendszerbeli és egymáshoz viszonyított arányai mechatronikai szerkezetektől függően változóak lehetnek. A metszeteken kívüli mezők a mechatronikai rendszer passzív elemei, egységei vagy rendszerei, míg a közös metszetek az aktív mezők. Az aktuátor- és szenzortechnika a mechanika és elektrotechnika (elektronika) szoros kapcsolatára utal, ami nem nélkülözheti az információtechnikai hátteret. 5/2/2012

3


Mozgásinformáció leképzés Az aktuátorok magyarázata a mozgásinformáció leképzési modell segítségével

F1=Fm

A

F2=Fsz

Jelölések • • • •

I=Információ k=Kinematikai lánc (kA, ki) A=Alakítási és Kapcsolódási mechanizmus F1=A kapcsolódó felületpár egyik fele (a származtatott felületű munkadarab Fm) • F2= A kapcsolódó felületpár másik fele (a származtató felületű szerszám Fsz) (Pl. Ciklosok (epi-, hipo-, egyenes, ellipszis, Evolvens származtatás) 5/2/2012

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 egyszerűtől az igen bonyolultig egyaránt előfordulhatnak. • A k=kA+ki a kinematikai láncok elemei: • kA-az alapkényszerek és azokon tárolt mozgások, amelyek a mozgást határozottá teszik. • ki- elemi, illetve relatív mozgások. A kinematikai láncok lehetnek: – tisztán mechanikus, elektronikus, hidraulikus, pneumatikus, termikus, – vagy vegyesek, mint elektromechanikus, elektrohidraulikus, elektropneumatikus, hidropneumatikus. 5/2/2012

5


Relatív és elemi mozgások

A mechatronikai rendszerekben valamely elempár között szükséges relatív mozgásokat célszerűen elemi mozgásokból hozzuk létre. Az elemi mozgások, illetve azt megvalósító szánok a Descartes-i derékszögű koordinátarendszer tengelyeinek megfelelően, legtöbbször merőlegesen épülnek egymásra, ami megmunkálási célszerűségből következik. A számjegyvezérléssel irányított tengelyek (D) száma sok esetben igen magas is lehet. Az egyes tengelyek lehetnek egyidejűleg egymással összefüggésben, szimultán irányíthatók (2D-6D-s berendezések), meg nem is (kinematikai, technológiai). Változatok az irányított tengelyek száma alapján képezhetők. Elemi mozgások, szánok Az elemi mozgás biztosításához a tér lehetséges 6 (3 egyenesvonalú haladó, 3 forgó) szabadságfokából 5-öt kényszerekkel (kA) kötünk meg.

5/2/2012

6


Az elemi mozgásokat szánok (3. ábra) valósítják meg:

a., Egyenesvonalú haladó mozgást lineáris szánok, b., Forgómozgást forgó szánok (orsók, tengelyek, körasztalok), c., 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 előnyei: • dinamikailag kedvezőbb szerkezet, • forgó mozgásnál magas mozgásparaméterek biztosíthatók, • a forgásszimmetrikus alkatrészek előállítása olcsóbb.

5/2/2012

7

Miskolci Egyetem RBMT RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK (C) Rz z

Szabadságfokok száma: 6 Haladó mozgások: x, y, z Forgó mozgások: Rx, Ry, Rz A, B, C Ry (B) y

x Rx (A)

3. ábra: Elemi mozgások

.

a.,

b.,

c.,

4. ábra: Elemi mozgásokat megvalósító szánok 5/2/2012

8


Struktúraképzések A mechatronikai rendszerek építésekor igen gyakran alkalmazzák a módszeres tervezés két gyakori és fontos elemét a: • Struktúrák és a • Paraméterváltozatok képzését. Strukturális változatok képzésének alapja az, hogy az egymástól mechanikusan független irányított tengelyekből (aktuátor láncokból) meghatározott szabályok szerint különböző gépváltozatok képezhetők.

Mozgásmegosztási változatok képzése: az alakítási mechanizmusban egymásra ható két oldal (például szerszám-munkadarab mozgatása) között a mozgások szétoszthatók. Szélső esetben minden mozgást az egyik, vagy a másik oldal végezhet. Aktuátorok 5/2/2012

9

Miskolci Egyetem RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK

Az egymásra épülő, és sorosan kapcsolódó aktuátor lánc elemekből (szánokból) egymásra épülési sorrendváltozatok, vagy másként rendűség változatok képezhetők (pl. A-ra épül a B, vagy fordítva). Az optimális megoldás kereséshez a műszaki és gazdasági értékelemzés módszerét alkalmazzák. Ezekhez szorosan kapcsolódik az építőszekrény elv, a moduláris építés elve. Paraméterváltozatokat általában geometriai sor szerint képezzük. A paraméterváltozatok nagyságrendi változatok, amelyeket katalógusok foglalnak, példaként a villanymotorok teljesítménysora, vagy a hidraulikus és pneumatikus hengerek méretsora említhető. A paraméterváltozatok képzésére az alábbi összefüggés használatos: n

m

Aktuátorok 5/2/2012

10


Az összefüggésben a φ a geometriai paramétersor szorzótényezője, n a képzett tagok száma, m a felosztott tartomány szélessége

Renard-sorok: m=10, φ=1,12 (n=20), 1,26 (n=10), 1,41(n=20/3), 1,58(n=20/4=5), stb..

Az aktuátor fogalma: Az „aktuátor” szó magyarázatát a latin aktor=cselekvőt is jelentő szóból indítjuk. Aktuátor az energia bevezetéstől az energia felhasználásig terjedő kinematikai láncban elhelyezkedő, mozgást, vagy állapotváltozást létrehozó és átalakító elemek, egységek és rendszerek összessége.

5/2/2012

11


Struktúrák képzése: Példa a CNC esztergagépek struktúráira (4. ábra) CNC esztergagépek struktúrái: alapesetben két szán (X, Z) mozgat szerszámot és/vagy munkadarabot (s, m). Mozgásmegosztási változatok ismétléses variációval:

Rendűség változatok permutáció számítással:

P

Vn

m!

k ,i

2

n

k

2

2

4

2

Összes változat: 6 db: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 5/2/2012

Xs1 Xs2 Xm1 Xm2 Xs1 Xm1

Zs2 Zs1 Zm2 Zm1 Zm1 Zs1

4. ábra: EPA 320 CNC esztergagép struktúrája 12


Működtető energia Energiaállító Rendelkező jelek

Zavaró jelek Aktuátorok Energiaátalakító Vezérlő energia

Mech.-i rendszer

Szenzorok Vészjelek

Végrehajtó szerv s, v, a, F , , ,M Irányított jellemzők

5. ábra: Aktuátorok a mechatronikai rendszerben 5/2/2012

13


A szerszámgépek működésére jellemző modell Feladat Információk Kezelői utasítások

Nyers előgyártmány

GÉP Technológia Szerszám Készülék Segédanyag

Gazdaságossági, Termelékenységi, Pontossági tényezők

Kész munkadarab

Hulladék

6. ábra: Szerszámgép működési modell 5/2/2012

14


Tartóelemek (Tartóelemek anyagai) Öntvények: szürkeöntvény (acélöntvény) • Lemezgrafitos jó rezgéscsillapító: E=(8-9)·104 N/mm2 (2-2,5)-szeres falvastagsága szerkezeti acélhoz képest, gépágyak anyaga. Az eszterga ágy zárt üregeiben bennhagyták az öntőmagot rezgéscsillapítás céljából (7. ábra). • Gömbgrafitos, nagyobb szilárdság E=(1,7-1,8)·105 N/mm2, állványokhoz. • Hegesztett: szerkezeti acélból, rugalmassági modulusa: E=2,1·105 N/mm2. • Egyéb: Alu öntvények, hidegalakított (pl. ollón és élhajlítógépen), szerelt, kompozitok, műanyagok, stb.

7. ábra: Eszterga ágy keresztmetszete

5/2/2012

15


A főhajtómű és a mellékhajtómű kapcsolata Kinematikai függvénykapcsolatú a főhajtómű és a mellékhajtómű kapcsolata, amelynél nagy pontosságot követelnek meg az egyes mozgáskomponensek között, és amelyet hagyományosan mechanikus kinematikai láncokkal valósítanak meg (pl. esztergagép/pl. menetvágás, fúrógép 8.a ábra). Technológiai függvénykapcsolatok nem igényelnek pontos összhangot a főés mellékmozgások között (pl. marógép, 8.b ábra). Technológiai függvénykapcsolatra természetesen a kinematikai függvénykapcsolatú gépek is alkalmasak, amire példa az esztergagépek előtoló lánca. Fo

MF

FH Fo

FH

pm

Szán MH

8.a ábra 5/2/2012

ME

Fo. C,kö Vezérorsó

1 ford. Szán

MH

Asztal

8.b ábra pv

16

Miskolci Egyetem RBMT RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 1

2

3

a.,

1

3

4

b.,

1

3

c.,

9. ábra: CNC forgácsoló szerszámgépek főhajtóműveinek funkcióábrái

A 9. ábra fokozatnélküli fordulatszámot előállító főhajtóművek lehetséges funkcióábráit szemlélteti. Az ábrák számozása: 1- fokozat nélkül állítható fordulatszámú motor, 2-fokzatos hajtómű, vagy állandó áttétel, 3-hajtott tengely (főorsó), ami a végrehajtó szerv, 4-tengelykapcsoló. A 9.a ábra motor és vele sorba kapcsolt fokozatos hajtóműegységet (állandó áttétel) szemléltet. A fogaskerekes fokozatos hajtóművek ma is gazdaságos megoldásai a nyomatékerősítésnek és a fordulattartomány kijelölésnek. 5/2/2012

17


Példaként említhetők az NC szerszámgép (esztergagép, fúró-maró megmunkáló központ, stb.) főhajtóművei a Teljesítmény hajtóműveket , vagy a szervomotortól a végrehajtó mechanizmusig található Kinematikai hajtásokat legegyszerűbb esetben egyetlen lépcsős hajtással, ami gyakran fogas-szíj hajtás. A 9.b megoldásban a motor és az orsó egytengelyű (koaxiális), köztük szög- és tengelyhibát kiegyenlítő, nagy torziós merevségű tengelykapcsoló található. Kinematikai hajtások tipikus megoldásai, pl. a szervomotor és golyósorsó kapcsolatban, vagy teljesítmény hajtásokban (köszörűgép, marógép, faipari felsőfejes marógép stb.).

5/2/2012

18


A szubmikronos (mikron alatti) esztergák főorsó csapágyazása hidrosztatikus, vagy aerosztatikus, pontos helyzetüket szabályozókörökkel biztosítják. Hasonló a szánvezeték rendszerük is. A 9.c motororsós megoldásban a motor tengelye egyben a végrehajtó szervet hordozza, ezáltal a közvetlen (direkt) hajtás eszköze. A motor tengelye különböző mechanizmusokat közvetlenül is mozgathat. A megoldás gyakori a teljesítményhajtásokban, de a kinematikai hajtásokban is van erre példa.

Direkt villamos hajtásra a lineáris aktuátoroknál később mutatunk példát. A kimeneten a végrehajtó szerv helyezkedik el, amely meghatározott kinematikai, mozgást, erőt, vagy nyomatékot (s, v, a, F, illetve φ, ω, ε, M) ad. Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben az 5. ábra szerinti.

5/2/2012

19


Főhajtóművek (Teljesítmény hajtóművek)-Főorsók A főhajtóművekre mint teljesítmény hajtóművekre a • nagy teljesítmény és a • kis fordulatszám szabályozhatóság jellemző. A főhajtómű fokozatnélküli elektro-mechanikus, kis fokozatszámú (z=2, 3, 4) fogaskerekes hajtóművel, vagy egyetlen szíjhajtással, vagy orsómotorral kialakított. A hajtó motorok általában 4/4-es szabályozásúak. Bármely megoldásban a főorsó önálló egységként kerül felfogásra az ágy bázis-felületére, ami gyakran az alapszán vezetékek bázisfelülete. Ezzel biztosítva a nagyobb szerelési pontosságot. A főorsó szuperprecíz (SP, ü=2-5 µm), vagy ultraprecíz (SP, ü=1-3 µm) pontosságú gördülő csapágyazással készül, igen gyakran ferde hatásvonalú golyóscsapágyazással. 5/2/2012

20


A főhajtóművek legfontosabb egysége a főorsó, amelynek feladata:

• • • •

A munkadarab befogás, rögzítés nagy tömegeknél pl. esztergáknál, A szerszám befogása magas fordulatszámú gépeknél, pl.fúró-marógépeknél. Teljesítmény, nyomaték továbbítás a megmunkálás helyére. Megmunkálási pontosságának biztosítása.

5/2/2012

21

Miskolci Egyetem RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 13

14

4

12

5

15

16

11

6

12

10. ábra: SL 320 HS CNC esztergagép főorsója (Excel Csepel Kft.) 5/2/2012

22


Főorsó csapágyazások Gördülő (96-98 %), gyakori típusai: • Kúpgörgős csapágyakkal: nagy terhelés, viszonylag kis fordulatszám (nmax·dköz=250.000), • Kétsorú hengergörgős csapágy+ferdehatásvonalú golyóscsapágy nmax·dköz=500.000), • Elől ferde-hatásvonalú golyós (15 , 25 ), hátul hengergörgős (nmax·dköz=750.000), • Elől, hátul ferde-hatásvonalú golyós (15°, 25°), (nmax·dköz=1.000.000), Előfeszítések: L (Leicht-f=0,65-0,8), M (Mittel-f=0,5-0,75), H (Hart-f=0,3-0,5) A megengedett fordulatszám: n*=nnévl·f,

Sikló és Hidrodinamikus Hidrosztatikus nagypontosságú, szubmikronos gépeknél. Aerosztatikus nagypontosságú szubmikronos gépeknél, mérőgépeknél. 5/2/2012

23


lgMc(Nm)

lgPc(kW) 50%ED 100%ED

15 11

I.-Kapocsfeszültség szabályozás (50-1500 1/min)

95,5 70 23,9 17,5

II.

I.

0,5 0,37

6 10

50

1500

Fordulatszám szabályozási módok

II.-Mezőgyengíteéses szabályozás (1500-6000 1/min)

6000 lgn(min-1)III.-Vegyes

11. ábra: SL 320 HS CNC esztergagép teljesítmény- és nyomaték határdiagramjai (Excel Csepel Kft.)

(itt hiányzik)

Motor üzemmódok bi%=100%, vagy 40%, 50%,


Energiaátalakítók, energiafajták Megállapodás: működtető energiaként a továbbiakban olyan energiákat tekintünk, amelyek hálózatról levehetők, a berendezések elhelyezését nem befolyásolják, vagy a berendezés mellé telepíthető energiaforrás adja. A legkézenfekvőbb, és legrugalmasabb energiaforrás villamos, amelyet a legtöbb mechatronikai berendezésnél használnak. A villamos energiát különböző energiaátalakítók 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, ez legtöbbször további mechanikus aktuátorok kiinduló láncszeme (12.ábra).

Villamos motorok típusai: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptető. 5/2/2012

25

Miskolci Egyetem RBMT RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK ki

Mki Ibe

Ube

M P ki P be

P be

P veszt P be

1

Sz

HM

P veszt P be

13. ábra: Villamos-mechanikaifluidmechanikai-mechanikai 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 (Pm) végzésére használunk fel (13. ábra).

12. ábra: Villamos-mechanikai enegiaátalakító

Azonos energiatípusok esetén azonos típusú aktuátorok kapcsolódnak, pl.: villamos-villamos, mechanikai-mechanikai, fluidmechanikai-fluidmech.. Energia átalakításkor a hasznos levehető teljesítmény csökken az átalakító egység hatásfokától függően, lásd fenn. 5/2/2012

26


A különböző energiafajtáknak megfelelő teljesítmények ismert formuláit a következőkben foglaljuk össze. Ezekkel egyszerű a hatásfokok kiszámítása.

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) erő.  Forgó mozgásnál: Pm= x M (Nm/sec), ahol (1/sec) szögsebesség, M (Nm) nyomaték. 2.

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

5/2/2012

27


Fluidmechanikai teljesítmény Pfl=p x Q (Nm/sec=Watt), ahol p (N/m2=Pa) nyomás, Q (m3/sec) térfogatáram. 4. Termikus teljesítmény 3.

Phő= T · h · A (Watt), ahol T (oC) hőmérsékletdifferencia, h (W/m2 oC) hőátadási tényező, A (m2) hőátadási felület. 5. Kémiai teljesítmény (belsőégésű motorok) Pm=Ha · B ·

ö=M

·

(J/sec=W), ahol Ha (J/kg) tüzelőanyag fűtőértéke,

B (kg/sec) az időegység alatti üzemanyag fogyasztás, összhatásfoka (37-44 %).

5/2/2012

ö

a rendszer

28


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

2.1

FORGÓ-HALADÓ HALADÓ-HALADÓ

FORGÓ-FORGÓ mozgásátalakítók

• Fogaskerékhajtások a hengeres fogaskerekes (15. ábra), kúpfogaskerekes és csigahajtások. • Dörzshajtások. • Szíjhajtások: erőzárók (ékszíj, laposszíj és Poly-V szíj, zsinór), szíjhajtások, amelyek megfelelő működéséhez szíjfeszítés szükséges, továbbá alakzáró szíjhajtások, mint fogas-szíj hajtás. 5/2/2012

29


Szerkezeti egységek

Mozgásnagyság Irányváltó meghatározó hm. egység

Nyomatékhatároló Mozgásösszegző tengelykapcsoló (bolygómű)

Mozgás szétágaztató

14. ábra: Szerkezeti egységek jelképi jelölései

5/2/2012

30

Miskolci Egyetem RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK z3

z1 n1

n1

I. z2

nbe

k

n 2 z1 =n = z2 1

k= II.

z1

II.

n2

n2

II.

k=

1 i

n z4

z3

z1 nbe

I.

z3

nbe

I.

II. n z4

z6 z2

z1

z3

nbe

I. Tk.1 Tk.2

Tk.

z2

z1

n z = n1 = z2 2 1

i=

I.

z5

II. z2

z4

n

II. z2

z4

n

15. ábra: Homlokfogaskerekes kapcsolatok Felül: egylépcsős és háromfokozatú Alul kétfokozatú: fk. kapcsolású, mech. tengelykapcsolós, elektromágneses tk.-ós 5/2/2012

31


Fogaskerékhajtások, hajtóművek, irányváltók • A bal felső ábra állandó i-áttételű (k-hajtóviszonyú) hajtást mutat. A k hajtóviszony a hajtó és hajtott fogaskerekek fogszámainak hányadosa (k=z1/z2), az i módosítás reciproka, amellyel a kihajtó fordulatszámok közvetlenül kifejezhetők (nki=k·nbe). Az egylépcsős egység (lehet kétlépcsős is) állandó, vagy változtatható (cserélhető) hajtóviszonyú. • A jobb felső ábra háromfokozatú, tolótömbös elemi hajtóműegységet szemléltet. A fogaskerék kapcsolási és tengelykapcsoló funkciót is ellát. • Az alsó ábrák kétfokozatú elemi hajtóműegység háromféle megvalósítását (tolótömbös, mechanikus és elektromágneses tk.-ós) szemléltetik. • A fenti hajtóműegységekből változatos összetett hajtóművek képezhetők soros, ritkábban párhuzamos kapcsolással. Tengely-agy kapcsolat: fészkes retesz, siklóretesz, bordás tengely-agy kötés, Ringspann feszítőgyűrűs kötés (szíjtárcsáknál, nagy fordulatoknál) 5/2/2012

32


Az irányváltó valamely hajtás forgásirányának megváltoztatására szolgál. Különböző kinematikai megoldások a 16. ábrákon láthatók. A cél elsősorban nem a mozgásnagyságok, hanem a forgásirányok megváltoztatása. A 16.a ábra szerinti homlok fogaskerekes megoldásban a z0 fordítókerék gondoskodik arról, hogy a kihajtó oldalon a behajtó oldallal azonos forgásirány legyen. A 16.b ábrán az I.III. tengelyek 120°-os elrendezése, és a kapcsoló fogaskerék axiális helyzetei biztosítják a megfelelő kapcsolatokat. A 16.c ábra kúpkerekes irányváltót mutat. z3

z1

z1=z2 z3=z4

nbe (+) z0

z2

z4

(+)

nki (-)

(+) nki=(+nbe)(-z3/z0)(-z0/z4)= =nbe(z3/z4)=+nbe (-) nki=(+nbe)(-z1/z2)=-nbe a.,

5/2/2012

III.

nbe I.

nbe

I. (+)

II.

II. (-)

III . I.

(+)

Tk

(-)

c.,

b.,

16. ábra: Fogaskerekes irányváltók 33

Miskolci Egyetem RBMT RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK z1

a., Kétlépcsős hajtás

n be I.

z2

I.

n be n be

z3

z1 z3

n

z2 z4

Tk1

z4 II.

x

n

II. n

nbe

Tkf

Előtolás

Mf

Tk2

Mozgásösszegző

y Tk3 z

Mgy Tkgy

Gyorsjárat

c., Hajtásösszegzés b., Hajtás szétágaztatás 17. ábra: Hajtás szétágaztatás és hajtás összegzés 5/2/2012

34


Fogaskerékhajtások, csigahajtások Fogaskerékhajtások hézagtalanítása A kinematikai pontosság gyakran megköveteli a fogaskerékpár, fogaskerékfogasléc pár, csiga-csigakerék pár kis hézagokkal, vagy hézagtalan építését. Ilyen igény merül fel pl. mérő 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, erőzáró kötéssel rögzítik (18.a). Ferde fogazatoknál az egyik fogaskereket kettéosztva és a két fél egymáshoz viszonyított axiális elállítása (pl. hézagoló tárcsával) is lehet a megoldás (18.b). Csigahajtás hézagtalanítása Hézagtalan, vagy kishézagú hajtásokat igényelnek a robotcsukló hajtások, folytonos osztóasztalok (CNC körasztal, C tengely, optikai osztóasztal). 5/2/2012

35


A 18.c ábra szerinti csigahajtás a precíziós osztóasztalok jól bevált megoldása (kis kapcsolószög, nagy fogmagasság). Az egyik csigafél a tengelyen fix helyzetű, a másik csigafél tengelyirányú (axiális) állítása szolgál a hézagtalanításra. A 18.d ábra szerinti megoldásban a csiga lefejkörözésével, radiális állításával, vagy billentésével (pl. optikai osztóasztalok) érik el a hézagtalan állapot.

z1a z1b

z1a z1b

be

be

Mbe

ki

Mki

z2 a.,

Mbe

ki

z2

Mki b.,

c.,

d.,

18. ábra: Hézagtalanított fogaskerék- és csigahajtások 5/2/2012

36


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 erőzáró kötéssel (pl. csavarszorításokkal, vagy feszítőgyűrűs kötéssel) rögzítjük egymáshoz a két felet (19.a ábra). Ekkor 2b szélességű fogaskerékre van szükség, ha a fogaskereket mindkét irányban terheljük. (Megj.: Más megoldás is lehetséges.)

19.a ábra: Egyenes fogazatú fogaskerékpár hézagtalanítása 5/2/2012

37


3 1

2

B

A

Ferde fogazatú fogaskerekek hézagmentesítésére is alkalmazható az osztott 1, 2 kerék-felek egymáshoz képesti elfordítása, és az erőzáró 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 feszítőgyűrűs kötés is (B), amit példaként a tengely és a fogaskerék között ábrázoltunk (19.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. 19.b ábra: Fogaskerékpár Továbbá hézagmentes hajtásláncok hozhatók létre dupla hajtásláncokkal, és azok előfeszítésével. hézagtalanítás 5/2/2012

38


Feszítőgyűrűs (Ringspann) tengely-agy kötések (nincs ütés)

a .,

b .,

Fémharmonika tengelykapcsolók

a .,

Az a., megoldásban a rögzítő csavarok a tengelyben a b.,-ben a fogaskerékben találhatók!

Állítóanya (finommenetű) Rugalmas deformációk! Erőzáró kötések! b .,

20. ábra: Mechatronikai szerkezetekben gyakran alkalmazott elemek, szerkezetek 5/2/2012

39


1.2. 1.2.1

További beépített szerkezeti elemek és egységek Szíjhajtások

A szerszámgépeken alkalmazott szíjhajtások közül a laposszíj- ékszíj- Poly-V szíj-hajtások az erőzáró, míg a fogas-szíj hajtások az alakzáró vonóelemes hajtások körébe tartoznak. A hajtást húzóerővel terhelt vonóelem(ek) közvetíti(k). A szíjhajtások előnyei a csendes, nyugodt járás, kedvező dinamikai jellemzők, csillapítás, jó hatásfok ( =0,95 0,98), szükség esetén a túlterhelés elleni védelem (erőzáróknál). Hátrányai a nagy előfeszítő erőkből, és a szíj rugalmasságából adódnak. 1.2.1.1 Fogas-szíj hajtások A fogas-szíj hajtás alakzáró vonóelemes hajtás, amely egyesíti a laposszíjhajtás és a lánchajtás előnyeit. Az alakzáró mellett erőzáró kapcsolódás is kialakul. Néhány gyártó: Continental Gummi-Werke AG., Gates GmbH., MULCO Maschinentechnische AG., PEMÜ, Rud. Uiker AG., Uniroyal GmbH. 5/2/2012

40


Szíjhajtások v D1 n1

k=D1/D2

D2

Szíjhajtások: erőzáró és alakzáró (21. 22.) • Alakzáró: fogas-szíj • Erőzáró: ékszíj, Poly-V szíj, lapos-szíj n2 Poly-V szíjhajtás másnéven ékbordás ékszíj hajtás (DIN 7867). B

L a

T a k a r ó r é te g

Heveder

h

21. ábra: Szíjhajtás modellje (lehet erő-és alkakzáró hajtás is)

b

H ú z ó e le m e k

Fogas-szíj hajtás: azonos átmérőjű tárcsák vízszintes ága(i) lineáris mozgatásra használható (pl. síkköszörűgép asztala, automata ajtók két szárnya a két ághoz kötötten). 5/2/2012

É k b o rd á k

S z íjtá r c s a p

22. ábra: Poly-V szíj keresztmetszete (teljesítményhajtásokhoz, sajátfrekvencia elhangolás több részre osztott szíjjal) 41


Fogasszíj profilok A fogas-szíjak 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. Egyre nagyobb átvihető teljesítményt értek el és nagyobb sebességeknél a légellenállásból adódó zaj is csökkent. Igen beváltak ilyen szempontból a HTD-High Torque Drive fogasszíj hajtások, vmax=60 m/s. b p

b

b

s

Heveder

s

h

t

r

a

hs

H ú z ó e le m e k r

Fog

r

F u tó fe lü le t

h

b

a .,

s

h

t

h

h

t

h

s

p

t

HTD

b .,

23. ábra: Fogas-szíj profilok (trapéz, köríves, kétoldali) 5/2/2012

42


Nagy lassítású hajtóművek (excenteres hajtóművek) A csigahajtások mellett nagy lassítást és nyomatékerősítést valósítanak meg a különböző fogaskerekes reduktorok és bolygóművek. SCARA típusú robotok csuklómozgatására szolgáló hullámhajtóműves Harmonic Drive és a ciklois bolygó hajtóműves CYCLODRIVE (Sumitomo), valamint közvetlen motorhajtású megoldásokat mutatnak a 24. ábrák. Akkus csavarozógépek kimenő tengelyét a motor három sorbakapcsolt k-b típusú fogaskerekes bolygóművön keresztül hajtja meg (pl. PSR 200v -Bosch). A bolygó hajtóművekről köztük a ciklois bolygóhajtóműről későbbiekben még lesz szó.

5/2/2012

43


24. ábra: Robotcsuklók mozgatása (lengőkaros, koaxiális) balra hullámhajtóművön, jobbra háromtárcsás ciklois hajtóművön keresztül 5/2/2012

44


24. ábra: Robotcsuklók mozgatása balra derékszögű hullámhajtóműves áthajtású, jobbra közvetlen motorhajtású csukló 5/2/2012

45


2.2 FORGÓ-HALADÓ mozgás-átalakítók Orsó-anya: egyik legrégebben alkalmazott megoldás, amely sikló és gördülő megoldásban létezik. A hézagtalan és előfeszített un. golyósorsó-anya (jó átviteli tényezőjű) párt széles körben alkalmazzák precíziós hajtásokban, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (az anya hajtott, az orsó áll) (25.a ábra). Fogaskerék-fogasléc: széles körben alkalmazott, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (fogasléc a tartó elemen). Igényesebb megoldásban hézagtalanított fogaskerék-fogasléc hajtású (25.b ábra) Csiga-csigaléc: nagy elmozdulásoknál precíziós utazó hajtásként, gyakran hidrosztatikus kivitelben (25.c ábra). Fogasszíj-hajtás, zsinórhajtás: olcsó, széles körben alkalmazott, megbízható hajtás (plotterek, nyomtatók, másolók, gépszánok, ajtószárnyak, stb. mozgatására). A mozgatott egységet a fogas-szíjhoz kapcsolják (25.d). 5/2/2012

46


Mbe ro

be

m

vki

Fki b.,

a.,

Mbe be

Mbe,

Fki, vki be

c.,

Szán m

Fki, vki

ro d.,

25. ábra: Forgó-haladó mozgás-átalakítók 5/2/2012

47


l

r r

Mbe,

Mki,

be

Mbe,

be

ki

a.,

Mbe,

b.,

Fki, vki

be

Fki, vki

Szán m

Fki, vki Mbe,

c.,

be

d.,

26. ábra: Forgó-haladó mozgás-átalakítók 5/2/2012

48


2.2 FORGÓ-HALADÓ mozgás-átalakítók Forgattyús mechanizmusok:

• • • •

négytagú-négycsuklós mechanizmus a kiinduló mech. (26.a ábra), egyszerű forgattyús mechanizmus (26.b ábra), forgattyús-kulisszás mechanizmus (26.c ábra), forgattyús-lengőhimbás, forgattyús-könyökös mechanizmusok pl. adagoláshoz, vagy nagy erőkifejtéshez (nem ábrázolt), • optimalizált gyorsulásgörbéjű vezérpályás mechanizmusok a kívánt speciális kinematikai- és erőviszonyok létrehozására (26.d ábra), pl. osztóasztalok, adagolók, töltősorok működtetésére. A fenti mechanizmusok többsége a négytagú-négycsuklós mechanizmusból származtatható. 5/2/2012

49


(m, s, v, a) Ft

Szán

m, s, v, a

Fö

Szán

Jtk TG

Szervomotor

Tk

do

Motor JM Jo

Mstat, Mdin, JMot

po

Golyósorsó-anya (do,po,Jo) 27. ábra: Közvetlen golyósorsó-anya hajtás

5/2/2012

50


További gyakran alkalmazott forgó-haladó mozgásátalakító mechanizmusok b Részletes tárgyalásuk a „Mechatronikai rendszerek” c. tárgyban! TG

Motor JM

J1, z1

m, s, v, a

i=1/k

Szán

J 1, z 1 Fö J3, z3

do

J 2, z 2 po

Jo

J2, z2

J4, z4

Közvetett golyósorsó-anya hajtás

.

m, s, v, a

m, s, v, a J2, z2

Szán

J, z TG

Motor JM

i=1/k TG

Jt, z1

Motor/fogas-szíj/szán hajtás 5/2/2012

d

Jt, z1

27. ábra:

Motor JM

J1, z1

Szánmozgatás fogaskerék-fogasléccel 51


Hézagmentes és kishézagú orsó-anya megoldások Távtartó Orsó

Anya

Távtartó

Anya

Kétanyás „O” elrendezés húzó feszítéssel Orsó

Anya

Orsó

Anya

Anya

Kétanyás „X” elrendezés nyomó feszítéssel Orsó

Anya

Egyanyás, négypont érintkezésű Egyanyás, kétpont érintkezésű megoldás orsó-anya pár 27. ábra: 5/2/2012

52


c., 27. ábra: b., Az a., ábra egyik közismert megoldást mutatja. A 2 rögzített anyarészhez képest az 1 mozgatható anyarész, a rögzítés feloldása után, a 3 állítható ék segítségével elmozdítható balra egészen a hézagmentes állapotig. Majd ezután az 1 anyarészt ismét rögzítik. A b., megoldásban a 2 anya, azaz az orsó-anya kishézagú állapota a 3. állító anya-hüvely segítségével állítható be. A jobboldali menetes hüvely elfordulás elleni biztosítása a c., ábra szerint lenne helyes. A c., megoldásban a hézagmentes állapotot a 3 jelű rugó feszítése folyamatosan biztosítja, míg az a., és b., megoldásokban a kopások miatt, egy idő után az elempárokat újra állítani kell. a.,

5/2/2012

53


Motornyomaték számítása közvetlen golyósorsós hajtásnál (27. ábra) A szervomotort a szükséges működési fordulatszám tartomány (nm,minnm,max), az Mm,stat statikus terhelő nyomaték alapján választjuk ki, majd az Mm,din dinamikus nyomatékra ellenőrizzük. A sebességek menete: A 28. ábra a szán mozgási sebesség, vagy a motortengely szögsebesség változásának közel trapéz jellegét mutatja. A v m és a fékezés végén a sebességek értéke itt zérus. gyorsítás(m/p) kezdetén (1/sec) vmax

t gy

max

tf

50 400 ms

m,max

m,0

t gy t (sec) tgy

t

tf

a

vmax v 0 t gy

m,max

t gy vmax t gy

28. ábra: Sebesség- és szögsebesség viszonyok 5/2/2012

54


Dinamikus nyomaték: Mm,din=Jö

m

A Jö a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték, szöggyorsulás, m a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A haladó m tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére Jm,o, ahol a • T a golyósorsó egy körülfordulásának ideje, • Ao az orsó átviteli tényezője, továbbá a Jo az orsó tehetetlenségi nyomatéka, • Jm a motor tehetetlenségi nyomatéka. 1 mv

1

2

J

2

2

1

2 m ,o

J

0

2

2 m ,o

m

v J

m

m ,o

2

2

.

0

2

p v

o

,

T

Jö 5/2/2012

J m ,o

2 m

Jo

p ,

T

J m ,o

m 2

o

mA

2 o

.

Jm. 55


A motor és orsó közé épített k hajtóviszonynál az orsóra redukált tehetetlenségi nyomatékokat (Jo,red) a motor tengelyére k2-el redukáljuk (Jo,mot=Jo,red k2= (Jm,o+Jo)k2). Statikus nyomaték: Mm,stat=Mo/ m Az Mo az orsó tengelyére redukált, a szánt terhelő Ft erőből adódó nyomaték, m a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A k hajtóviszonynál az orsóra számított statikus nyomatékot k-val redukáljuk a motor tengelyére (Mstat=Mok m) z Ft szánerő redukálása az orsóra, ahol g≈0, a menetemelkedés szöge, do az orsó közepes átmérője): d M

o

o

2

F t tg (

g

)

d

o

2

d F t tg

o

2

p Ft

d

o

o

p Ft

2

o

Ft A

o

.

A tehetetlenségi nyomatékok redukálásának további példái Fogas-szíjas, vagy fogaskerék-fogasléc hajtással mozgatott m tömegnél, ahol az ro a fogas szíjtárcsa, vagy a fogaskerék osztókör sugara: J m ,o 5/2/2012

mr

2 o

56


Menetvágás NC esztergagépen Alábbiakban bemutatjuk a menetvágás kinematikai láncának egyszerűsített vázlatát NC esztergagépre is (29. ábra), vö. a 8.a ábrával.

Kinematikai összefüggés:

1 ford

k p

k

k m

C

vill

p

vill

vill

p

m

,

m

ROD pm v

k=1/1 Fo.

1 ford.

kvill

Szán TG

M (pv)

RODz

δ

29. ábra: NC menetvágás 5/2/2012

57


Az NC kinematikai lánc összevethető a hagyományos esztergagépek menetvágására jellemző egyszerűsített kinematikai lánccal azzal a különbséggel, hogy itt hiányzik a főhajtóművet (főorsót) és a mellékhajtóművet (a menetvágó kést mozgató előtoló szánt) összekötő mechanikus kinematikai lánc. Helyette Elektronikus Kinematikai Lánc (EKL) szolgál a két mozgás között előírt kinematikai kapcsolat megvalósítására, amelyet Mester-Szolga (MasterSlave) hajtásnak neveznek. A z irányú szán mozgatásához szükséges alapjelet a forgó impulzusadó (ROD) és jelfeldolgozó rendszer szolgáltatja. A ROD meghajtása a főorsóról történik k=1/1 hajtóviszonyú, hézagmentes fogas-szíj hajtáson keresztül. A különböző 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 fenn látható. 5/2/2012

58


Speciális vezérpályás mechanizmusok

Folytonos és egyenletes forgómozgás mellett meghatározott mozgásfüggvényű alternáló mozgások létrehozására szolgálnak (26.d ábra). Mozgásfüggvények számításához gyakran az optimalizált gyorsulásgörbéket használják fel (pl. szinoid+egyenes+szinoid).

2.3 HALADÓ-FORGÓ mozgásátalakítók A 2.2 pont alatti szerkezetek fordítottjai, amennyiben nem önzáróak: pl. a fogasléc-fogaskerék, fogas-szíj-szíjtárcsa (30. ábra), de lehet dugattyú hajtórúd – forgattyús tengely hajtás is (lásd motorok).

2.4 HALADÓ-HALADÓ mozgásátalakítók A fogasléc-fogaskerék-fogasléc, emelőkaros mechanizmusok (31. ábra). Aktuátorok 5/2/2012

59


Mki

ki

vbe

vbe

Mki,

Fbe,

Fbe

l

ki

r

30. ábra: Haladó-forgó mozgásátalakítók

Fki

vki

vbe

Fbe

Fbe sbe

Fki ski

31. ábra: Haladó-haladó mozgásátalakítók 5/2/2012

60


4. Villamos aktuátorok Csak a mozgást előidéző elektromos és mágneses aktuátorokat tárgyaljuk. 4.1 Villamos motorok- A kétmágnes elv A villamos gépekben keletkező nyomaték, a mozgás létrehozása két mágnes egymásra hatásával szemléltethető. A 32. ábra egy közös forgástengellyel rendelkező belső és külső, hengergyűrű alakú, északi (É) és déli (D) pólusokkal rendelkező mágnest mutat. A mágnesek között légrés található. Nyugalmi állapotban a belső és külső mágnesek ellentétes mágnes pólusai szemben állnak, mivel az ellentétes pólusok vonzzák egymást. Gondolatban forgassuk el a külső mágnest. A belső mágnes az elmozdítást követi. A külső, vagy a belső mágnes egyenletes forgatása a másik mágnes folytonos forgó mozgását eredményezi. A két oldalra ható elektromágneses nyomaték egyenlő, de ellentétes irányú. 5/2/2012

61


d

D

generátor

v

Mb Mn

É 180

F v

motor

90

0

-

90

180

+

D É Stabil üzem

32. ábra: Kétmágnes elv

5/2/2012

34. ábra: Szinkron gép jelleggörbéje

62


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

Motortípusok Forgó és lineáris: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptetőmotor. 5/2/2012

63


A motorok fordulatszáma, sebessége fokozatmentesen állítható és legtöbbször 4/4-es hajtással rendelkeznek (33. ábra). A motor funkció-összevonást valósít meg azzal, hogy mindkét irányban létrehozható forgás és fékezés. Természetesen lehet 2/4-es és 1/4-es táplálás is. Egy szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlatát a 35. ábra mutatja.

Egyenáramú gépek A külső gerjesztésű, kefe-kommutátoros egyenáramú motor egyszerűsített kapcsolási vázlatát a 36. ábra szemlélteti. A motor armatúrakör egyenlete: U

U

b

IR

U

b

U

IR

A motor armatúra (forgórész) tekercseiben az állórész mágneses mező fluxusa által indukált Ub belső feszültség m motortengely szögsebességnél és k motorállandónál: U

b

5/2/2012

k

m

64


m

Generátor (fékez)

Motor (hajt)

Program adatok Vezérlés

II.

I.

III.

IV.

Hálózat ~ = Szabályozott tápegység

Motor

Hajtómű

Végrehajtó szerv

Mm Mérő, ellenőrző jelek

Motor (hajt)

Generátor (fékez)

33. ábra: Villamos gépek hajtási negyedei

5/2/2012

35. ábra: Szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlata

65


Az elektromágneses motor nyomatéka: M

Pm

U bI

m m

m

k

I

M

m

U

b

U

U

k

k R

IR

m

U

k

b

(k

)

2

m

U (

R

k

m

)

Primer és szekunder fordulatszám szabályozás Primer fordulatszám (kapocsfeszültség) szabályozáskor a fluxus névl értékű, az U kapocsfeszültség növelésével Unévl-ig a fordulatszám egyenes arányban nő. Az I. tartomány szabályozhatósága: SzI≈10-50, attól függően, hogy a motor általános rendeltetésű-e, vagy szervomotor? Szekunder fordulatszám (mezőgyengítéses, fluxuscsökkentéses) szabályozáskor a kapocsfeszültség Unévl értékű, a fluxus csökkentésével a fordulatszám fordítottan változik, azaz nő. A II. tartomány szabályozhatósága: SzII≈4-5. Vegyes fordulatszám szabályozáskor az U és a egyaránt csökkenteni kell a kefeszikrázás miatt. A III. tartomány szabályozhatósága: SzIII.=1,2-1,3. 5/2/2012

66


A 37. és 38. ábra szemlélteti a fordulatszám szabályozás egyes módjainak megfelelő, a motorra jellemző, teljesítmény és nyomaték határ diagramokat. A 38. ábra logaritmikus léptékű.

Állandó mágnesű egyenáramú motorok Az egyenáramú motorok álló- vagy forgórésze állandó mágnessel is készülhet. Az állórészükön állandó (permanens) mágneses motorok többségükben kisteljesítményű törpemotorok, amelyeknek a fluxusa állandó, ezért csak kapocsfeszültség szabályozás lehetséges. A forgórészükön permanens mágneses motorok az egyszerű egyenáramú motor kifordításával képzelhetők el. A forgórész helyére kerülő állórész ekkor állandó mágnesű ( =áll), a nagy mágneses térerőt kerámia mágnesek biztosítják. A kialakításból adódóan ezek kefe és kommutátor nélküli motorok, melyeket elektronikus kommutációjú, vagy szinkron motornak is neveznek. 5/2/2012

67

Miskolci Egyetem RBMT RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK R

-

Ug

+

+ I U

Mm Pm (Nm) (kW)

Ig

m

Pm(nm)

Ub

Pmax

Mm Ug - gerjesztő feszültség

Mmax

Mm(nm)

Ig - gerjesztő áram

-

36. ábra: Az egyenáramú motor egyszerűsített kapcsolása

nmin I.

lgMm lgPm (Nm) (kW)

nn II.

nv nmax nm III. (min-1)

lgPm(lgnm)

37. ábra: Teljesítmény és nyomaték határdiagramok

Pmax lgMm(lgnm)

Mmax Mmin Pmin nmin

38. ábra: Logaritmikus teljesítmény és nyomaték határdiagramok ) A szaggatott diagramok ED%<100% esetre vonatkoznak!

nr nmax lgnm(min-1

nn I.

5/2/2012

Mmin Pmin

II.

III.

68


Az állórész legtöbbször három- vagy négyfázisú tekercselését a fordulatiránynak megfelelő sorrendben kommutáló tranzisztorok kapcsolják az egyenáramú hálózathoz a forgórész helyzetétől függően, amelyet pl. Hall elemek, vagy más szöghelyzet adók érzékelnek.

Szinkron motorok A szinkron gépek állórésze rendszerint háromfázisú (az indukciós gépekhez hasonló), forgórésze pedig valamilyen állandó mágnes. Itt ismerhető 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 vethető össze. A forgó szinkronmotor elvi felépítését a 39. ábra szemlélteti. A szinkron motor, azaz a két mágnes egymásra nyomatékot csak akkor fejt ki, ha a forgó mágneses mezővel a forgórész együtt, szinkron forog. Állandó terhelő nyomatéknál a forgó mező és rotor között terhelési szög alakul ki. Túlterhelésnél a motor szinkronból kieshet. 5/2/2012

69


Szinkronmotorok fajtái A hiszterézis (veszteség) motorokat a finommechanikában használják, teljesítményük kicsi (50 100 W) (41. ábra). Az állandó mágnesű szinkron motorokat elsősorban előtoló, pozicionáló hajtásokban, robothajtásokban használják, fordulatszámtartásuk jó, teljesítményük 0,5-10 kW. A reluktancia motorok a pólusok irányában és arra merőleges irányban eltérő mágneses ellenállást (reluktanciát) használják ki, ezért kiálló pólusokkal készülnek. Teljesítményük 50 200 W (40. ábra).

Szinkronmotorokkal több hajtás együttfutása egyszerűen biztosítható 1:1 hajtóviszonyú elektronikus kinematikai lánccal. A fokozatmentes fordulatszám állítás frekvenciaváltoztatással, pl. közbülső egyenáramú körös frekvenciaváltóval történik (43. ábra). Az egyenáramú gépekhez viszonyítva jó a fordulatszám tartásuk, dinamikájuk, magas fordulatszámnál rövid ideig túlterhelhetők és nincs kommutációs probléma. A magasabb fordulatokat korlátozza a forgó mágnesekre ható röpítő erő. 5/2/2012

70


A reluktancia motorok 50-200 W teljesítményre készülnek. D/É Forgórészük az aszinkron motorok kalickás forgórészére É emlékeztet, de a reluktancia nyomaték keletkezése érdekében U a forgórészt kiálló pólusokkal látták el úgy, hogy kb. a D pólusok felének megfelelő részeken a légrést a fogak É/D kimunkálásával megnövelték. A kimunkálások helyét és a forgórész hornyait alumíniummal öntik ki, amit a n=f/p, p= póluspárok száma homlokoldalakon gyűrűk kötnek össze. Ily módon egyrészt U=szinuszos kialakult a kiképzett pólusú (nem állandó légrésű) forgórész 39. ábra: Szinkronmotor test, másrészt indító kalicka is keletkezik. működési modellje F

I

40. ábra: Reluktancia motor forgórész vaslemezek 5/2/2012

71


Hiszterézis motorok 50-100 W teljesítményekre készülnek. A forgórész egy mágnesezhető, (kemény mágneses anyagból készült) acélgyűrű, ami egy nem mágnesezhető vas, vagy műanyag belső hengeren helyezkedik el. Aszinkron üzemben, pl. 41. ábra: Hiszterézis motor indításkor kétféle nyomaték lép fel: • a forgórész vastestében, (az acélgyűrűben) indukálódó örvényáramok miatt Masz, aszinkron nyomaték, • az acélgyűrű átmágneseződése miatt hiszterézis veszteség ill. Mh hiszterézis nyomaték. Előnyök: • nagy idítónyomaték, • nyugodt járás a forgórész tökéletes körszimmetriája miatt. Hátrány: drága. 5/2/2012

72


Aszinkronmotorok A frekvenciaváltós aszinkron motorok fő jellemzői: • A nagy választékú motorok viszonylag egyszerű felépítésűek, kis karbantartás igényűek. • A kis tehetetlenségi nyomatékok következtében nagy gyorsítások (lassítások) érhetők el. • A szokásos frekvenciasáv 0 400 Hz, de igény esetén több kHz-es feszültség is előállítható, ezáltal igen nagy motor szabályozhatóság- és fordulatszám érhető el. Például 3000 f/perc szinkron fordulatszámú, egy póluspárú aszinkronmotor 600 Hz-nél 36000 f/perc fordulatú. • Az állandó teljesítményű tartományban lényegesen magasabb fordulatszámok érhetők el, mivel nincsenek kommutációs problémák. • 4/4-es üzemre alkalmas motorok, azaz mindkét irányban forgás és fékezés lehetséges. Aszinkron gép nyomaték-fordulat diagramja a 42. ábrán látható. 5/2/2012

73

Miskolci Egyetem RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Mm Mb - billenő nyomaték

Mb Mm(nm)

Mn - névleges nyomaték Mü - üresjárási nyomaték nb - billenő pont fordulatszáma

Mn s=0

nn - névleges fordulatszám nü - üresjárási fordulatszám

Mü nn nü

nb

nm s

42. ábra: Aszinkronmotor nyomaték diagramja A motor nyomatékot csak aszinkron állapotban, azaz valamilyen n n1 fordulatszámnál fejt ki, amit az Mm=Mm(s) nyomatéki egyenlet fejez ki: 2 M

5/2/2012

m

(s)

M

b

s

sb

sb

s 74


A frekvenciaváltós hajtásoknál két paraméter-, a feszültség és a frekvencia állítása szükséges, amelyet külön-külön egységek oldanak meg. Az egyszerű közbenső egyenáramú körös, feszültség-inverteres aszinkron motoros hajtásoknál nagy szabályozhatóság, a közbülső körbe beiktatott ellenállással és azt szaggató tranzisztorral 4/4-es hajtás valósítható meg. A feszültséginverterek csak kikapcsolható félvezető elemeket tartalmaznak. Inverteres (egyenáramból áltóáramot előállító áramirányító) táplálással az aszinkronmotorok fordulat száma veszteségmentesen szabályozható a tápfeszültség és a frekvencia egyidejű állításával. A frekvenciaváltók két fő egysége az: egyenirányító (váltóáramból egyenáramot képez) és az inverter (43. ábra). Ie

+

U , f 1

R 50H z ~

S

1

T a c h o g e n e rá to r T iris z to ro s

S z ű rő -

e g y e n irá n y ító

kör

T

U e = v á lt .

U

1

M In v e rte r

3~

f1

S z a b á ly z ó

43. ábra: Egyszerű feszültséginverteres frekvenciaváltó blokkvázlata 5/2/2012

75


A motor fékezése hálózatra visszatápláló, generátoros. Az ISZM (impulzus szélesség modulációs) invertereknél (44. ábra) a közbenső egyenáramú kör Ue egyenfeszültsége-, az inverterbe bemenő feszültség-, állandó a diódás egyenirányítás következtében. A diódás híd miatt a hálózatba visszatápláló fékezés nem lehetséges. Erről a szűrő után beépített generátoros fék (energiaelnyelő ellenállás) gondoskodik, miáltal a hajtás 4/4-es lesz. Ie R 50H z

S

~

U , f 1

+

1

T a c h o g e n e rá to r D ió d á s

S z ű rő -

Fék-

e g y e n irá n y ító

kör

kör

U e= á ll.

T

IS Z M

M

In v e rte r

3~

-

44. ábra: ISZM inverteres frekvenciaváltó blokkvázlata

U

1

f

1

S z a b á ly z ó

Egyre inkább terjed az aszinkron gépek un. mezőorientált (vektor kontroll) fordulatszám szabályozása mind a fő- és mellékhajtásokban. Ennek oka az, hogy ennél a hajtástípusnál kedvezőek a tranziens üzem jellemzői, a fordulatszám beállítás gyors,lengésmentes, és a fordulatszám pontosan tartható. 5/2/2012

76


Aszinkron motorok A legszélesebb körben alkalmazott villamos forgógép, amelynek fő jellemzői: háromfázisú váltóáramú táplálás, egyszerű szerkezeti felépítés, nagy választék, kis karbantartás igény, kis tehetetlenségi nyomaték. Az állandó teljesítményű tartományban lényegesen magasabb fordulatszámok érhetők el, ui. nincsenek kommutációs problémák. Az aszinkronmotorok alkalmazását jelentősen kiszélesítette a jó minőségű, megbízható frekvenciaváltók- és szabályozók kifejlesztése. A szokásos frekvenciasáv 0 400 Hz, de igény esetén több kHz-es feszültség és ezáltal magas fordulat állítható elő. Igényesebb hajtásoknál a motor kialakítása, vasmag anyagminősége, stb. eltér a szokásos aszinkron gépekétől. Az aszinkron motorok nyomaték fordulatszám (szlip) jellegörbéje a 40. ábrán látható. A motorok nn névleges fordulatszáma, különböző pl. 850, 1000, 1150, 1500, 1800, f/perc lehet. Az aszinkron motorokra is jellemző teljesítmény és nyomaték határdiagramok a 37. és 38. ábra szerintiek. A motornyomaték és a fordulat az alábbi összefüggésekkel írható fel, ahol K a gépállandó, U a feszültség, f a frekvencia, p póluspárok 2 2 M száma, s, sB szlip: U 60 f 1 M (s) b

m

5/2/2012

s sb

sb s

M

m

K

n

f

m

(1

s)

p

77


Motorok kiválasztása A motorok kiválasztása a főhajtómű előírt és meghatározott paramétereivel szoros összefüggésben, a szükséges teljesítmény (nyomaték) és fordulatszám alapján történik. A motorok teljesítménye a szükséges és elégséges értéket felülről közelítse, mivel a túlméretezés gazdaságtalan és felesleges költségeket jelent, stb. A motor kiválasztása során számos további szempontot is figyelembe kell venni, illetve a rendeléskor megadni, mint az építési alak, a védettségi fokozat (IEC 34-5/1991), a hűtési mód (IEC 34-6), az üzemmód (IEC 34-1), stb.. Az IEC - International Electrotechnical Comission, a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság ajánlásait jelenti.

5/2/2012

78


Építési alak A motorok különböző kiviteli, építési alakját az IM betűk utáni négyjegyű szám adja meg. Az építési alak a motor beépítési és csatlakozó méreteit foglalja magába, talpas motoroknál a tengelymagasságot és a talp méreteit, peremes motoroknál a perem geometriai adatait. Az IM 1001 jelű talpas motorok felfogása vízszintes sík felfogó felületre csavarokkal történik. Az IM 3001 jelű peremes motorok központosító pereme pontos tengelyhelyzetet biztosít, rögzítésre a motor külső gyűrűje szolgál. A motorok forgórésze rendelkezhet egyoldali, vagy kétoldali kihajtó tengellyel, esetleg igény szerinti furatos tengellyel, stb. Védettségi fokozat A védettséget az IP betűk utáni kétjegyű szám adja meg. Az első szám a motor személy és idegen test elleni, a második szám a víz elleni védettségre utal. A leggyakoribb védettségi mód az IP 44, ami az 1 mm-nél nagyobb eszközökkel, valamint bármilyen irányú fröcskölt vízzel szembeni védettséget jelent. 5/2/2012

79


Hűtési mód A motor hűtési módját az IC betűk utáni számkombináció határozza meg. Az IC0041 a természetes hűtésre utal, a gépnek nincs ventillátora. Az IC01 saját szellőzésű motor, a hűtést a forgórészre szerelt, vagy arról állandó áttételen keresztül hajtott ventilátor biztosítja. Melegedés Az állandó üzemű motoroknál névleges teljesítménynél, állandósult állapotban a keletkező és eltávozó hőmennyiség egyensúlyban van normál környezeti feltételek mellett. Rövid idejű és szakaszos üzemben a motorokról a névlegesnél nagyobb teljesítmények és nyomatékok vehetők le. A túlterhelés mértékét mindig a hőegyensúly és a hőállósági osztály határozza meg. Valamely munkaciklusban a motor hőenergiává alakuló átlagos vesztesége azonos vagy kisebb lehet a névlegesnél. Az ellenőrző számításokhoz legtöbbször az egyenértékű áramok módszerét használják. A motorok túlmelegedés ellen védettek. 5/2/2012

80


Üzemmódok A motor különböző üzemmódokban terhelhető, bármely üzemmódban is a motor melegedésére megengedett értékekeit tartani kell. A motorokat különböző üzemmódokra tervezik a sajátosságoknak megfelelően. A szerszámgépeken használatos motorok több üzemmódban is igénybe vehetők, a gép kialakításánál erre tekintettel vannak. A legfontosabb üzemmódok: Az állandó üzem, jele S1, S6 S9, pl. a szerszámgépek alapvető üzemmódja. A gép állandó fordulatszámmal és állandó, vagy kissé változó terheléssel üzemel, azaz bi%=100 -os bekapcsolási idejű (idegen kifejezéssel 100 %ED - 100 Einschaltdauer). A terhelés időnként szünetelhet. Pl. az S1 állandó terhelést, az S6 ciklikusan ismétlődő terhelést, az S7 ciklikusan ismétlődő állandó üzemet, stb. jelent. Ekkor a statikus terhelés alapján számított névleges teljesítmény tartósan levehető. A motor hőegyensúlya beáll, a melegedés névleges értékű.

5/2/2012

81


A rövid ideig tartó üzemet, jele S2, igen változó terhelések jellemezik. Az indítások és fékezések hatása a melegedésre elhanyagolható. Rövid ideig tartó üzemmódban a motor meghatározott, ajánlott tü üzemideig, 10, 30, 60, 90 percig üzemeltethető, de hőmérséklete rendszerint nem éri el az állandósult értéket. Kikapcsolás után a motor a környezeti hőmérsékletre hűl le. A tü üzemidőre számított levehető teljesítmény a névlegesnél nagyobb. A szakaszos üzemű gépeknél (S3 S5) gyakoriak a motor melegedését befolyásoló indítások és fékezések, a ciklikusan ismétlődő terhelés és fordulatszám állandó lehet. Szakaszos üzemben a tü üzemidőt és a tc ciklusidőt figyelembe véve határozzák meg a bi%=tü/tc 100% százalékos, vagy viszonylagos bekapcsolási időt, amelynek szabványos értékei: 15 , 25 , 40 , 60 . Szakaszos üzemű gépnél a tc ciklusidőt általában 10 percben korlátozzák. Állandó üzemű gép szakaszos üzemre való felhasználásakor a ciklusidő tc 10 perc és a százalékos bekapcsolási idővel együtt adják meg. A szakaszos üzem ekkor a periodikus terhelésű folyamatos üzemnek felel megjelölése ezért lehet S6 is- azzal a különbséggel, hogy a motort kikapcsolják. A motor lekapcsolás után nem hűl le a környezet hőmérsékletére. A kihasználható teljesítmény a névlegesnél nagyobb. 5/2/2012

82


Léptetőmotorok Működésük a szinkrongépekhez, reluktancia motorokhoz hasonló, állórészük kiálló pólusú (2, 3, 4, 5), szimmetrikus, vagy aszimmetrikus alakú. A pólusokat tekercsekbe vezetett egyenáram gerjeszti vezérléstől függően, az eredő mágneses mező csak diszkrét helyzeteket foglalhat el. Szinkrongépeknél a mező állandó szögsebességgel forog. A forgórész állandó mágnesű (gerjesztett), vagy gerjesztetlen (lágyvas) és különböző alaki jellemzőkkel épülhet. A váltakozó (bipoláris), vagy azonos (unipoláris) polaritású vezérlések közül bipoláris kapcsolást szemléltet a 45. ábra, ahol a fázistekercsek két-két szembenálló póluson helyezkednek el. Az álló- és forgórész pólusok száma eltérő.

5/2/2012

83


Az

lépésszög, zforg-a forgórész pólusok, m-a fázisok száma: 360



z forg m

45. ábra: Léptetőmotor bipoláris táplálása és elvi kapcsolása

5/2/2012

84


Léptetőmotorok 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 …, feleződik a lépésszög.

• Mikrolépéses (Micro step) : a tekercsek gerjesztő feszültsége analóg növekvő-csökkenő értékeket vesz fel (felváltva szinusz illetve koszinusz). Szinte bármilyen pozíció beállítható -> finom, rezgésmentes járás, cserébe bonyolult, drága vezérlés.

46. ábra: Léptetőmotor üzemmódok 5/2/2012

85


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. Egy motororsó megoldást részletesen is szemléltet a 47. ábra. A haladó mozgású közvetett és közvetlen hajtású szánmozgatás összehasonlítása a 48. ábrán látható. A lineáris motor elvi kialakítása a felnyitott és kiterített forgómotorokból vezethető le (49. ábra), legelterjedtebbek az aszinkron típusok. A PASIM Direktantriebe GmbH kivitelezett megoldását a 50. ábra szemlélteti. Kivitelük lehet egyoldali, kétoldali, vagy henger alakú (szolenoid).

5/2/2012

86


Motortípusok, szabályozások. A szabályozott teljesítmény- és kinematikai hajtásokban található motorok szerkezeti kialakításukban, tulajdonságaikban jelentősen eltérnek. A hajtásszabályozások alapvető típusai: • Sebességszabályozás: a szabályozott jellemző fordulat, sebesség. • Helyzetszabályozás: a szabályozott jellemzők az elmozdulás és a fordulat, vagy sebesség. A szabályozott és egymással összefüggő tengelyek száma 1-6 lehet, jelölésük: 1D-6D. Elektronikus kinematikai láncok (EKL), vagy más néven Master-Slave (Mester-Szolga) hajtások kinematikailag összefüggő mozgásokhoz szolgálnak. 5/2/2012

87


47. ábra: Direkt hajtású főorsó 5/2/2012

88


48. ábra: Szánmozgatási módok

49. ábra: Lineáris motor modell 5/2/2012

89


Szán

Mérőegység Motor mozgórész Motor állórész Gránitágy

50. ábra: PASIM GmbH direkt lineáris hajtása 5/2/2012

90


Egyfázisú motorok 51. ábra: Motorok

5/2/2012

91


4.2 Villamos készülékek

A villamos készülékek a mechatronikai berendezések villamos motorokon kívüli nélkülözhetetlen elemei, amelyek az elektromechanikus, villamos és fluidmechanikai rendszerekben használatosak. Ehelyütt csak néhány alapvető elem bemutatására vállalkozhatunk az elmozdulást végző kisfeszültségű elemekből. Ezek lehetnek: • • • •

kapcsolók (pl. mágneskapcsoló, relé), érzékelők (pl. végállás kapcsoló), elektromechanikus tengelykapcsolók (pl. súrlódó lemezes tk.), illetve egyéb villamos készülékek.

5/2/2012

92


A készülékek többféleképpen rendszerezhetők. Kapcsoló, vagy analóg típusú készülékek. A kapcsoló típusokon belül lehetnek működtető (pl. elektromágnesek, mágneskapcsolók, segédrelék, időrelék, stb.) és érzékelő (végállás kapcsolók) készülékek (52. ábra). A Készülékek lehetnek húzó, vagy nyomó üzemmódúak, váltó-vagy Egyenárammal működtetettek, behúzásra, vagy elengedésre késleltetettek.

b., Görgős végálláskapcsoló a., Mágneskapcsoló

5/2/2012

52. ábra

c., Elektromágneses lemezes súrlódó tk.

93


A 52.a ábra mágneskapcsoló (kontaktor) elvi felépítését mutatja, ahol 1-a működtető mágnes és tekercse, 2-a mágnes mozgó részét kikapcsoló rugó, 3 érintkezők, 4-mozgó érintkezőt feszítő rugó. A 52.b ábra relé alkalmazására mutat példát, rendszerint segédáramkörökben. 3

4

Működtetés Táplálás 2 1

53.a ábra: Mágneskapcsoló 5/2/2012

Elektromágnes 53.b ábra: Relé 94


A 53.c ábra a hengeres (szolenoid) kialakítású elektromágnes elvi kialakítását szemlélteti, ahol 1-fémház (vas), 2-tekercs, 3-vasmag, 4-ütköző, 5-a működtetett elem. A táplálás váltó-vagy egyenáramú, az elektromágnes nyomó, vagy húzó. Alkalmazásukra pl. a fluidmechanikai szelepek működtetése említhetők, löketük maximum 20-25 mm-ig terjed. A 53.d ábra egy kétállapotú (bistabil) hengeres elektromágnes kialakítását mutatja, ahol 1-fémház, 2-tekercs, 3-állandó mágnes, 4- tekercs. Alkalmazása gépkocsik központi zárrendszerének működtetésére, vagy a fluidtechnikában impulzus szelepek két állapotának kapcsolására. 1

4

2

3

5

53.c ábra: Hengeres (szolenoid) elektromágnes 5/2/2012

1

2

3

4

53.d ábra: Kétállapotú hengeres elektromágnes 95


További elektromágnes alkalmazások

Elektromágneses súrlódó lemezes tengelykapcsolók és fékek, amelyek lehetnek erőzárók egy, vagy több súrlódó lemezzel, vagy alakzárók fogakkal. Indukciós tengelykapcsolók, fékek. Lényegében aszinkrongép. A primer forgórész gerjesztő tekercseit csúszógyűrűn keresztül táplálják, a szekunder rész a forgórészt szlippel követi, ami terhelésfüggő. Hátrányuk a melegedés. Mágnesporos tengelykapcsolók A két tengelykapcsoló fél között mágnesezhető és kenőanyagban elhelyezkedő vaspor teremt kapcsolatot gerjesztéskor.

5/2/2012

96


4.3 Új típusú villamos aktuátorok Piezoelektromos, Elektrostriktív (elektromos tér hatására szimmetrikus kristályok alakváltozása) Magnetostriktív (mágneses térbe helyezett ferromágneses anyagok (kristályok) alakváltozása) Elektrorheologiai (elektromos mezőbe helyezett folyadék viszkozitás értékének növekedése) Magnetorheologiai (mágneses mezőbe helyezett egyes folyadékok viszkozitás értékének növekedése) Ikerfémek (hőbimetállok) Emlékező fémek (SMA, NiTinol, „izomhuzal”), Térfogatváltoztató anyagok.

5/2/2012

97


A piezoelektromos aktuátorok Teljesítményerősítésük jobb, mint a elektrostriktív és magnetostriktív aktuátoroknak, gyors működésűek, nagy erők állíthatók elő, kopásmentesek, viszonylag kis elmozdulások jellemzik. Műszaki paraméterek: Umax=800 1000 V, Dl=70 200 µm, s= 1800-2000 N/mm, w0=2 50 kHz, wg~0,8·w0 h=50%. A piezohatás lényege: a piezokristály hossza elektromos feszültség hatására az elektromos mező irányában megváltozik (nő). Ha az elmozdulás korlátozott, akkor a hatás erő alakjában jelenik meg.


A jelenség fordítottját a piezoelektromos méréstechnika használja. Kristályanyag lehet természetes pl. kvarc (SiO2), vagy mesterséges, mint pl. a báriummal bíró különböző összetételű kristályok. A piezoelektromos hatásmechanizmus alapján, a kristályok anizotróp tulajdonsága miatt, gerjesztéstől függően (a kristályok alakváltozási irányainak megfelelő) két alaptípus létezik: hosszirányú (longitudinális), azaz polarizációs tengelyirányú (54.a ábra), és keresztirányú (transzverzális), amely az előzőre merőleges (54.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 többrétegű piezoaktuátorok szolgálnak (55. ábra). A hosszirányban rétegelt kialakítás vékony piezokerámia lapokból áll, amelyek között vékony, sík fémelektródák találhatók a tápláláshoz. Ezeket hosszirányú alakváltozás jellemzi (55.a ábra). A keresztirányban, sávokban rétegelt kialakításnál a keresztirányú hatást használják ki (55.b ábra). 5/2/2012

99

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

(1) x Fny, x

Fny, z y (2)

a.,

y (2)

x (1) U

Dz

b., z (3)

U

54. ábra: Piezoelektromos hatásmechanizmus

Dx x

z

a.,

55. ábra: Piezoaktuátor kialakítások

b.,


A piezoaktuátorok egyre szélesebb körben nyernek alkalmazást. Fő alkalmazási terület ott található, ahol kis és pontos elmozdulásokra, illetve nagy erőkre van szükség. Példaként említhetők lézertükör beállítások, szerkezetek hézagtalanítása, előfeszítése, nagypontosságú vezetések, pontos pozícionálások az aktuátorlánc különböző helyeire (pl. szerszámba, golyósorsó-anya hajtásba) beépített piezoaktuátorral szubmikronos berendezéseknél. Nexline N-111 piezo lineáris 56. ábra: Lineáris léptetőmotor léptetőmotor (56. ábra)

Mozgástartomány: 10 mm Felbontás: 0,025 nm / 5 nm Működtető erő: 50 N Tartóerő: 70 N Max. sebesség: 1 mm/s Tápfeszültség: 250 V Tömeg: 245 g

5/2/2012

F=7 N, L=100 mm

101


Bolygóművek - Nagy lassítások valósíthatók meg - Jó hatásfok (akár 99%) - Kis méret - Nagy teherbírás (akár több ezer kW) - Zajos - Hajtásösszegzőként és hajtásszétágaztatóként is alkalmazható Alkalmazások - Kéziszerszámgépek (2-3 fokozat) - Hibrid gépjárművek (hajtásösszegző) - Automata sebességváltók - Differenciálművek (hajtás-szétágaztató) Két szabadságfok, egyet lefogunk.

5/2/2012

57. ábra: Egyszerű kb bolygómű részei: - a: napkerék (sun) - b: bolygókerekek (planet.) - c: bolygók. hordozó kar (planetary carrier) - d: gyűrűkerék (ring) - e: ház (case) 102


„kk” típusú, hengeres kerekes bolygóművek (58. ábra) kk 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 bolygómű egyenlete: a., n2 =nj =0 esetén n3=-n1*(-(z1/z2)*(z3/z4))=-n1*(-k)= n1*k n3

z1

z4

b., n1 =0

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

c., n1 ≠ 0; n2 ≠ 0 5/2/2012

n3=n1*k+n2*(1-k) 103


Kúpkerekes bolygóművek (59. ábra) Ha n2=nj=0, akkor n3=-n1 azaz a belső hajtóviszony k=-1 Ha n1=0,

nj=n2

2·nj n1

nj

n3

akkor n3=2·n2

Ha n1≠0 és n2≠0, akkor n3= 2·n2 –n1 azaz nj=n2= (n1+n3)/2

5/2/2012

n1

n2

n3

+1

+1

+1

-1

0

+1

0

1

2 104


Kúpkerekes bolygóművek (60. ábra) nj=n2

Ha n2=nj=0, akkor n3=1/2·n1 n1

Ha n1=0,

n3

akkor n3=1/2·n2

Ha n1≠0 és n2≠0, akkor n3= 1/2·n2 +1/2·n1

azaz n3= (n1+n2)/2

5/2/2012

n1

nj= n2

n3

+1

+1

+1

-1

0

-1/2

0

1

1/2

105


„kb” típusú bolygóművek (61. ábra): Pl. akkus csavarozó gépekben z3

z2

n1

n2

nj

+1

+1

+1

-1

0

+(z1/z2)*(z2/z3)=+ z1/z3

0

1

1+ z1/z3

nj (n3) n1

n2 z1

a., n2=0, akkor

nj=(-n1)(z1/z3)

b., n1=0, akkor

nj=n2(1+z1/z3)

c., n2≠0, n1≠0, akkor nj=-n1(z1/z3)+n2(1+z1/z3), nj=n3=0 Példa: z1=12, z2=15, z3=42, n1=17500 f/min Ha n3=0, akkor n2=n1·z1/(z1+z3), azaz n2=17500·12/(12+42)=3889 f/min, ahol k= z1/(z1+z3)=12/(12+42)=1/4,5=1/i, i=4,5, másként i=2(1+z2/z1)=2(1+15/12)=4,5! 5/2/2012

106


3x„kb” típusú differenciálmű (63. ábra) Pl. akkus csavarozó gépekben 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

Gyűrűkerék

Napkerék

5/2/2012

107


„b” típusú differenciálművek: Ciklois hajtómű (62. ábra) pl. robotokban, szállító konvejorokban n1 nj n2 nj zb

zk

n1

+1

+1

+1

0

-1

-(zb/zk)

+1

0 1-(zb/zk) a., n1=0 n2=nj(zb/zk)

n2

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

Ciklois hajtóműnél: zb=zk+1, azaz zk-zb=-1 és nj=0, azaz n2=n1(zk-zb)/zk= n1(-1/zk) 5/2/2012

108


Hullámhajtóművek

Nagy lassítású bolygóművek, amelyeket pl. robotcsuklókban, manipulátoroknál, szerszámgépeknél használnak. Megj.: Az első holdjáró kerekeinek meghajtása is hullámhajtóművekkel történt. A hajtómű egyenlete: nki=- nbe·2/z1-2.

5/2/2012

109


Bolygóművek alkalmazása robotcsuklók mozgatására

Cyclo Getriebe 5/2/2012

Harmonic Drive 110


Összefoglalás • Az oktatott tananyag megértése, számonkérése. • Gyakorlati tréningek módjai: példák keresése és bemutatása kinek-kinek a szakmai területéről. • Kérdések külön lapon. • További információk • „Actuator” címszó alatt az interneten több százezer cím található. Ezekben igen széleskörű mechatronikai oktatási anyagok, irodalmak, cikkek, alkalmazások és gyártmányismertetők találhatók. • Könyvek részben elektronikus keresés nyomán, részben a megadott irodalomjegyzék alapján szerezhetők be.

5/2/2012

111


Az anyag elsajátítását segítő témajegyzék 1. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 5/2/2012

Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben Az aktuátorok fogalma A mozgásinformáció leképzés Relatív és elemi mozgások, szánok A forgó mozgások előnye Cikloisok, evolvensek Az építőszekrény elv, Struktúrák képzése Paraméterváltozatok képzése, geometriai sorok képzése, összefüggés Szerszámgép modell Tartóelemek anyaga, tulajdonságaik Teljesítményhajtások és tulajdonságaik Kinematikai hajtások és tulajdonságaik A teljesítményhajtások és a kinematikai hajtások összefüggése, példák Főorsók funkciói, típusai, jellemzés Főorsó csapágyazási módok, alkalmazások gördülő cs.-ok mérőszámai Energiaátalakítók, energiafajták, teljesítmény összefüggések Mechanikai aktuátorok fő típusai 112


Az anyag elsajátítását segítő témajegyzék 2. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32.

33.

Forgó-forgó mozgásátalakítók Fogaskerekes hajtóművek, hézagtalanítás Precíziós tengely-agy kötések Erő és alakzáró szíjhajtások fő típusai, jellegzetességek Forgó-haladó mozgásátalakítók fő típusai, jellemzésük Hézagmentes és kishézagú orsó-anya megoldások (csúszó, gördülő) Menetes orsók átviteli tényezője levezetéssel Motorok statikus és dinamikus nyomatékának meghatározása NC menetvágás kinematikája (EKL), számítása Haladó-forgó, haladó-haladó mozgásátalakítók Villamos motorok alapvető típusai, a kétmágnes elv Szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlata Villamos gépek hajtási negyedei Villamos motorok teljesítmény- és nyomaték határdiagramjai Egyenáramú gépek-állandó mágneses egyenáramú gépek-elektronikus kommutációjú gépek Szinkron gépek és típusai

5/2/2012

113


Az anyag elsajátítását segítő témajegyzék 3. 33. 34. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25.

5/2/2012

Aszinkron gépek, frekvenciaváltós hajtásmegoldások Léptetőmotorok Direkt hajtások Motorok kiválasztása Motorok üzemmódjai Villamos készülékek, elektromágnesek, relék, tengelykapcsolók, stb. Új típusú villamos aktuátorok (pl. piezotechnika) Bolygó hajtóművek Bolygó hajtóművek kinematikája és kinematikai egyenletei Az akkus csavarozó gépekbe épített bolygómű kinematikája, egyenlete.

114


Irodalom [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]

[10] [11] [12] [13]

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: Műegy. 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, Műszaki Könyvkiadó, Budapest Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002

5/2/2012

115


[14] Mádai, F.: Villamos hajtások, Oktatási segédlet, Kézirat, Miskolc 1999 [15] Mádai, F.: Egyenáramú és aszinkron motoros négynegyedes hajtás vizsgálata,Miskolc1995 [16] G. Pritschow: Linearmotor oder Kugelgewindetrieb? Stuttgart J. Bretschneider VDIZeitschrift Special, (2000) Heft 2, Seite 26-29 [27] W. Roddeck: Einführung in die Mechatronik, Teubner Stuttgart, 1997 [18] Siemens AG.: SIMODRIVE Projektierungsanleitung Lineamotor (1FN1, 1FN3) [19] Stefányi I. – Szandtner K.: Villamos kapcsolókészülékek, Tankönyvkiadó, Bp.1991 [20] Szemerey Z.: Kisfeszültségű kapcsolókészülékek, Műszaki könyvkiadó, 1990 [21] Tajnafői, J.: Szerszámgéptervezés II. Kézirat, Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1990 [22] G. Vizi – E. Jakab: Latest Results in theMachining of Epicycloidal Gearing, Wesic, Miskolc, 2003 p.10 [23] Vágó Ivánné: Elektrotechnika, GAMF Kecskemét 1987 [24] Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssystemen Band 2. VDI-Verlag GmbH, 1991 [25] Ilene J. Busch – Vishniac: Elektromechanical Sensors and Actuators, Springer 1998 [26] www.ipi.uni-hannover.de/html/lehre...lomarbeiten/1999/geisler.jens/aktoren

5/2/2012

116

Miskolci Egyetem RBMT, Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK. Aktuátorok. Dr. Jakab Endre

Recommend Documents