Aktuátorok és szenzorok Aktuátorok - bosch.uni- · PDF...

Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab EndreAKTUÁTOROK

Aktuátorok és szenzorok

AktuátorokÍrta: Dr. Jakab Endre


5/17/2011Aktuátorok

2



Tartalom1. 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


3


Mechatronika

Mechanika Elektrotechnika

Aktuátor- ésszenzortechika

Információ-technika

ModellezésFolyamat-irányítás

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.



4


Mozgásinformáció leképzés

Az aktuátorok magyarázataa mozgásinformáció leképzésimodell 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)

F1=Fm F2=Fsz

A

k k

I

2. ábra: Mozgásinformációleképzési modell



5


• 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.



6


Relatív és elemi mozgások

A mechatronikai rendszerekben valamely elempár között szükséges relatívmozgásokat célszerően elemi mozgásokból hozzuk létre. Az elemi mozgások, illetve azt megvalósító szánok a Descartes-i derékszögőkoordinátarendszer tengelyeinek megfelelıen, legtöbbször merılegesenépülnek egymásra, ami megmunkálási célszerőségbıl következik.A számjegyvezérléssel irányított tengelyek (D) száma sok esetben igen magasis lehet. Az egyes tengelyek lehetnek egyidejőleg egymással összefüggésben,szimultán irányíthatók (2D-6D-s berendezések), meg nem is (kinematikai,technológiai). Gépváltozatok az irányított tengelyek számától függıenképezhetık.

Elemi mozgások, szánok

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



7


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



8


.

c.,b.,a.,

x

y

zRz

Ry

Rx

Haladó mozgások: x, y, z

Forgó mozgások: Rx, Ry, Rz

Szabadságfokok száma: 6

4. ábra: Elemi mozgásokat megvalósító szánok

3. ábra: Elemi mozgások



9


StruktúraképzésekA mechatronikai rendszerek építésekor igen gyakran alkalmazzák amódszeres tervezés két gyakori és fontos elemét a struktúrák és aparaméterváltozatok képzését, az optimális megoldás kereséshez a mőszakiés gazdasági értékelemzést. Ezekhez szorosan kapcsolódik az építıszekrényelv, 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.



10


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

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 terjedıkinematikai láncban elhelyezkedı, mozgást (vagy állapotváltozást) létrehozó és átalakító rendszerek, egységek, elemek összessége.

n m=ϕ



11


Nyerselıgyártmány GÉP

TechnológiaSzerszámKészülék

Segédanyag

Készmunkadarab

Hulladék

Gazdaságossági,termelékenységi,

pontosságitényezık

FeladatInformációk

Kezelıiutasítások

A szerszámgépek mőködésére jellemzı modell



12


5. ábra: Aktuátorok a mechatronikai rendszerben



13


FHMF

AsztalMHME

Fo

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



14


32 34 1 311

A 6. ábra fokozatnélküli fordulatszámot elıállító hajtómővek lehetségesfunkcióábráit szemlélteti. Az ábrák számozása: 1- fokozat nélkül állíthatófordulatszámú motor, 2-fokzatos hajtómő, vagy állandó áttétel, 3-hajtotttengely (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.

6. 6. áábra: Hajtbra: Hajtóómmőőfunkcifunkcióáóábrbráákk

a., b., c.,



15


Példaként említhetık az NC szerszámgép (esztergagép, fúró-marómegmunkáló központ, stb.) fıhajtómővek, a teljesítmény hajtómővek, vagya szervomotortól a végrehajtó mechanizmusig található kinematikaihajtások, legegyszerőbb esetben egyetlen lépcsıs hajtással, ami igengyakran fogazott szíjas hajtás.A 6.b megoldásban a motor és az orsó egytengelyő (koaxiális), köztükszög- és tengelyhibát kiegyenlítı, nagy torziós merevségő tengelykapcsolótalálható. Kinematikai hajtások tipikus megoldásai, pl. a szervomotor ésgolyósorsó kapcsolatban, vagy teljesítmény hajtásokban (köszörőgép,marógép, faipari felsıfejes marógép stb.).A 6.c motororsós megoldásban a motor tengelye egyben a végrehajtószervet hordozza, ezáltal a közvetlen (direkt) hajtás eszköze. A motortengelye különbözı mechanizmusokat közvetlenül is mozgathat. Amegoldás gyakori a kinematikai és a teljesítményhajtásokban. Direktvillamos hajtásra a lineáris aktuátoroknál késıbb mutatunk példát.



16


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

Energiaátalakítók, energiafajtákMegMegáállapodllapodáás:s: mőködtetı energiaként a továbbiakban olyan energiákattekintünk, amelyek hálózatról levehetık, a berendezések elhelyezését nembefolyásolják, vagy a berendezés mellé telepíthetı energiaforrás. Alegkézenfekvıbb, és legrugalmasabb energiaforrás villamos, amelyet alegtöbb mechatronikai berendezésnél használnak. A villamos energiát,átalakítók teszik alkalmassá másfajta energia kifejtésére.Villamos—mechanikai energiaátalakítókA 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.



17


Villamos-mechanikai-fluidmechanikai-mechanikai energiaátalakítókA motorhoz kapcsolt szivattyú a mechanikai teljesítményt (Pm)fluidmechanikai (pl. hidraulikus) teljesítménnyé (Pfl) alakítja át, amelyetazután 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 átalakítóegység hatásfokától függıen:

Ube

Ibe

Mki

ωki

7. ábra: Villamos-mechanikai enegiaátalakító

8. ábra: Villamos-mechanikai-fluidmechanikai-mechanikai enegiaátalakító

SzM HM

be

veszt

be

vesztbe

be

ki

P

P1

P

PP

P

P−=

−==η



18


A különbözı energiafajtáknak megfelelı teljesítmények ismert formuláit akövetkezıkben foglaltuk össze. Ezzel egyszerő az energiaátalakítókravonatkozó teljesítményeknek a hatásfokok figyelembevételével történı oda-és 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.



19


3. Fluidmechanikai teljesítmény

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

4. Termikus teljesítmény

Phı=∆T x hA (watt), ahol ∆T (oC) hımérsékletdifferencia, h (w/m2 oC)hıátadási tényezı, A (m2) hıátadási felület.

5. 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 rendszerösszhatásfoka (37-44 %).



20


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

FORGÓ-FORGÓ FORGÓ-HALADÓHALADÓ-FORGÓ HALADÓ-HALADÓ

2.1 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).



21


Szerkezeti egységek jelképi jelölése



22


n1

n2

z1

z2

n1

n2

i = = =ω1ω2

n1n2

z2z1

k = = =ω2

ω1

n2

n1

z1

z2

I.

II.

I.

II.

k = 1i

k

nbe

z3

z4

z1

z2

II.

I.

Tk.

nbe

z1

z2

z3

z4

II.

I.

Tk.1 Tk.2

n n

nbe

z3

z4

z1

z2

I.

II.

n

nbe

II.

z1

z2

z3

z4

z5

z6

n

8. 8. áábra: bra: HomlokfogaskerekesHomlokfogaskerekes hajthajtáásoksok



23


FogaskerFogaskeréékhajtkhajtáások, hajtsok, hajtóómmőővekvek• A bal felsı ábra állandó áttételő (hajtóviszonyú) hajtást mutat. A k

hajtóviszony a hajtó és hajtott fogaskerekek fogszámainak hányadosa, az imódosítás 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)



24


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



25


nbe

I.

II.

n

nbe

I.

II.

z1 z3

z2 z4

nbe n

z1

z2

z3

z4

n

Mf

Mgy

Tkf

TkgyGyorsjárat

Elıtolás

Mozgás-összegzı



26


FogaskerFogaskeréékhajtkhajtáások, csigahajtsok, csigahajtáásoksok

Fogaskerékhajtások hézagtalanításaA kinematikai pontosság gyakran megköveteli a fogaskerékpár, fogaskerékfogasléc 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 szélességébenkettéosztják. A két fogaskerék felet (z1a, z1b) egymáshoz viszonyítvaelfordítják és hézagtalan állapotban axiálisan, erızáró kötéssel rögzítik. Ferde fogazatoknál az egyik fogaskereket kettéosztva és a két fél egymáshozviszonyított axiális elállítása (pl. hézagoló tárcsával) lehet a megoldás.

Csigahajtás hézagtalanításaHézagtalan, vagy kishézagú hajtásokat igényelnek a a robotcsukló hajtások,folytonos osztóasztalok (CNC körasztal, C tengely, optikai osztóasztal).



27


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.

10 10 áábra: Hbra: Héézagtalanzagtalaníított fogaskertott fogaskeréékk-- éés csigahajts csigahajtáásoksok

z2

z1a z1b

z2

z1a z1b

Mbe

ωbe

ωki

Mki

Mbe

ωbe

Mki

ωki



28


A

B

1 2

3

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 szélességőfogaskerékre van szükség, ha a fogaskereket mindkét irányban terheljük. (Megj.: Más megoldás is lehetséges.) Ferde fogazatú fogaskerekek hézagmentesítésére is alkalmazható

az osztott 1, 2 kerék-felek egymáshoz képesti elfordítása, és az erızáró rögzítés (A). Más megoldásban az osztott kerekek közéhézagoló 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 kapcsolódókerék 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.



29


a., b.,


Feszítıgyőrős (Ringspann) kötés


30


D1D2

a

v

n1 n2

L

k=D1/D2

11. 11. áábra: Szbra: Szííjhajtjhajtáás modelljes modellje

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



31


1.2. További beépített szerkezeti elemek és egységek1.2.1 SzíjhajtásokA szerszámgépeken alkalmazott szíjhajtások közül a laposszíj- ékszíj- Poly-Vszíj-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 hajtásokA 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.



32


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.

pb

s

ht rr

ra

bbs

h s

Heveder

Húzóelemek

Futófelület

Fog

a.,

HTD

pb

hs

ht ht

ht

hs

b.,

Egyre nagyobb átvihetı teljesítményt értek el és nagyobb sebességeknél a légellenállásból adódózaj is csökkent. Igen beváltak ilyen szempontból a HTD (High Torque Drive) fogasszíj hajtások.



33


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) cikloisbolygómőves, valamint közvetlen motorhajtású megoldásokat mutatnak a 12. ábrák.Elvek:???



34


12. ábra: Robotcsuklók mozgatása



35


12. ábra: Robotcsuklók mozgatása



36


2.2 FORGÓ-HALADÓ mozgásátalakítókOrsó-anya: egyik legrégebben alkalmazott megoldás, amely sikló és gördülımegoldásban létezik. A hézagtalan és elıfeszített un. golyósorsó-anya (jóátviteli 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 utazóhajtásként (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, megbízhatóhajtás (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, forgattyús-könyökös mechanizmusok a kívánt speciális kinematikai- és erıviszonyok létrehozására (optimalizált gyorsulásgörbéjő mechanizmusok).



37


SzánMbeωbe Fki, vki

m

ro

ωbe Mbe

vki Fkim

ro

13. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók

Mbe, ωbe

Fki, vki

a.,b.,

c., d.,



38


Mki, ωkiMbe, ωbe

r

r l

Mbe, ωbeFki,

vki

Mbe,ωbe

Fki,vki

Szán

Mbe,ωbe

Fki, vkim

a., b.,

c., d.,

14. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók



39


(m, s, v, a) Szervomotor

Golyósorsó-anya (do,po,Jo)

Szán

Mstat, Mdin, Jmot

Tk

Ft

15. ábra: Közvetlen golyósorsó-anya hajtás



40


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 meneteA 16. ábra a szán mozgási sebesség, vagy a motortengely szögsebességváltozásának trapéz alakú jellegét mutatja. A gyorsítás kezdetén és a fékezésvégén a sebességek értéke zérus.

v(m/p)

m(1/sec)

t (sec)

tgy tf

vmax max

gy

m

gy

0mm

ttmax,,max, ω

=ω−ω

=ε

gygy

0

t

v

t

vva maxmax =

−=

ms40050tt fgy ÷==

t

16. ábra: Sebesség- és szögsebesség viszonyok



41


Dinamikus nyomaték: Mm,din=Jöεεεε/η/η/η/ηm

A Jö a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték, ε aszöggyorsulás, ηm a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka.A haladó m tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére, T a golyósorsó egykörülfordulásának ideje, Ao az orsó átviteli tényezıje.

.,,, 2

2

om2mom

20om

2 vmJJ

2

1J

2

1mv

2

1

ω=→ω=ω=

,,T

2

T

pv m

o π=ω= .,

2o

2o

om mA2

pmJ =

π=

., moomö JJJJ ++=



42


A motor és orsó közé épített k hajtóviszony esetén az orsóra redukálttehetetlenségi nyomatékokat (Jo,red) a motor tengelyére k2-el redukáljuk(Jo,mot=Jo,red k2).

Statikus nyomaték: Mm,stat=Mo/ηηηηm

Az Mo az orsó tengelyére redukált, a szánt terhelı Ft erıbıl adódónyomaték, ηm a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A k hajtóviszonyesetén az orsóra számított statikus nyomatékot k-val redukáljuk a motortengelyére (Mstat=Mok/ηm). Αz Ft szánerı redukálása az orsóra, ahol (ρg=0,α a menetemelkedés szöge, do az orsó közepes átmérıje):

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

.)( oto

to

ot

ot

ogt

oo AF

2

pF

d

pF

2

dtgF

2

dtgF

2

dM =

π=

π=α≅ρ+α=

2oom mrJ =,



43


Menetvágás NC esztergagépenA fentiek kapcsán célszerő bemutatni a menetvágás kinematikai láncánakegyszerősített vázlatát NC esztergagépre is (5.41. ábra).

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 késtmozgató 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 jelfeldolgozórendszer 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 egyvillamos impulzushoz egységnyi elmozdulás tartozzon, amit a helyzetszabályozó old meg. A menetvágáskinematikai egyenlete:

mvillm

vill

mvill

pCp

k

pkkford

⋅=⋅

=

=⋅⋅⋅

δν

δν ,1



44


Speciális vezérpályás mechanizmusok Folytonos és egyenletes forgómozgás mellett meghatározottmozgásfüggvényő 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 fogaslécfogaskerék, fogazott szíj-szíjtárcsa (17. ábra), de lehet dugattyú - hajtórúd –forgattyús tengely.

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



45


r

Mki, ωkiFbe,

vbe l

Fbe sbe Fki skivbe Fbe

vkiFki

ωki Mki

vbe Fbe

17. ábra: Haladó-forgó mozgásátalakítók

18. ábra: Haladó-haladó mozgásátalakítók



46


4. Villamos aktuátorokCsak a mozgást elıidézı elektromos és mágneses aktuátorokat tárgyaljuk.

4.1 Villamos motorok- A kétmágnes elv

A villamos gépekben keletkezı nyomaték, a mozgás létrehozása két mágnesegymásra hatásával szemléltethetı. A 31. ábra egy közös forgástengellyelrendelkezı 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 pólusaiszemben állnak, mivel az ellentétes pólusok vonzzák egymást. Gondolatbanforgassuk el a külsı mágnest, a belsı mágnes az elmozdítást követi. A külsı,vagy a belsı mágnes egyenletes forgatása a másik mágnes folytonos forgómozgását eredményezi. A két oldalra ható elektromágneses nyomatékegyenlı, de ellentétes irányú.



47


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

MotortípusokForgó és lineáris: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptetımotor.



48


A motorok fordulatszáma, sebessége fokozatmentesen állítható és legtöbbször4/4-es hajtással rendelkeznek (33. ábra). A motor funkcióösszevonást valósítmeg azzal, hogy mindkét irányban létrehozható forgás és fékezés. Természetesen lehet 2/4-es és 1/4-es táplálás is. A szabályozott elektro-mechanikus hajtás funkcióvázlatát a 34. ábra mutatja.

Egyenáramú gépek

A külsı gerjesztéső, kefe-kommutátoros egyenáramú motor egyszerősítettkapcsolási vázlatát a 35. ábra szemlélteti. A motor armatúrakör egyenlete:

A motor armatúra (forgórész) tekercseiben az állórész mágneses mezı Φfluxusa által indukált Ub belsı feszültség ωm motortengely szögsebességnél ésk motorállandónál:

IRUU b += IRUUb −=

Φω= mb kU



49


F

δ

É

D

É

D ϖ

ϖ

90− o 90o180− o

180o0o

ω

Mm

m

I.

IV.

II.

III.

Motor(hajt)

Generátor(fékez)

Generátor(fékez)

Motor(hajt)

Szabályozotttápegység

Hálózat~ =

Motor HajtómőVégrehajtó

szervVezérlés

Programadatok

Mérı, ellenırzı jelek

33. ábra: Villamos gépekhajtási negyedei

34. ábra: Szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlata

31. ábra: Kétmágnes elv 32. ábra: Szinkron gép jelleggörbéje



50


Az elektromágneses motor nyomatéka:

Primer és szekunder fordulatszám szabályozás

Primer fordulatszám (kapocsfeszültség) szabályozáskor a fluxus Φnévl értékő,az U kapocsfeszültség növelésével Unévl-ig a fordulatszám egyenes aránybannı. Az I. tartomány szabályozhatósága: SzI=10-50, attól függıen, hogy amotor általános rendeltetéső, vagy szervomotor .Szekunder fordulatszám (mezıgyengítéses, fluxuscsökkentéses) szabályozáskor a kapocsfeszültség Unévl értékő, a Φ fluxus csökkentésével afordulatszám 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.

IkIUP

Mm

b

m

mm Φ=

ω=

ω= )

k

U(

R

)k(

R

kUkM m

2m

m ω−Φ

Φ=

ωΦ−Φ=



51


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

Állandó mágneső egyenáramú motorokAz egyenáramú motorok álló- vagy forgórésze állandó mágnessel is készülhet. Az állórészükön állandó (permanens) mágneses motorok többségükbenkisteljesítményő törpemotorok, amelyek fluxusa állandó.A forgórészükön permanens mágneses motorok az egyszerő egyenáramúmotor kifordításával képzelhetık el. A forgórész helyére kerülı állórész ekkorállandó mágneső (Φ=áll), a nagy mágneses térerıt kerámia mágnesek biztosítják. A kialakításból adódóan ezek kefe és kommutátor nélkülimotorok, melyeket elektronikus kommutációjú, vagy szinkron motornak isneveznek.



52


U Ub

I

R

Mm

ωmIg

Φ

Ug +-

-

+

Ig - gerjesztı áram

Ug - gerjesztı feszültség

nm

Mm(Nm)

Pm

nvnnnmin

Pmin

Mmax

Pm(nm)

Mm(nm)

(kW)

Pmax

nmax

Mmin

I. II. III. (min-1)

35. ábra: Az egyenáramú motoregyszerősített kapcsolása

36. ábra: Teljesítmény és nyomatékhatárdiagramok

37. ábra: Logaritmikus teljesítmény és nyomaték határdiagramok

lgMm lgPm

(Nm) (kW)

lgnm(min-1)

Pmax

Mmax

Mmin

Pmin

nmin nn nr nmax

I. II. III.

lgPm(lgnm)

lgMm(lgnm)



53


Az állórész legtöbbször három- vagy négyfázisú tekercselését a fordulat-iránynak megfelelı sorrendben kommutáló tranzisztorok kapcsolják azegyenáramú hálózathoz a forgórész helyzetétıl függıen, amelyet pl. Hallelemek mérnek.

Szinkron motorokA szinkron gépek állórésze rendszerint háromfázisú (az indukciós gépekhezhasonló), forgórésze pedig valamilyen állandó mágnes. Itt ismerhetı fellegtisztábban a kétmágnes elv, a két mágnes, a mágneses tengelyek és aterhelési szög. Az állórészen állandó mágnessel kialakított egyenáramú géphezhasonlóság alapján (álló és forgórész csere) „kefenélküli egyenáramú gépnek”is nevezik, ahol a háromfázisú táplálás az elektronikus kommutációval vethetıössze. A forgó szinkronmotor elvi felépítését a 38. ábra szemlélteti. A szinkronmotor, azaz a két mágnes egymásra nyomatékot csak akkor fejt ki, ha a forgómágneses mezıvel a forgórész együtt, szinkron forog. Állandó terhelınyomatéknál a forgó mezı és rotor között β terhelési szög alakul ki.Túlterhelésnél a motor szinkronból kieshet.



54


Szinkronmotorok fajtáiA hiszterézis (veszteség) motorokat a finommechanikában használják,teljesítményük kicsi (50÷100 W). Az állandó mágneső szinkron motorokat elsısorban elıtoló, pozicionálóhajtásokban, robothajtásokban használják. fordulatszámtartásuk jó,teljesítményük 0,5-10 kW.A reluktancia motorok a pólusok irányában és arra merıleges irányban eltérımágneses ellenállást (reluktanciát) használják ki, ezért kiálló pólusokkalkészülnek. Teljesítményük 50÷200 W.Szinkronmotorokkal több hajtás együttfutása egyszerően biztosítható 1:1hajtóviszonyú elektronikus kinematikai lánccal. A fokozatmentesfordulatszám állítás frekvenciaváltoztatással, pl. közbülsı egyenáramú körösfrekvenciaváltóval történik (39. ábra). Az egyenáramú gépekhez viszonyítvajó a fordulatszám tartásuk, dinamikájuk, magas fordulatszámnál rövid ideigtúlterhelhetık és nincs kommutációs probléma. A magasabb fordulatokatkorlátozza a forgó mágnesekre ható röpítı erı.



55


É

D

D/É

É/D

U

IΦ

n=f/p, p= póluspárok száma

U=szinuszos

RST

~~~~~~

f=50 Hz (U, f)=vált.

R'S'T'

nmnünnnb

Mb

Mn

Mü

Mm

Mb - billenı nyomaték

Mn - névleges nyomaték

Mü - üresjárási nyomaték

nb - billenı pont fordulatszáma

nn - névleges fordulatszám

nü - üresjárási fordulatszám

Mm(nm)

s

s=0

39. ábra: Közbensı egyenáramúkörös frekvenciaváltó

38. ábra: Szinkronmotoregyszerősített felépítése

40. ábra: Aszinkronmotornyomaték diagramja



56



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 állandólégréső) forgórésztest, másrészt indítókalicka is keletkezik.


57



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.


58


Aszinkron motorokA legszélesebb körben alkalmazott villamos forgógép, amelynek fı jellemzıi:háromfázisú váltóáramú táplálás, egyszerő szerkezeti felépítés, nagyválaszték, kis karbantartás igény, kis tehetetlenségi nyomaték. Az állandóteljesítményő tartományban lényegesen magasabb fordulatszámok érhetık el,ui. nincsenek kommutációs problémák. Az aszinkronmotorok alkalmazásátjelentısen kiszélesítette a jó minıségő, megbízható frekvenciaváltók- ésszabályozók kifejlesztése. A szokásos frekvenciasáv 0÷400 Hz, de igényesetén több kHz-es feszültség és ezáltal magas fordulat állítható elı.Igényesebb hajtásoknál a motor kialakítása, vasmag anyagminısége, stb. eltéra 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 ésa fordulat az alábbi összefüggésekkel írható fel, ahol K a gépállandó, U afeszültség, f a frekvencia, p póluspárok száma, s, sB szlip:

s

s

s

sM

)s(Mb

b

bm

+≅

2

m f

UKM

= )s1(

p

f60n 1

m −⋅

=



59


Az aszinkron motorokra is jellemzı teljesítmény és nyomaték határdiagramoka 36. és 37. ábra szerintiek. A közbensı egyenáramú körös frekvenciaváltókmellett (39. ábra) az un. mezıorientált (vektor kontroll) fordulatszámszabályozás terjed. Ennek oka a tranziens üzem kedvezı jellemzıi, jófordulatszámtartás és a fordulatszám gyors és lengésmentes beállítása.

LéptetımotorokMőködésük a szinkrongépekhez, reluktancia motorokhoz hasonló, állórészükkiálló pólusú (2, 3, 4, 5), szimmetrikus, vagy aszimmetrikus alakú. Apólusokat tekercsekbe vezetett egyenáram gerjeszti vezérléstıl függıen, azeredı mágneses mezı csak diszkrét helyzeteket foglalhat el.Szinkrongépeknél a mezı állandó szögsebességgel forog. A forgórész állandómágneső (gerjesztett), vagy gerjesztetlen (lágyvas) és különbözı alakijellemzıkkel épülhet.



60


A váltakozó (bipoláris), vagy azonos (unipoláris) polaritású vezérlések közülbipoláris kapcsolást szemléltet a 41. ábra, ahol a fázistekercs két szembenállópóluson helyezkedik el. Az álló- és forgórész pólusok száma eltérı lehet. Azα lépésszög, zforg-a forgórész pólusok, m-a fázisok száma:

mz

360

forg

o

=α



61


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-csökkenıértékeket vesz fel (felváltva szinusz illetve koszinusz). Szinte bármilyen pozícióbeállítható -> finom, rezgésmentes járás, cserébe bonyolult, drága vezérlés.


62


Direkt hajtások

Direkt hajtásnak nevezzük azokat a megoldásokat, amelyeknél az aktuátormozgását közvetlenül a motor mozgásához kötjük, azaz nincs közbeiktatottmozgásátalakító. Forgó mozgású motoroknál az aktuátor közvetlenül amotortengelyre szerelt (9.c ábra). Egy motororsó megoldást részletesen isszemléltet a 42. ábra. A haladó mozgású közvetett és közvetlen hajtásúszánmozgatás összehasonlítása a 43. ábrán látható. A lineáris motor elvikialakítása a felnyitott és kiterített forgómotorokból vezethetı le (44. ábra),legelterjedtebbek az aszinkron típusok. A PASIM Direktantriebe GmbHkivitelezett megoldását a 45. ábra szemlélteti. Kivitelük lehet egyoldali,kétoldali, vagy henger alakú (szolenoid).


63


Motortípusok, szabályozások.A szabályozott teljesítmény- és kinematikai hajtásokban található motorokszerkezeti kialakításukban, tulajdonságaikban jelentısen eltérnek.A hajtásszabályozások alapvetı típusai: Sebességszabályozás: a szabályozottjellemzı fordulat, sebesség. Helyzetszabályozás: a szabályozott jellemzık azelmozdulás és a fordulat, vagy sebesség. A szabályozott és egymássalösszefüggı tengelyek száma 1-6 lehet, jelölésük: 1D-6D.Elektronikus kinematikai láncok (EKL), vagy más néven Master-Slave(Mester-Szolga) hajtások kinematikailag összefüggı mozgásokhozszolgálnak.



64


41. ábra: Léptetımotor bipoláristáplálása és elvi kapcsolása

42. ábra: Direkt hajtású orsó



65


43. ábra: Szánmozgatásimódok

44. ábra: Lineáris motor modell



66


45. ábra: PASIM GmbH direkt lineáris hajtása

Gránitágy

Motor állórész

Motor mozgórész

Mérıegység

Szán



67



68



4.2 Villamos készülékek

A villamos készülékek a mechatronikai berendezések villamos motorokonkívüli nélkülözhetetlen elemei, amelyek az elektromechanikus, villamos ésfluidmechanikai rendszerekben használatosak. Ehelyütt néhány alapvetı elembemutatására 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


69


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


Mágneskapcsoló

Görgıs végálláskapcsoló

Elektromágneses tengelykapcsoló


70


A 46.a ábra mágneskapcsoló (kontaktor) elvi felépítését mutatja, ahol 1-amőködtetı mágnes és tekercse, 2-a mágnes mozgó részét kikapcsoló rugó, 3érintkezık, 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 kialakításátszemlélteti, ahol 1-fémház (vas), 2-tekercs, 3-vasmag, 4-ütközı, 5-amőködtetett elem. A táplálás váltó-vagy egyenáramú, az elektromágnesnyomó, vagy húzó. Alkalmazásukra pl. a fluidmechanikai szelepekmőködtetése említhetık, löketük maximum 20-25 mm-ig terjed.


71


A 46.d ábra egy kétállapotú (bistabil) hengeres elektromágnes kialakításátmutatja, ahol 1-fémház, 2-tekercs, 3-állandó mágnes, 4- tekercs. Alkalmazásagépkocsik központi zárrendszerének mőködtetésére, vagy a fluidtechnikábanimpulzus szelepek két állapotának kapcsolására.

További elektromágnes alkalmazások

Súrlódó lemezes elektromágneses tengelykapcsolók, fékekAz elektromágnessel mőködtetett elektromechanikus tengelykapcsolók, fékeklehetnek erızárók egy, vagy több súrlódó lemezzel és alakzárók fogakkal.Indukciós tengelykapcsolók, fékek.Lényegében aszinkrongép. A primer forgórész gerjesztı tekercseitcsúszógyőrőn keresztül táplálják, a szekunder rész a forgórészt szlippelköveti, ami terhelésfüggı. Hátrányuk a melegedés.Mágnesporos tengelykapcsolókA két tengelykapcsoló fél között mágnesezhetı és kenıanyagbanelhelyezkedı vaspor teremt kapcsolatot gerjesztéskor.



72


1 2 34 5

46.a ábra: Mágneskapcsolóelvi felépítése

46.b ábra: Relé

46.c ábra: Hengeres (szolenoid)elektromágnes

46.d ábra: Kétállapotú hengereselektromágnes

Elektromágnes

Táplálás

Mőködtetés

1

2

3 4

1 2 3 4



73


4.3 Új típusú villamos aktuátorokPiezoelektromos, Elektrostriktív (elektromos tér hatására szimmetrikuskristályok alakváltozása) Magnetostriktív (mágneses térbe helyezettferromágneses anyagok (kristályok) alakváltozása), Elektrorheologiai(elektromos mezıbe helyezett folyadék viszkozitás értékének növekedése),Magnetorheologiai (mágneses mezıbe helyezett egyes folyadékok viszkozitásértékének növekedése), Ikerfémek (hıbimetállok), Emlékezı fémek (SMA, NiTinol, „izomhuzal”), Térfogatváltoztató anyagok.A felsoroltakból a piezoelektromos aktuátorokat érintjük röviden.Teljesítményerısítésük jobb, mint a elektrostriktív és magnetostriktívaktuátoroknak, gyors mőködésőek, nagy erık állíthatók elı, kopásmentesek,viszonylag kis elmozdulások jellemzik. Mőszaki paramétereikUmax=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 elektromosfeszültség hatására az elektromos mezı irányában megváltozik (nı). Ha azelmozdulás korlátozott, akkor a hatás erı alakjában jelenik meg.



74


A jelenség fordítottját a piezoelektromos méréstechnika használja.Kristályanyag lehet természetes pl. kvarc (SiO2), vagy mesterséges, mint pl. abáriummal bíró különbözı összetételő kristályok.A piezoelektromos hatásmechanizmus alapján, a kristályok anizotróptulajdonsága miatt, gerjesztéstıl függıen (a kristályok alakváltozásiirányainak megfelelı) két alaptípus létezik: hosszirányú (longitudinális), azazpolarizációs tengelyirányú (47.a ábra), és keresztirányú (transzverzális),amely az elızıre merıleges (47.b ábra). Legtöbb alkalmazásnál a feszültség apolarizációs irányba esik. Az elmozdulás arányos a feszültség nagyságával.Piezohatás addig van, amíg gerjesztés is van. Gyakorlati alkalmazásokratöbbrétegő piezoaktuátorokat alkalmaznak (48. ábra). A hosszirányban rétegelt kialakítás vékony piezokerámia lapokból áll,amelyek között vékony, sík fémelektródák találhatók a tápláláshoz. Ezekethosszirányú alakváltozás jellemzi (48.a ábra).A keresztirányban, sávokban rétegelt kialakításnál a keresztirányú hatásthasználják ki (48.b ábra). Egyedi feladatokra szolgálnak a hajlító, bimorf (kettıs) és hibrid aktuátorok.



75


A piezoaktuátorok egyre szélesebb körben nyernek alkalmazást. Fıalkalmazási terület ott található, ahol kis és pontos elmozdulásokra, illetve nagy erıkre van szükség. Példaként említhetık tükörbeállítások,szerkezetek hézagtalanítása, elıfeszítése, nagypontosságú vezetések, pontospozícionálások az aktuátorlánc különbözı helyeire (pl. szerszámba,golyósorsó-anya hajtásba) beépített piezoaktuátorral szubmikronosberendezéseknél.


Nexline N-111 piezo lineáris léptetımotor

Mozgástartomány: 10 mmFelbontás: 0.025 nm / 5 nmMőködtetı erı: 50 NTartóerı: 70 NMax. sebesség: 1 mm/sTápfeszültség: ± 250 VTömeg: 245 g


76


U

Fny, ∆z

x y

z

(1) (2)

(3)

U

Fny, ∆xx

y

z

(1)

(2)

(3)

z

∆z∆x

x

47. ábra: Piezoelektromoshatásmechanizmus

a., b.,

48. ábra: Piezoaktuátor kialakításoka., b.,



77



Bolygómővek típusaiNagy lassítások valósíthatók meg- Jó hatásfok (akár 99%)- Kis méret- Nagy teherbírás (akár több ezer kW)- Zajos- Hajtásösszegzıként és hajtás-szétágaztatóként

is alkalmazhatóAlkalmazásaik:- Kéziszerszámgépek (2-3 fokozat)- Hibrid gépjármővek (hajtásösszegzı)- Automata sebességváltók- Differenciálmővek (hajtás-szétágaztató)Két szabadságfok, egyet lefogunk.

Egyszerő bolygómő részei:- a: napkerék (sun)- b: bolygókerék (planetary)- c: bolygók. hordozó kar

(planetary carrier)- d: győrőkerék (ring)- e: ház (case)


78



Hengeres kerekes differenciálmővek

k-k típusú

n1 n3

n2=nj

z1

E

z2

z3

z4

(n2=nj)

1-(z1/z2)*(z3/z4)1+z1/z210

-(z1/z2)*(z3/z4)z1/z20-1

+1+1+1+1

n3nEn2=njn1

1. sor : minden taggal +1 fordulatot közlünk2. sor : az n2-vel 0, az n1-el -1 fordulatot közlünk3. sor : az 1. és 2. sor összege

A bolygómő egyenlete:a., n2 = nj = 0 esetén n3=n1*(z1/z2)*(z3/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)


79



Kúpkerekes differenciálmővek

Belsı áttétele: k=-1

210

+10-1

+1+1+1

n3n2n1

ha n2=0 n3=-n1

ha n1=0 n3=2n2

1/210

-1/20-1

+1+1+1

n3nj= n2n1


80



További differenciálmővek

k-b típusú

n1

nj (n3)

n2

z1

z2

z3

1+(z1/z3)10

(z1/z2)*(z2/z3)0-1

+1+1+1

njn2n1

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)


81




nj

zb

zk

n1 n2

„b” típus, ciklois hajtómő

1-(zb/zk)10

-(zb/zk)-10

+1+1+1

n2njn1

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


82




Kéziszerszámgép hajtómőve„k-b” típusú bolygómő

BolygókerékGyőrőkerék

Napkerék

3/1 3/2 3/3

k/1 k/2 k/3

2/1 2/2 2/3z1=12

z2=15

z3=42

n=17500 min-1

n=3889 min-1 n=864 min-1

n=192 min-1


83


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.



84


Az anyag elsajátítását segítı témajegyzék• Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben.2. Az aktuátorok fogalma.3. A mozgásinformáció leképzés.4. Relatív és elemi mozgások, szánok.5. Struktúrák, paraméterváltozatok, az építıszekrény elv.6. Energiaátalakítók, energiafajták, teljesítmény összefüggések.7. Mechanikai aktuátorok.8. Forgó-forgó mozgásátalakítók. Fogaskerekes hajtómővek

hézagtalanítás.9. Nagy lassítású hajtómővek, alkalmazások.10. Forgó-haladó mozgásátalakítók.11. Golyósorsós hajtások, számítások.12. Haladó-forgó, haladó-haladó mozgásátalakítók.13. Fluidmechanikai aktuátorok, hidraulikus körfolyamok építıelemei.14. Hidraulikus szivattyúk, motorok.15. Irányító elemek és azok mőködtetése.



85


16. Áramlásirányítók, mint útváltó- útirányító szelepek. 17. Mennyiségirányítók (térfogatáram irányítók), mint pl. a fojtószelep, és

mennyiségállandósító szelepek.18. Nyomásirányítók: nyomáshatároló, nyomáscsökkentı szelepek.19. Tápegység kialakítás körfolyamok.20. Vezérelt és szabályozott hidraulikus aktuátorok, erısítık.21. Hidraulikus motorok fordulatszám állítása.22. Arányos- és szervoszelepek, merev visszavezetéső erısítık.23. Villamos motorok, kétmágnes elv.24. Egyenáramú gépek.25. Szinkron gépek.26. Aszinkron gépek.27. Léptetımotorok.28. Direkt hajtások.29. Hajtási negyedek. 30. Teljesítmény és nyomaték határgörbék, fordulatszám szabályozás.31. Villamos készülékek, elektromágnesek, relék, tengelykapcsolók, stb.32. Új típusú villamos aktuátorok.



86


Irodalom[1] Baumüller: Dokumentation LSE – Baureihe Version 1[2] W. Bolton: Mechatronics, Elektronic control systems in mechanical Engineering[3] B. Bork: Linear-Direktantriebe in Werkzeugmaschinen, Darmstadt,

Hua Gao Werkstatt und Betrieb, Band 131 (1998) H. 7-8, S. 654-663[4] D.A. Bradley – D. Dawson - N.C. Burd – A.J. Loader: Mechatronics, Chapman § Hall[5] Devdas – Richard: Mechatronic System Design, PWS Publishing Company Boston, 1997[6] Excel-Csepel Szerszámgépgyártó Kft.: Dokumentációk[7] FESTO Pneumatic: Pneumatika alapválaszték Katalógus[8] Halász, S.-Hunyár, M.-Schmidt, I.: Automatizált villamos hajtások II: Mőegy. Kiadó, 1999[9] B. Heinmann – W. Gerth _ K. Popp: Mechatronik (Komponenten-MethodenBeispiele),

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 1998[10] G. Henneberger: Linearantriebe für den industriellen Einsatz, Stand der Technik,

Entwicklungstendenzen. Achen Internationale ETG-Tage 1999, Band 79, Seite 439-[11] R. Isermann: MechatronischeSysteme-Grundlagen, Springer Verlag Berlin Heidelb, 1999[12] Ipsits I.: Villamos automatikaelemek, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest[13] Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002[14] Kröell-Dulay I.: Szerszámgépek hidraulikus rendszerei, Kézirat Tankönyvkiadó Bp., 1974[15] Kröell-Dulay I.: Szerszámgépek automatizálása I., Kézirat, Nemzeti Tankönyvkiadó, 1993



87


[16] Mannesmann-Rexroth AG: Katalog 1998 (RD 0 155-01, RD 0 155-02)[17] Mádai, F.: Villamos hajtások, Oktatási segédlet, Kézirat, Miskolc 1999[18] Mádai, F.: Egyenáramú és aszinkron motoros négynegyedes hajtás vizsgálata,Miskolc1995[19] G. Pritschow: Linearmotor oder Kugelgewindetrieb? Stuttgart J. Bretschneider VDI-

Zeitschrift Special, (2000) Heft 2, Seite 26-29[20] W. Roddeck: Einführung in die Mechatronik, Teubner Stuttgart, 1997[21] Siemens AG.: SIMODRIVE Projektierungsanleitung Lineamotor (1FN1, 1FN3) München[22] Stefányi I. – Szandtner K.: Villamos kapcsolókészülékek, Tankönyvkiadó, Bp.1991[23] Szemerey Z.: Kisfeszültségő kapcsolókészülékek, Mőszaki könyvkiadó, 1990[24] Tajnafıi, J.: Szerszámgéptervezés I. Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1973[25] Tajnafıi, J.: Szerszámgéptervezés II. Kézirat, Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1990[26] Tajnafıi, J. – Patkó, Gy. – Takács, Gy. – Hegedős, Gy.:Visszavezetı-tag tájolása

golyósorsók esetén, GÉP 2003/3-4. LIV. Évf. pp. 9- 12.[27] G. Vizi – E. Jakab: Latest Results in theMachining of Epicycloidal Gearing, Wesic,

Miskolc, 2003 p.10[28] Vágó Ivánné: Elektrotechnika, GAMF Kecskemét 1987[29] Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssystemen Band 2. VDI-Verlag GmbH, 1991[30] Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002[31] Ilene J. Busch – Vishniac: Elektromechanical Sensors and Actuators, Springer 1998[33] www.ipi.uni-hannover.de/html/lehre...lomarbeiten/1999/geisler.jens/aktoren


Aktuátorok és szenzorok Aktuátorok - bosch.uni- · PDF...

Documents

Transcript of Aktuátorok és szenzorok Aktuátorok - bosch.uni- · PDF...