MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3

background image

1

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

ę

p do

Wst

ę

p do

mechatroniki

mechatroniki

Aktuatory (nastawniki, człony wykonawcze)

Dr in

ż

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

Cz

ęść

3 (1 – 58)

Wrocław, 2009

Aktuatory s

ą

wa

ż

nymi składnikami układów

mechantronicznych. Porównuj

ą

c aktuator z człowiekiem, to

stanowi on mi

ęś

nie, które s

ą

niezb

ę

dne do wykonania

ruchów lub uzyskania sił. Ich sterowanie odbywa si

ę

przez

mózg (komputer procesowy), a ich zdolno

ść

funkcjonowania wymaga odpowiedniego przepływu krwi
(energii pomocniczej).
Patrz

ą

c z technicznego punktu widzenia pod poj

ę

ciem

aktuatora

aktuatora rozumie si

ę

zestawienie przetwornika energii

z członem nastawiaj

ą

cym mocy.

Człon nastawiaj

ą

cy mocy ł

ą

czy wchodz

ą

c

ą

energi

ę

W

(zwykle energi

ę

elektryczn

ą

) z sygnałem nastawiaj

ą

cym Y.

W ten sposób powstaje zmodulowana energia, która przez
przetwornik jest jest transformowana w odpowiedni rodzaj
energii wielko

ś

ci nastawiaj

ą

cej (najcz

ęś

ciej energi

ę

mechaniczn

ą

).

Zatem w układach mechatronicznych aktuatory stanowi

ą

człon ł

ą

cz

ą

cy przetwarzanie informacji z mechanicznym

układem podstawowym.

Aktuatory (człony wykonawcze)

Aktuator

Przetwornik

energii

Człon

nastawiaj

ą

cy mocy

Zmodulowana

energia

W

W

Energia

Sygnał

nastawiaj

ą

cy

Y

Wielko

ść

nastawiaj

ą

ca

Podział aktuatorów wg zasady działania

Systematyczny podział aktuatorów mo

ż

e by

ć

przeprowadzony w ró

ż

ny sposób w zale

ż

no

ś

ci od przyj

ę

tego kryterium:

realizowanego zadania zasadniczego (aktuatory drogi wzgl. siły),

fizycznej zasady działania (aktuatory elektromagnetyczne, piezoelektryczne, magnetostrykcyjne, ...),

grupy (aktuatory konwencjonalne, mikroaktuatory oraz nowe aktuatory),

postaci ruchu (aktuatory z ograniczonym i nieograniczonym ruchem).

Dalej zostan

ą

rozpatrzone poszczególne rodzaje aktuatorów wynikaj

ą

ce z zasady ich działania.

background image

2

Rola aktuatorów w urz

ą

dzeniach mechatronicznych

Wła

ś

ciwo

ś

ci aktuatorów istotnie wpływaj

ą

na wydajno

ść

i gotowo

ść

całego urz

ą

dzenia

mechatronicznego. Dlatego aktuatory zaczynaj

ą

zajmowa

ć

kluczow

ą

pozycj

ę

we wszystkich obszarach

nowoczesnej automatyzacji procesów. Optymalizacja dotychczasowych oraz realizacja nowych funkcji
sterowniczych i regulacyjnych wymaga szerszego zastosowania lepszych i ta

ń

szych aktuatorów.

Dotyczy to szczególnie zada

ń

nastawczych w układach nap

ę

dowych najró

ż

norodniejszych maszyn

i urz

ą

dze

ń

, charakteryzuj

ą

cych si

ę

wysokimi wymaganiami w ekstremalnych warunkach pracy.

Przy tym nie chodzi tylko o dobre własno

ś

ci dynamiczne, czyli wykonywanie szybkich i dokładnie

pozycjonuj

ą

cych ruchów nastawczych. Na pierwszy plan wychodz

ą

coraz cz

ęś

ciej wymagania

systemowe. Chodzi tu o zwarte jednostki funkcjonalne, które mo

ż

na łatwo dopasowywa

ć

do

zmieniaj

ą

cych si

ę

zada

ń

. Nowoczesny aktuator powinien ponadto ułatwia

ć

nadzór i diagnoz

ę

, zarówno

siebie samego jak i całego urz

ą

dzenia mechatronicznego.

Konwencjonalne (mechaniczno-elektryczne) urz

ą

dzenia nastawcze nie spełniaj

ą

zwykle powy

ż

szych

wymaga

ń

. Ich jako

ść

funkcjonowania opiera si

ę

jeszcze w du

ż

ym stopniu na precyzji cz

ęś

ci (małych

tolerancjach wykonania). Dlatego przechodzi si

ę

dzi

ś

do mechatronicznych systemów nastawczych.

W miejsce dotychczas stosowanej kombinacji precyzyjnej mechaniki i prostego przetwarzania sygnału
pojawiaj

ą

si

ę

aktuatory „inteligentne”. Ich obszar funkcji jest rozszerzany przez intensywne, cyfrowe

przetwarzanie informacji. Zatem istotnym elementem aktuatora staje si

ę

oprogramowanie. Obejmuje

ono zarówno algorytm zdolny pracowa

ć

w czasie rzeczywistym jak i sposób projektowania regulatora.

Urz

ą

dzenia mikroprocesorowe (komputerowe) s

ą

coraz ta

ń

sze. Wymagana wydajno

ść

obliczeniowa czy

komunikacyjna jest łatwa do uzyskania. Opracowuje si

ę

nowe algorytmy regulacji i poprawia istniej

ą

ce.

Opieraj

ą

si

ę

one na odpowiednich modelach aktuatora i skuteczniej wykorzystuj

ą

fizykalne wła

ś

ciwo

ś

ci

nap

ę

dów nastawczych. Ponadto kompensuj

ą

takie czynniki jak: tolerancje wykonania, wahania

warunków pracy, naturalne zjawiska zu

ż

ycia. Trwała, wysoka dokładno

ść

pozycjonowania i du

ż

a

dynamika nastawiania mog

ą

by

ć

wtedy osi

ą

gni

ę

te przy prostej budowie aktuatora. Dodatkowo okazuje

si

ę

,

ż

e dost

ę

pne sygnały pomiarowe mo

ż

na zastosowa

ć

do nadzoru i diagnozy urz

ą

dzenia

nastawczego i to bez dodatkowych pomiarów

.

Termin „aktuator” wywodzi si

ę

z łaci

ń

skiego wyrazu „agitare” oznaczaj

ą

cego poruszanie,

nap

ę

dzanie. Okre

ś

la on urz

ą

dzenie nastawiaj

ą

ce (wykonawcze). Zadaniem aktuatorów jest

zamiana wielko

ś

ci nastawiaj

ą

cych o małej mocy, przy wykorzystaniu dodatkowej energii,

w wielko

ś

ci fizyczne o znacznie wy

ż

szym poziomie energii, w celu oddziaływania na proces.

Poj

ę

cie aktuator zawiera wszystkie rodzaje urz

ą

dze

ń

słu

żą

cych do wytwarzania sił i realizacji

ruchów.

W systemach mechatronicznych aktuatory znajduj

ą

si

ę

pomi

ę

dzy przetwarzaniem informacji

i oddziaływanym procesem. S

ą

to w szczególno

ś

ci aktuatory z wej

ś

ciem elektrycznym lub

płynowym (pneumatycznym albo hydraulicznym) i mechanicznymi wielko

ś

ciami wyj

ś

ciowymi,

takimi jak droga (przemieszczenie), siła lub pr

ę

dko

ść

. Ponadto wyst

ę

puj

ą

równie

ż

aktuatory

z zupełnie innymi zasadami działania, takimi jak np. efekt piezoelektryczny.

Aktuatory

Przetwornik

sygnału

Nap

ę

d

nastawiania

Przenoszenie

nastawiania

Regulator

nastawiania

Człon

nastawiaj

ą

cy

Wielko

ść

nastawiaj

ą

ca

Energia

zasilania

E

E’

Wielko

ść

wiod

ą

ca

Regulowany

Regulowany

aktuator

aktuator

Wielko

ść

steruj

ą

ca

Sterowany

Sterowany

aktuator

aktuator

E

A

E

A

background image

3

(Moc elektryczna)

Interfejs

Sterowanie, regulacja

(procesor)

Interfejs

Człon nastawiaj

ą

cy

(elektronika mocy)

Przetwornik (silnik)

Przepływ energii

(Moc

mechaniczna:

P = M

ω

ωω

ω

P = F v)

Kierowanie procesem

Dane procesu

Przepływ energii

Aktuatory słu

żą

do sterowania przepływem energii i strumieni mas w procesach (siły, momenty, pr

ę

dko

ś

ci

liniowe, pr

ę

dko

ś

ci obrotowe). Ich sterowanie i regulacja odbywa si

ę

najcz

ęś

ciej za pomoc

ą

sygnałów

elektrycznych małej mocy, które s

ą

tworzone przez procesory (mikrosterowniki lub procesory sygnałowe).

Ogólnie aktuatory spełniaj

ą

funkcj

ę

podstawow

ą

jak

ą

jest „zamiana i nastawianie strumieni energii”.

W najprostszych zastosowaniach ich funkcja ogranicza si

ę

do zamiany energii. I tak np. silniki elektryczne

zamieniaj

ą

strumienie energii elektrycznej na energi

ę

mechaniczn

ą

.

Obserwuje si

ę

rosn

ą

ce zastosowanie układów

nap

ę

dowych (silników elektrycznych) małej mocy.

Ich wbudowywanie, konfiguracja i uruchamianie s

ą

uproszczone dzi

ę

ki sieciowym systemom

komunikacyjnym z prostymi interfejsami. Coraz
wi

ę

ksze znacznie ma tak

ż

e miniaturyzacja

aktuatorów i składników nap

ę

dów.

Rozwój mikroelektroniki prowadzi do coraz
wi

ę

kszej mocy obliczeniowej z mniejszej

przestrzeni i umo

ż

liwia coraz szybsze

i dokładniejsze wykonywanie zada

ń

przetwarzania

i nastawiania energii w procesach. Integracja
układów cyfrowych i analogowych w jednym
module MCM (ang. Multi-Chip-Module) umo

ż

liwia

budow

ę

zło

ż

onych zespołów o minimalnych

wymiarach i z minimaln

ą

liczb

ą

poł

ą

cze

ń

oraz

wysok

ą

niezawodno

ś

ci

ą

.

Istotny wpływ na rozwój aktuatorów ma tak

ż

e

technika mikrosystemów, która umo

ż

liwia

opracowanie wielu innowacyjnych rozwi

ą

za

ń

.

Aktuatory – systemy sieciowe i miniaturyzacja

Konwencjonalne aktuatory

W

ś

ród konwencjonalnych aktuatorów wyró

ż

nia si

ę

:

aktuatory elektromagnetyczne,

akuatory hydrauliczne,

aktuatory pneumatyczne,

aktuatory termiczne.

W konwencjonalnej technice nap

ę

dów jak równie

ż

w aplikacjach mechatronicznych s

ą

przewa

ż

nie stosowane obrotowe maszyny elektryczne (silniki). Natomiast w robotyce,

a tak

ż

e w maszynach technologicznych (np. obrabiarkach sterowanych numerycznie)

s

ą

cz

ę

sto stosowane serwo-silniki pr

ą

du stałego i przemiennego (z falownikami) oraz

silniki skokowe ze wzgl

ę

du na dobre mo

ż

liwo

ś

ci regulacji poło

ż

enia.

W nowoczesnych układach nap

ę

dowych jak równie

ż

systemach mechatronicznych

istotne znaczenie ma równie

ż

technika płynowa. Układy hydrauliczne i pneumatyczne

maj

ą

szerokie zastosowanie w wielu gał

ę

ziach przemysłu.

Aktuatory płynowe do realizacji ruchów i wytwarzania sił wykorzystuj

ą

media w postaci

cieczy (hydrauliczne) lub gazu (pneumatyczne). Media te maj

ą

energi

ę

kinetyczn

ą

lub

potencjaln

ą

i dzi

ę

ki temu s

ą

w stanie wykona

ć

prac

ę

w silniku lub członie

nastawiaj

ą

cym (np. siłowniku).

Aktuatory płynowe bardzo dobrze nadaj

ą

si

ę

do realizacji ruchów (przemieszcze

ń

)

liniowych. Dzi

ę

ki ich prostej budowie mog

ą

one zast

ę

powa

ć

wiele rozwi

ą

za

ń

elektrycznych. Jednak za pomoc

ą

aktuatorów płynowych utrudniona jest realizacja

dokładnych zada

ń

pozycjonowania.

background image

4

Aktuatory (człony wykonawcze)

Oddziaływanie na procesy techniczne (zespoły robocze) odbywa si

ę

zwykle za pomoc

ą

urz

ą

dze

ń

nastawiaj

ą

cych

(aktuatorów), które zmieniaj

ą

okre

ś

lone wielko

ś

ci wej

ś

ciowe. Do tego celu jest najcz

ęś

ciej potrzebna energia pomocnicza:

elektryczna, hydrauliczna lub pneumatyczna.

Aktuatory s

ą

stosowane we wszystkich obszarach techniki. Ze wzgl

ę

du na ró

ż

norodne wymagania wyst

ę

puje wiele ich

rodzajów. Aktuatory dla systemów mechatronicznych maj

ą

zwykle elektryczne wielko

ś

ci wej

ś

ciowe i mechaniczne

wielko

ś

ci wyj

ś

ciowe, takie jak np. droga (przemieszczenie), pr

ę

dko

ść

lub siła. Klasyfikacj

ę

aktuatorów mo

ż

na

przeprowadzi

ć

ze wzgl

ę

du na rodzaj energii pomocniczej słu

żą

cej do wytwarzania siły (ruchu).

Elektryczno

ść

Energia elektryczna jest dost

ę

pna w wi

ę

kszo

ś

ci przypadków. Jej bezproblemowe wytwarzanie ze

stosunkowo wysok

ą

sprawno

ś

ci

ą

, w poł

ą

czeniu z dobrymi mo

ż

liwo

ś

ciami przesyłania i transformowania, daje du

żą

elastyczno

ść

. Ponadto, dzi

ę

ki tanim układom półprzewodnikowym, jest zapewnione proste nastawianie strumieni energii.

Realizacja przetwarzania sygnału i nap

ę

du odbywa si

ę

z wykorzystaniem jednakowej postaci energii, a cz

ę

sto tak

ż

e z tym

samym napi

ę

ciem. Dlatego te

ż

układy elektryczne wypieraj

ą

inne rozwi

ą

zania. Jedynie tam, gdzie nie jest to mo

ż

liwe ze

wzgl

ę

du na du

ż

e warto

ś

ci sił, wysokie temperatury lub ze wzgl

ę

dów bezpiecze

ń

stwa, w systemach mechatronicznych

musz

ą

by

ć

tak

ż

e stosowane inne rodzaje energii pomocniczej.

Hydraulika Strumie

ń

oleju pod ci

ś

nieniem w obwodach hydraulicznych zwykle musi by

ć

wytwarzany przez dodatkowo

zainstalowany zasilacz hydrauliczny. Ci

ś

nienia robocze wynosz

ą

od 100 do 400 bar. Zaletami układów hydraulicznych

jest uzyskiwanie du

ż

ych warto

ś

ci sił oraz zwarta budowa nap

ę

dów.

Pneumatyka Układy pneumatyczne s

ą

realizowane zarówno na podci

ś

nienie (szczególnie w samochodach ci

ęż

arowych),

jak i na nadci

ś

nienie (wzgl

ę

dem ci

ś

nienia atmosferycznego). Warto

ś

ci ci

ś

nienia s

ą

zwykle ograniczone do 6 – 8 bar,

a w automatyzacji procesów do 1,4 bar, co w porównaniu z układami hydraulicznymi prowadzi do du

ż

ych wymiarów

(gabarytów) w tych przypadkach, gdy wymagane s

ą

wi

ę

ksze warto

ś

ci sił. Konieczne jest zwykle tak

ż

e uzdatnianie

spr

ęż

onego powietrza. Nap

ę

dy pneumatyczne charakteryzuj

ą

si

ę

niezawodn

ą

i cich

ą

prac

ą

.

Sterownik

Nastawnik

energii

Przetwornik

energii

Układ

mechaniczny

Energia

pomocnicza

Sygnał

nastawiaj

ą

cy

Energia

Energia

nastawiania

Aktuator

Aktuator

Klasyfikacja i zasady działania aktuatorów

Aktuatory przetwarzaj

ą

analogowe lub cyfrowe sygnały urz

ą

dze

ń

sterowniczych w mechaniczne wielko

ś

ci

wyj

ś

ciowe (drog

ę

, sił

ę

, k

ą

t, moment obrotowy). Poziom mocy tych wielko

ś

ci znacznie przekracza sygnał

wej

ś

ciowy. Potrzebne do tego wzmocnienie mocy jest osi

ą

gane głównie na drodze elektrycznej, hydraulicznej

lub pneumatycznej. W zale

ż

no

ś

ci od energii pomocniczej mo

ż

na stosowa

ć

ż

ne zasady nastawiania i

budowa

ć

ż

ne aktuatory. Ogólnie mo

ż

na je podzieli

ć

na: elektromechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne

oraz niekonwencjonalne.

elektromechaniczne

płynowe

niekonwencjonalne

AKTUATORY

- silnik pr

ą

du stałego

- silnik pr

ą

du przemiennego

- silnik krokowy
- elektromagnes
- silnik liniowy

- siłowniki pneumatyczne
- siłowniki hydrauliczne

- piezoelektryczne
- magnetostrykcyjne
- elektrochemiczne
- termobimetaliczne
- z materiałów z "pami

ę

ci

ą

kształtu”

Stosunek mocy [W] do masy [kg] dla
typowych aktuatorów (bez
uwzgl

ę

dnienia zasilania)

Piezoelektryczny

Silnik pr

ą

du stałego

Siłownik hydrauliczny

Siłownik pneumatyczny

Podci

ś

nieniowy

Silnik krokowy

Elektromagnes

10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000

W/ kg

background image

5

W aktuatorach elektromagnetycznych przetwarzanie energii (mocy) elektrycznej w mechaniczn

ą

odbywa si

ę

z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego. Aktuatory te dziel

ą

si

ę

na:

aktuatory elektrodynamiczne oraz

aktuatory reluktancyjne. (Reluktancja – rezystancja magnetyczna)

Sposób działania aktuatorów elektrodynamicznych opiera si

ę

na sile Lorenz’a. Wyst

ę

puje ona wtedy, gdy

przewodz

ą

cy pr

ą

d elektryczny przewód znajduje si

ę

w polu magnetycznym, przy czym pr

ą

d elektryczny i pole

magnetyczne musz

ą

wykonywa

ć

wzgl

ę

dem siebie ruchy.

Aktuatory elektrodynamiczne

Fizyczna zasada działania podczas tworzenia siły
w elektrodynamicznych nap

ę

dach widoczna jest na

rysunku.
Pole magnetyczne jest uzyskiwane za pomoc

ą

magnesów

trwałych. Je

ż

eli cewka z płyn

ą

cym przez ni

ą

pr

ą

dem

przemieszcza si

ę

, to na układ działa siła Lorenz’a.

Cewka

Magnes trwały

Zwora

ż

elazna

Do aktuatorów elektrodynamicznych zaliczane s

ą

: silniki pr

ą

du stałego oraz silniki pr

ą

du przemiennego.

Silniki pr

ą

du stałego s

ą

obecnie cz

ę

sto stosowanymi silnikami elektrycznymi o regulowanej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej.

Wynika to szczególnie z takich ich zalet jak:

bezstopniowa mo

ż

liwo

ść

regulacji pr

ę

dko

ś

ci obrotowej w szerokim zakresie,

wysoka sztywno

ść

nap

ę

du (małe zmiany pr

ę

dko

ś

ci obrotowej wskutek obci

ąż

enia, tak

ż

e w przypadku braku

regulacji),

równomierny bieg,

wysokie własno

ś

ci dynamiczne.

Silnik pr

ą

du stałego zawiera stojan i wirnik. Składaj

ą

si

ę

one z współosiowych ferromagnetycznych cylindrów,

w których wn

ę

trzach s

ą

umieszczone cewki. Je

ż

eli obie cewki, tzn. wirnika i stojana s

ą

zasilane pr

ą

dem stałym,

to otrzymuje si

ę

silnik pr

ą

du stałego.

Zasad

ę

działania silnika pr

ą

du stałego mo

ż

na obja

ś

ni

ć

na podstawie przewodz

ą

cej p

ę

tli

umieszczonej w polu magnetycznym.

Do spowodowania ci

ą

głego

ruchu obrotowego silnika
kierunek przepływu pr

ą

du jest

stale zmieniany przez
elektromechaniczny przeł

ą

cznik

(komutator).

Je

ż

eli p

ę

tla

przewodz

ą

ca jest

ukierunkowana wzdłu

ż

linii pola
magnetycznego, to
pozostaje ona
nieruchoma w tej
pozycji.

W wyniku siły
Lorenz’a działa
moment obrotowy.
Ten moment obrotowy
powoduje obrót p

ę

tli

przewodz

ą

cej w

kierunku linii pola
magnetycznego.

Pr

ą

d stały

przepływaj

ą

cy przez

przewodz

ą

c

ą

p

ę

tl

ę

,

której o

ś

jest

obrotowo
uło

ż

yskowana

(wirnik), jest
pozycjonowana w
polu magnetycznym
trwałych magnesów.

Zasada działania i rodzaje silników pr

ą

du stałego

Ź

ródło

pr

ą

du

Szczotka

Uzwoje-

nie

Komu-

tator

Ogólny przypadek silnika pr

ą

du stałego jest taki,

ż

e zarówno w stojanie jak i wirniku s

ą

umieszczone cewki.

W zale

ż

no

ś

ci od rodzaju wzbudzenia pola magnetycznego stojana silniki pr

ą

du stałego dzieli si

ę

na:

obcowzbudne - wzbudzanie odbywa si

ę

albo przez oddzielne napi

ę

cie w cewkach stojana albo jest to

wzbudzanie stałe (magnesy trwałe),

samowzbudne, przy czym rozró

ż

nia si

ę

silniki bocznikowe i silniki szeregowe.

background image

6

Silniki elektryczne pr

ą

du stałego

W systemach mechatronicznych wyst

ę

puje du

ż

y udział aktuatorów elektromechanicznych. Ogólna budowa ró

ż

nych

silników elektrycznych i ich podstawowe własno

ś

ci s

ą

przyjmowane jako znane. W porównaniu z silnikami stosowanymi

w maszynach w celu uzyskiwania sił, aktuatory elektromechaniczne w systemach mechatronicznych nie s

ą

przewidziane

do pracy ci

ą

głej i preferowanego kierunku obrotów, lecz słu

żą

one do nastawiania okre

ś

lonej pozycji. Wskutek tego

wyst

ę

puj

ą

inne wymagania, takie jak np. du

ż

a elektryczna i mechaniczna przeci

ąż

alno

ść

, wysoka dokładno

ść

pozycjonowania, dobre własno

ś

ci dynamiczne i zwi

ą

zany z tym mały moment bezwładno

ś

ci, wytwarzanie momentu

hamowania przy odporno

ś

ci na zu

ż

ycie, a tak

ż

e szeroki zakres zmian pr

ę

dko

ś

ci obrotowej. Doprowadziło to do rozwoju

specjalnych serwo-silników. Zakres mocy rozci

ą

ga si

ę

od małych silników o mocy kilku watów do nap

ę

dów o mocy w kW.

Silniki elektryczne pr

ą

du stałego z komutacj

ą

mechaniczn

ą

(ze szczotkami) do realizacji dynamicznych,

szybkich zada

ń

nastawiania i pozycjonowania s

ą

obecnie

wykonywane prawie wył

ą

cznie jako silniki bocznikowe

z magnesami trwałymi. Odznaczaj

ą

si

ę

one liniow

ą

charakterystyk

ą

zale

ż

no

ś

ci pr

ą

d-moment obrotowy, która jest

prawie niezale

ż

na od poło

ż

enia k

ą

towego wirnika. Kierunek

obrotów i pr

ę

dko

ść

obrotow

ą

mo

ż

na w prosty sposób zmienia

ć

bezstopniowo przez zmian

ę

napi

ę

cia podawanego do wirnika.

Uzyskuje si

ę

szeroki zakres zmian pr

ę

dko

ś

ci obrotowych a

ż

do

1 : 10.000 oraz płynn

ą

prac

ę

silnika. Dlatego te

ż

silniki pr

ą

du

stałego dla standardowych zada

ń

w obszarze małych

i

ś

rednich mocy s

ą

tak

ż

e jeszcze obecnie dobrym i tanim

rozwi

ą

zaniem.

Własno

ś

ci silników pr

ą

du stałego z komutacj

ą

mechaniczn

ą

:

Zalety:

• dobre przebiegi regulacji dzi

ę

ki liniowej

charakterystyce pr

ą

d-moment obrotowy,

• dobre własno

ś

ci dynamiczne,

• bardzo wysoka płynno

ść

ruchu,

• du

ż

y zakres zmian pr

ę

dko

ś

ci obrotowej.

Wady:

• zu

ż

ycie komutatora i szczotek (obsługa),

• ograniczenie dynamiki i momentu zatrzymania

wskutek komutatora,

• złe odprowadzanie ciepła.

Silnik elektryczny z elektroniczn

ą

komutacj

ą

(bezszczotkowy)

Jeszcze do niedawna w wysoko-dynamicznych serwonap

ę

dach były stosowane przewa

ż

nie silniki pr

ą

du

stałego z komutacj

ą

mechaniczn

ą

. Obecnie w zakresie małych i

ś

rednich mocy nap

ę

dów s

ą

one coraz cz

ęś

ciej

zast

ę

powane przez silniki bezszczotkowe (synchroniczne serwo-silniki). Ich zaletami s

ą

m.in. praca

bezobsługowa i du

ż

a przeci

ąż

alno

ść

silnika ze wzgl

ę

du na brak mechanicznego układu komutacyjnego.

Dalsz

ą

zalet

ą

silników bezszczotkowych jest lepsze

odprowadzanie ciepła z uzwoje

ń

stojana. Oznacza to

równocze

ś

nie lepszy stosunek mocy do masy ni

ż

dla

porównywalnych silników z komutacj

ą

mechaniczn

ą

.

Jednak te zalety s

ą

zwi

ą

zane z bardziej zło

ż

onym

sprz

ę

tem do sterowania prac

ą

silnika oraz bogatszym

układem sensorów. W bezszczotkowym silniku
wyst

ę

puj

ą

tak

ż

e oscylacje momentu, które zostały

usuni

ę

te dopiero w nowoczesnych rozwi

ą

zaniach

takich jak np. sinusoidalna komutacja. Dlatego te

ż

mo

ż

e by

ć

ograniczona równomierno

ść

pracy, co

szczególnie negatywnie uwidacznia si

ę

w przypadku

wolnych ruchów obrotowych.

Własno

ś

ci silników elektrycznych z komutacj

ą

elektroniczn

ą

:

Zalety:

• bardzo dobre własno

ś

ci dynamiczne,

• du

ż

a przeci

ąż

alno

ść

,

• praca bezobsługowa,

• mały moment bezwładno

ś

ci i lepsza warto

ść

stosunku mocy do masy ni

ż

w silniku pr

ą

du stałego.

Wady:

• zestaw sensorów i kosztowny układ sterowania,

• cz

ę

sto ograniczona równomierno

ść

pracy

(oscylacje momentu obrotowego),

• wy

ż

sze koszty systemu nap

ę

dowego ni

ż

dla

konwencjonalnych silników pr

ą

du stałego.

Stojan z uzwojeniem pr

ą

du przemiennego

Wirnik z

wbudowanymi

płytkami z

magnesów

trwałych

background image

7

Budowa i działanie silników pr

ą

du przemiennego jest oparte na podobnej zasadzie jak silników pr

ą

du

stałego. Stojan i wirnik składaj

ą

si

ę

z współosiowych cylindrów ferromagnetycznych, w których s

ą

umieszczone cewki. Je

ż

eli obie te cewki s

ą

zasilane pr

ą

dem przemiennym, to jest to podstawowa

posta

ć

silnika pr

ą

du przemiennego.

W porównaniu z silnikami pr

ą

du stałego, w silnikach pr

ą

du przemiennego ze wzgl

ę

du na zmienne

pole magnetyczne w wirniku mo

ż

e by

ć

zastosowany magnes ze stałym kierunkiem pola. Ponadto

wirnik mo

ż

e tak

ż

e zawiera

ć

trwałe magnesy. Dzi

ę

ki temu uzyskuje si

ę

silnik o prostej i zwartej

budowie.
Po rozruchu silnika jego wirnik obraca si

ę

zgodnie z wirowaniem pola magnetycznego, a zatem

synchronicznie. Je

ż

eli pole magnetyczne w stojanie zmienia swój kierunek wraz z napi

ę

ciem pr

ą

du

przemiennego, to wirnik wskutek zmiennego przyci

ą

gania i odpychania przy ka

ż

dym okresie pr

ą

du

sieci elektrycznej wykonuje pewien obrót.

Je

ż

eli wirnik zawiera cewki, to mog

ą

by

ć

one zasilane pr

ą

dem stałym, ale ze wzgl

ę

du na obracanie

si

ę

wirnika konieczne jest przekazywanie pr

ą

du przez pier

ś

cienie

ś

lizgowe.

Silniki pr

ą

du przemiennego mog

ą

by

ć

:

synchroniczne,

asynchroniczne,

silniki elektroniczne (silniki EC).

W stojanie silnika synchronicznego wyst

ę

puje wiruj

ą

ce pole, a w wirniku pole magnetyczne.

Wirowanie pola uzyskuje si

ę

przez jedn

ą

lub wiele cewek znajduj

ą

cych si

ę

w stojanie. Silniki

synchroniczne podczas waha

ń

obci

ąż

enia zachowuj

ą

stał

ą

pr

ę

dko

ść

obrotow

ą

. Wymagaj

ą

one jednak

wspomagania podczas rozruchu, a przy przeci

ąż

eniach zatrzymuj

ą

si

ę

. Jednak przez sterowanie

pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

mo

ż

na t

ę

wad

ę

wyeliminowa

ć

. Silniki synchroniczne pr

ą

du przemiennego s

ą

stosowane np. w nap

ę

dach posuwu obrabiarek sterowanych numerycznie.

Silniki pr

ą

du przemiennego

Synchroniczne silniki pr

ą

du przemiennego

Dla silnika synchronicznego maj

ą

cego liczb

ę

par biegunów p i wł

ą

czonego do sieci elektrycznej

pr

ą

du przemiennego o cz

ę

stotliwo

ś

ci f = 50 Hz wyst

ę

puje nast

ę

puj

ą

ca zale

ż

no

ść

jego pr

ę

dko

ś

ci

obrotowej n

s

:

n

s

= —— [obr/min]

60 f

p

Silnik synchroniczny z jedn

ą

par

ą

biegunów ma synchroniczn

ą

pr

ę

dko

ść

obrotow

ą

n

s

= 3000

obr/min, a dla wi

ę

kszej liczby par biegunów warto

ść

tej pr

ę

dko

ś

ci jest odpowiednio mniejsza. Dzi

ę

ki

temu na zasadzie przeł

ą

czania liczby par biegunów mo

ż

na skokowo zmienia

ć

pr

ę

dko

ść

obrotow

ą

silnika.

M

M

z

0

n

S

n

M

z

– moment zatrzymania

Silnik synchroniczny przy zasilaniu z sieci elektrycznej rozwija
moment obrotowy w jednakowym kierunku tylko z pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

, która wynika z cz

ę

stotliwo

ś

ci pr

ą

du w sieci i liczby par

biegunów. Tym samym nie mo

ż

e si

ę

on samoczynnie uruchomi

ć

i dlatego te

ż

jego rozruch odbywa si

ę

za pomoc

ą

silnika

rozruchowego lub uzwojenia asynchronicznego. Po rozruchu silnik
synchroniczny pracuje ze stał

ą

pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

, która

odpowiada synchronicznej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej. Je

ż

eli moment

obci

ąż

enia przekracza maksymalny moment zatrzymania M

z

, to silnik

synchroniczny ulega zatrzymaniu.
Silniki synchroniczne s

ą

przewa

ż

nie stosowane w nap

ę

dach

z pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

proporcjonaln

ą

do cz

ę

stotliwo

ś

ci, które nie

musz

ą

mie

ć

ju

ż

nastawianej pr

ę

dko

ś

ci. Ponadto silniki synchroniczne

wyst

ę

puj

ą

w aplikacjach wymagaj

ą

cych pracy z równomiern

ą

(stał

ą

)

pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

.

background image

8

Asynchroniczne silniki pr

ą

du przemiennego

Stojan silnika asynchronicznego jest zbudowany podobnie do silnika synchronicznego. W wirniku silnika uzwojenia s

ą

zwarte. Wskutek wirowania pola magnetycznego w stojanie w uzwojeniach wirnika jest indukowane napi

ę

cie i płynie

pr

ą

d elektryczny, który wytwarza w wirniku pole magnetyczne.To pole magnetyczne wirnika powoduje z wiruj

ą

cym

polem magnetycznym stojana powstanie momentu obrotowego, który wprawia wirnik w ruch obrotowy. Moment
obrotowy powstaje tylko wtedy, gdy wiruj

ą

ce pola magnetyczne stojana i wirnika nie wiruj

ą

jednakowo szybko, a zatem

synchronicznie. Poniewa

ż

do wirnika nie musi by

ć

doprowadzane zasilanie elektryczne, to ma on prost

ą

budow

ę

i nie

jest podatny na zakłócenia w pracy (nie jest potrzebne przekazywanie zasilania przez szczotki i komutator). Warto

ść

indukowanego w wirniku pr

ą

du jest tym mniejsza im mniejsza jest ró

ż

nica pomi

ę

dzy pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

wirowania

pola magnetycznego stojana i pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

wirnika. Ta ró

ż

nica pr

ę

dko

ś

ci obrotowych nazywa si

ę

po

ś

lizgiem.

Pr

ę

dko

ść

obrotowa wirnika n silnika asynchronicznego w punkcie pracy nieznacznie odbiega od pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

wiruj

ą

cego pola magnetycznego stojana n

0

. Z warto

ś

ci obu tych pr

ę

dko

ś

ci obrotowych oblicza si

ę

po

ś

lizg s:

M

M

z

n

n

o

0

Charakterystyka zewn

ę

trzna (moment obrotowy M

- pr

ę

dko

ść

obrotowa n) silnika asynchronicznego,

M

z

– moment zatrzymania

s = ———

n – n

0

n

0

Zaletami silników asynchronicznych, w porównaniu z silnikami

komutatorowymi s

ą

: małe nakłady na piel

ę

gnacj

ę

, długi okres

ż

ywotno

ś

ci, zwarta budowa (jedynie ło

ż

yska s

ą

zespołami

ulegaj

ą

cymi zu

ż

yciu), cicha praca i nie wyst

ę

powanie drga

ń

oraz

niska cena.

Natomiast do wad tych silników nale

żą

: ograniczona maksymalna

pr

ę

dko

ść

obrotowa, wzgl

ę

dnie du

ż

a masa, wzgl

ę

dnie niska

sprawno

ść

, a tak

ż

e zło

ż

one sterowanie pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

(falowniki).

Przykłady zastosowania silników asynchronicznych:

zwarte nap

ę

dy: pomp, wentylatorów, obrabiarek,

cichobie

ż

ne nap

ę

dy: maszyny do pisania, kopiarki,

nap

ę

dy z regulowan

ą

pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

: maszyny pralnicze,

serwonap

ę

dy.

Silnik asynchroniczny

Ze wzgl

ę

du na prostsz

ą

budow

ę

silniki asynchroniczne odgrywaj

ą

du

żą

rol

ę

w nap

ę

dach.

W zakresie mocy do ok. 1 kW s

ą

one powszechnie stosowane w sprz

ę

cie gospodarstwa domowego (np. pralki,

lodówki, zamra

ż

arki, pompy i wentylatory). Innym szeroko rozpowszechnionym obszarem zastosowania

silników asynchronicznych s

ą

obrabiarki i inne maszyny. Natomiast silniki o du

ż

ych mocach rz

ę

du 20 MW s

ą

stosowane np. w elektrowniach do nap

ę

du pomp zasilaj

ą

cych kotły.

Własno

ś

ci silników asynchronicznych w regulowanych nap

ę

dach:

Zalety:

• prostsza, zwarta budowa,

• bezobsługowa praca, mało cz

ęś

ci ulegaj

ą

cych

zu

ż

yciu,

• niskie koszty wytwarzania w zakresie mocy > 20 kW,

• mniejsze koszty systemu w porównaniu z silnikami

z komutacj

ą

elektroniczn

ą

.

Wady:

• wysokie nakłady zwi

ą

zane ze

ś

rodkami do zmiany

pr

ę

dko

ś

ci obrotowej,

• własno

ś

ci serwo tylko w poł

ą

czeniu ze zło

ż

on

ą

elektronika steruj

ą

c

ą

,

• wi

ę

ksze warto

ś

ci momentu bezwładno

ś

ci ni

ż

w silnikach bezszczotkowych.

Uzwojenie

Rowki

Stojan

Zwarty

wirnik

Pier

ś

cie

ń

zwieraj

ą

cy

background image

9

3

˜

M

L1
L2
L3

Obci

ą

-

ż

enie

Sterowanie/

regulacja

Filtr

sieciowy

Falownik

(przekształtnik

cz

ę

stotliwo

ś

ci)

Silnik

Maszyna

Proces

Sie

ć

elektryczna

Nap

ę

dy elektryczne z pr

ę

dko

ś

ci

ą

obrotow

ą

regulowan

ą

przemiennikiem cz

ę

stotliwo

ś

ci (falownikiem)

Rozwój nowych technologii w przemy

ś

le wymusi

ł

zupe

ł

nie inne ni

ż

kiedy

ś

sposoby regulacji pr

ę

dko

ś

ci ró

ż

nych

maszyn nap

ę

dzanych silnikami elektrycznymi. Pocz

ą

tkowo w układach nap

ę

dowych stosowano silniki pr

ą

du

stałego. W okresie bardzo dynamicznego rozwoju energoelektroniki opracowano układy regulacyjne
współpracuj

ą

ce z silnikami asynchronicznymi pr

ą

du przemiennego. Urz

ą

dzeniem, które umo

ż

liwia optymalne

wykorzystanie takiego silnika jest przetwornica cz

ę

stotliwo

ś

ci (ang. static frequency converter), zwana

powszechnie falownikiem. Przetwornice cz

ę

stotliwo

ś

ci słu

żą

do przekształcania energii elektrycznej pr

ą

du

przemiennego o okre

ś

lonych parametrach (napi

ę

cie, cz

ę

stotliwo

ść

) na energi

ę

pr

ą

du przemiennego o zadanych

parametrach zgodnych z wymaganiami u

ż

ytkownika. Za ich pomoc

ą

mo

ż

na płynnie regulowa

ć

pr

ę

dko

ść

obrotow

ą

klatkowych silników indukcyjnych (asynchronicznych) w pompach (stabilizacja ci

ś

nienia w sieci

wodoci

ą

gowej niezale

ż

nie od rozbioru wody), wentylatorach, przeno

ś

nikach, ta

ś

moci

ą

gach, windach,

podno

ś

nikach, mieszalnikach, trakach, wytłaczarkach, obrabiarkach, spr

ęż

arkach, maszynach włókienniczych,

dziewiarskich i pakuj

ą

cych, w przemy

ś

le chemicznym oraz oczyszczalniach

ś

cieków. Mog

ą

one

t

akż

e regulowa

ć

pr

ę

dko

ść

obrotow

ą

silników synchronicznych maj

ą

cych wirniki z magnesami lub uzwojone. W przeciwie

ń

stwie do

silników asynchronicznych, silniki te obracaj

ą

si

ę

z pr

ę

dko

ś

ci

ą

synchroniczn

ą

bez wzgl

ę

du na obci

ąż

enie. Stała

warto

ść

strumienia magnetycznego w stojanie silnika jest utrzymywana dzi

ę

ki stałej warto

ś

ci stosunku napi

ę

cia

wyj

ś

ciowego do cz

ę

stotliwo

ś

ci (U/f) realizowanej przez przetwornic

ę

.

Przetwornica cz

ę

stotliwo

ś

ci składa si

ę

z nast

ę

puj

ą

cych elementów:

prostownika jedno- lub trójfazowego, który przekształca trójfazowe napi

ę

cie

przemienne sieci zasilaj

ą

cej na napi

ę

cie stałe,

stopnia po

ś

redniego, który przekształca napi

ę

cie wyprostowane na napi

ę

cie

wygładzone o regulowanej lub stałej warto

ś

ci; wyró

ż

nia si

ę

3 rodzaje stopni

po

ś

rednich: stałopr

ą

dowy, stałonapi

ę

ciowy i o regulowanym napi

ę

ciu, tzw.

impulsator (czoper). Stopie

ń

po

ś

redni jest magazynem energii, który zasila

inwerter mocy,

inwertera mocy (falownika) do wytwarzania napi

ę

cia trójfazowego o regulowanej warto

ś

ci i zmiennej

cz

ę

stotliwo

ś

ci. Układ ten jest zbudowany z tranzystorów bipolarnych z izolowan

ą

bramk

ą

IGBT (ang.

Insulated Gate Bipolar Transistor), które maj

ą

cechy tranzystorów bipolarnych i polowych typu MOSFET.

Dzi

ę

ki nim mo

ż

na przeł

ą

cza

ć

du

ż

e pr

ą

dy z wielk

ą

cz

ę

stotliwo

ś

ci

ą

przy stosunkowo małych stratach energii.

Tranzystory mo

ż

na wł

ą

cza

ć

i wył

ą

cza

ć

w dowolnej chwili przebiegu napi

ę

cia. Dlatego cz

ę

stotliwo

ść

pracy

układu tranzystorowego wynosi od 300 Hz do 15 kHz. Do inwertera mocy przył

ą

czany jest silnik,

układu sterowania i kontroli, nazywanego te

ż

kart

ą

steruj

ą

c

ą

, który nadzoruje prac

ę

prostownika, obwodu

po

ś

redniego i stopnia mocy. Układ ten analizuje sygnały steruj

ą

ce oraz umo

ż

liwia komunikacj

ę

z u

ż

ytkownikiem.

Wszystkie przetwornice cz

ę

stotliwo

ś

ci maj

ą

układ wytwarzaj

ą

cy sygnał, który kształtuje przebiegi wyj

ś

ciowe

w trzech fazach. W zale

ż

no

ś

ci od zastosowanej metody otrzymywania napi

ę

cia wyj

ś

ciowego przetwornice

dzieli si

ę

na trzy grupy:

ze

ź

ródłem pr

ą

dowym CSI (ang. Current Source Inverter),

z modulacj

ą

amplitudy PAM (ang. Pulse Amplitude Modulation),

z modulacj

ą

szeroko

ś

ci impulsów PWM (ang. Pulse Width Modulation), w tym przetwornice z kontrol

ą

wektora napi

ę

cia VVC (ang. Voltage Vector Control).

Budowa przetwornicy cz

ę

stotliwo

ś

ci (falownika)

background image

10

Przetwornica powinna realizowa

ć

funkcje, które umo

ż

liwiaj

ą

prac

ę

sterowanego przez ni

ą

silnika w całym

zakresie pr

ę

dko

ś

ci obrotowych, w tym tak

ż

e w najtrudniejszych warunkach przy małej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

i zmiennym obci

ąż

eniu. Działanie takich układów polega na wprowadzaniu korekt podstawowych parametrów

wyj

ś

ciowych i nazywa si

ę

kompensacj

ą

. Umo

ż

liwia ona prac

ę

silnika ze stałym momentem obrotowym, przy

bardzo małych pr

ę

dko

ś

ciach obrotowych. Wyró

ż

nia si

ę

nast

ę

puj

ą

ce rodzaje kompensacji:

kompensacja napi

ę

cia rozruchu (realizowana jest dzi

ę

ki optymalnemu strumieniowi magnesuj

ą

cemu

i maksymalnemu momentowi rozruchowemu przy pracy z małymi pr

ę

dko

ś

ciami, co osi

ą

ga si

ę

przez

zwi

ę

kszanie warto

ś

ci napi

ę

cia wyj

ś

ciowego),

kompensacja cz

ę

stotliwo

ś

ci pocz

ą

tkowej (mo

ż

liwe jest uruchomienie silnika nie tylko zatrzymanego, ale

tak

ż

e obracaj

ą

cego si

ę

ju

ż

z pewn

ą

pr

ę

dko

ś

ci

ą

),

kompensacja po

ś

lizgu (umo

ż

liwia stabiln

ą

prac

ę

układu nap

ę

dowego w całym zakresie pr

ę

dko

ś

ci obrotowej.

Polega ona na kontrolowaniu po

ś

lizgu przez ci

ą

gły pomiar pr

ą

du na wyj

ś

ciu trzech faz przetwornicy

i zwi

ę

kszaniu cz

ę

stotliwo

ś

ci, proporcjonalnie do obci

ąż

enia.

Przetwornica cz

ę

stotliwo

ś

ci ma umieszczony na przedniej płycie moduł sterowniczy z przyciskami i ewentualnie

potencjometrem do ustawiania parametrów współpracy z wybranym silnikiem..

Zasada działania

Przetwornica cz

ę

stotliwo

ś

ci utrzymuje zadan

ą

charakterystyk

ę

momentu obci

ąż

enia silnika dzi

ę

ki kontroli

stosunku napi

ę

cia wyj

ś

ciowego do cz

ę

stotliwo

ś

ci pr

ą

du wyj

ś

ciowego (U/f) oraz pr

ą

du obci

ąż

enia. Przy stałej

warto

ś

ci U/f strumie

ń

magnesuj

ą

cy silnika jest stały (mo

ż

na go przedstawi

ć

na wykresie obrazuj

ą

cym wiruj

ą

ce

pole magnetyczne silnika), co powoduje utrzymanie stałego momentu obrotowego silnika.

Płynna regulacja pr

ę

dko

ś

ci obrotowej zespołów roboczych nap

ę

dzanych silnikami elektrycznymi była dotychczas

przeprowadzana za pomoc

ą

układu przekładni bezstopniowych i silnika asynchronicznego lub silników pr

ą

du

stałego. Dzi

ę

ki rozwojowi techniki mikroprocesorowej obecnie najta

ń

szym i najprostszym sposobem regulacji

jest zastosowanie asynchronicznego silnika klatkowego i przetwornicy cz

ę

stotliwo

ś

ci. U

ż

ycie przetwornicy

eliminuje te

ż

nieekonomiczne zał

ą

czanie i wył

ą

czanie silnika powoduj

ą

ce szybkie zu

ż

ycie samego silnika,

a tak

ż

e urz

ą

dze

ń

z nim współpracuj

ą

cych.

Działanie przetwornicy cz

ę

stotliwo

ś

ci (falownika)

Zalety elektrycznego silnika asynchronicznego

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

n

n

M
M

N

Moment obrotowy

[obr./min]

Silnik asynchroniczny

Silnik asynchroniczny

Silnik pr

ą

du stałego

Silnik pr

ą

du stałego

Silnik

Silnik

synchroniczny

synchroniczny

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

n

n

[obr./min]

n

N

n

N

Moc

P

P

N

Silnik

Silnik

asynchroniczny

asynchroniczny

Silnik pr

ą

du

Silnik pr

ą

du

stałego

stałego

Silnik

Silnik

synchroniczny

synchroniczny

Du

żą

zalet

ą

silników

asynchronicznych jest bardzo szeroki
zakres pr

ę

dko

ś

ci obrotowych w pracy

z osłabionym polem.

Tryb pracy z osłabionym polem
uzyskuje si

ę

wówczas, gdy

cz

ę

stotliwo

ść

wzbudzania stojana

jest wi

ę

ksza ni

ż

znamionowa

pr

ę

dko

ść

obrotowa silnika n

N

.

Oznacza to,

ż

e czas który ma

uzwojenie (cewka) na wyindukowanie
pola magnetycznego w klatce jest za
krótki aby wytworzy

ć

wystarczaj

ą

co

silne pole. Dzi

ę

ki temu pr

ę

dko

ść

obrotowa n jest nastawiana w bardzo
szerokim zakresie przy stałej mocy.
Jest to bardzo du

ż

a zaleta

w porównaniu z silnikami pr

ą

du

stałego i silnikami synchronicznymi.

background image

11

Silnik skokowy

Silniki krokowe stanowi

ą

korzystn

ą

ze wzgl

ę

du na koszty alternatyw

ę

nap

ę

dów w zakresie małych mocy

(< 500 W). Istnieje wiele typów silników krokowych, które w poł

ą

czeniu ze zintegrowanymi sterownikami

umo

ż

liwiaj

ą

prost

ą

budow

ę

regulowanych zespołów pozycjonowania.

Je

ż

eli bł

ę

dy skoku nie mog

ą

by

ć

tolerowane, to nap

ę

d musi by

ć

realizowany w zamkni

ę

tym układzie regulacji.

Jednak wówczas znikaj

ą

istotne korzy

ś

ci w porównaniu z innymi rodzajami silników elektrycznych. Ponadto

silniki skokowe, w porównaniu z innymi silnikami, maj

ą

zwykle ni

ż

sze sprawno

ś

ci i mniejsz

ą

przeci

ąż

alno

ść

.

Własno

ś

ci nap

ę

dów z silnikami skokowymi:

Zalety:

• bezpo

ś

rednie cyfrowe sterowanie za pomoc

ą

zintegrowanych układów,

• niezawodny, bezobsługowy,

• tanie rozwi

ą

zanie nap

ę

du,

• mo

ż

liwe sterowanie prac

ą

bez czujnika poło

ż

enia.

Wady:

• musz

ą

by

ć

znane charakterystyki obci

ąż

enia

konieczne przewymiarowanie,

• wzgl

ę

dnie małe g

ę

sto

ś

ci mocy,

• w sterowanym trybie pracy niebezpiecze

ń

stwo

wyst

ą

pienia bł

ę

dów skoku,

• stosunkowo mała dynamika działania nap

ę

du

.

Biegun

Biegun

przesuni

ę

ty o

1 podziałk

ę

Wirnik

Pracuj

ą

cy w sposób sterowany silnik krokowy

ma ograniczenia w zakresie swoich
zastosowa

ń

, poniewa

ż

jego niezawodne

działanie wymaga dokładnej znajomo

ś

ci

przebiegów obci

ąż

enia. Przyjmowanie

zało

ż

enia,

ż

e zmiana obci

ąż

enia,

oddziaływanie sił bezwładno

ś

ci i drga

ń

nie

spowoduj

ą

ż

adnych bł

ę

dów skoków jest

mo

ż

liwe tylko do okre

ś

lonej warto

ś

ci

obci

ąż

enia. Dlatego te

ż

zwykle nap

ę

d taki jest

przewymiarowany.

Komutator silnika skokowego: A, B, C, D - kolejne pasma silnika czteropasmowego, T - wej

ś

cie

impulsów taktuj

ą

cych, K - wej

ś

cie sygnału kierunku: a) - wzbudzanie pasma A po pierwszym

impulsie taktu na wej

ś

ciu T, b) - wzbudzanie pasma B po drugim impulsie taktu na wej

ś

ciu T

a)

b)

Zasada działania silnika skokowego

background image

12

Nowoczesne aparaty fotograficzne, kamery wideo, rzutniki obrazów i projektory, czy pozycjonery anten
satelitarnych, telefaksy maj

ą

w swej budowie silniki skokowe. Setki milionów silników skokowych pracuje na

całym

ś

wiecie w urz

ą

dzeniach technologicznych, a w

ś

ród nich w robotach, manipulatorach, pozycjonerach,

drukarkach kodów, układach selekcji, w maszynach sprzedaj

ą

cych, pakuj

ą

cych i wielu, wielu innych. Silniki do

zastosowa

ń

technologicznych, a szerzej profesjonalnych, cz

ę

sto nazywa si

ę

elektromaszynowymi elementami

automatyki, wyró

ż

niaj

ą

c t

ą

nazw

ą

maszyny o szczególnie wysokiej jako

ś

ci wykonania i stabilno

ś

ci parametrów.

Podobnie wysokie wymagania odno

ś

nie jako

ś

ci wykonania i dokładno

ś

ci ruchu stawiane s

ą

silnikom

stosowanym do budowy aparatury medycznej, jeszcze wy

ż

sze do urz

ą

dze

ń

militarnych i lotnictwa, a najwy

ż

sze

do sprz

ę

tu kosmicznego.

Ze wzgl

ę

du na własno

ś

ci, którymi odznaczaj

ą

si

ę

silniki skokowe, znalaz

ł

y one bardzo wiele

ż

norodnych zastosowa

ń

. Ich udział ilo

ś

ciowy

w całej grupie małych maszyn elektrycznych
przekracza 15% i stale ro

ś

nie. Znale

źć

je

mo

ż

na wsz

ę

dzie tam, gdzie wymagane jest

precyzyjne pozycjonowanie k

ą

towe lub liniowe.

Najwi

ę

cej silników skokowych znajduje si

ę

w

komputerach

i

ich

urz

ą

dzeniach

peryferyjnych (stacjach dyskietek, dyskach
twardych, czytnikach i nagrywarkach płyt CD
i DVD, drukarkach, skanerach). W ka

ż

dym

komputerze PC jest kilka takich silników.
Drug

ą

grup

ą

urz

ą

dze

ń

powszechnego u

ż

ytku,

w których znale

źć

mo

ż

na wiele ró

ż

norodnych

silników skokowych, s

ą

wyroby mechanizuj

ą

ce

prace biurowe, zapisuj

ą

ce i odczytuj

ą

ce

informacje d

ź

wi

ę

kowe oraz obrazowe, a tak

ż

e

zegary i zegarki z regulatorem kwarcowym.

Zastosowanie silników krokowych

Sprz

ę

t

biurowy

Urz

ą

dzenia

informatyki

Sprz

ę

t

audiowizualny

Urz

ą

dzenia

technologiczne

Sprz

ę

t lotniczy

i kosmiczny

Układy

automatyki

Sprz

ę

t

medyczny

Sprz

ę

t

militarny

Inne

zastosowania

Silniki

Silniki

skokowe

skokowe

Aktuatory reluktancyjne - elektromagnesy

Do aktuatorów reluktancyjnych zalicza si

ę

:

silniki krokowe,

elektromagnesy.

Elektromagnesy s

ą

zespołami nap

ę

dowymi o prostej i zwartej budowie, które w coraz wi

ę

kszym zakresie

i wi

ę

kszych ilo

ś

ciach s

ą

stosowane w budowie maszyn, pojazdach i automatyzacji. Słu

żą

one w szczególno

ś

ci

do uzyskiwania ograniczonych przemieszcze

ń

liniowych (0,1 ... 100 mm) lub k

ą

towych (0,1 ... 90

°

). Cz

ę

sto s

ą

one wykonane nie jako pojedynczy element, ale integralna cz

ęść

zło

ż

onych składników funkcyjnych (np.

zaworów magnetycznych, sprz

ę

gieł magnetycznych, przeka

ź

ników, styczników).

Rozró

ż

nia si

ę

:

elektromagnesy pr

ą

du stałego,

elektromagnesy pr

ą

du przemiennego,

elektromagnesy spolaryzowane.

Główn

ą

cz

ęś

ci

ą

składow

ą

elektromagnesu jest

kotwica jako organ ruchomy, jarzmo, które słu

ż

y jako

ż

elazna zwora oraz cewka. Działanie

elektromagnesów polega na tym,

ż

e po wł

ą

czeniu

cewki do pr

ą

du powstaje pole magnetyczne, które

powoduje przyci

ą

gni

ę

cie kotwicy do jarzma.

Elektromagnesy s

ą

elektromagnetycznymi

przetwornikami energii. Zamieniaj

ą

one

doprowadzon

ą

energi

ę

elektryczn

ą

, poprzez

po

ś

redni

ą

posta

ć

energii magnetycznej, na energi

ę

mechaniczn

ą

, która słu

ż

y do uzyskania ruchu.

Kotwica

Powietrzna

szczelina

robocza

Cewka

Jarzmo

δδδδ

F

m

- siła magnetyczna

F

mp

- siła przyci

ą

gania

F

mt

- siła trzymania

F

prz

- siła

przeciwdziałaj

ą

ca

F

m

F

prz

F

mt

F

mp

F

m

, F

prz

δδδδ

δδδδ

min

δδδδ

max

background image

13

Elektromagnes

Zalety:

• prosta, zwarta i tania budowa,

• bezpo

ś

rednie uzyskiwanie ruchów liniowych,

• bardzo wysoka dynamika działania.

Wady:

• nieliniowe przebiegi,

• mała g

ę

sto

ść

mocy,

• tarcie i histereza magnetyczna,

• du

ż

a warto

ść

pr

ą

du spoczynkowego,

Własno

ś

ci nap

ę

dów z elektromagnesami:

Elektromagnes w realizacji zada

ń

pozycjonowania o du

ż

ych wymaganiach dynamicznych i małych warto

ś

ciach

sił jest obecnie najkorzystniejszym ze wzgl

ę

du na koszty rozwi

ą

zaniem nap

ę

du („element o małym skoku").

Prosta budowa w poł

ą

czeniu z elektryczn

ą

energi

ą

pomocnicz

ą

umo

ż

liwia realizacj

ę

szybkich obwodów

sterowniczych (np. układy wtrysku paliwa). Dla małych warto

ś

ci przemieszcze

ń

za pomoc

ą

tzw.

elektromagnesów uruchamiaj

ą

cych uzyskuje si

ę

du

ż

e siły przyci

ą

gania przy zwartej budowie.

Te własno

ś

ci s

ą

szczególnie niezb

ę

dne

podczas nastawiania hydraulicznych
i pneumatycznych strumieni płynów, gdzie
elektromagnes powinien realizowa

ć

ci

ą

głe

ruchy wykonawcze. W tym celu wynikaj

ą

ca

z zasady działania nieliniowa
charakterystyka siły magnetycznej musi
by

ć

linearyzowana, co zwykle uzyskuje si

ę

przez odpowiednie ukształtowanie
geometryczne obwodu magnetycznego.
Zjawiska nasycania materiałów
magnetycznych ograniczaj

ą

przy tym

działanie siły elektromagnetycznej i tym
samym zakres nastawiania takiego
aktuatora do warto

ś

ci 10 - 25 mm.

Elektromagnes

rdzeniowy

Elektromagnes

głowicowy

Elektromagnes z obrotow

ą

kotwic

ą

(jarzmowy)

Aktuatory (nap

ę

dy) elektromechaniczne

Elektromechaniczne urz

ą

dzenia nastawiaj

ą

ce s

ą

bardzo rozpowszechnione. Du

ż

a ilo

ść

typów, szczególnie

silników, umo

ż

liwia elastyczne dopasowanie do realizacji ró

ż

norodnych zada

ń

. Nap

ę

dy elektryczne w obszarze

małych i

ś

rednich mocy nastawiania maj

ą

dominuj

ą

c

ą

pozycj

ę

, która wynika m.in. z du

ż

ej dost

ę

pno

ś

ci

i mo

ż

liwo

ś

ci przekształcania energii elektrycznej. Ponadto zapewniaj

ą

one wysokie dokładno

ś

ci pozycjonowania

przy dobrych własno

ś

ciach dynamicznych. Wysoka sprawno

ść

całego układu jest wy

ż

sza ni

ż

dla porównywalnych

składników pneumatycznych i hydraulicznych.

Zalety

• dobre własno

ś

ci regulacyjne

• du

ż

a dynamika

• elastyczne rozwi

ą

zania nap

ę

dów

• du

ż

a sprawno

ść

• dobre mo

ż

liwo

ś

ci diagnostyczne

Wady

• ograniczona g

ę

sto

ść

mocy

• zu

ż

ycie energii w pracy statycznej

• ograniczony termicznie zakres pracy

• du

ż

y udział „ruchomych cz

ęś

ci

mechanicznych”

Własno

ś

ci nap

ę

dów elektromechanicznych:

Przy wysokich wymaganiach dynamicznych, w poł

ą

czeniu z du

ż

ymi warto

ś

ciami sił nastawiania,

w zastosowaniach aktuatorów elektromechanicznych wyst

ę

puj

ą

ograniczenia. Bowiem fizycznie ograniczona

g

ę

sto

ść

mocy (nasycenie materiałów magnetycznych) prowadzi do wzgl

ę

dnie du

ż

ych nap

ę

dów. Inne wady

wynikaj

ą

z budowy mechanicznej aktuatorów (silników). I tak np. w przypadku bezpo

ś

redniego wbudowania

w maszyny wskutek cz

ę

sto wyst

ę

puj

ą

cych silnych wstrz

ą

sów, konieczne s

ą

odpowiednie rozwi

ą

zania

konstrukcyjne. Ponadto wysokie temperatury otoczenia mog

ą

narusza

ć

ich zdolno

ść

działania wskutek

rozmagnesowania i uszkodzenia izolacji uzwoje

ń

. Dlatego te

ż

mo

ż

liwo

ś

ci zastosowania i trwało

ść

układów

elektromechanicznych w

ś

rodowisku wysokich temperatur i oddziaływa

ń

wibracyjnych s

ą

ograniczone.

Elektromechaniczne nap

ę

dy dziel

ą

si

ę

pierwotnie na: translacyjne (elektromagnes, silnik liniowy) i rotacyjne

(silniki elektryczne). Wa

ż

n

ą

grup

ę

silników mo

ż

na dalej podzieli

ć

na: komutowane mechanicznie (szczotkowe)

i komutowane elektronicznie (bezszczotkowe). Do silnika elektrycznego jest zwykle przył

ą

czona przekładnia lub

mechanizm posuwu, aby uzyska

ć

inn

ą

warto

ść

pr

ę

dko

ś

ci ruchu obrotowego lub ruch translacyjny (liniowy).

background image

14

Aktuatory hydrauliczne

Hydrauliczne aktuatory zamieniaj

ą

energi

ę

hydrauliczn

ą

(energi

ę

strumienia i energi

ę

ci

ś

nienia) cieczy

w energi

ę

mechaniczn

ą

.

Rozró

ż

nia si

ę

:

silniki hydrauliczne,

siłowniki hydrauliczne.

Nap

ę

dy hydrauliczne pozwalaj

ą

na uzyskiwanie z małej przestrzeni bardzo du

ż

ych sił. Silniki hydrauliczne

przetwarzaj

ą

uzyskan

ą

przez pompy energi

ę

hydrauliczn

ą

ponownie na energi

ę

mechaniczn

ą

. Ciecz

pod ci

ś

nieniem nap

ę

dza elementy wyporowe takie jak: koła z

ę

bate, łopatki lub tłoki.

Silniki hydrauliczne s

ą

budowane dla jednego lub dwóch kierunków strumienia, a tak

ż

e jako silniki o stałej

i zmiennej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej.

Silniki hydrauliczne

Silniki hydrauliczne

Silniki z

ę

bate

Silniki o zaz

ę

bieniu

zewn

ę

trznym

Silniki o zaz

ę

bieniu

wewn

ę

trznym

Silniki z pier

ś

cieniem

z

ę

batym

Silniki łopatkowe

O działaniu
wewn

ę

trznym

O działaniu
zewn

ę

trznym

Silniki tłokowe

Silniki z tłokami
promieniowymi

Silniki z tłokami
osiowymi

Silniki o stałej, nastawialnej lub

regulowanej pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

Hydrauliczny silnik z

ę

baty

Hydrauliczny silnik łopatkowy

Hydrauliczne silniki z

ę

bate – zasada działania

Budowa silników z

ę

batych pod wzgl

ę

dem konstrukcyjnym jest podobna do hydraulicznych

pomp z

ę

batych.

Wskutek dostarczanej pod ci

ś

nieniem cieczy hydraulicznej (oleju) na koła z

ę

bate silnika

działa moment obrotowy, który jest wyprowadzany na wałek silnika.

Silniki z

ę

bate s

ą

zaliczane do silników szybkoobrotowych.

S

ą

one stosowane dla pr

ę

dko

ś

ci obrotowych powy

ż

ej 500 obr/min.

background image

15

Nap

ę

dy hydrauliczne - siłowniki

Hydrauliczne urz

ą

dzenia wykonawcze s

ą

przewa

ż

nie stosowane tam, gdzie wymagane s

ą

du

ż

e siły wzgl. przyspieszenia,

przy równoczesnej małej przestrzeni zabudowy. Poniewa

ż

pomimo uzyskiwania du

ż

ych warto

ś

ci sił poruszane s

ą

małe

masy, to mo

ż

liwe jest szybkie, dynamiczne pozycjonowanie. Dalszymi ich zaletami, w porównaniu z układami

pneumatycznymi, s

ą

wysoka sztywno

ść

i odporno

ść

na uderzenia. Składnikami układów hydraulicznych s

ą

siłowniki

i silniki hydrauliczne. W przeciwie

ń

stwie do układów pneumatycznych, tutaj silnik rotacyjny ma istotne znaczenie,

poniewa

ż

zapewnia du

ż

e momenty obrotowe przy małych momentach bezwładno

ś

ci (stosunek g

ę

sto

ś

ci mocy hydrauliki/

pneumatyki zawiera si

ę

w zakresie od 10 do 25). Dzi

ę

ki temu uzyskuje si

ę

bardzo małe stałe czasowe i tym samym

mo

ż

liwo

ść

bardzo dynamicznej realizacji ruchu obrotowego. Małe warto

ś

ci pr

ę

dko

ś

ci obrotowych daj

ą

si

ę

jednak

realizowa

ć

tylko z wzgl

ę

dnie nierównomiernym ruchem obrotowym. Ruchy translacyjne uzyskiwane s

ą

za pomoc

ą

siłowników hydraulicznych. W aplikacjach o wysokich wymaganiach stosowane s

ą

serwo-siłowniki ze specjalnymi

uszczelkami i bardzo wysok

ą

jako

ś

ci

ą

współpracuj

ą

cych ze sob

ą

powierzchni cylindra i tłoka oraz tłoczyska siłownika.

Przebiegi dynamiczne nap

ę

dów hydraulicznych odznaczaj

ą

si

ę

przede wszystkim małym tłumieniem, które jest ponadto

zale

ż

ne od skoku tłoka i obci

ąż

enia. W poł

ą

czeniu z nowoczesnymi rozwi

ą

zaniami regulacji mo

ż

na realizowa

ć

serwonap

ę

dy hydrauliczne, które maj

ą

du

ż

e dokładno

ś

ci pozycjonowania przy dobrych własno

ś

ciach dynamicznych.

Własno

ś

ci nap

ę

dów hydraulicznych:

Zalety:

• małe gabaryty,

• wysoka dynamika i g

ę

sto

ść

mocy,

• du

ż

a sztywno

ść

,

• du

ż

e mo

ż

liwo

ś

ci pracy.

Wady:

• wysokie koszty całego systemu,

• układ składaj

ą

cy si

ę

z dwóch cz

ęś

ci,

• niezb

ę

dne zasilanie spr

ęż

onym olejem,

• tarcie i zło

ż

ona dynamika utrudniaj

ą

regulacj

ę

.

1 - podstawa
siłownika, 2 - cylinder,
3 - głowica siłownika,
4 - tłok, 5 - tłoczysko,
6 - tuleja prowadz

ą

ca,

7 - tarcza do
mocowania,
8 - uszczelnienie

1

2

3

4

5

6

7

8

Budowa układu hydraulicznego

Siłownik

Zawór
zwrotny

Zawór
zwrotny

Filtr

Odpowietrzanie
zbiornika

Pompa

Zawór ogranicza-

j

ą

cy ci

ś

nienie

Zawór

drogowy

Zawór

nat

ęż

enia

przepływu

Filtr

ssawny

Filtr ci

ś

nieniowy

Filtr powrotny

background image

16

Nap

ę

dy pneumatyczne

Wynikaj

ą

ce z zasady ich działania cechy

takie jak mała i zale

ż

na od pozycji

sztywno

ść

, wzgl

ę

dnie du

ż

e tarcie tłoka

w cylindrze oraz nieliniowe własno

ś

ci

serwozaworów wymagaj

ą

znacznych

nakładów zwi

ą

zanych z regulacj

ą

. Jednak

wraz z trendem do miniaturyzacji
składników pneumatycznych i wzrostem
mo

ż

liwo

ś

ci rmikrokomputerów oczekuje si

ę

wi

ę

kszego zastosowania tego rodzaju

aktuatorów.

Własno

ś

ci nap

ę

dów pneumatycznych:

Zalety:

• du

ż

e mo

ż

liwo

ś

ci robocze,

• szeroki zakres temperatur pracy,

• korzystny stosunek mocy do masy,

• wysoka niezawodno

ść

i pewno

ść

pracy,

• dobry stosunek cena/ mo

ż

liwo

ś

ci.

Wady:

• znaczne nakłady z przygotowaniem spr

ęż

onego

powietrza,

• du

ż

e wymiary (gabaryty),

• tarcie i

ś

ci

ś

liwo

ść

powietrza utrudniaj

ą

regulacj

ę

,

• ograniczona dokładno

ść

pozycjonowania.

Pneumatyczne urz

ą

dzenia nastawiaj

ą

ce wykorzystuj

ą

fizyczne własno

ś

ci spr

ęż

onego powietrza. Wysoka stabilno

ść

kompresji i zdolno

ść

magazynowania energii, a tak

ż

e mała lepko

ść

tego medium transmisyjnego umo

ż

liwiaj

ą

budow

ę

efektywnych i dynamicznie działaj

ą

cych układów nap

ę

dowych. Przy prostej i zwartej budowie (jedno przył

ą

cze) nap

ę

dy

pneumatyczne s

ą

odpowiednie do tego, aby realizowa

ć

ś

rednie warto

ś

ci siły nastawiania (rz

ę

du kilku kN), przy czym mo

ż

na

równocze

ś

nie uzyskiwa

ć

du

ż

e pr

ę

dko

ś

ci ruchów roboczych i du

ż

e całkowite przemieszczenia. Oprócz tych własno

ś

ci

odznaczaj

ą

si

ę

one tak

ż

e wysok

ą

niezawodno

ś

ci

ą

pracy w ekstremalnych warunkach otoczenia (odporno

ść

na

temperatur

ę

, zabrudzenia, przeci

ąż

enia i eksplozj

ę

). Ponadto zapewniona jest odporno

ść

na pola elektromagnetyczne oraz

promieniowanie

ś

wietlne. Przetwarzanie energii pneumatycznej w mechaniczn

ą

jest realizowane po pierwsze w siłownikach

pneumatycznych lub membranowych do uzyskiwania ruchów translacyjnych, a po drugie w silnikach pneumatycznych do
uzyskiwania ruchów rotacyjnych. Budowa szybkich i tak

ż

e dokładnie działaj

ą

cych zespołów pozycjonuj

ą

cych

z wykorzystaniem pneumatycznych aktuatorów za pomoc

ą

tylko czystego sterowania ogólnie nie jest mo

ż

liwa.

Budowa siłownika pneumatycznego

Tłok

Pokrywa zamykaj

ą

ca

Tłoczki tłumi

ą

ce

Tłoczysko

Uszczelka

Pokrywa ło

ż

yskowa

Uszczelka i zgarniacz

zabrudze

ń

Cylinder

Uszczelki tłoka

Nastawialne
tłumienie w
poło

ż

eniu ko

ń

cowym

Nastawialne
tłumienie w
poło

ż

eniu ko

ń

cowym

Tuleja prowadz

ą

ca

background image

17

Bezpo

ś

rednie sterowanie siłowników

Siłownik jednostronnego działania

Siłownik dwustronnego działania

Rodzaje siłowników pneumatycznych

Siłowniki

Zawory

(rozdzielacze)

Ł

ą

czniki drogowe

Zespół roboczy

Zespół

nastawiaj

ą

cy

Urz

ą

dzenia

zadawania

Urz

ą

dzenia

zasilaj

ą

ce

Schemat układu pneumatycznego

Spr

ęż

arka

Odwadniacz/

nawil

ż

acz

Rozdzielacz

background image

18

Liniowy elektryczny zespół

nap

ę

dowy z paskiem z

ę

batym

Liniowy elektryczny zespół nap

ę

dowy

z przekładni

ą

ś

rubow

ą

Nap

ę

dy elektryczne s

ą

stosowane ju

ż

od 1860 r.

Dopiero ok. 100 lat pó

ź

niej ugruntowały swoj

ą

pozycj

ę

w przemy

ś

le nap

ę

dy pneumatyczne, których

sensowne zastosowanie jest do mocy rz

ę

du 3kW

(ci

ś

nienie robocze 0,6 MPa,

ś

rednica siłownika

<100mm).

Natomiast

aplikacje

w

nap

ę

dach

elektrycznych rozci

ą

gaj

ą

si

ę

nawet do mocy rz

ę

du

MW, przy czym ok. 1/3 wszystkich takich nap

ę

dów

zawiera si

ę

w zakresie małych mocy.

Szczególna

konkurencja

pomi

ę

dzy

ż

nymi

rodzajami nap

ę

dów panuje w obszarze realizacji

ruchów liniowych.

I tak w przypadku nap

ę

du

pneumatycznego

uzyskuje

si

ę

mo

ż

liwo

ść

bezpo

ś

redniej realizacji ruchu liniowego.

Natomiast w przypadku nap

ę

dów elektrycznych

z silnikami obrotowymi konieczne jest zastosowanie
odpowiednich

zespołów

mechanicznych.

W aplikacjach maj

ą

cych małe wymagania dotycz

ą

ce

dokładno

ś

ci pozycjonowania i stosunkowo małych sił

nap

ę

dowych mog

ą

to by

ć

przekładnie pasowe

z

ę

bate. Natomiast w aplikacjach o wy

ż

szych

wymaganiach, zarówno w zakresie obci

ąż

e

ń

jak

i

dokładno

ś

ci

pozycjonowania,

do

zamiany

obrotowego ruchu silnika elektrycznego na ruch
liniowy stosuje si

ę

przekładnie

ś

rubowe toczne.

Liniowy beztłoczyskowy pneumatyczny

zespół nap

ę

dowy

Przykłady liniowych zespołów nap

ę

dowych

Zalety elektropneumatycznych układów sterowania:

wysoka niezawodno

ść

(mała liczba ulegaj

ą

cych zu

ż

yciu, ruchomych elementów

mechanicznych),

zmniejszone nakłady zwi

ą

zane z projektowaniem i instalacj

ą

, szczególnie

w rozbudowanych układach sterowania,

zmniejszone nakłady instalacyjne, szczególnie przy zastosowaniu nowoczesnych

zespołów, takich jak np. wyspy zaworowe,

prosta wymiana informacji pomi

ę

dzy wieloma układami sterowania.

Obecnie elektropneumatyczne układy sterowania s

ą

bardzo rozpowszechnione w praktyce

przemysłowej, a zastosowanie czysto pneumatycznych układów jest ograniczone do
niewielu, specjalnych aplikacji.

Własno

ś

ci elektropneumatycznych układów sterowania

Sterownik komputerowy

(sygnały elektryczne)

Elektrycznie sterowany
(uruchamiany) zawór drogowy

Siłownik

z czujnikami

zbli

ż

eniowymi

background image

19

Adaptronika jako klucz do innowacji

Czy w przyszło

ś

ci b

ę

dziemy mieli takie wyroby, które podczas pracy nie b

ę

d

ą

hałasowały (np. lodówki,

samochody itp.)? Wymaga to rozwoju aktywnych układów do tłumienia hałasu i drga

ń

, co mo

ż

na

osi

ą

gn

ąć

przez zastosowanie innowacyjnych rozwi

ą

za

ń

układów adaptacyjnych, które za pomoc

ą

zintegrowanych czujników i aktuatorów samoczynnie dostosowuj

ą

si

ę

do zmieniaj

ą

cych si

ę

warunków

otoczenia, czyli adaptroniki.

Adaptronika jest okre

ś

lana jako cz

ęść

mechatroniki (obszar technologii) dla uzyskiwania nowej klasy tzw.

zaawansowanych (inteligentnych) struktur. W takich zaawansowanych, aktywnych systemach konwencjonalne
układy s

ą

rozszerzone o dodatkowe składniki, przede wszystkim czujniki i aktuatory, wykonane zwykle na bazie

wielofunkcjonalnych materiałów (takich jak np. piezoelektryki), które s

ą

powi

ą

zane z odpowiednimi regulatorami

i innymi składnikami (sprz

ę

t i oprogramowanie do przetwarzania sygnałów i wzmacniania mocy). Takie systemy

mechatroniczne (adaptroniczne) umo

ż

liwiaj

ą

np. aktywne tłumienie hałasu i drga

ń

, a tak

ż

e kontrol

ę

kształtu

i poło

ż

enia. W ten sposób uzyskuje si

ę

mo

ż

liwo

ść

dopasowania struktur do zmieniaj

ą

cych si

ę

warunków pracy,

dzi

ę

ki czemu mo

ż

na znacznie poprawi

ć

bezpiecze

ń

stwo, funkcjonalno

ść

i komfort u

ż

ytkowania wyrobów. Celem

zastosowania takich zaawansowanych struktur jest tak

ż

e zmniejszenie obci

ąż

e

ń

, wydłu

ż

enie trwało

ś

ci, poprawa

wykorzystania zasobów, redukcja kosztów eksploatacji i piel

ę

gnacji oraz uproszczenie rozwoju wyrobów.

Przeno-

szenie siły

Podstaw

ą

adaptacyjnych systemów strukturalnych (adaptronicznych)

s

ą

materiały funkcjonalne, które stosuje si

ę

jako sensory i aktuatory.

Takie materiały maj

ą

za zadanie przetwarzanie jednych wielko

ś

ci

fizycznych w inne i odwrotnie. Ró

ż

norodne tego rodzaju materiały s

ą

wra

ż

liwe na pola elektryczne i magnetyczne, ciepło czy

ś

wiatło

(czujniki), a reaguj

ą

siłami lub odkształceniami (aktuatory - działanie

wykonawcze). Takimi materiałami s

ą

ceramika piezoelektryczna, stopy

magnetostrykcyjne,

ż

ele polimerowe, włókna optyczne (

ś

wiatłowody),

itp. W

ś

ród celów adaptroniki mo

ż

na wymieni

ć

: aktywne tłumienie drga

ń

i hałasu, aktywn

ą

regulacj

ę

kształtu, aktywn

ą

regulacj

ę

poło

ż

enia,

rozpoznawanie uszkodze

ń

w wielofunkcyjnych lekkich strukturach

konstrukcyjnych itd.

Pole

elektryczne

Pole

magnetyczne

Ciepło

Ś

wiatło

Ładunek
Napi

ę

cie

Oporno

ść

Indukcyjno

ść

Oporno

ść

Nat

ęż

enie

ś

wiatła

Ceramika piezoelektryczna
Polimery piezoelektryczne
Ceramika elektrostrykcyjna
Ciecze elektroreologiczne

ś

ele polimerowe

Stopy magnetostrykcyjne
Ciecze magnetoreologiczne

Stopy z pami

ę

ci

ą

kształtu

Polimery z pami

ę

ci

ą

kształtu

Hybrydowe zestawy materiałów

ś

ele polimerowe

Elekrostrykcyjne

ż

ele polimerowe

Materiały fotomechaniczne
Włókna optyczne

ś

ele polimerowe

Siła mechaniczna

Odkształcenie

itp.

Aktuator

Sensor

Materiały funkcyjne zmieniaj

ą

(przetwarzaj

ą

) jedne wielko

ś

ci

fizyczne na inne

background image

20

Nowe rodzaje aktuatorów

Dzi

ę

ki badaniom nad materiałami i zastosowaniem nowoczesnych technologii wytwarzania w ostatnim czasie zostały

ulepszone liczne „niekonwencjonalne” wzgl. opracowane nowe rozwi

ą

zania aktuatorów. Wspóln

ą

cech

ą

w takich członach

wykonawczych jest wykorzystanie szczególnych zjawisk (efektów) fizycznych, jakie wyst

ę

puj

ą

w poł

ą

czeniu z nowymi

materiałami bazowymi. Techniczne wykonania maj

ą

wysoki stopie

ń

specjalizacji, z czym zwi

ą

zane jest ograniczenie

obszarów zastosowa

ń

. Ponadto bardzo du

ż

e koszty materiałów hamuj

ą

ich szersze rozpowszechnienie. Jednak rozwój

np. aktuatorów piezoelektrycznych wskazuje na du

ż

e perspektywy. I tak np. piezoelektryczne człony wykonawcze maj

ą

zdolno

ść

przetwarzania zarówno wielko

ś

ci mechanicznych w elektryczne jak i elektrycznych w mechaniczne. To

dwukierunkowe przetwarzanie daje si

ę

wykorzysta

ć

m.in. do zada

ń

przemieszczania. Techniczne wykorzystanie efektu

piezoelektrycznego jest jednak mo

ż

liwe tylko przez zastosowanie odpowiedniej piezoceramiki.

W poł

ą

czeniu z polami elektrycznymi w zakresie [kV/m] daj

ą

si

ę

uzyska

ć

zmiany długo

ś

ci w zakresie µm. Ruch roboczy jest sterowany

przez podawanie napi

ę

cia. Jego realizacja odbywa si

ę

w czasie kilku

µs z mo

ż

liwo

ś

ci

ą

pokonywania du

ż

ych sił oporu. Zastosowanie

aktuatorów piezoelektrycznych powinno si

ę

odbywa

ć

przy

uwzgl

ę

dnieniu termicznych i mechanicznych warunków pracy.

Elementy piezoceramiczne s

ą

bardzo cienkimi, kruchymi materiałami,

które maj

ą

własno

ś

ci zale

ż

ne od temperatury i procesów starzenia.

Dlatego te

ż

ekstremalne obci

ąż

enia łatwo prowadz

ą

do powstania

zjawiska depolaryzacji materiału i tym samym osłabienia efektu
piezoelektrycznego. Ponadto nale

ż

y zwraca

ć

uwag

ę

na to,

ż

e

spowodowane działaniem ciepła (temperatury) warto

ś

ci zmiany

długo

ś

ci mog

ą

by

ć

rz

ę

du zakresu pracy aktuatora.

Własno

ś

ci aktuatorów piezoelektrycznych:

Zalety:

• du

ż

e siły działania przy bardzo wysokiej dynamice,

• w pracy statycznej mały pobór mocy,

• du

ż

a dost

ę

pno

ść

materiałów ceramicznych,

• wysoka g

ę

sto

ść

mocy,

• praktycznie nie ulegaj

ą

zu

ż

yciu.

Wady:

• tylko bardzo małe zakresy realizacji przemieszcze

ń

,

• silne nagrzewanie przy du

ż

ych cz

ę

stotliwo

ś

ciach pracy,

• zale

ż

ne od temperatury i starzenia własno

ś

ci materiałów,

• konieczny zasilacz wysokiego napi

ę

cia do sterowania

• luzy i histereza.

Płytki
piezoceramiczne

Droga X

Droga X

Efekt wydłu

ż

enia

Aktuatory magnetostrykcyjne

W ró

ż

nych materiałach ferromagnetycznych wskutek działania zewn

ę

trznego pola magnetycznego zmieniaj

ą

si

ę

odległo

ś

ci mi

ę

dzy atomami. Dzi

ę

ki temu za pomoc

ą

sterowanej siły (nat

ęż

enia) pola magnetycznego daje si

ę

uzyskiwa

ć

zmiany długo

ś

ci (zjawisko magnetostrykcji), których warto

ś

ci dla materiałów o du

ż

ej

magnetostrykcyjno

ś

ci wynosz

ą

1- 2 mm/ m. Uzyskiwane siły s

ą

wi

ę

ksze ni

ż

dla porównywalnych

piezoaktuatorów i s

ą

rz

ę

du 500 N/mm.

Charakterystyka i budowa aktuatora magnetostrykcyjnego

Magnetostrykcyjne aktuatory s

ą

jeszcze obecnie

w stadium rozwoju. Dost

ę

pno

ść

stopów metali

z własno

ś

ciami magnetostrykcyjnymi jest silnie

ograniczona, a ich ceny s

ą

odpowiednio wysokie.

Najwa

ż

niejszymi technicznymi rozwi

ą

zaniami s

ą

magnetostrykcyjne aktuatory liniowe, które
pozwalaj

ą

na uzyskiwanie bardzo dokładnych

ruchów w maksymalnych zakresach 50 - 200 µm
i warto

ś

ciach sił do 20 kN. Tworzenie pola

magnetycznego mo

ż

na efektywnie uzyskiwa

ć

np.

przez sterowanie warto

ś

ci

ą

pr

ą

du

Własno

ś

ci aktuatorów magnetostrykcyjnych:

Zalety:

• du

ż

e warto

ś

ci siły działania,

• bardzo wysoka dynamika wzgl. cz

ę

stotliwo

ść

pracy,

• du

ż

y zakres temperatur pracy,

• zwarta budowa,

• praktycznie nie ulegaj

ą

zu

ż

yciu.

Wady:

• drogie i trudno dost

ę

pne materiały,

• histereza,

• pobór pr

ą

du podczas pracy statycznej,

• pier

ś

cieniowa budowa,

• silne nagrzewanie przy wysokich cz

ę

stotliwo

ś

ciach.

Nat

ęż

enie pola H

Pr

ę

t

terfenolowy

O

d

k

s

z

ta

łc

e

n

ie

εεεε

Cewka

Obudowa

background image

21

Ciecze magnetoreologiczne w tłumieniu drga

ń

Bez oddziaływania pola magnetycznego ciecz
magnetoreologiczna zachowuje si

ę

jak ciecz

Newtonowska.

Zastosowanie cieczy magnetoreologicznej do
regulowanego tłumienia drga

ń

jest od pewnego

czasu przedmiotem intensywnych prac
badawczych. S

ą

ju

ż

tak

ż

e pierwsze aplikacje

w samochodach.

I tak np. układy tłumienia drga

ń

o nazwie

Magneride” firmy Delphi s

ą

stosowane w

samochodach Audi model TT oraz w Corvette
i Ferrari.

Zastosowania układów tłumienia drga

ń

z zastosowaniem cieczy magnetoreologicznej s

ą

mo

ż

liwe w ró

ż

nych

obszarach. Przykładem jest tłumienie drga

ń

w mostach. Innymi mo

ż

liwymi zastosowaniami jest tłumienie

ruchów i drga

ń

w obrabiarkach, robotach i maszynach manipulacyjnych. We wszystkich tych potencjalnych

przypadkach zastosowa

ń

zalety tłumienia drga

ń

za pomoc

ą

cieczy magnetoreologicznej mo

ż

na wykorzysta

ć

tylko wtedy, gdy tłumiony układ (obiekt regulacji) b

ę

dzie mo

ż

na wystarczaj

ą

co dokładnie odwzorowa

ć

za

pomoc

ą

modelu i przeprowadzi

ć

symulacj

ę

, aby móc w sposób niezawodny regulowa

ć

tłumienie.

Ciecze magnetoreologiczne s

ą

jednorodnymi mieszaninami składaj

ą

cymi si

ę

z cieczy z zawartymi w niej drobnymi

cz

ą

stkami stałymi (Suspension). Stałe cz

ą

stki maj

ą

wielko

ść

0,1 do 10 µm i składaj

ą

si

ę

z materiału

ferromagnetycznego. S

ą

one umieszczone w cieczy na bazie oleju silikonowego lub mineralnego albo te

ż

wody. Pod

wpływem pola magnetycznego nast

ę

puje wi

ą

zanie si

ę

ze sob

ą

cz

ą

stek ferromagnetycznych. Uzyskuje si

ę

silnie

anizotropowe przebiegi ze zmieniaj

ą

c

ą

si

ę

lepko

ś

ci

ą

a

ż

do stanu ciała stałego.

Wysokie

ci

ś

nienie

Niskie

ci

ś

nienie

Linie pola

magnetycznego

Ź

ródło pola

elektromagnety-

cznego (cewka)

Kierunek ruchu

Efekt magneto-

reologiczny

Ciecz magneto-

reologiczna

Aktuatory z pami

ę

ci

ą

kształtu

Zupełnie nowy rodzaj aktuatorów jest wykonywany z tzw. stopów z pami

ę

ci

ą

kształtu (ang. Memory-

Metalle), zaliczanych do materiałów zaawansowanych (ang. Inteligent Materiale). Stopy z pami

ę

ci

ą

kształtu przy osi

ą

gni

ę

ciu okre

ś

lonej temperatury zmieniaj

ą

skokowo swój stan, czyli kurcz

ą

si

ę

,

rozci

ą

gaj

ą

si

ę

, lub te

ż

staj

ą

si

ę

super-elastyczne. Własno

ś

ci te mo

ż

na porówna

ć

ze znanymi

powszechnie elementami nastawiaj

ą

cymi z bimetalami. Równie

ż

w bimetalach wyst

ę

puje podwójna

funkcja, a mianowicie taki element mo

ż

e by

ć

równocze

ś

nie sensorem i aktuatorem (np. wł

ą

cznik

termiczny). Jednak inaczej ni

ż

w bimetalach, które przy ogrzewaniu odkształcaj

ą

si

ę

w sposób ci

ą

gły,

w przypadku stopów z pami

ę

ci

ą

kształtu przy okre

ś

lonej temperaturze nast

ę

puje spontaniczna reakcja

w postaci zmiany kształtu.

Zjawisko „pami

ę

tania” przez metale zostało odkryte przypadkowo przed 35-laty w stopach miedzi.

ź

niej efekt ten stwierdzono tak

ż

e w stopach tytanu i niklu, które obecnie okazały si

ę

najbardziej

efektywne w zastosowaniach praktycznych.

Termo-

bimetal

Austenit –

temperatura

ko

ń

cowa

Martenzyt –

temperatura

ko

ń

cowa

Martenzyt –

temperatura

pocz

ą

tkowa

Austenit –

temperatura

pocz

ą

tkowa

100%

0%

Udział martenzytu

Wzgl

ę

dna zmiana długo

ś

ci

∆∆∆∆

L

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

∆∆∆∆

L

background image

22

Stopy z pami

ę

ci

ą

kształtu

Fizycznym wyja

ś

nieniem zjawiska pami

ę

ci kształtu jest wyst

ę

powanie dwóch rodzajów sieci

krystalicznych, pomi

ę

dzy którymi takie stopy zmieniaj

ą

swoj

ą

struktur

ę

. Te struktury sieci krystalicznych

s

ą

okre

ś

lane jako austenit i martenzyt. Podczas nagrzewania i chłodzenia struktura sieci krystalicznej

stopu przechodzi z fazy niskiej temperatury martenzytu w faz

ę

wysokiej temperatury austenitu.

Martenzyt

Martenzyt (odkształcony)

Chłodzenie

Odkształcanie

Austenit

Nagrzewanie

Rozwój w obszarze elektroniki odbywa si

ę

tylko w jednym kierunku: urz

ą

dzenia powinny by

ć

coraz mniejsze,

coraz szybsze i bardziej efektywne. Ta miniaturyzacja mo

ż

e by

ć

dalej kontynuowana tylko wtedy, gdy do

dyspozycji b

ę

d

ą

w pełni nowe materiały. Materiały zaawansowane (ang. Intelligente), które ł

ą

cz

ą

w sobie

specjalne własno

ś

ci mechaniczne, elektryczne i optyczne sprawiaj

ą

,

ż

e mo

ż

liwe jest poł

ą

czenie ró

ż

nych funkcji

w małej przestrzeni. Takie nowe materiały umo

ż

liwiaj

ą

rozwój i produkcj

ę

zupełnie nowych elementów

elektronicznych. Przykładami zespołów mechatronicznych s

ą

np. czujniki temperatury w układach hamulcowych

samochodu i czujniki ci

ś

nienia w kołach. Elementy z tworzyw sztucznych powinny w przyszło

ś

ci spełnia

ć

nie tylko

rol

ę

obudowy, ale tak

ż

e doprowadza

ć

ś

wiatło, ciepło lub pr

ą

d. W zminiaturyzowanych zespołach materiały

zaawansowane (funkcjonalne) powinny przej

ąć

liczne zadania, dla realizacji których dotychczas były wymagane

oddzielne składniki. Dlatego te

ż

prowadzone s

ą

intensywne badania dotycz

ą

ce rozwoju odpowiednich materiałów

z całkowicie nowymi własno

ś

ciami. Rozwijane s

ą

przede wszystkim tworzywa sztuczne, ale tak

ż

e stopy metali

i materiały ceramiczne z celowo nastawialnymi mechanicznymi, elektrycznymi, termicznymi, magnetycznymi,
optycznymi oraz uaktywnianymi laserowo własno

ś

ciami. Równolegle do opracowywania nowych materiałów s

ą

rozwijane nowe metody (techniki) wytwarzania, które zapewni

ą

szybsz

ą

i ta

ń

sz

ą

produkcj

ę

.

Przykładem sensownego zastosowania tworzyw sztucznych z własno

ś

ciami

magnetycznymi jest cienki mechatroniczny silnik elektryczny o wielko

ś

ci

palca, który w samochodzie mo

ż

e sterowa

ć

przepustnic

ę

lub regulowa

ć

szeroko

ść

wi

ą

zki

ś

wiatła reflektorów. Silnik ten w cało

ś

ci składa si

ę

z tworzywa sztucznego. Dzi

ę

ki domieszce materiałów magnetycznych

(ferrytu) mo

ż

e on by

ć

nap

ę

dzany zewn

ę

trznym polem magnetycznym.

Zaletami takiego rozwi

ą

zania jest tanie wytwarzanie przez formowanie

wtryskowe, a tak

ż

e zintegrowanie czujnika, który zapewnia dokładne

ustawianie osi.
Natomiast takimi materiałami, które mo

ż

na celowo uaktywnia

ć

za pomoc

ą

promieni lasera s

ą

takie jak np. obecnie stosowane w wytwarzaniu

aparatów słuchowych. Promie

ń

lasera tworzy bezpo

ś

rednio w tworzywie

sztucznym obudowy

ś

cie

ż

ki przewodz

ą

ce pr

ą

d elektryczny, co pozwala na

poł

ą

czenie funkcji mechanicznych i elektrycznych.

Zastosowanie zaawansowanych materiałów w wyrobach

mechatronicznych

background image

23

Elektryczny serwonap

ę

d

Układ

sterowania

maszyny

Regulator

cyfrowy

Zasilacz

elektryczny

Elektryczny
serwo-silnik

Moc

Czujnik

poło

ż

enia

Sieci

miejscowe

(ang. Fieldbus)

Integracja

Falo-

wnik

Przykłady serwonap

ę

dów elektrycznych i ich zastosowania

W skład serwonap

ę

du mog

ą

wchodzi

ć

np. silniki

asynchroniczne pr

ą

du przemiennego zasilane falownikami.

Silniki te mog

ą

mie

ć

wbudowany encoder, umo

ż

liwiaj

ą

cy

pomiar poło

ż

enia k

ą

towego wirnika.

Maj

ą

one zastosowanie m.in. w takich obiektach

(maszynach) jak: maszyny pakuj

ą

ce, monta

ż

komponentów

na płytkach drukowanych, głowice narz

ę

dziowe,

etykieciarki, maszyny dla przemysłu spo

ż

ywczego,

nawijarki ze sterowanym naci

ą

giem.

Mo

ż

liwa jest zmiana trybu pracy pomi

ę

dzy: sterowaniem

poło

ż

eniem (pozycj

ą

), pr

ę

dko

ś

ci

ą

i momentem.

background image

24

Główne zastosowania serwo-silników

Czterema głównymi obszarami zastosowania serwo-silników s

ą

: linie monta

ż

owe,

obrabiarki, maszyny pakuj

ą

ce oraz transport i przeładunek materiałów.

Spo

ś

ród innych obszarów (19,2%) obserwuje si

ę

rosn

ą

ce zainteresowanie takimi

zastosowaniami serwo-silników, w których dotychczas nie były one stosowane, np.
ogrzewnictwo, wentylacja i klimatyzacja, czy sterowanie bramami.

M

as

zy

n

y

i u

rz

ą

dz

en

ia

po

lig

ra

fic

zn

e

Li

ni

e

m

on

ta

ż

ow

e

U

d

z

ia

ł

z

a

s

to

s

o

w

a

ń

%

0

10

20

30

O

br

ab

ia

rk

i

M

as

zy

ny

p

ak

uj

ą

ce

S

pr

z

ę

t d

o

tr

an

sp

or

tu

i p

rz

ad

un

ku

P

rz

em

ys

ł

m

ot

or

yz

ac

yj

n

y

P

rz

em

ys

ł

pa

pi

er

ni

cz

y

21

16,8

13,8

11,4

8,4

6

3,6

Serwonap

ę

d typu Simotion (firmy Siemens),

w którym po raz pierwszy sterowanie ruchem
i funkcje technologiczne zostały poł

ą

czone w jednej

jednostce steruj

ą

cej, jest dobrym rozwi

ą

zaniem dla

maszyn mechatronicznych.

W Simotion wiele zwyczajowo rozdzielanych funkcji
zostało zintegrowanych w jednej jednostce, tworz

ą

c

w ten sposób przejrzyste rozwi

ą

zanie dla

producentów maszyn. Poł

ą

czenie sterowania

ruchem i zada

ń

technologicznych ma równie

ż

zalety z punktu widzenia kosztów inwestycji.

Simotion składa si

ę

z trzech podstawowych

komponentów: oprogramowania projektowego
Scout, zawieraj

ą

cego narz

ę

dzie do konfiguracji

systemu i zarz

ą

dzania projektem, oprogramowania

wykonawczego (Runtime

-

software), którego moduły

mog

ą

by

ć

optymalnie dopasowane do wymaga

ń

oraz dost

ę

pnej w ró

ż

nych wariantach platformy

sprz

ę

towej.

Simotion

jest odpowiednim rozwi

ą

zaniem dla

maszyn maj

ą

cych wiele osi, dla których odej

ś

cie od

konwencjonalnej techniki z centralnym sterowaniem
i sprz

ęż

onymi mechanicznie osiami staje si

ę

coraz

cz

ęś

ciej nieuniknione. Ma to miejsce przede

wszystkim w takich bran

ż

ach, jak opakowania,

przetwórstwo tworzyw sztucznych, prasy i maszyny
do obróbki drewna.

Przykład serwonap

ę

du typu SIMOTION (Siemens)

PROFIBUS – miejscowa sie

ć

komunikacyjna.

background image

25

Cyfrowe sprz

ęż

enie zwrotne w nowoczesnych

serwonap

ę

dach

Sprz

ęż

enia zwrotne

Moc silnika

Switch POSI
AX 5000

ą

czone urz

ą

dzenia

mocy:
- styczniki,
- przeka

ź

niki,

- urz

ą

dzenia

półprzewodnikowe.

Parametry

Parametry
Konfiguracja

P

a

ra

m

o

d

u

ł

System programowy do

konfiguracji i parametryzacji

Przemiennik cz

ę

stotliwo

ś

ci

Nap

ę

dy elektryczne w obrabiarkach

Pulpit obsługi
układu
sterowania
numerycznego
CNC

Silniki
elektryczne
(nap

ę

du

głównego,
nap

ę

dów

posuwu
i pomocnicze)

Sterowniki
nap

ę

dów

background image

26

Zastosowanie nap

ę

dów bezpo

ś

rednich przynosi nast

ę

puj

ą

ce korzy

ś

ci:

wzrost produktywno

ś

ci maszyny (np. obrabiarki) dzi

ę

ki mo

ż

liwo

ś

ci wykorzystania lepszych własno

ś

ci

dynamicznych nap

ę

dów,

zmniejszenie kosztów eksploatacji przez obni

ż

enie zu

ż

ycia elementów i piel

ę

gnacji nap

ę

dów,

znaczne zwi

ę

kszenie trwało

ś

ci w porównaniu z nap

ę

dami zawieraj

ą

cymi silniki obrotowe, co przyczynia

si

ę

tak

ż

e do zmniejszenia wyst

ę

powania awarii,

uzyskiwane dokładno

ś

ci, jako

ść

regulacji, współczynniki wzmocnienia i sztywno

ś

ci mog

ą

by

ć

o rz

ą

d

wy

ż

sze ni

ż

w konwencjonalnych nap

ę

dach z silnikami obrotowymi i mechanicznymi elementami

przenoszenia nap

ę

du.

Zastosowanie nap

ę

dów bezpo

ś

rednich jest tak

ż

e zwi

ą

zane z nast

ę

puj

ą

cymi wadami:

wy

ż

sze wydzielanie ciepła powoduje konieczno

ść

kompensacji przez intensywne chłodzenie

z wykorzystaniem dodatkowych urz

ą

dze

ń

chłodz

ą

cych,

konieczne jest uwzgl

ę

dnienia w prowadnicach sił przyci

ą

gania wyst

ę

puj

ą

cych pomi

ę

dzy elementem

pierwotnym i wtórnym,

brak przeło

ż

enia mechanicznego wymaga konieczno

ś

ci zastosowania wi

ę

kszej liczby aktywnych cz

ęś

ci

elektrycznych i wi

ę

kszej ilo

ś

ci energii.

Jednak proste zast

ą

pienie po

ś

redniego nap

ę

du przez nap

ę

d bezpo

ś

redni nie przynosi jeszcze

ż

adnych

zysków. Wymaga to takiego dopasowania konstrukcji maszyn, aby mo

ż

na było wykorzysta

ć

korzy

ś

ci

wynikaj

ą

ce z zastosowania rozwi

ą

zania z nap

ę

dem bezpo

ś

rednim. Dzi

ę

ki zastosowaniu odpowiednich

modeli mechatronicznych mo

ż

liwe jest wykazanie oraz odwzorowanie zale

ż

no

ś

ci i wzajemnych

oddziaływa

ń

zespołów maszyny, nap

ę

dów elektrycznych, sterowania i regulacji. Umo

ż

liwia to

okre

ś

lenie korzy

ś

ci, które przyniesie zastosowanie nap

ę

dów bezpo

ś

rednich jeszcze zanim maszyna

zostanie w rzeczywisto

ś

ci zbudowana.

Cechy nap

ę

dów bezpo

ś

rednich w budowie maszyn

Mo

ż

liwo

ść

realizacji du

ż

ych

warto

ś

ci przyspiesze

ń

(do

3,5 m/s

2

) zapewnia

uzyskiwanie szybkich
nawrotów stołu roboczego
szlifierki w cyklu
szlifowania.

Zastosowanie bezpo

ś

rednich nap

ę

dów liniowych

np. w szlifierce typu Ecoline przyczynia si

ę

do

zredukowania czasu obróbki przedmiotu nawet
o 75%. Du

ż

e pr

ę

dko

ś

ci ruchów szybkich

(dostawczych) obrabiarki powoduj

ą

skrócenie

czasów pomocniczych.

Bezpo

ś

redni nap

ę

d liniowy w szlifierce

background image

27

Własno

ś

ci bezpo

ś

rednich nap

ę

dów liniowych

Uzyskuje si

ę

maksymalne pr

ę

dko

ś

ci ruchu

bez ograniczania warto

ś

ci przemieszcze

ń

.

Zastosowanie silników liniowych jest sensowne wsz

ę

dzie tam, gdzie wyst

ę

puje du

ż

y

udział cykli obróbkowych realizowanych z maksymalnie mo

ż

liwymi pr

ę

dko

ś

ciami

ruchu.

Równie

ż

w urz

ą

dzeniach załadowczych silniki liniowe zapewniaj

ą

uzyskiwanie

du

ż

ych oszcz

ę

dno

ś

ci czasu, poniewa

ż

urz

ą

dzenia manipulacyjne bez

transportowania ładunków (przedmiotów) mog

ą

si

ę

bardzo szybko przemieszcza

ć

.

Długie osie (du

ż

e przemieszczenia) mo

ż

na uzyskiwa

ć

przez kolejne umieszczenie

odpowiednich cz

ęś

ci wtórnych silnika liniowego.

Praktycznie nie ma

ż

adnego ograniczenia warto

ś

ci drogi przemieszczenia.

Dzi

ę

ki wyeliminowaniu np. pasów z

ę

batych i tocznych

ś

rub poci

ą

gowych znacznie

upraszcza si

ę

monta

ż

zespołu posuwowego, zmniejszaj

ą

si

ę

nakłady zwi

ą

zane

z piel

ę

gnacj

ą

oraz wydłu

ż

a

ż

ywotno

ść

, a tak

ż

e

zwi

ę

kszaj

ą

własno

ś

ci dynamiczne

(np. przyspieszenia 2 g), uzyskiwane pr

ę

dko

ś

ci (rz

ę

du 120 m/min) i dokładno

ś

ci

.

Poniewa

ż

w hydraulicznych i pneumatycznych układach nap

ę

dowych stosowane s

ą

siłowniki, to takie rozwi

ą

zania mog

ą

by

ć

szczególnie korzystne w realizacji

przemieszcze

ń

liniowych zespołów roboczych maszyn. Układy elektryczne, oparte

na obracaj

ą

cych si

ę

silnikach, wymagaj

ą

stosowania specjalnych zespołów

mechanicznych (przekładni) do uzyskiwania ruchu posuwistego (liniowego).

Przy doborze zespołów realizuj

ą

cych ruch nale

ż

y bra

ć

pod uwag

ę

m.in. nast

ę

puj

ą

ce

czynniki:

Dokładno

ść

i powtarzalno

ść

ruchu – sterowane elektronicznie serwomechanizmy

zapewniaj

ą

najwy

ż

szy poziom dokładno

ś

ci i powtarzalno

ś

ci. W aplikacjach

wymagaj

ą

cych utrzymywania stałego ci

ś

nienia (siły) w nieruchomym zespole

korzystne jest zastosowanie układów hydraulicznych.

Zło

ż

ono

ść

– w aplikacjach wieloosiowych (kilka ruchomych zespołów roboczych)

najlepszym rozwi

ą

zaniem jest zastosowanie układów serwomechanizmowych

sterowanych cyfrowo ze wzgl

ę

du na mo

ż

liwo

ść

dokładnej ich synchronizacji.

Wydajno

ść

– zwi

ę

kszenie wydajno

ś

ci maszyny technologicznej czy linii

produkcyjnej mo

ż

na uzyska

ć

dzi

ę

ki zastosowaniu zespołów nap

ę

dzanych

elektrycznie (osi

ą

gane pr

ę

dko

ś

ci ruchu s

ą

rz

ę

du 10 m/s, a zatem dwukrotnie

wi

ę

ksze ni

ż

z nap

ę

dami pneumatycznymi i hydraulicznymi).

Koszty inwestycyjne, eksploatacyjne i utrzymania ruchu – to kryterium nie
powinno decydowa

ć

o wyborze rodzaju nap

ę

du, gdy

ż

konieczne jest ich

oszacowanie dla konkretnych przypadków zastosowa

ń

.

Czynniki wpływaj

ą

ce na wybór rodzaju nap

ę

du

background image

28

Od producentów (dostawców) zespołów nap

ę

dowych i urz

ą

dze

ń

automatyki wymaga si

ę

takich wyrobów

i systemów, za pomoc

ą

których mo

ż

na zwi

ę

kszy

ć

wydajno

ść

, niezawodno

ść

i dokładno

ść

pracy maszyn.

Szczególnym wymaganiem jest tak

ż

e to, aby wyroby te były tanie i zapewniały szeroki obszar zastosowa

ń

w ró

ż

nych dziedzinach, regionach i aplikacjach. Chodzi zatem o tak elastycznie rozwi

ą

zany wyrób, który

mo

ż

e by

ć

łatwo dostosowany do okoliczno

ś

ci.

Nap

ę

d działa zwykle za po

ś

rednictwem elektromechanicznego przetwornika energii – silnika – cz

ę

sto przy

pomocy elementów (zespołów) mechanicznych takich jak przekładnie, na przebieg procesu obróbki
(obrabiarki), transportu (przeno

ś

nik) lub produkcji. Matematyczny opis procesu jak równie

ż

zastosowanie

odpowiednich sensorów i metod regulacji s

ą

podstaw

ą

budowy odpowiedniego układu nap

ę

dowego.

Dlatego te

ż

z analizy procesu wynikaj

ą

wymagania dotycz

ą

ce nap

ę

dów:

dobór odpowiednich silników i zespołów przeniesienia nap

ę

du (np. przekładnia,

ś

ruba poci

ą

gowa),

mo

ż

liwo

ść

zastosowania ró

ż

nych układów pomiarowych do uzyskiwania wymaganych wielko

ś

ci stanu takich

jak poło

ż

enie, pr

ę

dko

ść

obrotowa czy przyspieszenie,

nowoczesne (zaawansowane) metody regulacji, aby uzyska

ć

wymagane dokładno

ś

ci wielko

ś

ci zwi

ą

zanych

z procesem,

zapewnienie odpowiednio du

ż

ej liczby funkcji technologicznych, np.sterowanie ruchem MC (ang. Motion

Control).

W przedsi

ę

biorstwie produkcyjnym od poziomu zarz

ą

dzania, przez sterowanie maszyn a

ż

do regulacji nap

ę

dów

wyst

ę

puje ci

ą

gła wymiana informacji. Ogólnym wymaganiem jest tutaj szybki i powszechny dost

ę

p do

wielko

ś

ci stanu, parametrów i programów. Je

ż

eli ruchy s

ą

ś

ci

ś

le koordynowane w ramach MC, to takie

aplikacje wymagaj

ą

pracy z twardym czasem rzeczywistym, przy ci

ą

gle rosn

ą

cej liczbie uczestników

komunikacji. Wymaganiami wynikaj

ą

cymi z rozpatrywania informacji dla nap

ę

dów s

ą

:

istnienie konwencjonalnych cyfrowych i analogowych interfejsów sygnałów,

mo

ż

liwo

ś

ci integracji regulatora nap

ę

du w ró

ż

nych sterownikach przy akceptacji ró

ż

norodnych miejscowych

sieci komunikacyjnych (ang. Fieldbus).

Wymagania dotycz

ą

ce nap

ę

dów

Wła

ś

ciwo

ś

ci ró

ż

nych rodzajów nap

ę

dów

Bezpieczny

Du

ż

e moce

z małej

obj

ę

to

ś

ci

Łatwo

ść

przesyłu

i magazynowania

energii

Zalety

Hała

ś

liwy

Wycieki,

kłopotliwe

dostarczanie

energii

Zakłócenia

elektryczne

i magnetyczne,

nagrzewanie

Wady

Ni

ż

szy

Wy

ż

szy

Normalny

Serwis (wzgl

ę

dnie)

Lepsza

Gorsza

Normalna

Trwało

ść

(wzgl

ę

dna)

0.1

0.1 – 0.05

0.005

Dokładno

ść

pozycjonowania

[mm]

0.05 – 30

0.002 – 2

0.001 – 5

Pr

ę

dko

ść

liniowa [m/s]

0.05 – 3

0.02 – 2

0.3 – 5

Zakres ruchu liniowego [m]

50 – 150

50

25

Przeci

ąż

alno

ść

[%]

1

30

10 – 120

Sztywno

ść

[kN/mm]

>10

7

6 10

6

5 - 9 10

6

Wytrzymało

ść

[cykli]

300

650

25 – 150

Moc z jednostki [W/kg]

15 – 25

30 – 25

50 – 55

Sprawno

ść

[%]

Pneumatyczny

Pneumatyczny

Hydrauliczny

Hydrauliczny

Elektryczny

Elektryczny

Typ nap

ę

du

Typ nap

ę

du

Porównywana wła

ś

ciwo

ść

Porównywana wła

ś

ciwo

ść

background image

29

Charakterystyka aktuatorów: zale

ż

no

ść

siły F od drogi

nastawiania s

Siła nastawiania

F

F

Droga nastawiania

s

s [mm]

[N]

1000

100

10

1

0,001 0,01

0,1

1

10

100

Aktuatory piezoelektryczne

Aktuatory hydrauliczne

Aktuatory
z odkształcanymi
materiałami

Aktuatory
pneumatyczne

Silniki pr

ą

du

stałego DC/

ś

ruba poci

ą

gowa

Elektromagnesy

Silniki skokowe/

ś

ruba poci

ą

gowa

Charakterystyka aktuatorów: zale

ż

no

ść

siły F od

pr

ę

dko

ś

ci nastawiania v

Pr

ę

dko

ść

nastawiania v [mm/s]

Siła nastawiania F

[N]

10000

1000

100

10

1

1

10

100

1000

10000

Aktuatory hydrauliczne

Aktuatory z
odkształcanymi
materiałami

Aktuatory
pneumatyczne

Silniki pr

ą

du

stałego DC/

ś

ruba poci

ą

gowa

Elektromagnesy

Silniki skokowe/

ś

ruba poci

ą

gowa

Aktuatory
piezoelektryczne

Moc nastawiania 1000 W

10 W

0,1 W


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 6
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8 Nieznany
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 1
Wstęp do MATLABA cz 1

więcej podobnych podstron