napedy pneumatyczne hydrauliczne i elektryczne

NAPĘD ELEKTRYCZNY

Napędem elektrycznym nazywamy zespół urządzeń i aparatów elektrycznych pracujących na

zasadzie wykorzystania energii elektrycznej i słuŜących do nadawania ruchu maszynie roboczej .

W najprostszym układzie napędowym występuje jednokrotne przetwarzanie energii .

Natomiast w złoŜonych układach napędowych , zanim energia elektryczne zostanie przekazana
maszynie roboczej , moŜe być kilkakrotnie przetwarzana lub mogą być zmienione jej parametry
elektryczne . KaŜde przekształcenie energii jest związane ze stratami . Elektryczne układy napędowe
odznaczają się jednak sprawnością energetyczną oraz prostotą budowy i łatwością obsługi .

Elektryczny układ napędowy składa się z następujący części :

ródła napięcia (zasilacz)

części łączącej silnik z maszyną roboczą , sprzęgła , przekładni pasowej lub przekładni zębatej

silnika elektrycznego , w którym doprowadzana energia elektryczna przetwarzana jest na energię
elektryczną wirującego wału

maszyny roboczej

Spośród napędowych silników elektrycznych moŜna wyróŜnić :

silniki prądu stałego – obcowzbudne , bocznikowe , szeregowe , szeregowo – bocznikowe,
krokowe (skokowe)

silniki prądu przemiennego – asynchroniczne klatkowe i pierścieniowe , synchroniczne
Układ napędowy jest zasilany ze źródła energii , które jest charakteryzowane :

wartością mocy

rodzajem napięcia : stałe lub przemienne

wartością napięcia np. 440V , 380V , 220V , 110V , 24V

liczbą faz

wartością częstotliwości np. 50Hz , 400Hz , 6Hz

wartością rezystancji lub impedancji wewnętrznej źródła

kształtem napięcia : sinusoidalne , prostokątne , odkształcone
W skład wyposaŜenia układu napędowego wchodzą następujące aparaty elektryczne :

łączniki

rezystory regulacyjne i rozruchowe

dławiki wygładzające

układy regulacji napięcia

urządzenia rozruchowe

urządzenia zabezpieczające

urządzenia kontrolujące pracę silnika

urządzenia hamujące

połączenia pędne

Silniki prądu stałego .

Zasada działania .

ZASILACZ

APARATURA
ŁĄCZENIOWA

SILNIK

MASZYNA

ROBOCZA

Rozpatrywać będziemy model elementarny składający się z jednego zwoju obracającego się między
dwoma biegunami marginesu . Początek i koniec zwoju są połączone z dwoma pierścieniami
ś

lizgowymi , po których ślizgają się szczotki odprowadzające prąd do zamkniętego obwodu

zewnętrznego . JeŜeli zwój znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B obraca się z prędkością
v , to w jego bokach o długości l indukuje się siła elektromotoryczna . JeŜeli obwód tego zwoju będzie
zamknięty (przez szczotki i pierścienie ślizgowe) , to popłynie w nim prąd o kierunku zgodnym ze
zwrotem indukowanej siły elektromotorycznej .
Budowa :
1.

nieruchomy stojan

wirujący wirnik (twornik)

bieguny główne

bieguny pomocnicze

komutator

RozróŜniamy silniki :
1.

samowzbudne – bocznikowe , szeregowe , szeregowo – bocznikowe

obcowzbudne

Silniki prądu przemiennego .

Silniki synchroniczne.

Maszyną synchroniczną nazywa się maszynę prądu przemiennego , której wirnik w stanie ustalonym
obraca się z taką samą prędkością , z jaką wiruje pole magnetyczne .
Maszyny synchroniczne są budowane w dwóch odmianach :
1.

z biegunami utajonymi (z wirnikiem cylindrycznym)

1,2- boki zezwoju
3- odbiornik
4- szczotki
5- pierścienie ślizgowe

z biegunami jawnymi (z wirnikiem jawnobiegunowym)

Silniki asynchroniczne.

Maszyna indukcyjne (asynchroniczna) to taka , w której napięcie do obwodu wirnika nie jest
doprowadzone z zewnątrz , lecz pojawia się w wyniku indukcji elektromagnetycznej .
WyróŜnia się silniki :
1.

o uzwojeniach klatkowych – uzwojenia wirników silników indukcyjnych mogą być wykonane
podobnie jak w stojanie , z drutu nawojowego , lub z nieizolowanych prętów o duŜym przekroju
całkowicie wypełniający Ŝłobek . Wystające poza rdzeń części poszczególnych prętów są ze sobą
połączone po obu stronach pierścieniami zwierającymi, tworząc wraz z prętami uzwojenia jakby
klatkę , dlatego silnik o takim uzwojeniu nazywamy klatkowym .

o uzwojeniach pierścieniowych – jeŜeli uzwojenie wirnika jest wykonane z drutu nawojowego , to
istnieje moŜliwość dołączenia do obwodu wirnika dodatkowych elementów zwiększających
rezystancję kaŜdej fazy . Aby to było moŜliwe , uzwojenie wirnika jest połączone na stałe z
pierścieniami ślizgowymi . Silnik z takim uzwojeniem nazywamy silnikiem indukcyjnym
pierścieniowym .

Silniki krokowe.
Silniki krokowe są elementami wykonawczymi przetwarzającymi impulsy elektryczne na przesunięcia
kątowe lub liniowe , nazywane krokami lub skokami . W silnikach tych wykorzystuje się zjawisko
zmiany połoŜenia rdzenia ferromagnetycznego (wirnika) w polu magnetycznym w celu osiągnięcia
optymalnej przewodności obwodu magnetycznego .

Do zalet napędów elektrycznych naleŜy zaliczyć:

zwarta konstrukcja napędu i przetworników sterująco – kontrolnych (czujników stanu)

Schemat budowy i działania
silnika wysokomomentowego
wielofazowego z wirnikiem
jednobiegunowym i stojanem :
a) dwubiegunowym – silnik
dwufazowy ; b)
trójbiegunowym – silnik
trójfazowy ; c)
pięciobiegunowym – silnik
pięciofazowy ; kolejność
zasilania faz w silniku
czterobiegunowym (d) i
trójbiegunowym (e)

duŜa szybkość działania dzięki małej bezwładności elementów ruchomych silnika

stałość prędkości obrotowej

wysoka maksymalna prędkość obrotowa (do 15000 obr/min)

szeroki zakres regulacji rozwijanych momentów

małe bezwładności wirników , uzyskiwane dzięki specjalnym konstrukcjom

duŜy moment obrotowy przy maksymalnej prędkości

bezpieczeństwo pracy

niski poziom szumu i wibracji oraz brak zanieczyszczenia otoczenia

10.

trwałość i stosunkowo duŜa pojemność cieplna ; umoŜliwia to eksploatację bez nadzoru i
ogranicza czynności obsługi , wymagają niewielkiej liczby zabiegów konserwatorskich

11.

łatwy demontaŜ silników w przypadku wystąpienia konieczności ich wymiany bądź remontu

12.

ogólnodostępność , taniość i łatwość doprowadzenia energii zasilania
W grupie wad naleŜy wymienić :

ograniczoną trwałość szczotek w komutatorach silników prądu stałego

ograniczone wykorzystanie w środowisku zagroŜonym wybuchem (moŜliwość wystąpienia
przebić , zwarć)

zaleŜność prędkości od obciąŜenia , co wymaga rozbudowy układów regulacji napędu

NAPĘD HYDRAULICZNY

Napędy hydrauliczne są to urządzenia słuŜące do przekazywania energii mechanicznej z

miejsca jej wytwarzania do urządzenia napędzanego. W napędach tych czynnikiem przenoszącym
energię jest ciecz. Zasada napędu hydraulicznego jest oparta na prawie Pascala, dotyczącym
równomiernego rozchodzenia się ciśnienia w cieczy.

W zaleŜności od sposobu przenoszenia ruchu rozróŜnia się napędy hydrauliczne:
-

hydrostatyczne, których działanie opiera się na wykorzystaniu przede wszystkim energii
ciśnienia cieczy

hydrokinetyczne, których działanie opiera się na wykorzystaniu energii kinetycznej cieczy

W zaleŜności od rodzaju przenoszonego ruchu rozróŜnia się napędy o ruchu obrotowym i o

ruchu postępowym. W napędach hydraulicznych moŜe teŜ następować zamiana ruchu obrotowego na

postępowy bądź ruchu postępowego na obrotowy.

W skład mechanizmu hydraulicznego wchodzą:

pompy , które zamieniają dostarczoną przez silnik energię mechaniczną na energię
hydrauliczną. W napędach hydrostatycznych stosuje się pompy wyporowe, a w napędach
hydrokinetycznych – pompy wirowe

silniki hydrauliczne lub siłowniki, zamieniające dostarczaną przez pompę energię
hydrauliczną z powrotem na energię mechaniczną. Silniki hydrauliczne stosowane do
napędu mechanizmów o ruchu obrotowym pod względem budowy są zbliŜone do pomp i
podobnie jak pompy dzieli się je na wyporowe (stosowane w napędach hydrostatycznych )
oraz wirowe (stosowane w napędach hydrokinetycznych). Do napędu mechanizmów o

ruchu postępowym są stosowne wyłącznie silniki hydrauliczne wyporowe, działające na
zasadzie siłowników (cylinder ze szczelnym tłokiem).

Zawory sterujące przepływem (czynnika energii) w układzie napędu hydraulicznego

Oprócz tych elementów niezbędne są równieŜ elementy pomocnicze: przewody łączące, zbiorniki,
filtry, akumulatory hydrauliczne, chłodnice lub podgrzewacze, a takŜe przyrządy do pomiaru
ciśnienia, natęŜenia przepływu itd.

Zalety układów hydraulicznych:
-

moŜliwość uzyskania bardzo duŜych sił, przy małych wymiarach urządzeń

moŜliwość uzyskania bezstopniowej zmiany prędkości ruchu

moŜliwość uŜycia małych sił do sterowania pracą cięŜkich maszyn

moŜliwość zdalnego sterowania

moŜliwość zastosowania mechanizacji i automatyzacji ruchów

duŜą trwałość elementów układów hydraulicznych oraz łatwość ich wymiany

Do wad naleŜy zaliczyć:

trudności związane z uszczelnieniem elementów ruchowych; wszelkie nieszczelności
powodują przedostawanie się powietrza do obiegu, a to z kolei powoduje zakłócenia pracy
układu

duŜe straty energii na pokonywanie oporów przepływu

Cylindry hydrauliczne

a i b/ cylindry jednostronnego działania tłokowe
c i d/ cylindry jednostronnego działania nurnikowe
f/ cylinder jednostronnego działania teleskopowy
g/ cylinder jednostronnego działania przeponowy

Pompy

Pompa łopatkowa typu Vickersa
1- wirnik, 2- łopatka, 3- obudowa

Wirnik z łopatkami jest umieszczony współosiowo z otworem obudowy, który ma przekrój o kształcie
owalnym utworzonym przez 4 łuki o śr. leŜących w osi wirnika. Dzięki temu pompa ma 2 przestrzenie
wsawne i 2 przestrzenie tłoczne, rozmieszczenie jest przeciwległe i odpowiednio połączone. Dzięki
symetrii konstrukcyjnego układu pompy, chwilowe siły ciśn. działające na wirnik i łopatki równowaŜą
się w kaŜdym ustawieniu obracającego się wirnika. Liczba łopatek wynosi zwykle 12 lub 16 są one
dociskane, do obudowy dzieki naporowi cieczy doprowadzanej pod ciśnieniem do przestrzeni pod
łopatkami.

Pompa zębata

korpus, 2 i 3- koło i wałek napędzający, 4 i 5- koło i wałek napędzany, 6- kanał ssawny

7- kanał tłoczny

Tworzą ją dwie zazębione ze sobą czołowe śrubowe lub daszkowe koła zębate. Jedno z nich
napędzane jest od silnika. Podczas obracania się kół zębatych w kierunku roboczym w komorze
ssawnej ciecz wypełnia międzyzębne wnęki kół i jest przymusowo przemieszczana do komory
tłocznej. Nadciśnienie w komorze tłocznej utrzymuje się w skutek wyciskania cieczy spomiędzy
zazębiających się zębów kół. Jednocześnie w wyniku napływania cieczy pomiędzy zęby kół
wyzębiające się w komorze ssawnej i jednoczesnego unoszenia się z niej cieczy do komory tłocznej, w
komorze ssawnej panuje podciśnienie. Podczas pracy pompy zębatej wskutek istniejącej róŜnicy
ciśnień przemieszczana ciecz powraca z komory tłocznej poprzez szczeliny pomiędzy wewnętrznymi
ś

ciankami korpusu oraz czołami i wierzchołkami zębów do komory ssawnej.

Pompa łopatkowa mimośrodkowa
1- wirnik, 2- łopatka, 3-obudowa, 4- kanał ssawny, 5- kanał tłoczny, e-stała mimośrodkowość

Obracający się wirnik ma promieniowe wycięcia w których znajdują się szurliwe łopatki. Wirnik i
łopatki umieszczony jest mimośrodkowo w cylindrycznej obudowie. Łopatki przylegają szczelnie do
obudowy. Przestrzeń między łopatkami zwiększa się w czasie jednej połowy obrotu wirnika i maleje
w drugiej połowie obrotu. Kanał dolotowy jest w miejscu powiększania się przestrzeni
międzyłopatkowej, a kanał wylotowy – gdzie przestrzenie maleją. Zmieniając mimośrodkowość
wirnika regulujemy wydajność pompy.


Pompa tłokowa osiowa
   1- wałek napędzający, 2- tarcza, 3-drąŜek tłokowy, 4-tłok, 5- obracający się wraz z tarczą 2
6- nieruchoma obudowa z czopem centralnym, 7- kanał ssawny, 8- kanał tłoczny

Pompa o ruchomym korpusie, w którym umieszczone są cylindry. Tłoki wykonują ruchy przestrzenne.
KaŜdy tłok porusza się względem cylindra, który z kolei obraca się wraz z korpusem dookoła osi.
Podczas przekręcania się wałka pędnego wraz tarczą pędną o kąt 180

i jednocześnie przekręcania się korpusu zawierającego cylindry o taki sam kąt. Tłok wykonuje pełny
skok, a cylinder jest połączony z komorą ssawną. W czasie dalszego półobrotu wałka i korpusu tłok
wykonuje suw w kierunku przeciwnym i wytłacza zassaną uprzednio ciecz z cylindra.
Pompy promienne
1- tłoczek, 2- wirnik, 3- nieruchoma przegroda, 4- obudowa, 5- kanał ssawny, 6- kanał tłoczny, e-
zmienna mimośrodkowość

Mają układ rzędowy lub gwiazdkowy. Gwiazdkowy składa się z wirnika, w którym znajdują się

cylindry i tłoki. Wirnik obraca się na wałku zawierającym dwie wyfrezowane komory – tłoczną i

ssawną, połączone kanałem ssawnym z końcówka pompy. Rozdzielone są przegrodą. Tłoki opierają
się dzięki naciskowi spręŜyn lub siłom odśrodkowym o pierścień obudowy względem, której wirnik

jest przesunięty o mimośrodkowość e. Ciecz wytłaczana z komory tłocznej jest zasysana z komory

ssawnej do cylindra, a później wytłaczana do komory tłocznej. Liczba cylindrów wynosi zwykle 5 do

Do elementów sterujących napędów hydraulicznych zaliczamy:

- zawory ciśnieniowe spełniające następujące zadania:

zawory bezpieczeństwa zabezpieczają układy hydrauliczne przed zbyt wysokim ciśnieniem

zawory przelewowe utrzymują określone ciśnienie w układzie hydraulicznym

zawory kolejności działania utrzymują określone ciśnienie przed zaworem niezaleŜnie od
ciśnienia za zaworem

zawory redukcyjne utrzymują określone ciśnienie za zaworem niezaleŜnie od zmian
ciśnienia przed zaworem

zawory róŜnicowe utrzymują stałą róŜnicę ciśnień przed i za zaworem

zawory proporcjonalne zapewniają stały stosunek ciśnień przed i za zaworem

- zawory natęŜeniowe spełniają następujące zadania:

zawory odcinające zamykają lub otwierają przepływ cieczy

zawory rozdzielcze zwane teŜ rozdzielaczami hydraulicznymi, kierują ciecz do
odpowiednich przewodów i odbiorników

zawory zwrotne przepuszczają strumień cieczy tylko w jednym kierunku

zawory dławiące sterują w sposób ciągły natęŜeniem przepływu cieczy

regulatory przepływu dwudrogowe zapewniają stałe natęŜenie przepływu, niezaleŜnie od
zmian ciśnienia w instalacji

regulatory przepływu trójdrogowe sterują natęŜeniem przepływu, kierując w razie potrzeby
część strugi cieczy do bocznego odgałęzienia

Zawór bezpieczeństwa ( przelewowy)

KaŜdy układ hydrauliczny powinien być zabezpieczony przed przeciąŜeniami. Przed podwyŜszeniem

ciśnienia ponad dopuszczalną wartość. Zabezpieczenie takie zapewnia się przez włączenie na

odgałęzieniu przewodu tłocznego pompy zaworu bezpieczeństwa, który otwiera się samoczynnie w

przypadku podwyŜszenia się ciśnienia do określonej wartości. Często tylko część cieczy dostarczonej

przez pompę ma dopływać do urządzenia wykonawczego, a reszta powinna odpływać do zbiornika lub

innej gałęzi układu, w której panuje niŜsze ciśnienie. W takich warunkach zawór przepuszczający

nadmiar cieczy z odgałęzienia roboczego jest nazywany zaworem przelewowym, który spełnia

jednocześnie zadania zaworu bezpieczeństwa.

kulkowy:

1-kulka, 2- korpus, 3- spręŜyna, 4- śruba regulacyjna, d- średnica czynnej powierzchni

tłoczkowy:

1- szczelina dławiąca, 2- krawędź sterująca tłoczka, 3 i 4- korpus, 5- spręŜyna, 6- śruba regulacyjna,

7- przeciwnakrętka

Gorsze są zawory kulkowe poniewaŜ szybciej zuŜywa się gniazdo, którym osadzona jest kulka dlatego

częściej stosuje się zawory tłoczkowe.

Dławiki

Sterują one rozdzielaniem energii. Dławienie polega na rozpraszaniu cieczy oparte moŜe być na

lepkości cieczy.

Strata ciśnienia w typie dławika kryzowego iglicowego jest sprowadzona do minimum w skutek tarcia

cieczy.

Dławik iglicowy

NAPĘDY PNEUMATYCZNE

Niewątpliwą cechą przemawiająca na korzyść napędów pneumatycznych jest prosta i

niezawodna konstrukcja, szczególnie podczas realizowania ruchu liniowego. Element wyjściowy
napędu uzyskuje dość duŜą prędkość, dochodzącą do 1 m/s, przy przemieszczeniach liniowych oraz 60
obr/min przy obrotowych. Zasilane mogą one być ze standardowej, przemysłowej sieci spręŜonego
powietrza o ciśnieniu 0,5 – 0,6 MPA. Napędy te mogą pracować ponadto w środowisku agresywnym i
zagroŜonym poŜarem. Posiadają duzy współczynnik sprawności, około 80%, duŜą niezawodność oraz
trwałość, mały stosunek masy napędu do uzyskanej moc, są odporne na wibracje, a ich cena jest
stosunkowo niska.

Do wad napędów pneumatycznych zaliczyć naleŜy niestałość prędkości członu wyjściowego

napędu przy zmianach obciąŜeń, spowodowaną ściśliwością czynnika roboczego, ograniczoną liczbę
punktów pozycjonowania (najczęściej dwa), konieczność wyhamowania członu wyjściowego napędu
w końcowej fazie ruchu, gdyŜ jego uderzenia przy duŜej prędkości w twardy zderzak (np. denko
cylindra siłownika) powodują znaczne przeciąŜenia dynamiczne, głośną prace napędu.
Pod względem funkcjonalnym podzespoły napędu pneumatycznego dzielimy na bloki:

Przygotowania spręŜonego powietrza – którego zadaniem jest odpowiednie spreparowanie
powietrza, które następnie tłoczone będzie do instalacji przez spręŜarkę. Powietrze pobierane
z otoczenia ( hali przemysłowej ) jest wilgotne, w wyniku czego moŜliwe jest wystąpienie
korozji, poza tym jest ono zanieczyszczone cząstkami pyłów czy teŜ związkami chemicznymi.
Zadaniem omawianego bloku jest wyeliminowanie wszystkich niedogodności.

oddzielacz wilgoci – eliminuje moŜliwość korozji spowodowaną tłoczeniem powietrza
zawierającego w sobie wilgoć (np. parę wodną), korozja, osadzanie się lodu, szronu moŜe
być powodem zmniejszenia się przekrojów czynnych przepływowych przewodów
zasilających

smarownica – rozpyla olej, niezbędny do smarowania przemieszczających się wzajemnie
części elementów wykonawczych i rozdzielaczy

zawór redukcyjny – pozwala nastawiać optymalne ciśnienie do spręŜonego powietrza

filtr powietrza – słuŜy do usuwania z powietrza zasilającego napęd cząstek
zanieczyszczeń, dzielimy je na

mechaniczne – odpowiedzialne za wyłapywanie cząstek na drodze
przepuszczania powietrza przez odpowiednią tkaninę, papier lub odwirowanie.

adsorpcyjne – usuwają cząstki zanieczyszczeń poprzez pochłanianie ich przez
odpowiedni związek chemiczny

manometr – kontrola i regulacja ciśnienia zasilania

Blok sterowania przepływem spręŜonego powietrza – zawiera urządzenia, za pomocą których,
zgodnie z załoŜonym programem działania robota, otwiera się lub zamyka dostęp medium
roboczego do roboczych przestrzeni elementów wykonawczych (siłowników). Elementami
sterowania przepływem powietrza są tzw. rozdzielacze pneumatyczne (zawory rozdzielające)

Blok elementów wykonawczych napędu – siłowniki liniowe jednostronnego lub
dwustronnego działania, rzadziej siłowniki z przesunięciem kątowym – wahadłowe. KaŜdy
siłownik realizuje swój cykl roboczy w kolejności określonej procesem technologicznym.
Przełączenie odpowiedniego rozdzielacza następuje wg programu, realizowanego przez układ
sterujący robota.

Sterowanie zaworami pneumatycznymi odbywa się poprzez dwustanowe przekaźniki:

elektryczne

pneumatyczne

Pneumatyczne zawory
rozdzielające
1 – przewody
doprowadzające; 2 –
przewody odprowadzające;
3 – odpływ powietrza do
atmosfery; 4 –
elektromagnetyczny zawór
rozdzielający

Siłownik liniowy:
a – jednostronnego i b –
dwustronnego działania
Siłowniki z przesunięciem
kątowym:
c i d; 1 – zębatka; 2 – wał
wyjściowy; 3 – śruba;
4 – nakrętka; 5 – prowadnica

Przekaźnik pneumatyczny zbudowany jest w postaci czterech komór utworzonych przez elastyczne
membrany o róŜnych powierzchniach efektywnych

Wykorzystanie spręŜonego powietrza zapewnia wyjściowemu członowi napędu pneumatycznego
osiągniecie duŜych prędkości, co oznacza, Ŝe tłok siłownika dochodzi do zadanej pozycji z duŜą
prędkością. Wymaga to stosowania specjalnych urządzeń hamujących, gdyŜ inaczej spowodowałoby
to zderzenia tłoka ze zderzakiem mechanicznym ograniczającym ruch tłoka. Konieczne zatem staje się
wyhamowanie tłoka w końcowej fazie ruchu.
MoŜna to uzyskać przez:

dławienie wpływu czynnika roboczego z opróŜnianej komory siłownika

wyhamowanie tłoka za pomocą urządzeń mechanicznych (amortyzatorów), a takŜe
pneumatycznych lub hydraulicznych

Hamulce wykorzystywane w pneumatycznych zespołach napędowych dzielimy na:

hamulce cierne

duŜa sprawność

nie obciąŜa siłownika podczas ruchu

duŜe prędkości ruchu

duŜy wpływ na prędkość i dokładność

Przekaźnik pneumatyczny
1 – membrany; 2 – trzpień;
3,4,6 – sztywnik membrany;
5,7 – dysze

Zawory dławiące: a – iglicowy i
b – grzybkowy
1 – dopływ powietrza; 2 –
odpływ powietrza; 3 – element
dławiący; 4 - gniazdo