Aktuátorok és szenzorok. Aktuátorok

Átírás

1 és szenzorok Írta: Dr. Jakab Endre

2 Tartalom Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre 1. Bevezetés Mozgásinformáció leképzés Relatív és elemi mozgások Elemi mozgások, szánok Struktúraképzések Az aktuátor fogalma, elhelyezkedése Energiaátalakítók, energiafajták 2. Mechanikai aktuátorok 3. Fluidmechanikai aktuátorok 4. Villamos aktuátorok 2

3 Mechanika Modellezés Aktuátor- és szenzortechika Mechatronika Elektrotechnika Információtechnika Folyamatirányítás 1.ábra: A mechatronikai rendszer építıelemei Az 1. ábrán az egyes mezık, metszetek rendszerbeli és egymáshoz viszonyított arányai mechatronikai szerkezetektıl függıen változóak lehetnek. A metszeteken kívüli mezık a mechatronikai rendszer passzív egységei és elemei, míg a többi aktív egység és elem. Az aktuátor- és szenzortechnika a mechanika és elektrotechnika (elektronika) szoros kapcsolatára utal, ami nem nélkülözheti az információtechnikai hátteret. 3

4 Mozgásinformáció leképzés Az aktuátorok magyarázata a mozgásinformáció leképzési modell segítségével F 1 =F m A F 2 =F sz Jelölések I=Információ k=kinematikai lánc (k A, k i ) A=Alakítási-Kapcsolódási mechanizmus F 1 =A kapcsolódó felületpár egyik fele (a származtatott felülető munkadarab F m ) F 2 = A kapcsolódó felületpár másik fele (a származtató felülető szerszám F sz ) k k 2. ábra: Mozgásinformáció leképzési modell I 4

5 A 2. ábra szerinti modell azt mutatja, hogy a közölt I információk alapján k kinematikai láncokon keresztül valósul meg két fizikai test (mennyiség) között szükséges relatív mozgás. A k kinematikai láncok számát, egymással való kapcsolatát (technológiai, kinematikai), a mozgások összekapcsolásának módját (soros, párhuzamos) a feladat határozza meg. Rendszerek egyszerőtıl az igen bonyolultig egyaránt elıfordulhatnak. A k=k A +k i kinematikai láncok elemei: k A -az alapkényszerek és azokon tárolt mozgások, amelyek a mozgást határozottá teszik. k i - mozgások: elemi mozgások, illetve relatív mozgások. A kinematikai láncok lehetnek: tisztán mechanikus, elektronikus, hidraulikus, pneumatikus, termikus, vagy vegyesek, mint elektromechanikus, elektrohidraulikus, elektropneumatikus, hidropneumatikus. 5

6 Relatív és elemi mozgások Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre A mechatronikai rendszerekben valamely elempár között szükséges relatív mozgásokat célszerően elemi mozgásokból hozzuk létre. Az elemi mozgások, illetve azt megvalósító szánok a Descartes-i derékszögő koordinátarendszer tengelyeinek megfelelıen, legtöbbször merılegesen épülnek egymásra, ami megmunkálási célszerőségbıl következik. A számjegyvezérléssel irányított tengelyek (D) száma sok esetben igen magas is lehet. Az egyes tengelyek lehetnek egyidejőleg egymással összefüggésben, szimultán irányíthatók (2D-6D-s berendezések), meg nem is (kinematikai, technológiai). Gépváltozatok az irányított tengelyek számától függıen képezhetık. Elemi mozgások, szánok Az elemi mozgás biztosításához a tér lehetséges 6 (3 egyenesvonalú haladó, 3 forgó) szabadságfokából 5-öt kényszerekkel (k A ) kötünk meg. 6

7 Az elemi mozgásokat szánok (3. ábra) valósítják meg: egyenesvonalú haladó mozgást lineáris szánok, forgómozgást forgó szánok (orsók, tengelyek, körasztalok), vagy transzlációs körmozgású szánok. Fontos! Ha lehet mindig forgómozgású szerkezeteket építsünk és csak a kinematikai lánc legvégén alakítsuk át a forgó mozgást egyenesvonalú haladó, vagy más mozgássá. Ennek elınyei: dinamikailag kedvezıbb szerkezet, forgó mozgásnál magas mozgásparaméterek biztosíthatók, a forgásszimmetrikus alkatrészek elıállítása olcsóbb. 7

8 R z z Szabadságfokok száma: 6 Haladó mozgások: x, y, z Forgó mozgások: R x, R y, R z R y y x R x 3. ábra: Elemi mozgások. a., b., 4. ábra: Elemi mozgásokat megvalósító szánok c., 8

9 Struktúraképzések Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre A mechatronikai rendszerek építésekor igen gyakran alkalmazzák a módszeres tervezés két gyakori és fontos elemét a struktúrák és a paraméterváltozatok képzését, az optimális megoldás kereséshez a mőszaki és gazdasági értékelemzést. Ezekhez szorosan kapcsolódik az építıszekrény elv, a moduláris építés elve. A strukturális változatok képzésének alapja az, hogy az egymástól mechanikusan független irányított tengelyekbıl (aktuátor láncokból) meghatározott szabályok szerint különbözı gépváltozatok modulárisan építhetık. A változatok képzésének alapja: mozgásmegosztás az alakítási mechanizmusban egymásra ható két oldal (például szerszám-munkadarab mozgatása) között (szélsı esetben minden mozgást az egyik, vagy a másik oldal végez) oldal, továbbá a sorosan kapcsolódó aktuátor láncok (szánok) egymásra épülési sorrendváltozatai (pl. A-ra épül a B, vagy fordítva), vagy másként rendőség változatai. 9

10 A paraméterváltozatokat geometriai sor szerint képezzük. A paraméterváltozatok nagyságrendi változatok, amelyeket katalógusok foglalnak általában össze, például villanymotorok teljesítménysora, hidraulikus és pneumatikus hengerek méretsora említhetı. A paraméterváltozatok képzésére az alábbi összefüggés használatos: ϕ = n m ahol ϕ a geometriai paramétersor szorzótényezıje, n a képzett tagok száma, m a felosztott tartomány szélessége (Renard-sorok). Az aktuátor fogalma: Az aktuátor szó magyarázatát a latin aktor=cselekvıt is jelentı szóból indítjuk. Aktuátor az energia bevezetéstıl az energia felhasználásig terjedı kinematikai láncban elhelyezkedı, mozgást (vagy állapotváltozást) létrehozó és átalakító rendszerek, egységek, elemek összessége. 10

11 A szerszámgépek mőködésére jellemzı modell Feladat Információk Kezelıi utasítások Nyers elıgyártmány GÉP Technológia Szerszám Készülék Segédanyag Kész munkadarab Gazdaságossági, termelékenységi, pontossági tényezık Hulladék 11

12 5. ábra: a mechatronikai rendszerben 12

13 A fıhajtómő és a mellékhajtómő kapcsolata A fıhajtómő és a mellékhajtómő kapcsolata lehet kinematikai függvénykapcsolatú, amelynél nagy pontosságot követelnek meg az egyes mozgáskomponensek között, és amelyet hagyományosan mechanikus kinematikai láncokkal valósítanak meg (pl. esztergagép, 5.9.a ábra) A technológiai függvénykapcsolatok nem igényelnek pontos összhangot a fı- és mellékmozgások között (pl. marógép, 5.9.b ábra). Technológiai függvénykapcsolatra természetesen a kinematikai függvénykapcsolatú gépek is alkalmasak, amire példa az esztergagépek elıtoló lánca. MF FH Fo ME MH Asztal 13

14 ábra: Hajtómő funkcióá óábrák a., b., c., A 6. ábra fokozatnélküli fordulatszámot elıállító hajtómővek lehetséges funkcióábráit szemlélteti. Az ábrák számozása: 1- fokozat nélkül állítható fordulatszámú motor, 2-fokzatos hajtómő, vagy állandó áttétel, 3-hajtott tengely (fıorsó)- végrehajtó szerv, 4-tengelykapcsoló. A 6.a ábra motor és vele sorba kapcsolt fokozatos hajtómőegységet (állandó áttétel) szemléltet. A fogaskerekes fokozatos hajtómővek ma is gazdaságos megoldásai a nyomatékerısítésnek és a fordulattartomány kijelölésnek. 14

15 Példaként említhetık az NC szerszámgép (esztergagép, fúró-maró megmunkáló központ, stb.) fıhajtómővek, a teljesítmény hajtómővek, vagy a szervomotortól a végrehajtó mechanizmusig található kinematikai hajtások, legegyszerőbb esetben egyetlen lépcsıs hajtással, ami igen gyakran fogazott szíjas hajtás. A 6.b megoldásban a motor és az orsó egytengelyő (koaxiális), köztük szög- és tengelyhibát kiegyenlítı, nagy torziós merevségő tengelykapcsoló található. Kinematikai hajtások tipikus megoldásai, pl. a szervomotor és golyósorsó kapcsolatban, vagy teljesítmény hajtásokban (köszörőgép, marógép, faipari felsıfejes marógép stb.). A 6.c motororsós megoldásban a motor tengelye egyben a végrehajtó szervet hordozza, ezáltal a közvetlen (direkt) hajtás eszköze. A motor tengelye különbözı mechanizmusokat közvetlenül is mozgathat. A megoldás gyakori a kinematikai és a teljesítményhajtásokban. Direkt villamos hajtásra a lineáris aktuátoroknál késıbb mutatunk példát. 15

16 A kimeneten a végrehajtó szerv helyezkedik el, amely meghatározott kinematikai, mozgást, erıt, vagy nyomatékot (s, v, a, F, illetve ϕ, ω, ε, M) ad. Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben (5. ábra). Energiaátalakítók, energiafajták Megállapod llapodás: mőködtetı energiaként a továbbiakban olyan energiákat tekintünk, amelyek hálózatról levehetık, a berendezések elhelyezését nem befolyásolják, vagy a berendezés mellé telepíthetı energiaforrás. A legkézenfekvıbb, és legrugalmasabb energiaforrás villamos, amelyet a legtöbb mechatronikai berendezésnél használnak. A villamos energiát, átalakítók teszik alkalmassá másfajta energia kifejtésére. Villamos mechanikai energiaátalakítók A villamos forgómotor kapcsain keresztül betáplált villamos teljesítmény (P vill ) a motor tengelyén mechanikai teljesítményként (P m ) jelenik meg, amely legtöbbször további mechanikus aktuátorok kiinduló láncszeme (7. ábra). Villamos motorok típusai: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptetı. 16

17 ω ki M ki M Sz HM I be U be 7. ábra: Villamos-mechanikai enegiaátalakító 8. ábra: Villamos-mechanikai-fluidmechanikaimechanikai enegiaátalakító Villamos-mechanikai-fluidmechanikai-mechanikai energiaátalakítók A motorhoz kapcsolt szivattyú a mechanikai teljesítményt (P m ) fluidmechanikai (pl. hidraulikus) teljesítménnyé (P fl ) alakítja át, amelyet azután mechanikai munka végzésére használunk fel (8. ábra). Azonos energiatípusok esetén azonos típusú aktuátorok kapcsolódnak: villamos-villamos, mechanikai-mechanikai, fluidmechanikai-fluidmechanikai. Energiaátalakításkor a hasznos levehetı teljesítmény csökken az átalakító egység hatásfokától függıen: Pki Pbe Pveszt Pveszt η = = = 1 P P P be be be 17

18 A különbözı energiafajtáknak megfelelı teljesítmények ismert formuláit a következıkben foglaltuk össze. Ezzel egyszerő az energiaátalakítókra vonatkozó teljesítményeknek a hatásfokok figyelembevételével történı odaés vissza felírása. Energiaátalakítók, energiafajták Teljesítmény összefüggések (potenciál x áramlásérték) 1. Mechanikai teljesítmény Haladó mozgásnál: P m =v x F (Nm/sec), ahol v (m/sec) sebesség, F (N) erı. Forgó mozgásnál: P m =ω x M (Nm/sec), ahol ω (1/sec) szögsebesség, M (Nm) nyomaték. 2. Villamos teljesítmény P vill =U x I (VA), ahol U (V) feszültség, I (A) áramerısség. 18

19 3. Fluidmechanikai teljesítmény P fl =p x Q (Nm/sec=watt), ahol p (N/m 2 =Pa) nyomás, Q (m 3 /sec) térfogatáram. 4. Termikus teljesítmény P hı = T x ha (watt), ahol T ( o C) hımérsékletdifferencia, h (w/m 2 o C) hıátadási tényezı, A (m 2 ) hıátadási felület. 5. Kémiai teljesítmény (robbanómotorok) P m =H a x Bη ö =Mω (J/sec=W), ahol H a (J/kg) a tüzelıanyag főtıértéke, B (kg/sec) az idıegység alatti üzemanyag fogyasztás, η ö a rendszer összhatásfoka (37-44 %). 19

20 2. Mechanikai aktuátorok torok A mechanikai aktuátorok a kinematikai- és erı viszonyok (nyomatékviszonyok) megváltoztatására szolgálnak. Típusaik: FORGÓ-FORGÓ HALADÓ-FORGÓ FORGÓ-HALADÓ HALADÓ-HALADÓ 2.1 FORGÓ-FORGÓ mozgásátalakítók Fogaskerékhajtások a hengeres fogaskerekes (8. ábra), kúpfogaskerekes és csigahajtások. Dörzshajtások. Szíjhajtások: erızárók (ékszíj, laposszíj és Poly-V szíj, zsinór), szíjhajtások, amelyek megfelelı mőködéséhez szíjfeszítés szükséges, továbbá alakzáró szíjhajtások, mint fogazott szíjhajtás (11. ábra). 20

21 Szerkezeti egységek jelképi jelölése 21

22 z 1 z 3 z 5 z 1 n 1 I. n 1 I. ω 1 n i = ω = 1 z = 2 2 n 2 z 1 n 2 z 2 II. k n 2 II. ω 2 n 2 z 1 k = ω = = 1 n 1 k = 1 i z 2 n be n II. z 4 z 6 z 2 z 1 z 3 n be I. z 1 n be z 3 I. z 1 n be z 3 I. z 2 n II. z 4 z 2 Tk. z 4 n II. Tk.1 Tk.2 z 2 z 4 n II. 8. ábra: Homlokfogaskerekes hajtások 22

23 Fogaskerékhajt khajtások, hajtómővek A bal felsı ábra állandó áttételő (hajtóviszonyú) hajtást mutat. A k hajtóviszony a hajtó és hajtott fogaskerekek fogszámainak hányadosa, az i módosítás reciproka, amellyel a kihajtó fordulatszámok közvetlenül kifejezhetık (n ki =n be k). Az egylépcsıs egység (lehet kétlépcsıs), állandó, vagy változtatható (cserélhetı) hajtóviszonyú. A jobb felsı ábra háromfokozatú, tolótömbös elemi hajtómőegységet szemléltet. A fogaskerék tengelykapcsoló funkciót is ellát. Az alsó ábrák kétfokozatú elemi hajtómőegység háromféle megvalósítását (tolótömbös, mechanikus és elektromágneses tengelykapcsolós) szemléltetik. A fenti hajtómőegységekbıl változatos összetett hajtómővek képezhetık soros, ritkábban párhuzamos kapcsolással. Tengely-agy kapcsolat: fészkes retesz, siklóretesz, bordás tengely-agy kötés, Ringspann feszítıgyőrős kötés (szíjtárcsáknál, nagy fordulatok) 23

24 Az irányváltó (2) a mellékhajtás forgásirányának megváltoztatására szolgál. Különbözı kinematikai megoldások az ábrákon láthatók. A cél elsısorban nem a mozgás nagyságok, hanem a forgásirányok megváltoztatása. Az 5.12.a ábra szerinti homlok fogaskerekes megoldásban a z 0 fordítókerék gondoskodik arról, hogy a kihajtó oldalon a behajtó oldallal azonos forgásirány legyen. Az 5.12.b ábrán az I.-III. tengelyek 120 -os elrendezése, és a kapcsoló fogaskerék axiális helyzetei biztosítják a megfelelı kapcsolatokat, és a különbözı irányú, de azonos nagyságú fordulatokat. 24

25 z 1 z 2 n be I. n be I. z 3 n be z 1 z 3 n z 2 z 4 z 4 n II. n II. M f Tk f Mozgásösszegzı Elıtolás M gy Tk gy Gyorsjárat 25

26 Fogaskerékhajt khajtások, csigahajtások sok Fogaskerékhajtások hézagtalanítása A kinematikai pontosság gyakran megköveteli a fogaskerékpár, fogaskerék fogasléc pár, csiga-csigakerék pár kis hézagokkal, vagy hézagtalan építését. Ilyen igény merül fel pl. mérı hajtásokban, pontos pozícionáló (szán, manipulátor) hajtásokban. Egyenes fogazatoknál a hajtó z 1 fogszámú fogaskereket szélességében kettéosztják. A két fogaskerék felet (z 1a, z 1b ) egymáshoz viszonyítva elfordítják és hézagtalan állapotban axiálisan, erızáró kötéssel rögzítik. Ferde fogazatoknál az egyik fogaskereket kettéosztva és a két fél egymáshoz viszonyított axiális elállítása (pl. hézagoló tárcsával) lehet a megoldás. Csigahajtás hézagtalanítása Hézagtalan, vagy kishézagú hajtásokat igényelnek a a robotcsukló hajtások, folytonos osztóasztalok (CNC körasztal, C tengely, optikai osztóasztal). 26

27 A baloldali csigahajtás a precíziós osztóasztalok jól bevált megoldása (kis kapcsolószög, nagy fogmagasság). Az egyik csigafél a tengelyen fix helyzető, a másik csigafél tengelyirányú (axiális) állítása szolgál hézagtalanításra. A jobboldali megoldásban a csiga lefejkörözésével, radiális állításával, vagy billentésével (pl. optikai osztóasztalok) érik el a hézagtalan állapot. ω be z 1a z 1b ω be z 1a z 1b M be ω ki M be ω ki z 2 M ki z 2 M ki 10 ábra: HézagtalanH zagtalanított tott fogaskerék- és s csigahajtások sok 27

28 Egyenes fogazatú hengeres fogaskerék hajtásnál az egyik megoldás az, hogy az egyik fogaskereket kettéosztjuk, és a két felet egymáshoz képest elfordítjuk addig, amíg a másik fogaskerékkel hézagmentesen nem kapcsolódnak, majd ebben a helyzetben erızáró kötéssel (pl. csavarszorításokkal, vagy feszítıgyőrős kötéssel) rögzítjük egymáshoz a két felet (2.a ábra). Ekkor 2b szélességő fogaskerékre van szükség, ha a fogaskereket mindkét irányban terheljük. (Megj.: Más megoldás is lehetséges.) Ferde fogazatú fogaskerekek hézagmentesítésére is alkalmazható az osztott 1, 2 kerék-felek egymáshoz képesti elfordítása, és az erızáró rögzítés (A). Más megoldásban az osztott kerekek közé hézagoló tárcsát helyeznek (vagy rugós szétfeszítést alkalmaznak). 3 Ekkor is lehetséges a csavarszorításos rögzítés, de alkalmazható a 1 2 kerekek közötti feszítıgyőrős kötés is (B), amit példaként a tengely és a fogaskerék között ábrázoltunk (2.b ábra). Az ábra B szemlélteti a két fél tengelyirányú (axiális) széthúzásának eredményét: az osztott kerék egyik felének fogazatai a kapcsolódó kerék fogárkának egyik oldalán, a másik felének fogazatai a kapcsolódó kerék fogárkának másik oldalán kapcsolódnak. Megjegyzés: hasonló megoldást alkalmaznak (csak összefeszítéssel) a A folytonos osztású körasztalok egyes hézagmentes csigahajtásainál. Továbbá hézagmentes hajtásláncok hozhatók létre dupla hajtásláncokkal, és azok elıfeszítésével. 28

29 a., b., Feszítıgyőrős (Ringspann) kötés 29

30 v D D 1 k=d 2 1 /D 2 n 1 n 2 L a 11. ábra: Szíjhajt jhajtás s modellje Szíjhajtások: erızáró és alakzáró Erızáró: ékszíj, Poly-V szíj, lapos-szíj, Alakzáró: fogas-szíj 30

31 1.2. További beépített szerkezeti elemek és egységek Szíjhajtások A szerszámgépeken alkalmazott szíjhajtások közül a laposszíj- ékszíj- Poly-V szíj-hajtások az erızáró, míg a fogas-szíj hajtások az alakzáró vonóelemes hajtások körébe tartoznak. A hajtást húzóerıvel terhelt vonóelem(ek) közvetíti(k). A szíjhajtások elınyei a csendes, nyugodt járás, kedvezı dinamikai jellemzık, csillapítás, jó hatásfok (η=0,95 0,98), szükség esetén a túlterhelés elleni védelem. Hátrányai a nagy elıfeszítı erıkbıl, és a szíj rugalmasságából adódnak Fogas-szíj hajtások A fogas-szíj hajtás alakzáró vonóelemes hajtás, amely egyesíti a laposszíj-hajtás és a lánchajtás elınyeit. Az alakzáró mellett azonban erızáró kapcsolódás is kialakul. Néhány gyártó: Continental Gummi-Werke AG., Gates GmbH., MULCO Maschinentechnische AG., PEMÜ, Rud. Uiker AG., Uniroyal GmbH. 31

32 Fogasszíj profilok Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre A fogasszíjak kezdetben trapéz alakú fogakkal rendelkeztek. A magyar szabvány a trapézprofilú, zollos osztású fogasszíj-hajtásokat foglalja magába (MSZ /1, 2, 3, 4-82). A szabványban a méretezés, kiválasztás menete is megtalálható. b p b s Heveder b s Húzóelemek h t r r r a h s Fog Futófelület HTD p b h t h t h t h s h s a., b., Egyre nagyobb átvihetı teljesítményt értek el és nagyobb sebességeknél a légellenállásból adódó zaj is csökkent. Igen beváltak ilyen szempontból a HTD (High Torque Drive) fogasszíj hajtások. 32

33 Nagy lassítású hajtómővek (excenteres hajtómővek) A csigahajtások mellett nagy lassítást és nyomatékerısítést valósítanak meg a különbözı fogaskerekes reduktorok és bolygómővek. SCARA típusú robotok csuklómozgatására szolgáló Harmonic Drive és CYCLODRIVE (Sumitomo) ciklois bolygómőves, valamint közvetlen motorhajtású megoldásokat mutatnak a 12. ábrák. Elvek:??? 33

34 12. ábra: Robotcsuklók mozgatása 34

35 12. ábra: Robotcsuklók mozgatása 35

36 2.2 FORGÓ-HALADÓ mozgásátalakítók Orsó-anya: egyik legrégebben alkalmazott megoldás, amely sikló és gördülı megoldásban létezik. A hézagtalan és elıfeszített un. golyósorsó-anya (jó átviteli tényezıjő) párt széles körben alkalmazzák precíziós hajtásokban, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (anya hajtott, orsó áll) (13.a ábra). Fogaskerék-fogasléc: széles körben alkalmazott, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (fogasléc a tartó elemen). Igényesebb megoldásban hézagtalanított fogaskerék-fogasléc hajtású (13.b ábra) Csiga-csigaléc: nagy elmozdulásoknál precíziós utazó hajtásként, gyakran hidrosztatikus kivitelben (13.c ábra). Fogasszíj-hajtás, zsinórhajtás: olcsó, széles körben alkalmazott, megbízható hajtás (plotterek, nyomtatók, másolók, gépszánok stb. mozgatására). A mozgatott egységet a fogasszíjhoz kapcsolják (13.d). Forgattyús mechanizmusok: kiinduló mechanizmus a négytagú-négycsuklós mechanizmus (14.a ábra). Megoldásai pl. az egyszerő forgattyús (14.b ábra), forgattyús-kulisszás (14.c ábra), forgattyús-lengıhimbás, forgattyúskönyökös mechanizmusok a kívánt speciális kinematikai- és erıviszonyok létrehozására (optimalizált gyorsulásgörbéjő mechanizmusok). 36

37 ω be M be r o m v ki F ki a., M be ω be b., Szán m F ki, v ki M be, ω be c., F ki, v ki r o 13. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók d., 37

38 r l r M be, ω be M ki, ω ki M be, ω be F ki, v ki a., b., M be, ω be F ki, v ki Szán m F ki, v ki M be,ω be c., 14. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók d., 38

39 (m, s, v, a) Szán Tk Szervomotor F t Golyósorsó-anya (d o,p o,j o ) M stat, M din, J mot 15. ábra: Közvetlen golyósorsó-anya hajtás 39

40 Motornyomaték számítások közvetlen golyósorsós hajtásnál (15. ábra) A szervomotort a szükséges mőködési fordulatszám tartomány (n m,min -n m,max ), az M m,stat statikus és az M m,din dinamikus nyomaték alapján választjuk ki. A sebességek menete A 16. ábra a szán mozgási sebesség, vagy a motortengely szögsebesség változásának trapéz alakú jellegét mutatja. A gyorsítás kezdetén és a fékezés végén a sebességek értéke zérus. v (m/p) v max m (1/sec) t gy t t f max t (sec) tgy = tf = ms ε = a = ω v m, max ωm, 0 ωm,max t gy gy max 0 = t v 16. ábra: Sebesség- és szögsebesség viszonyok v t = max gy t gy 40

41 Dinamikus nyomaték: M m,din =J ö ε/η m A J ö a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték, ε a szöggyorsulás, η m a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A haladó m tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére, T a golyósorsó egy körülfordulásának ideje, A o az orsó átviteli tényezıje. 1 2 v mv = = Jm, oω0 = J v m, oωm Jm, o = m 2 p T o, 2 ω m = 2π, T J ö = Jm, o + Jo + Jm. 2 2 po J m, o = m = 2π ω. ma 2 o. 41

42 A motor és orsó közé épített k hajtóviszony esetén az orsóra redukált tehetetlenségi nyomatékokat (J o,red ) a motor tengelyére k 2 -el redukáljuk (J o,mot =J o,red k 2 ). Statikus nyomaték: M m,stat =M o /η m Az M o az orsó tengelyére redukált, a szánt terhelı F t erıbıl adódó nyomaték, η m a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A k hajtóviszony esetén az orsóra számított statikus nyomatékot k-val redukáljuk a motor tengelyére (M stat =M o k/η m ). Αz F t szánerı redukálása az orsóra, ahol (ρ g =0, α a menetemelkedés szöge, d o az orsó közepes átmérıje): do do do po po M o = Ft tg( α + ρg ) Ft tgα = Ft = Ft = Ft Ao doπ 2π A tehetetlenségi nyomatékok redukálásának további esetei Fogazott szíjas hajtással és fogaskerék-fogasléc hajtással mozgatott m tömeg esetén, ahol az r o a fogas szíjtárcsa, vagy a fogaskerék osztókör sugara: J = m, o mr 2 o 42

43 Menetvágás NC esztergagépen A fentiek kapcsán célszerő bemutatni a menetvágás kinematikai láncának egyszerősített vázlatát NC esztergagépre is (5.41. ábra). 1ford k ν k δ = p, k vill vill pm = = C ν δ vill p m m Ez összevethetı a hagyományos esztergagépek menetvágására jellemzı egyszerősített kinematikai lánccal (5.23. ábra) azzal a különbséggel, hogy itt hiányzik a fıhajtómővet (fıorsót) és a mellékhajtómővet (a menetvágó kést mozgató elıtoló szánt) összekötı mechanikus kinematikai lánc. Helyette Elektronikus Kinematikai Lánc (EKL) szolgál a két mozgás között elıírt kinematikai kapcsolat megvalósítására, amelyet Mester-Szolga (Master-Slave) hajtásnak neveznek. A z irányú szán mozgatásához szükséges alapjelet a forgó impulzusadó (ROD) és jelfeldolgozó rendszer szolgáltatja. A ROD meghajtása a fıorsóról történik k=1/1 hajtóviszonyú fogas szíjhajtáson keresztül. A különbözı p m menetemelkedések készítéséhez itt k vill, villamos hajtóviszonyt kell biztosítani ahhoz, hogy egy villamos impulzushoz egységnyi elmozdulás tartozzon, amit a helyzetszabályozó old meg. A menetvágás kinematikai egyenlete: 43

44 Speciális vezérpályás mechanizmusok Folytonos és egyenletes forgómozgás mellett meghatározott mozgásfüggvényő alternáló mozgások létrehozására szolgálnak (14.d ábra). Mozgásfüggvények számításához gyakran az optimalizált gyorsulásgörbéket használják fel (pl. szinoid+egyenes+szinoid). 2.3 HALADÓ-FORGÓ mozgásátalakítók A 2.3 alatti szerkezetek fordítottjai, amennyiben nem önzáróak: pl. a fogasléc fogaskerék, fogazott szíj-szíjtárcsa (17. ábra), de lehet dugattyú - hajtórúd forgattyús tengely. 2.3 HALADÓ-HALADÓ mozgásátalakítók A fogasléc-fogaskerék-fogasléc, emelıkaros mechanizmusok (18. ábra). 44

45 ω ki M ki F be, M ki, ω ki v be l r v be F be 17. ábra: Haladó-forgó mozgásátalakítók F ki v ki v be F be F be s be F ki s ki 18. ábra: Haladó-haladó mozgásátalakítók 45

46 4. Villamos aktuátorok Csak a mozgást elıidézı elektromos és mágneses aktuátorokat tárgyaljuk. 4.1 Villamos motorok- A kétmágnes elv A villamos gépekben keletkezı nyomaték, a mozgás létrehozása két mágnes egymásra hatásával szemléltethetı. A 31. ábra egy közös forgástengellyel rendelkezı belsı és külsı, hengergyőrő alakú, északi (É) és déli (D) pólusokkal rendelkezı mágnest mutat. A mágnesek között δ légrés található. Nyugalmi állapotban a belsı és külsı mágnesek ellentétes mágnes pólusai szemben állnak, mivel az ellentétes pólusok vonzzák egymást. Gondolatban forgassuk el a külsı mágnest, a belsı mágnes az elmozdítást követi. A külsı, vagy a belsı mágnes egyenletes forgatása a másik mágnes folytonos forgó mozgását eredményezi. A két oldalra ható elektromágneses nyomaték egyenlı, de ellentétes irányú. 46

47 A nyomaték nagyságát a két mágnes mágneses tengelyei által bezárt β szög, a terhelési szög jellemzi. Stabil állapot és zérus nyomaték β=0 O -nál, maximális nyomaték β=±90 O -nál, labilis helyzet és zérus nyomaték β=180 O -nál adódik. A villamos gépek állandósult üzemének (nyomatékának) feltétele két együttforgó mágneses mezı megléte. A motor csak addig mőködıképes, a két oldal csak addig fejt ki nyomatékot egymásra, amíg az együttjárás megvalósul és azt a pólusok egymáshoz viszonyított helyzete biztosítja. Az egyes forgó (lineáris) motortípusok az álló és forgórészek pólus rendszereinek kialakításában és a mágnesek keletkezésének módjában különböznek egymástól. A Φ fluxus, az I áram elıállítási módja és a β terhelési szög alakulása attól függ, hogyan keletkezik az egyik illetve a másik mágnes. Motortípusok Forgó és lineáris: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptetımotor. 47

48 A motorok fordulatszáma, sebessége fokozatmentesen állítható és legtöbbször 4/4-es hajtással rendelkeznek (33. ábra). A motor funkcióösszevonást valósít meg azzal, hogy mindkét irányban létrehozható forgás és fékezés. Természetesen lehet 2/4-es és 1/4-es táplálás is. A szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlatát a 34. ábra mutatja. Egyenáramú gépek A külsı gerjesztéső, kefe-kommutátoros egyenáramú motor egyszerősített kapcsolási vázlatát a 35. ábra szemlélteti. A motor armatúrakör egyenlete: U = Ub + IR U b = U IR A motor armatúra (forgórész) tekercseiben az állórész mágneses mezı Φ fluxusa által indukált U b belsı feszültség ω m motortengely szögsebességnél és k motorállandónál: U b = kωmφ 48

49 δ D ϖ É F o o 0 o 90 o 180 o ϖ D É 31. ábra: Kétmágnes elv 32. ábra: Szinkron gép jelleggörbéje Generátor (fékez) ω m Motor (hajt) Program adatok Hálózat ~ = II. III. I. IV. M m Vezérlés Szabályozott tápegység Motor Hajtómő Végrehajtó szerv Motor (hajt) Generátor (fékez) 33. ábra: Villamos gépek hajtási negyedei Mérı, ellenırzı jelek 34. ábra: Szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlata 49

50 Az elektromágneses motor nyomatéka: M m P = ω m m = U ω b m I = kφi = kφ U kφω R Primer és szekunder fordulatszám szabályozás M m U ( kφ Primer fordulatszám (kapocsfeszültség) szabályozáskor a fluxus Φ névl értékő, az U kapocsfeszültség növelésével U névl -ig a fordulatszám egyenes arányban nı. Az I. tartomány szabályozhatósága: Sz I =10-50, attól függıen, hogy a motor általános rendeltetéső, vagy szervomotor. Szekunder fordulatszám (mezıgyengítéses, fluxuscsökkentéses) szabályozáskor a kapocsfeszültség U névl értékő, a Φ fluxus csökkentésével a fordulatszám fordítottan változik, azaz nı. A II. tartomány szabályozhatósága: Sz II =4-5. Vegyes fordulatszám szabályozáskor az U és a Φ egyaránt csökken. A III. tartomány szabályozhatósága: Sz III.=1,2-1,3. m (kφ) = R 2 ω m ) 50

51 A 36. és 37. ábra szemlélteti a fordulatszám szabályozás egyes módjainak megfelelı, a motorra jellemzı, teljesítmény és nyomaték határ diagrammokat, A 37. ábra logaritmikus léptékő. Állandó mágneső egyenáramú motorok Az egyenáramú motorok álló- vagy forgórésze állandó mágnessel is készülhet. Az állórészükön állandó (permanens) mágneses motorok többségükben kisteljesítményő törpemotorok, amelyek fluxusa állandó. A forgórészükön permanens mágneses motorok az egyszerő egyenáramú motor kifordításával képzelhetık el. A forgórész helyére kerülı állórész ekkor állandó mágneső (Φ=áll), a nagy mágneses térerıt kerámia mágnesek biztosítják. A kialakításból adódóan ezek kefe és kommutátor nélküli motorok, melyeket elektronikus kommutációjú, vagy szinkron motornak is neveznek. 51

52 + R Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre - U g + U I U b ω m I g M m (Nm) P m (kw) P m (n m ) - M m Φ U g - gerjesztı feszültség I g - gerjesztı áram P max M max M m (n m ) 35. ábra: Az egyenáramú motor egyszerősített kapcsolása lgm m lgp m (Nm) (kw) P max M max lgp m (lgn m ) lgm m (lgn m ) M min P min n min n n n v n max n m I. II. III. (min -1 ) 36. ábra: Teljesítmény és nyomaték határdiagramok M min P min n lgn m (min -1 min n n n r n max ) I. II. III. 37. ábra: Logaritmikus teljesítmény és nyomaték határdiagramok 52

53 Az állórész legtöbbször három- vagy négyfázisú tekercselését a fordulatiránynak megfelelı sorrendben kommutáló tranzisztorok kapcsolják az egyenáramú hálózathoz a forgórész helyzetétıl függıen, amelyet pl. Hall elemek mérnek. Szinkron motorok A szinkron gépek állórésze rendszerint háromfázisú (az indukciós gépekhez hasonló), forgórésze pedig valamilyen állandó mágnes. Itt ismerhetı fel legtisztábban a kétmágnes elv, a két mágnes, a mágneses tengelyek és a terhelési szög. Az állórészen állandó mágnessel kialakított egyenáramú géphez hasonlóság alapján (álló és forgórész csere) kefenélküli egyenáramú gépnek is nevezik, ahol a háromfázisú táplálás az elektronikus kommutációval vethetı össze. A forgó szinkronmotor elvi felépítését a 38. ábra szemlélteti. A szinkron motor, azaz a két mágnes egymásra nyomatékot csak akkor fejt ki, ha a forgó mágneses mezıvel a forgórész együtt, szinkron forog. Állandó terhelı nyomatéknál a forgó mezı és rotor között β terhelési szög alakul ki. Túlterhelésnél a motor szinkronból kieshet. 53

54 Szinkronmotorok fajtái A hiszterézis (veszteség) motorokat a finommechanikában használják, teljesítményük kicsi ( W). Az állandó mágneső szinkron motorokat elsısorban elıtoló, pozicionáló hajtásokban, robothajtásokban használják. fordulatszámtartásuk jó, teljesítményük 0,5-10 kw. A reluktancia motorok a pólusok irányában és arra merıleges irányban eltérı mágneses ellenállást (reluktanciát) használják ki, ezért kiálló pólusokkal készülnek. Teljesítményük W. Szinkronmotorokkal több hajtás együttfutása egyszerően biztosítható 1:1 hajtóviszonyú elektronikus kinematikai lánccal. A fokozatmentes fordulatszám állítás frekvenciaváltoztatással, pl. közbülsı egyenáramú körös frekvenciaváltóval történik (39. ábra). Az egyenáramú gépekhez viszonyítva jó a fordulatszám tartásuk, dinamikájuk, magas fordulatszámnál rövid ideig túlterhelhetık és nincs kommutációs probléma. A magasabb fordulatokat korlátozza a forgó mágnesekre ható röpítı erı. 54

55 D/É D É É/D Φ I U n=f/p, p= póluspárok száma U=szinuszos 38. ábra: Szinkronmotor egyszerősített felépítése M m M b R S T ~ ~ f=50 Hz (U, f)=vált. 39. ábra: Közbensı egyenáramú körös frekvenciaváltó M m (n m ) M b - billenı nyomaték M n - névleges nyomaték R' S' T' 40. ábra: Aszinkronmotor nyomaték diagramja M n M ü s=0 M ü - üresjárási nyomaték n b - billenı pont fordulatszáma n n - névleges fordulatszám n ü - üresjárási fordulatszám n b n n n ü n m s 55

56 Reluktancia motor forgórész vaslemezek A reluktancia motorok W teljesítményre készülnek. Forgórészük az aszinkron motorok kalickás forgórészére emlékeztet, de a reluktancia nyomaték keletkezése érdekében a forgórészt kiálló pólusokkal látták el azáltal, hogy kb. a pólusok felének megfelelı részeken a légrést a fogak kimarásával megnövelték. A kimarások helyét és a forgórész hornyait alumíniummal öntik ki, amit a homlokoldalakon győrők kötnek össze. Ilymódon egyrészt kialakult a kiképzett pólusú (nem állandó légréső) forgórésztest, másrészt indítókalicka is keletkezik. 56

57 Hiszterézis motor W teljesítményekre készül. A forgórészen levı mágnesezhetı, (kemény mágneses anyagból készült) acélgyőrő, egy nem mágnesezhetı vas, vagy mőanyag belsı hengeren helyezkedik el. Aszinkron üzemben, pl. indításkor kétféle nyomaték lép fel: a forgórész vastestében, (az acélgyőrőben) idukálódó örvényáramok miatt M asz, aszinkronos nyomaték, az acélgyőrő átmágnesezıdése miatt hiszterézis veszteség ill. M h hiszterézis nyomaték. Elınyök: nagy idítónyomaték, rendkívüli nyugodt járás a forgórész tökéletes (horonymentes) körszimmetriája miatt. Hátrány: drága. 57

58 Aszinkron motorok A legszélesebb körben alkalmazott villamos forgógép, amelynek fı jellemzıi: háromfázisú váltóáramú táplálás, egyszerő szerkezeti felépítés, nagy választék, kis karbantartás igény, kis tehetetlenségi nyomaték. Az állandó teljesítményő tartományban lényegesen magasabb fordulatszámok érhetık el, ui. nincsenek kommutációs problémák. Az aszinkronmotorok alkalmazását jelentısen kiszélesítette a jó minıségő, megbízható frekvenciaváltók- és szabályozók kifejlesztése. A szokásos frekvenciasáv Hz, de igény esetén több khz-es feszültség és ezáltal magas fordulat állítható elı. Igényesebb hajtásoknál a motor kialakítása, vasmag anyagminısége, stb. eltér a szokásos aszinkron gépekétıl. Az aszinkron motorok nyomaték fordulatszám (szlip) jellegörbéje a 40. ábrán látható. A motorok n n névleges fordulatszáma, különbözı pl. 850, 1000, 1150, 1500, 1800, f/perc lehet. A motornyomaték és a fordulat az alábbi összefüggésekkel írható fel, ahol K a gépállandó, U a feszültség, f a frekvencia, p póluspárok száma, s, s B szlip: 2 Mb U Mm(s) M s m K 60 f1 = n m = (1 s) b f p s s b + s 58

59 Az aszinkron motorokra is jellemzı teljesítmény és nyomaték határdiagramok a 36. és 37. ábra szerintiek. A közbensı egyenáramú körös frekvenciaváltók mellett (39. ábra) az un. mezıorientált (vektor kontroll) fordulatszám szabályozás terjed. Ennek oka a tranziens üzem kedvezı jellemzıi, jó fordulatszámtartás és a fordulatszám gyors és lengésmentes beállítása. Léptetımotorok Mőködésük a szinkrongépekhez, reluktancia motorokhoz hasonló, állórészük kiálló pólusú (2, 3, 4, 5), szimmetrikus, vagy aszimmetrikus alakú. A pólusokat tekercsekbe vezetett egyenáram gerjeszti vezérléstıl függıen, az eredı mágneses mezı csak diszkrét helyzeteket foglalhat el. Szinkrongépeknél a mezı állandó szögsebességgel forog. A forgórész állandó mágneső (gerjesztett), vagy gerjesztetlen (lágyvas) és különbözı alaki jellemzıkkel épülhet. 59

60 A váltakozó (bipoláris), vagy azonos (unipoláris) polaritású vezérlések közül bipoláris kapcsolást szemléltet a 41. ábra, ahol a fázistekercs két szembenálló póluson helyezkedik el. Az álló- és forgórész pólusok száma eltérı lehet. Az α lépésszög, z forg -a forgórész pólusok, m-a fázisok száma: o 360 α = z m forg 60

61 Léptetımotorok üzemmódjai: Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre Egyfázisú : egyszerre csak egy tekercs van gerjesztve, , egy lépés tipikusan Teljes lépéses (Full step) : egyszerre két szomszédos tekercs van gerjesztve, , így nagyobb a nyomaték, lépésszög nem változik Féllépéses (Half step) : , felezıdik a lépésszög Mikrolépéses (Micro step) : a tekercsek gerjesztıfeszültsége analóg növekvı-csökkenı értékeket vesz fel (felváltva szinusz illetve koszinusz). Szinte bármilyen pozíció beállítható -> finom, rezgésmentes járás, cserébe bonyolult, drága vezérlés. 61

62 Direkt hajtások Direkt hajtásnak nevezzük azokat a megoldásokat, amelyeknél az aktuátor mozgását közvetlenül a motor mozgásához kötjük, azaz nincs közbeiktatott mozgásátalakító. Forgó mozgású motoroknál az aktuátor közvetlenül a motortengelyre szerelt (9.c ábra). Egy motororsó megoldást részletesen is szemléltet a 42. ábra. A haladó mozgású közvetett és közvetlen hajtású szánmozgatás összehasonlítása a 43. ábrán látható. A lineáris motor elvi kialakítása a felnyitott és kiterített forgómotorokból vezethetı le (44. ábra), legelterjedtebbek az aszinkron típusok. A PASIM Direktantriebe GmbH kivitelezett megoldását a 45. ábra szemlélteti. Kivitelük lehet egyoldali, kétoldali, vagy henger alakú (szolenoid). 62

63 Motortípusok, szabályozások. A szabályozott teljesítmény- és kinematikai hajtásokban található motorok szerkezeti kialakításukban, tulajdonságaikban jelentısen eltérnek. A hajtásszabályozások alapvetı típusai: Sebességszabályozás: a szabályozott jellemzı fordulat, sebesség. Helyzetszabályozás: a szabályozott jellemzık az elmozdulás és a fordulat, vagy sebesség. A szabályozott és egymással összefüggı tengelyek száma 1-6 lehet, jelölésük: 1D-6D. Elektronikus kinematikai láncok (EKL), vagy más néven Master-Slave (Mester-Szolga) hajtások kinematikailag összefüggı mozgásokhoz szolgálnak. 63

64 41. ábra: Léptetımotor bipoláris táplálása és elvi kapcsolása 42. ábra: Direkt hajtású orsó 64

65 43. ábra: Szánmozgatási módok 44. ábra: Lineáris motor modell 65

66 Szán Mérıegység Gránitágy Motor állórész Motor mozgórész 45. ábra: PASIM GmbH direkt lineáris hajtása 66

67 67

68 4.2 Villamos készülékek Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre A villamos készülékek a mechatronikai berendezések villamos motorokon kívüli nélkülözhetetlen elemei, amelyek az elektromechanikus, villamos és fluidmechanikai rendszerekben használatosak. Ehelyütt néhány alapvetı elem bemutatására vállalkozhatunk az elmozdulást végzı kisfeszültségő elemekbıl. Ezek lehetnek: - kapcsolók (pl. mágneskapcsoló, relé) - érzékelık (pl. végállás kapcsoló) - elektromechanikus tengelykapcsolók (pl. súrlódó lemezes tk.) - illetve egyéb villamos készülékek 68

69 A készülékek többféleképpen rendszerezhetık. Kapcsoló, vagy analóg típusú készülékek. A kapcsoló típusokon belül lehetnek mőködtetı (pl. elektromágnesek, mágneskapcsolók, segédrelék, idırelék, stb.) és érzékelı (végállás kapcsolók) készülékek. A készülékek lehetnek húzó, vagy nyomó üzemmódúak, váltó-vagy egyenárammal mőködtetettek, behúzásra, vagy elengedésre késleltetettek, stb. Görgıs végálláskapcsoló Mágneskapcsoló Elektromágneses tengelykapcsoló 69

70 A 46.a ábra mágneskapcsoló (kontaktor) elvi felépítését mutatja, ahol 1-a mőködtetı mágnes és tekercse, 2-a mágnes mozgó részét kikapcsoló rugó, 3 érintkezık, 4-mozgó érintkezıt feszítı rugó. A 46.b ábra relé alkalmazására mutat példát, rendszerint segédáramkörökben. A 46.c ábra a hengeres (szolenoid) kialakítású elektromágnes elvi kialakítását szemlélteti, ahol 1-fémház (vas), 2-tekercs, 3-vasmag, 4-ütközı, 5-a mőködtetett elem. A táplálás váltó-vagy egyenáramú, az elektromágnes nyomó, vagy húzó. Alkalmazásukra pl. a fluidmechanikai szelepek mőködtetése említhetık, löketük maximum mm-ig terjed. 70

71 A 46.d ábra egy kétállapotú (bistabil) hengeres elektromágnes kialakítását mutatja, ahol 1-fémház, 2-tekercs, 3-állandó mágnes, 4- tekercs. Alkalmazása gépkocsik központi zárrendszerének mőködtetésére, vagy a fluidtechnikában impulzus szelepek két állapotának kapcsolására. További elektromágnes alkalmazások Súrlódó lemezes elektromágneses tengelykapcsolók, fékek Az elektromágnessel mőködtetett elektromechanikus tengelykapcsolók, fékek lehetnek erızárók egy, vagy több súrlódó lemezzel és alakzárók fogakkal. Indukciós tengelykapcsolók, fékek. Lényegében aszinkrongép. A primer forgórész gerjesztı tekercseit csúszógyőrőn keresztül táplálják, a szekunder rész a forgórészt szlippel követi, ami terhelésfüggı. Hátrányuk a melegedés. Mágnesporos tengelykapcsolók A két tengelykapcsoló fél között mágnesezhetı és kenıanyagban elhelyezkedı vaspor teremt kapcsolatot gerjesztéskor. 71

72 3 4 Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre Mőködtetés 46.a ábra: Mágneskapcsoló elvi felépítése Táplálás Elektromágnes 46.b ábra: Relé c ábra: Hengeres (szolenoid) elektromágnes 46.d ábra: Kétállapotú hengeres elektromágnes 72

73 4.3 Új típusú villamos aktuátorok Piezoelektromos, Elektrostriktív (elektromos tér hatására szimmetrikus kristályok alakváltozása) Magnetostriktív (mágneses térbe helyezett ferromágneses anyagok (kristályok) alakváltozása), Elektrorheologiai (elektromos mezıbe helyezett folyadék viszkozitás értékének növekedése), Magnetorheologiai (mágneses mezıbe helyezett egyes folyadékok viszkozitás értékének növekedése), Ikerfémek (hıbimetállok), Emlékezı fémek (SMA, NiTinol, izomhuzal ), Térfogatváltoztató anyagok. A felsoroltakból a piezoelektromos aktuátorokat érintjük röviden. Teljesítményerısítésük jobb, mint a elektrostriktív és magnetostriktív aktuátoroknak, gyors mőködésőek, nagy erık állíthatók elı, kopásmentesek, viszonylag kis elmozdulások jellemzik. Mőszaki paramétereik U max = V, l= µm, s= N/µm, ω 0 =2 50 khz, ω g ~0,8ω 0 η=50%. A piezohatás lényege: a piezokristály hossza elektromos feszültség hatására az elektromos mezı irányában megváltozik (nı). Ha az elmozdulás korlátozott, akkor a hatás erı alakjában jelenik meg. 73

74 A jelenség fordítottját a piezoelektromos méréstechnika használja. Kristályanyag lehet természetes pl. kvarc (SiO 2 ), vagy mesterséges, mint pl. a báriummal bíró különbözı összetételő kristályok. A piezoelektromos hatásmechanizmus alapján, a kristályok anizotróp tulajdonsága miatt, gerjesztéstıl függıen (a kristályok alakváltozási irányainak megfelelı) két alaptípus létezik: hosszirányú (longitudinális), azaz polarizációs tengelyirányú (47.a ábra), és keresztirányú (transzverzális), amely az elızıre merıleges (47.b ábra). Legtöbb alkalmazásnál a feszültség a polarizációs irányba esik. Az elmozdulás arányos a feszültség nagyságával. Piezohatás addig van, amíg gerjesztés is van. Gyakorlati alkalmazásokra többrétegő piezoaktuátorokat alkalmaznak (48. ábra). A hosszirányban rétegelt kialakítás vékony piezokerámia lapokból áll, amelyek között vékony, sík fémelektródák találhatók a tápláláshoz. Ezeket hosszirányú alakváltozás jellemzi (48.a ábra). A keresztirányban, sávokban rétegelt kialakításnál a keresztirányú hatást használják ki (48.b ábra). Egyedi feladatokra szolgálnak a hajlító, bimorf (kettıs) és hibrid aktuátorok. 74

75 A piezoaktuátorok egyre szélesebb körben nyernek alkalmazást. Fı alkalmazási terület ott található, ahol kis és pontos elmozdulásokra, illetve nagy erıkre van szükség. Példaként említhetık tükörbeállítások, szerkezetek hézagtalanítása, elıfeszítése, nagypontosságú vezetések, pontos pozícionálások az aktuátorlánc különbözı helyeire (pl. szerszámba, golyósorsó-anya hajtásba) beépített piezoaktuátorral szubmikronos berendezéseknél. Nexline N-111 piezo lineáris léptetımotor Mozgástartomány: 10 mm Felbontás: nm / 5 nm Mőködtetı erı: 50 N Tartóerı: 70 N Max. sebesség: 1 mm/s Tápfeszültség: ± 250 V Tömeg: 245 g 75

76 z (3) (1) x F ny, z F ny, x y (2) a., x (1) z U y (2) z (3) 47. ábra: Piezoelektromos hatásmechanizmus U b., x x z a., 48. ábra: Piezoaktuátor kialakítások b., 76

77 Bolygómővek típusai Nagy lassítások valósíthatók meg - Jó hatásfok (akár 99%) - Kis méret - Nagy teherbírás (akár több ezer kw) - Zajos - Hajtásösszegzıként és hajtás-szétágaztatóként is alkalmazható Alkalmazásaik: - Kéziszerszámgépek (2-3 fokozat) - Hibrid gépjármővek (hajtásösszegzı) - Automata sebességváltók - Differenciálmővek (hajtás-szétágaztató) Két szabadságfok, egyet lefogunk. Egyszerő bolygómő részei: - a: napkerék (sun) - b: bolygókerék (planetary) - c: bolygók. hordozó kar (planetary carrier) - d: győrőkerék (ring) - e: ház (case) 77

78 Hengeres kerekes differenciálmővek k-k típusú (n 2 =n j ) n 1 +1 n 2 =n j +1 n E +1 n 3 +1 n 2 =n j n 1 n 3 z 1 E z 2 z 3 z z 1 /z 2 1+z 1 /z 2 -(z 1 /z 2 )*(z 3 /z 4 ) 1-(z 1 /z 2 )*(z 3 /z 4 ) 1. sor : minden taggal +1 fordulatot közlünk 2. sor : az n 2 -vel 0, az n 1 -el -1 fordulatot közlünk 3. sor : az 1. és 2. sor összege A bolygómő egyenlete: a., n 2 = n j = 0 esetén n 3 =n 1 *(z 1 /z 2 )*(z 3 /z 4 ) b., n 1 = 0 esetén n 3 =n 2 *(1-(z 1 /z 2 )*(z 3 /z 4 ) = n 2 (1-k) c., n 1 0; n 2 0 n 3 =n 1 *k+n 2 *(1-k) 78

79 Kúpkerekes differenciálmővek Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre Belsı áttétele: k=-1 n 1 n j= n 2 n 3 n n n ha n 2 =0 n 3 =-n 1 ha n 1 =0 n 3 =2n /2 1/2 79

80 További differenciálmővek Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre k-b típusú n 1 n 2 n j z z 2 n j (n 3 ) (z 1 /z 2 )*(z 2 /z 3 ) 1+(z 1 /z 3 ) n 1 n 2 a., n 2 =0 n j =(-n 1 )(z 1 /z 3 ) z 1 b., n 1 =0 n j =n 2 (1+z 1 /z 3 ) c., n 3 0, n 1 0 n j =-n 1 (z 1 /z 3 )+n 2 (1+z 1 /z 3 ) 80

81 További differenciálmővek Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre b típus, ciklois hajtómő n 1 n j n 2 n j z b (z b /z k ) z k (z b /z k ) a., n 1 =0 n 2 =n j (z b /z k ) n 1 n 2 b., n j =0 n 2 =n 1 (1-z b /z k ) c., n 1 0, n j 0 n 2 =n 1 (z b /z k )+n 1 (1-z b /z k ) n 1 (1-z b /z k )+n 1 (z b /z k )-n 2 =0 81

82 További differenciálmővek Kéziszerszámgép hajtómőve k-b típusú bolygómő n=17500 min -1 z 3 =42 z 2 =15 3/1 3/2 3/3 k/1 k/2 k/3 n=192 min -1 z 1 =12 Bolygókerék 2/1 2/2 2/3 n=3889 min -1 n=864 min -1 Győrőkerék Napkerék 82

83 Összefoglalás Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre Az oktatott tananyag megértése, számonkérése. Gyakorlati tréningek módjai: példák keresése és bemutatása kinek-kinek a szakmai területérıl. Kérdések külön lapon. További információk Actuator címszó alatt az interneten mintegy cím található. Ezekben igen széleskörő mechatronikai oktatási anyagok, irodalmak, cikkek, alkalmazások és gyártmányismertetık találhatók. Könyvek részben elektronikus keresés nyomán, részben a megadott irodalomjegyzék alapján szerezhetık be. 83

84 Az anyag elsajátítását segítı témajegyzék Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben. 2. Az aktuátorok fogalma. 3. A mozgásinformáció leképzés. 4. Relatív és elemi mozgások, szánok. 5. Struktúrák, paraméterváltozatok, az építıszekrény elv. 6. Energiaátalakítók, energiafajták, teljesítmény összefüggések. 7. Mechanikai aktuátorok. 8. Forgó-forgó mozgásátalakítók. Fogaskerekes hajtómővek hézagtalanítás. 9. Nagy lassítású hajtómővek, alkalmazások. 10. Forgó-haladó mozgásátalakítók. 11. Golyósorsós hajtások, számítások. 12. Haladó-forgó, haladó-haladó mozgásátalakítók. 13. Fluidmechanikai aktuátorok, hidraulikus körfolyamok építıelemei. 14. Hidraulikus szivattyúk, motorok. 15. Irányító elemek és azok mőködtetése. 84

85 16. Áramlásirányítók, mint útváltó- útirányító szelepek. 17. Mennyiségirányítók (térfogatáram irányítók), mint pl. a fojtószelep, és mennyiségállandósító szelepek. 18. Nyomásirányítók: nyomáshatároló, nyomáscsökkentı szelepek. 19. Tápegység kialakítás körfolyamok. 20. Vezérelt és szabályozott hidraulikus aktuátorok, erısítık. 21. Hidraulikus motorok fordulatszám állítása. 22. Arányos- és szervoszelepek, merev visszavezetéső erısítık. 23. Villamos motorok, kétmágnes elv. 24. Egyenáramú gépek. 25. Szinkron gépek. 26. Aszinkron gépek. 27. Léptetımotorok. 28. Direkt hajtások. 29. Hajtási negyedek. 30. Teljesítmény és nyomaték határgörbék, fordulatszám szabályozás. 31. Villamos készülékek, elektromágnesek, relék, tengelykapcsolók, stb. 32. Új típusú villamos aktuátorok. 85

86 Irodalom [1] Baumüller: Dokumentation LSE Baureihe Version 1 [2] W. Bolton: Mechatronics, Elektronic control systems in mechanical Engineering [3] B. Bork: Linear-Direktantriebe in Werkzeugmaschinen, Darmstadt, Hua Gao Werkstatt und Betrieb, Band 131 (1998) H. 7-8, S [4] D.A. Bradley D. Dawson - N.C. Burd A.J. Loader: Mechatronics, Chapman Hall [5] Devdas Richard: Mechatronic System Design, PWS Publishing Company Boston, 1997 [6] Excel-Csepel Szerszámgépgyártó Kft.: Dokumentációk [7] FESTO Pneumatic: Pneumatika alapválaszték Katalógus [8] Halász, S.-Hunyár, M.-Schmidt, I.: Automatizált villamos hajtások II: Mőegy. Kiadó, 1999 [9] B. Heinmann W. Gerth _ K. Popp: Mechatronik (Komponenten-MethodenBeispiele), Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 1998 [10] G. Henneberger: Linearantriebe für den industriellen Einsatz, Stand der Technik, Entwicklungstendenzen. Achen Internationale ETG-Tage 1999, Band 79, Seite 439- [11] R. Isermann: MechatronischeSysteme-Grundlagen, Springer Verlag Berlin Heidelb, 1999 [12] Ipsits I.: Villamos automatikaelemek, Mőszaki Könyvkiadó, Budapest [13] Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002 [14] Kröell-Dulay I.: Szerszámgépek hidraulikus rendszerei, Kézirat Tankönyvkiadó Bp., 1974 [15] Kröell-Dulay I.: Szerszámgépek automatizálása I., Kézirat, Nemzeti Tankönyvkiadó,

87 [16] Mannesmann-Rexroth AG: Katalog 1998 (RD , RD ) [17] Mádai, F.: Villamos hajtások, Oktatási segédlet, Kézirat, Miskolc 1999 [18] Mádai, F.: Egyenáramú és aszinkron motoros négynegyedes hajtás vizsgálata,miskolc1995 [19] G. Pritschow: Linearmotor oder Kugelgewindetrieb? Stuttgart J. Bretschneider VDI- Zeitschrift Special, (2000) Heft 2, Seite [20] W. Roddeck: Einführung in die Mechatronik, Teubner Stuttgart, 1997 [21] Siemens AG.: SIMODRIVE Projektierungsanleitung Lineamotor (1FN1, 1FN3) München [22] Stefányi I. Szandtner K.: Villamos kapcsolókészülékek, Tankönyvkiadó, Bp.1991 [23] Szemerey Z.: Kisfeszültségő kapcsolókészülékek, Mőszaki könyvkiadó, 1990 [24] Tajnafıi, J.: Szerszámgéptervezés I. Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1973 [25] Tajnafıi, J.: Szerszámgéptervezés II. Kézirat, Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1990 [26] Tajnafıi, J. Patkó, Gy. Takács, Gy. Hegedős, Gy.:Visszavezetı-tag tájolása golyósorsók esetén, GÉP 2003/3-4. LIV. Évf. pp [27] G. Vizi E. Jakab: Latest Results in themachining of Epicycloidal Gearing, Wesic, Miskolc, 2003 p.10 [28] Vágó Ivánné: Elektrotechnika, GAMF Kecskemét 1987 [29] Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssystemen Band 2. VDI-Verlag GmbH, 1991 [30] Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002 [31] Ilene J. Busch Vishniac: Elektromechanical Sensors and Actuators, Springer 1998 [33] 87