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

Aktuátorok Dr. Jakab Endre

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 10/5/2011 2

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 elemei, egységei vagy rendszerei, míg a közös metszetek az aktív mezık. Az aktuátor- és szenzortechnika a mechanika és elektrotechnika (elektronika) szoros kapcsolatára utal, ami nem nélkülözheti az információtechnikai hátteret. 10/5/2011 3

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 és 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 I k 2. ábra: Mozgásinformáció leképzési modell 10/5/2011 4

A 2. ábra szerinti modell azt mutatja, hogy a közölt I információk alapján k kinematikai láncokon keresztül valósul meg két fizikai test (mennyiség) között szükséges relatív mozgás. A k kinematikai láncok számát, egymással való kapcsolatát (technológiai, kinematikai), a mozgások összekapcsolásának módját (soros, párhuzamos) a feladat határozza meg. Rendszerek egyszerőtıl az igen bonyolultig egyaránt elıfordulhatnak. A k=k A +k i a kinematikai láncok elemei: k A -az alapkényszerek és azokon tárolt mozgások, amelyek a mozgást határozottá teszik. k i - elemi, illetve relatív mozgások. A kinematikai láncok lehetnek: tisztán mechanikus, elektronikus, hidraulikus, pneumatikus, termikus, vagy vegyesek, mint elektromechanikus, elektrohidraulikus, elektropneumatikus, hidropneumatikus. 10/5/2011 5

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. 10/5/2011 6

Az elemi mozgásokat szánok (3. ábra) valósítják meg: a., Egyenesvonalú haladó mozgást lineáris szánok, b., Forgómozgást forgó szánok (orsók, tengelyek, körasztalok), c., Transzlációs körmozgású szánok. Fontos! Ha lehet mindig forgómozgású szerkezeteket építsünk és csak a kinematikai lánc legvégén alakítsuk át a forgó mozgást egyenesvonalú haladó, vagy más mozgássá. Ennek elınyei: dinamikailag kedvezıbb szerkezet, forgó mozgásnál magas mozgásparaméterek biztosíthatók, a forgásszimmetrikus alkatrészek elıállítása olcsóbb. 10/5/2011 7

3. ábra: Elemi mozgások. a., b., 3. ábra: Elemi mozgásokat megvalósító szánok c., 10/5/2011 8

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. A strukturális változatok képzésének alapja az, hogy az egymástól mechanikusan független irányított tengelyekbıl (aktuátor láncokból) meghatározott szabályok szerint különbözı gépváltozatok képezhetık. Mozgásmegosztási változatok képzése: az alakítási mechanizmusban egymásra ható két oldal (például szerszám-munkadarab mozgatása) között a mozgások szétoszthatók. Szélsı esetben minden mozgást az egyik, vagy a másik oldal végezhet. Az egymásra épülı, és sorosan kapcsolódó aktuátor lánc elemekbıl (szánokból) egymásra épülési sorrendváltozatok, vagy másként rendőség változatok képezhetık (pl. A-ra épül a B, vagy fordítva). Az optimális megoldás kereséshez a mőszaki és gazdasági értékelemzés módszerét alkalmazzák. Ezekhez szorosan kapcsolódik az építıszekrény elv, a moduláris építés elve. 10/5/2011 Aktuátorok 9

A paraméterváltozatokat általában geometriai sor szerint képezzük. A paraméterváltozatok nagyságrendi változatok, amelyeket katalógusok foglalnak, példaként a villanymotorok teljesítménysora, vagy a 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: m=10, φ=1,12, 1,26, 1,41 ). 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 elemek, egységek, rendszerek összessége. 10/5/2011 10

Struktúrák képzése: Példa a CNC esztergagépek struktúráira (4. ábra) CNC esztergagépek struktúrái: alapesetben két szán (X, Z) mozgat szerszámot és/vagy munkadarabot (s, m). Mozgásmegosztási változatok ismétléses variációval: V n n k, i = k = 2 2 = 4 Rendőség változatok permutáció számítással: P = m! = 2 = 2 Összes változat: 6 db, amelyek 1. X s1 Z s2 2. X s2 Z s1 3. X m1 Z m2 4. X m2 Z m1 5. X s1 Z m1 6. X m1 Z s1 4. ábra: EPA 320 CNC esztergagép struktúrája 10/5/2011 11

5. ábra: Aktuátorok a mechatronikai rendszerben 10/5/2011 12

A szerszámgépek mőködésére jellemzı modell Feladat Információk Kezelıi utasítások Nyers elıgyártmány GÉP Technológia Szerszám Készülék Segédanyag Kész munkadarab Gazdaságossági, Termelékenységi, Pontossági tényezık Hulladék 6. ábra: Szerszámgép mőködési modell 10/5/2011 13

Tartóelemek Tartóelemek anyagai: Öntvények: szürkeöntvény (acélöntvény) Lemezgrafitos jó rezgéscsillapító: E=(8-9) 10 4 N/mm 2 (2-2,5)-szeres falvastagsága szerkezeti acélhoz képest, gépágyak anyaga. Gömbgrafitos, nagyobb szilárdság E=(1,7-1,8) 10 5 N/mm 2, állványok anyaga. Hegesztett: szerkezeti acélból, aminek a rugalmassági modulusa: E=2,1 10 5 N/mm 2 A 7. ábra szerinti eszterga ágyban bennhagyták az öntımagot rezgéscsillapítás céljából. 7. ábra: Eszterga ágy keresztmetszete 10/5/2011 14

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/pl. menetvágás, fúrógép 8.a ábra) A technológiai függvénykapcsolatok nem igényelnek pontos összhangot a fı- és mellékmozgások között (pl. marógép, 8.b ábra). Technológiai függvénykapcsolatra természetesen a kinematikai függvénykapcsolatú gépek is alkalmasak, amire példa az esztergagépek elıtoló lánca. MF FH Fo ME MH Asztal 8.a ábra 8.b ábra 10/5/2011 15

1 2 3 1 4 3 1 3 a., b., c., 9. ábra: CNC forgácsoló szerszámgépek fıhajtómőveinek funkcióábrái A 9. ábra fokozatnélküli fordulatszámot elıállító fıhajtómővek lehetséges funkcióábráit szemlélteti. Az ábrák számozása: 1- fokozat nélkül állítható fordulatszámú motor, 2-fokzatos hajtómő, vagy állandó áttétel, 3-hajtott tengely (fıorsó), ami a végrehajtó szerv, 4-tengelykapcsoló. A 9.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. 10/5/2011 16

Példaként említhetık az NC szerszámgép (esztergagép, fúró-maró megmunkáló központ, stb.) fıhajtómővek, a Teljesítmény hajtómőveket (vagy a szervomotortól a végrehajtó mechanizmusig található Kinematikai hajtásokat) legegyszerőbb esetben egyetlen lépcsıs hajtással, ami igen gyakran fogas-szíj hajtás. A 9.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 9.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 teljesítményhajtásokban, de a kinematikai hajtásokban is van erre példa. Direkt villamos hajtásra a lineáris aktuátoroknál késıbb mutatunk példát. A kimeneten a végrehajtó szerv helyezkedik el, amely meghatározott kinematikai, mozgást, erıt, vagy nyomatékot (s, v, a, F, illetve j, w, e, M) ad. Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben az 5. ábra szerinti. 10/5/2011 17

Fıhajtómővek-Fıorsók Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre A fıhajtómővekre mint teljesítmény hajtómővekre a nagy teljesítmény és a kis fordulatszám szabályozhatóság jellemzı. A fıhajtómő fokozatnélküli elektromechanikus, kis fokozatszámú (z=2, 3, 4) fogaskerekes hajtómővel, vagy egyetlen szíjhajtással, vagy orsómotorral. A hajtó motorok általában 4/4-es szabályozásúak. Bármely megoldásban a fıorsó önálló egységként kerül felfogásra az ágy bázisfelületére, ami gyakran az alapszán vezetékek bázisfelülete. A fıorsó szuperprecíz (SP, ü=2-5 µm), vagy ultraprecíz (SP, ü=1-3 µm) pontosságú gördülı csapágyazással készül, igen gyakran ferde hatásvonalú golyóscsapágyazással. A szubmikronos (mikron alatti) esztergák fıorsó csapágyazása hidrosztatikus, vagy aerosztatikus, pontos helyzetüket szabályozókörökkel biztosítják. Hasonló a szánvezeték rendszerük is. A fıhajtómővek legfontosabb egysége a fıorsó, amelynek feladata: A munkadarab (nagy tömeg), vagy a szerszám (magas fordulatszám) befogás, rögzítés, Teljesítmény, nyomaték továbbítás a megmunkálás helyére, Megmunkálási pontosság biztosítása. 10/5/2011 18

13 14 4 5 15 16 11 6 12 12 10. ábra: SL 320 HS CNC esztergagép fıorsója (Excel Csepel Kft.) 10/5/2011 19

Fıorsó csapágyazások Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre Gördülı (96-98 %), gyakori típusai: Kúpgörgıs csapágyakkal: nagy terhelés, viszonylag kis fordulatszám (n max d köz =250.000), Kétsorú hengergörgıs csapágy+ferdehatásvonalú golyóscsapágy n max d köz =500.000), Elıl ferde-hatásvonalú golyós (15, 25 ), hátul hengergörgıs (n max d köz =750.000), Elıl, hátul ferde-hatásvonalú golyós (15, 25 ), (n max d köz =1.000.000), Elıfeszítések: L (Leicht f=0,65-0,8), M (Mittel f=0,5-0,75), H (Hart f=0,3-0,5) A megengedett fordulatszám: n*=n névl f, Sikló, Hidrodinamikus Hidrosztatikus (szubmikronos gépeknél) Aerosztatikus (szubmikronos gépeknél, mérıgépeknél) 10/5/2011 20

lgm c (Nm) lgp c (kw) 95,5 70 50%ED 100%ED 15 11 23,9 17,5 6 10 50 1500 6000 0,5 0,37 lgn(min-1) 11. ábra: SL 320 HS CNC esztergagép teljesítmény- és nyomaték határdiagramjai (Excel Csepel Kft.)

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 (12. ábra). Villamos motorok típusai: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptetı. 10/5/2011 22

ω ki M ki M Sz HM I be U be 12. ábra: Villamos-mechanikai enegiaátalakító 13. 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 (13. 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 10/5/2011 23

A különbözı energiafajtáknak megfelelı teljesítmények ismert formuláit a következıkben foglaltuk össze. Ezekkel egyszerő az hatásfokok számítása. 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. 10/5/2011 24

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 h A (watt), ahol T ( o C) hımérsékletdifferencia, h (w/m 2 o C) hıátadási tényezı, A (m 2 ) hıátadási felület. 5. Kémiai teljesítmény (belsıégéső motorok) P m =H a B η ö =M ω (J/sec=W), ahol H a (J/kg) tüzelıanyag főtıértéke, B (kg/sec) az idıegység alatti üzemanyag fogyasztás, η ö a rendszer összhatásfoka (37-44 %). 10/5/2011 25

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 (15. ábra), kúpfogaskerekes és csigahajtások. Dörzshajtások. Szíjhajtások: erızárók (ékszíj, laposszíj és Poly-V szíj, zsinór), szíjhajtások, amelyek megfelelı mőködéséhez szíjfeszítés szükséges, továbbá alakzáró szíjhajtások, mint fogas-szíjhajtás. 10/5/2011 26

Szerkezeti egységek jelképi jelölése 14. ábra: Szerkezeti egységek jelképi jelölései 10/5/2011 27

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. 15. ábra: Homlokfogaskerekes hajtások 10/5/2011 28

Fogaskerékhajt khajtások, hajtómővek A bal felsı ábra állandó i-áttételő (k-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 fordulatoknál) 10/5/2011 29

Az irányváltó (2) a mellékhajtás forgásirányának megváltoztatására szolgál. Különbözı kinematikai megoldások a 16. ábrákon láthatók. A cél elsısorban nem a mozgásnagyságok, hanem a forgásirányok megváltoztatása. A 16.a ábra szerinti homlok fogaskerekes megoldásban a z 0 fordítókerék gondoskodik arról, hogy a kihajtó oldalon a behajtó oldallal azonos forgásirány legyen. A 16.b ábrán az I.-III. tengelyek 120 -os elrendezése, és a kapcsoló fogaskerék axiális helyzetei biztosítják a megfelelı kapcsolatokat, a 16.c ábra kúpkerekes irányváltót mutat. 16. ábra: Fogaskerekes irányváltók 10/5/2011 30

z 1 z 2 n be I. n be I. a., KétlK tlépcsıs s hajtás z 3 n be z 1 z 3 n z 2 z 4 z 4 n II. n II. Tk f Elıtolás M f Mozgásösszegzı M gy Tk gy Gyorsjárat b., Hajtás szétágaztat gaztatás c., Hajtásösszegz sszegzés 17. ábra: : Hajtás s szétágaztat gaztatás és összegzés 10/5/2011 31

Fogaskerékhajt khajtások, csigahajtások sok Fogaskerékhajtások hézagtalanítása A kinematikai pontosság gyakran megköveteli a fogaskerékpár, fogaskerékfogasléc pár, csiga-csigakerék pár kis hézagokkal, vagy hézagtalan építését. Ilyen igény merül fel pl. mérı hajtásokban, pontos pozícionáló (szán, manipulátor) hajtásokban. Egyenes fogazatoknál a hajtó z 1 fogszámú fogaskereket szélességében kettéosztják. A két fogaskerék felet (z 1a, z 1b ) egymáshoz viszonyítva elfordítják és hézagtalan állapotban axiálisan, erızáró kötéssel rögzítik (18.a). Ferde fogazatoknál az egyik fogaskereket kettéosztva és a két fél egymáshoz viszonyított axiális elállítása (pl. hézagoló tárcsával) is lehet a megoldás (18.b). Csigahajtás hézagtalanítása Hézagtalan, vagy kishézagú hajtásokat igényelnek a robotcsukló hajtások, folytonos osztóasztalok (CNC körasztal, C tengely, optikai osztóasztal). 10/5/2011 Aktuátorok 32

A 18.c ábra szerinti 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 a hézagtalanításra. A 18.d ábra szerinti 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 a., b., c., d., 18. ábra: HézagtalanH zagtalanított tott fogaskerék- és s csigahajtások sok 10/5/2011 33

a., Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre 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 (19.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). Ekkor is lehetséges a csavarszorításos rögzítés, de alkalmazható a kerekek közötti feszítıgyőrős kötés is (B), amit példaként a tengely és a fogaskerék között ábrázoltunk (19.b ábra). Az ábra szemlélteti a két fél tengelyirányú (axiális) széthúzásának eredményét: az osztott kerék egyik felének fogazatai a kapcsolódó kerék fogárkának egyik oldalán, a másik felének fogazatai a kapcsolódó kerék fogárkának másik oldalán kapcsolódnak. Megjegyzés: hasonló megoldást alkalmaznak (csak összefeszítéssel) a b., 19. ábra: Fogaskerék hézagtalan zagtalanítás folytonos osztású körasztalok egyes hézagmentes csigahajtásainál. Továbbá hézagmentes hajtásláncok hozhatók létre dupla hajtásláncokkal, és azok elıfeszítésével. 10/5/2011 34

Feszítıgyőrős (Ringspann) tengely-agy kötések Fémharmonika tengelykapcsolók a., b., 16. ábra: Feszítıgyőrős (Ringspann) kötések a., Állítóanya 20. ábra: Gépelemek 10/5/2011 35 b.,

Szíjhajtások v D D 1 k=d 2 1 /D 2 n 1 n 2 Szíjhajtások: erızáró és alakzáró (21. és 22. ábra) Erızáró: ékszíj, Poly-V szíj, lapos-szíj, Alakzáró: fogas-szíj Poly-V szíjhajtás (teljesítményhajtásokban) másnéven ékbordás ékszíj hajtás (DIN 7867). L a 21. ábra: Szíjhajt jhajtás s modellje B b Takaró réteg Heveder h Húzóelemek Ékbordák p Szíjtárcsa 22. ábra: Poly-V szíj keresztmetszete 10/5/2011 36

1.2. További beépített szerkezeti elemek és egységek 1.2.1 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. 1.2.1.1 Fogas-szíj hajtások A fogas-szíj hajtás alakzáró vonóelemes hajtás, amely egyesíti a laposszíj-hajtás és a lánchajtás elınyeit. Az alakzáró mellett erızáró kapcsolódás is kialakul. Néhány gyártó: Continental Gummi-Werke AG., Gates GmbH., MULCO Maschinentechnische AG., PEMÜ, Rud. Uiker AG., Uniroyal GmbH. 10/5/2011 37

Fogasszíj profilok Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre A fogas-szíjak kezdetben trapéz alakú fogakkal rendelkeztek. A magyar szabvány a trapézprofilú, zollos osztású fogasszíj-hajtásokat foglalja magába (MSZ-05 24.4901/1, 2, 3, 4-82). A szabványban a méretezés, kiválasztás menete is megtalálható. Egyre nagyobb átvihetı teljesítményt értek el és nagyobb sebességeknél a légellenállásból adódó zaj is csökkent. Igen beváltak ilyen szempontból a HTD (High Torque Drive) fogasszíj hajtások. b p b s Heveder b s Húzóelemek h t r r r a h s Fog HTD p b h t Futófelület h t h t h s h s a., b., 23. ábra: Fogas-szíjhajtás 10/5/2011 38

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 24. ábrák. A ciklois bolygó hajtómővekrıl késıbb még lesz szó. Elvek:??? 10/5/2011 Aktuátorok 39

24. ábra: Robotcsuklók mozgatása 10/5/2011 40

24. ábra: Robotcsuklók mozgatása 10/5/2011 41

2.2 FORGÓ-HALADÓ mozgás-átalakítók 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) (25.a ábra). Fogaskerék-fogasléc: széles körben alkalmazott, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (fogasléc a tartó elemen). Igényesebb megoldásban hézagtalanított fogaskerék-fogasléc hajtású (25.b ábra) Csiga-csigaléc: nagy elmozdulásoknál precíziós utazó hajtásként, gyakran hidrosztatikus kivitelben (25.c ábra). Fogasszíj-hajtás, zsinórhajtás: olcsó, széles körben alkalmazott, megbízható hajtás (plotterek, nyomtatók, másolók, gépszánok, ajtószárnyak, stb. mozgatására). A mozgatott egységet a fogas-szíjhoz kapcsolják (25.d). Forgattyús mechanizmusok: kiinduló mechanizmus a négytagú-négycsuklós mechanizmus (26.a ábra). Megoldásai pl. az egyszerő forgattyús (26.b ábra), forgattyús-kulisszás (26.c ábra), forgattyús-lengıhimbás, forgattyús-könyökös mechanizmusok a kívánt speciális kinematikai- és erıviszonyok létrehozására (optimalizált gyorsulásgörbéjő mechanizmusok 26.d ábra). 10/5/2011 42

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 25. ábra: Forgó-haladó mozgás-átalakítók d., 10/5/2011 43

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., 26. ábra: Forgó-haladó mozgás-átalakítók d., 10/5/2011 44

(m, s, v, a) Szán Tk Szervomotor F t Golyósorsó-anya (d o,p o,j o ) M stat, M din, J mot 27. ábra: Közvetlen golyósorsó-anya hajtás 10/5/2011 45

Motornyomaték számítások közvetlen golyósorsós hajtásnál (27. 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 28. 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 = 50 400 ms ε = a = ω v m, max ωm, 0 ωm,max t gy gy max 0 = t v 28. ábra: Sebesség- és szögsebesség viszonyok v t = max gy t gy 10/5/2011 46

Dinamikus nyomaték: M m,din =J ö ε/η m A J ö a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték, ε szöggyorsulás,η m a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A haladó m tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére, ahol a T a golyósorsó egy körülfordulásának ideje, A o az orsó átviteli tényezıje. 1 2 v mv = 2 p T = o, 1 2 J ω 1 2 2 2 m, oω0 = J m, oωm J m, o = m = 2π, T J ö = Jm, o + Jo + Jm. 2 v m ω 2 po J m, o = m = 2π 2 0. ma 2 o. 10/5/2011 47

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. 2 2 2 doπ 2π A tehetetlenségi nyomatékok redukálásának további esetei Fogas-szíjas, vagy 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 10/5/2011 48

Menetvágás NC esztergagépen A fentiek kapcsán célszerő bemutatni a menetvágás kinematikai láncának egyszerősített vázlatát NC esztergagépre is (29. ábra), vö. a 8.a ábrával. Kinematikai összefüggés 1ford k ν k δ = p, Ez összevethetı a hagyományos esztergagépek menetvágására jellemzı egyszerősített kinematikai lánccal 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 fenn látható. 10/5/2011 49 k vill vill pm = = C ν δ vill 29. ábra: NC menetvágás p m m

Speciális vezérpályás mechanizmusok Folytonos és egyenletes forgómozgás mellett meghatározott mozgásfüggvényő alternáló mozgások létrehozására szolgálnak (26.d ábra). Mozgásfüggvények számításához gyakran az optimalizált gyorsulásgörbéket használják fel (pl. szinoid+egyenes+szinoid). 2.3 HALADÓ-FORGÓ mozgásátalakítók A 2.2 pont alatti szerkezetek fordítottjai, amennyiben nem önzáróak: pl. a fogasléc-fogaskerék, fogas-szíj-szíjtárcsa (30. ábra), de lehet dugattyú - hajtórúd forgattyús tengely hajtás is. 2.3 HALADÓ-HALADÓ mozgásátalakítók A fogasléc-fogaskerék-fogasléc, emelıkaros mechanizmusok (31. ábra). 10/5/2011 Aktuátorok 50

ω ki M ki F be, M ki, ω ki v be l r v be F be 30. ábra: Haladó-forgó mozgásátalakítók F ki v ki v be F be F be s be F ki s ki 31. ábra: Haladó-haladó mozgásátalakítók 10/5/2011 51

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 32. 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. 10/5/2011 52

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. 10/5/2011 53

A motorok fordulatszáma, sebessége fokozatmentesen állítható és legtöbbször 4/4-es hajtással rendelkeznek (33. ábra). A motor funkció-összevonást valósít meg azzal, hogy mindkét irányban létrehozható forgás és fékezés. Természetesen lehet 2/4-es és 1/4-es táplálás is. A szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlatát a 35. ábra mutatja. Egyenáramú gépek A külsı gerjesztéső, kefe-kommutátoros egyenáramú motor egyszerősített kapcsolási vázlatát a 36. 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 10/5/2011 54

δ D ω É F o 180 90 o 0 o 90 o 180 o ω D É 32. ábra: Kétmágnes elv 34. 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 35. ábra: Szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlata 10/5/2011 55

Az elektromágneses motor nyomatéka: M m P = ω m m = U ω b m I = kφi U kφω R Primer és szekunder fordulatszám szabályozás M m = kφ 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. U b = U IR m U b = kωmφ (kφ) = R 2 ω m ) 10/5/2011 56

A 37. és 38. ábra szemlélteti a fordulatszám szabályozás egyes módjainak megfelelı, a motorra jellemzı, teljesítmény és nyomaték határ diagramokat. A 38. 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. 10/5/2011 57

+ 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 ) 36. 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 ) 37. ábra: Teljesítmény és nyomaték határdiagramok M min P min n lgn m (min -1 min n n n r n max ) I. II. III. 38. ábra: Logaritmikus teljesítmény és nyomaték határdiagramok 10/5/2011 58

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 39. 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. 10/5/2011 59

Szinkronmotorok fajtái A hiszterézis (veszteség) motorokat a finommechanikában használják, teljesítményük kicsi (50 100 W) (41. ábra). 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 50 200 W (40. ábra). Szinkronmotorokkal több hajtás együttfutása egyszerően biztosítható 1:1 hajtóviszonyú elektronikus kinematikai lánccal. A fokozatmentes fordulatszám állítás frekvenciaváltoztatással, pl. közbülsı egyenáramú körös frekvenciaváltóval történik (43. 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. 10/5/2011 60

D/É D É É/D Φ I U n=f/p, p= póluspárok száma U=szinuszos 39. ábra: Szinkronmotor egyszerősített felépítése A reluktancia motorok 50-200 W teljesítményre készülnek. Forgórészük az aszinkron motorok kalickás forgórészére emlékeztet, de a reluktancia nyomaték keletkezése érdekében a forgórészt kiálló pólusokkal látták el azáltal, hogy kb. a pólusok felének megfelelı részeken a légrést a fogak kimunkálásával megnövelték. A kimunkálások helyét és a forgórész hornyait alumíniummal öntik ki, amit a homlokoldalakon győrők kötnek össze. Ily módon egyrészt kialakult a kiképzett pólusú (nem állandó légréső) forgórész test, másrészt indító kalicka is keletkezik. 40. ábra: Reluktancia motor forgórész vaslemezek 10/5/2011 61

41. ábra: Hiszterézis motor 50-100 W teljesítményekre készülnek. A forgórészen levı mágnesezhetı, (kemény mágneses anyagból készült) acélgyőrő, ami egy nem mágnesezhetı vas, vagy mőanyag belsı hengeren helyezkedik el. Aszinkron üzemben, pl. indításkor kétféle nyomaték lép fel: a forgórész vastestében, (az acélgyőrőben) indukálódó örvényáramok miatt M asz, aszinkron nyomaték, az acélgyőrő átmágnesezıdése miatt hiszterézis veszteség ill. M h hiszterézis nyomaték. Elınyök: nagy idítónyomaték, rendkívüli nyugodt járás a forgórész tökéletes körszimmetriája miatt. Hátrány: drága. 10/5/2011 62

Aszinkronmotorok Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre A frekvenciaváltós aszinkron motorok fı jellemzıi: A nagy választékú motorok viszonylag egyszerő felépítésőek, kis karbantartás igényőek. A kis tehetetlenségi nyomatékok következtében nagy gyorsítások (lassítások) érhetık el. A szokásos frekvenciasáv 0 400 Hz, de igény esetén több khz-es feszültség is elıállítható, ezáltal igen nagy motor szabályozhatóság- és fordulatszám érhetı el. Például 3000 f/perc szinkron fordulatszámú, egy póluspárú aszinkronmotor 600 Hz-nél 36000 f/perc fordulatú. Az állandó teljesítményő tartományban lényegesen magasabb fordulatszámok érhetık el, mivel nincsenek kommutációs problémák. 4/4-es üzemre alkalmas motorok, azaz mindkét irányban forgás és fékezés lehetséges. Aszinkron gép nyomaték-fordulat diagramja a 42. ábrán látható. 10/5/2011 63

M m M b M m (n m ) M b - billenı nyomaték M n - névleges nyomaték M ü - üresjárási nyomaték M n n b - billenı pont fordulatszáma M ü s=0 n n - névleges fordulatszám n ü - üresjárási fordulatszám n b n n n ü n m s 42. ábra: Aszinkronmotor nyomaték diagramja A motor nyomatékot csak aszinkron állapotban, azaz valamilyen n<n 1 fordulatszámnál fejt ki, amit az M m =M m (s) nyomatéki egyenlet fejez ki: M m ( s) M b 2 s sb + s s b 10/5/2011 64

A frekvenciaváltós hajtásoknál két paraméter-, a feszültség és a frekvencia állítása szükséges, amelyet külön-külön egységek oldanak meg. Az egyszerő közbensı egyenáramú körös, feszültség-inverteres aszinkron motoros hajtásoknál nagy szabályozhatóság, a közbülsı körbe beiktatott ellenállással és azt szaggató tranzisztorral 4/4-es hajtás valósítható meg. A feszültséginverterek csak kikapcsolható félvezetı elemeket tartalmaznak. Inverteres (egyenáramból váltóáramot elıállító áramirányító) táplálással az aszinkronmotorok fordulat száma veszteségmentesen szabályozható a tápfeszültség és a frekvencia egyidejő állításával. A frekvenciaváltók két fı egysége az: egyenirányító (váltóáramból egyenáramot képez) és az inverter (43. ábra). 50Hz ~ R S T Tirisztoros egyenirányító Szőrıkör + I e U e =vált. Inverter U 1, f 1 M 3~ Tachogenerátor U 1 - f 1 Szabályzó 43. ábra: Egyszerő feszültséginverteres frekvenciaváltó blokkvázlata 10/5/2011 65

A motor fékezése hálózatra visszatápláló, generátoros. Az ISZM (impulzus szélesség modulációs) invertereknél (44. ábra) a közbensı egyenáramú kör U e egyenfeszültsége-, az inverterbe bemenı feszültség-, állandó a diódás egyenirányítás következtében. A diódás híd miatt a hálózatba visszatápláló fékezés nem lehetséges. Errıl a szőrı után beépített generátoros fék (energiaelnyelı ellenállás) gondoskodik, miáltal a hajtás 4/4-es lesz. 50Hz ~ R S T Diódás egyenirányító Szőrıkör Fékkör - 44. ábra: ISZM inverteres frekvenciaváltó blokkvázlata + I e U e =áll. ISZM Inverter U 1 f 1 Szabályzó U 1, f 1 M 3~ Tachogenerátor Egyre inkább terjed az aszinkron gépek un. mezıorientált (vektor kontroll) fordulatszám szabályozása mind a fı- és mellékhajtásokban. Ennek oka az, hogy ennél a hajtástípusnál kedvezıek a tranziens üzem jellemzıi, a fordulatszám beállítás gyors,lengésmentes, és a fordulatszám pontosan tartható. 10/5/2011 66

Motorok kiválasztása A motorok kiválasztása a fıhajtómő elıírt és meghatározott paramétereivel szoros összefüggésben, a szükséges teljesítmény (nyomaték) és fordulatszám alapján történik. A motorok teljesítménye a szükséges és elégséges értéket felülrıl közelítse, mivel a túlméretezés gazdaságtalan és felesleges költségeket jelent, stb. A motor kiválasztása során számos további szempontot is figyelembe kell venni, illetve a rendeléskor megadni, mint az építési alak, a védettségi fokozat (IEC 34-5/1991), a hőtési mód (IEC 34-6), az üzemmód (IEC 34-1), stb.. Az IEC - International Electrotechnical Comission, a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság ajánlásait jelenti. 10/5/2011 67

Építési alak A motorok különbözı kiviteli, építési alakját az IM betők utáni négyjegyő szám adja meg. Az építési alak a motor beépítési és csatlakozó méreteit foglalja magába, talpas motoroknál a tengelymagasságot és a talp méreteit, peremes motoroknál a perem geometriai adatait. Az IM 1001 jelő talpas motorok felfogása vízszintes sík felfogó felületre csavarokkal történik. Az IM 3001 jelő peremes motorok központosító pereme pontos tengelyhelyzetet biztosít, rögzítésre a motor külsı győrője szolgál. A motorok forgórésze rendelkezhet egyoldali, vagy kétoldali kihajtó tengellyel, esetleg igény szerinti furatos tengellyel, stb. Védettségi fokozat A védettséget az IP betők utáni kétjegyő szám adja meg. Az elsı szám a motor személy és idegen test elleni, a második szám a víz elleni védettségre utal. A leggyakoribb védettségi mód az IP 44, ami az 1 mm-nél vastagabb szerszámokkal, valamint bármilyen irányú fröcskölt vízzel szembeni védettséget jelent. 10/5/2011 68

Hőtési mód A motor hőtési módját az IC betők utáni számkombináció határozza meg. Az IC0041 a természetes hőtésre utal, a gépnek nincs ventillátora. Az IC01 saját szellızéső motor, a hőtést a forgórészre szerelt, vagy arról állandó áttételen keresztül hajtott ventilátor biztosítja. Melegedés Az állandó üzemő motoroknál névleges teljesítménynél, állandósult állapotban a keletkezı és eltávozó hımennyiség egyensúlyban van normál környezeti feltételek mellett. Rövid idejő és szakaszos üzemben a motorokról a névlegesnél nagyobb teljesítmények és nyomatékok vehetık le. A túlterhelés mértékét mindig a hıegyensúly és a hıállósági osztály határozza meg. Valamely munkaciklusban a motor hıenergiává alakuló átlagos vesztesége azonos vagy kisebb lehet a névlegesnél. Az ellenırzı számításokhoz legtöbbször az egyenértékő áramok módszerét használják. A motorok túlmelegedés ellen védettek. 10/5/2011 69

Üzemmódok A motor különbözı üzemmódokban terhelhetı, bármely üzemmódban is a motor melegedésére megengedett értékekeit tartani kell. A motorokat különbözı üzemmódokra tervezik a sajátosságoknak megfelelıen. A szerszámgépeken használatos motorok több üzemmódban is igénybe vehetık, a gép kialakításánál erre tekintettel vannak. A legfontosabb üzemmódok: Az állandó üzem-, jele S1, S6 S9-, pl. a szerszámgépek alapvetı üzemmódja. A gép állandó fordulatszámmal és állandó, vagy kissé változó terheléssel üzemel, azaz bi%=100%-os bekapcsolási idejő (idegen kifejezéssel 100 %ED - 100 % Einschaltdauer). A terhelés idınként szünetelhet. Pl. az S1 állandó terhelést, az S6 ciklikusan ismétlıdı terhelést, az S7 ciklikusan ismétlıdı állandó üzemet, stb. jelent. Ekkor a statikus terhelés alapján számított névleges teljesítmény tartósan levehetı. A motor hıegyensúlya beáll, a melegedés névleges értékő. 10/5/2011 70

A rövid ideig tartó üzemet-, jele S2-, igen változó terhelések jellemezik. Az indítások és fékezések hatása a melegedésre elhanyagolható. Rövid ideig tartó üzemmódban a motor meghatározott, ajánlott tü üzemideig, 10, 30, 60, 90 percig üzemeltethetı, de hımérséklete rendszerint nem éri el az állandósult értéket. Kikapcsolás után a motor a környezeti hımérsékletre hől le. A tü üzemidıre számított levehetı teljesítmény a névlegesnél nagyobb. A szakaszos üzemő gépeknél (S3 S5) gyakoriak a motor melegedését befolyásoló indítások és fékezések, a ciklikusan ismétlıdı terhelés és fordulatszám állandó lehet. Szakaszos üzemben a t ü üzemidıt és a t c ciklusidıt figyelembe véve határozzák meg a bi%=t ü /t c 100% százalékos, vagy viszonylagos bekapcsolási idıt, amelynek szabványos értékei: 15%, 25%, 40%, 60%. Szakaszos üzemő gépnél a t c ciklusidıt általában 10 percben korlátozzák. Állandó üzemő gép szakaszos üzemre való felhasználásakor a ciklusidı t c 10 perc és a százalékos bekapcsolási idıvel együtt adják meg. A szakaszos üzem ekkor a periodikus terheléső folyamatos üzemnek felel meg- jelölése ezért lehet S6 is- azzal a különbséggel, hogy a motort kikapcsolják. A motor lekapcsolás után nem hől le a környezet hımérsékletére. A kihasználható teljesítmény a névlegesnél nagyobb. 10/5/2011 71

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 0 400 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. Az aszinkron motorokra is jellemzı teljesítmény és nyomaték határdiagramok a 37. és 38. ábra szerintiek. A motornyomaték és a fordulat az alábbi összefüggésekkel írható fel, ahol K a gépállandó, U a feszültség, f a frekvencia, p póluspárok száma, s, s B szlip: M m M b s) 2 s sb + s s ( 2 b 10/5/2011 72 M m U 60 f1 = K n m = (1 s) f p

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. A váltakozó (bipoláris), vagy azonos (unipoláris) polaritású vezérlések közül bipoláris kapcsolást szemléltet a 45. ábra, ahol a fázistekercsek két-két szembenálló póluson helyezkednek el. Az álló- és forgórész pólusok száma eltérı. 10/5/2011 73

Az α lépésszög, z forg -a forgórész pólusok, m-a fázisok száma: α = 360 z m forg o 45. ábra: Léptetımotor bipoláris táplálása és elvi kapcsolása 10/5/2011 74

Léptetımotorok üzemmódjai: Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre Egyfázisú : egyszerre csak egy tekercs van gerjesztve, 1 2 3 4 -, egy lépés tipikusan 1,8 5. Teljes lépéses (Full step) : egyszerre két szomszédos tekercs van gerjesztve, 12 23 34 41 -, így nagyobb a nyomaték, lépésszög nem változik. Féllépéses (Half step) : 1 12 2 23 3 34 4 -, felezıdik a lépésszög. Mikrolépéses (Micro step) : a tekercsek gerjesztı feszültsége analóg növekvı-csökkenı értékeket vesz fel (felváltva szinusz illetve koszinusz). Szinte bármilyen pozíció beállítható -> finom, rezgésmentes járás, cserébe bonyolult, drága vezérlés. 46. ábra: Léptetımotor üzemmódok 10/5/2011 75

Direkt hajtások Direkt hajtásnak nevezzük azokat a megoldásokat, amelyeknél az aktuátor mozgását közvetlenül a motor mozgásához kötjük, azaz nincs közbeiktatott mozgásátalakító. Forgó mozgású motoroknál az aktuátor közvetlenül a motortengelyre szerelt. Egy motororsó megoldást részletesen is szemléltet a 47. ábra. A haladó mozgású közvetett és közvetlen hajtású szánmozgatás összehasonlítása a 48. ábrán látható. A lineáris motor elvi kialakítása a felnyitott és kiterített forgómotorokból vezethetı le (49. ábra), legelterjedtebbek az aszinkron típusok. A PASIM Direktantriebe GmbH kivitelezett megoldását a 50. ábra szemlélteti. Kivitelük lehet egyoldali, kétoldali, vagy henger alakú (szolenoid). 10/5/2011 76

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. 10/5/2011 Aktuátorok 77

47. ábra: Direkt hajtású orsó 10/5/2011 78

48. ábra: Szánmozgatási módok 49. ábra: Lineáris motor modell 10/5/2011 79

Szán Mérıegység Gránitágy Motor állórész Motor mozgórész 50. ábra: PASIM GmbH direkt lineáris hajtása 10/5/2011 80

Egyfázisú motorok 51. ábra: Motorok 10/5/2011 81

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 csak 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. 10/5/2011 82

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 (52. ábra). A Készülékek lehetnek húzó, vagy nyomó üzemmódúak, váltó-vagy Egyenárammal mőködtetettek, behúzásra, vagy elengedésre késleltetettek. Mágneskapcsoló a., Görgıs végálláskapcsoló b., 52. ábra c., Elektromágneses lemezes súrlódó tengelykapcsoló 10/5/2011 83

A 52.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 52.b ábra relé alkalmazására mutat példát, rendszerint segédáramkörökben. 3 4 Mőködtetés 2 1 Táplálás Elektromágnes 53.a ábra: Mágneskapcsoló 53.b ábra: Relé 10/5/2011 84

A 53.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 20-25 mm-ig terjed. A 53.d ábra egy kétállapotú (bistabil) hengeres elektromágnes kialakítását mutatja, ahol 1-fémház, 2-tekercs, 3-állandó mágnes, 4- tekercs. Alkalmazása gépkocsik központi zárrendszerének mőködtetésére, vagy a fluidtechnikában impulzus szelepek két állapotának kapcsolására. 1 4 2 3 5 1 2 3 4 53.c ábra: Hengeres (szolenoid) elektromágnes 53.d ábra: Kétállapotú hengeres elektromágnes 10/5/2011 85

További elektromágnes alkalmazások Elektromágneses súrlódó lemezes tengelykapcsolók és fékek, amelyek lehetnek erızárók egy, vagy több súrlódó lemezzel, vagy 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. 10/5/2011 86

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. 10/5/2011 87

A piezoelektromos aktuátorok Miskolci Egyetem RBMT Dr. Jakab Endre Teljesítményerısítésük jobb, mint a elektrostriktív és magnetostriktív aktuátoroknak, gyors mőködésőek, nagy erık állíthatók elı, kopásmentesek, viszonylag kis elmozdulások jellemzik. Mőszaki paraméterek: U max =800 1000 V, Dl=70 200 µm, s= 1800-2000 N/mm, w 0 =2 50 khz, w g ~0,8 w 0 h=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.

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 (54.a ábra), és keresztirányú (transzverzális), amely az elızıre merıleges (54.b ábra). Legtöbb alkalmazásnál a feszültség a polarizációs irányba esik. Az elmozdulás arányos a feszültség nagyságával. Piezohatás addig van, amíg gerjesztés is van. Gyakorlati alkalmazásokra többrétegő piezoaktuátorok szolgálnak (55. ábra). A hosszirányban rétegelt kialakítás vékony piezokerámia lapokból áll, amelyek között vékony, sík fémelektródák találhatók a tápláláshoz. Ezeket hosszirányú alakváltozás jellemzi (55.a ábra). A keresztirányban, sávokban rétegelt kialakításnál a keresztirányú hatást használják ki (55.b ábra). 10/5/2011 89

z (3) F ny, z (1) x F ny, x y (2) a., x (1) U y (2) z (3) U b., z 54. ábra: Piezoelektromos hatásmechanizmus x x z a., 55. ábra: Piezoaktuátor kialakítások b.,

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. 56. ábra: Lineáris léptetımotor Nexline N-111 piezo lineáris léptetımotor (56. ábra) Mozgástartomány: 10 mm Felbontás: 0,025 nm / 5 nm Mőködtetı erı: 50 N Tartóerı: 70 N Max. sebesség: 1 mm/s Tápfeszültség: ± 250 V Tömeg: 245 g F=7 N, L=100 mm 10/5/2011 91

Bolygómővek - Nagy lassítások valósíthatók meg - Jó hatásfok (akár 99%) - Kis méret - Nagy teherbírás (akár több ezer kw) - Zajos - Hajtásösszegzıként és hajtásszétágaztatóként is alkalmazható Alkalmazások - Kéziszerszámgépek (2-3 fokozat) - Hibrid gépjármővek (hajtásösszegzı) - Automata sebességváltók - Differenciálmővek (hajtás-szétágaztató) Két szabadságfok, egyet lefogunk. 57. ábra: Egyszerő kb bolygómő részei: - a: napkerék (sun) - b: bolygókerekek (planetary) - c: bolygók. hordozó kar (planetary carrier) - d: győrőkerék (ring) - e: ház (case) 10/5/2011 92