Zagadnienia na egzamin z przedmiotu

Napędy Urządzeń Mechatronicznych

1. Definicja napędu mechatronicznego
2. Elementy napędu mechatronicznego

(1+2) Napędem mechatronicznym będziemy nazywali taki układ (system) którego
zadaniem jest realizacja ruchu lub sił (momentów) i który składa się z:
• napędu (aktor, actuator)
• układu sterowania (sterownik)
• układów pomiarowych (sensorów) jako członów sprzężenia zwrotnego.

Zadania stawiane napędom mechatronicznym:
• ruch z programowaną prędkością, przyspieszeniem, itp.,
• ruch z programowanym przemieszczeniem, pozycjonowaniem, (serwonapędy),
• ruch z programowaną siłą, momentem siły, itp.

Wymagania stawiane napędom mechatronicznym:
W zależności od zadania stawianego napędom mechatronicznym:
• sztywność charakterystyki mechanicznej
• odpowiednie charakterystyki rozruchu i hamowania
• przeciążalność
• zdolność do sterowania (zmiany) ruchem (sterowanie ilością i kierunkiem ruchu)
• odpowiednie właściwości dynamiczne
• odpowiednie charakterystyki siłowe (sterowanie wielkością i kierunkiem sił).

3. Rodzaje napędów



napędy hydrauliczne

o liniowe
o obrotowe



napędy pneumatyczne

o liniowe
o obrotowe



napędy elektryczne

o silniki prądu stałego
o silniki prądu zmiennego

 asynchroniczne
 synchroniczne

o silniki liniowe i momentowe
o silniki krokowe

4. Zalety i wady napędu pneumatycznego

Zalety:
- czynnik roboczy (powietrze) jest ogólnodostępne i łatwe w transporcie
- sprężone powietrze jest odporne na wahania temperatury
- bezpieczny w eksploatacji (niskie ciśnienie w porównaniu z napędami hydraulicznymi)
- może być stosowany w pomieszczeniach w których możliwy jest samozapłon
Wady:
- trudności w uzyskiwaniu dokładnych prędkości i pracy, głównie ze względu na ściśliwość czynnika
roboczego pod wpływem zmiennych sił procesu
- ograniczona długość przemieszczeń prostoliniowych
- stosowany głównie jako napęd do ruchów pomocniczych, takich jak np. zaciskanie przedmiotów,
podawanie i odbieranie przedmiotów obrabianych, zmiana narzędzi.

5. Zalety i wady napędu hydraulicznego

Zalety:
- małe gabaryty i ciężar, zwarta budowa
- duży moment rozruchowy przy krótkim czasie rozruchu i hamowania
- płynna, bezstopniowa regulacja prędkości i zmiany kierunku ruchu
- precyzja działania i standaryzacja elementów
- łatwość automatyzacji
Wady:
- trudność ścisłego powiązania z sobą dwóch ruchów kształtowania (np. w tokarkach do gwintów,
zataczarkach, obrabiarkach do kół zębatych),

- zależność prędkości od obciążenia i temperatury oleju (szczególnie przy regulacji dławieniowej)
- trudność uzyskania ruchów o bardzo małych prędkościach
- ograniczona długość przesuwów
- trudności wykonawcze i eksploatacyjne (dostawanie się do obiegu powietrza, konieczność bardzo
dokładnego wykonania pomp i elementów sterowania, trudności związane z utrzymaniem
szczelności)

6. Definicja serwonapędu

Serwonapędy to podstawowe układy wykonawcze stosowane w automatyce, służące do realizowania
ruchów obrotowych, liniowych. Serwonapedy, dzięki pracy w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego,
są stosowane wszędzie tam, gdzie potrzebna jest duża dynamika ruchu, pozycjonowanie, praca na
bardzo małych prędkościach, bardzo duże dokładności regulacyjne, precyzyjne przemieszczanie z
pozycji A do B.

Pod pojęciem projektowania serwonapędu posuwu należy rozumieć kompletny dobór wszystkich
zespołów elektryczno – elektroniczno – informatyczno – mechanicznych.

7. Elementy serwonapędu



regulowany silnik (prądu stałego, prądu przemiennego, liniowy, skokowy lub hydrauliczny)



zasilacz (stałoprądowy, falownikowy, impulsowy (dla silników skokowych) lub hydrauliczny)
wraz z układami regulacji prędkości i momentu, siły



układ sterowania położeniem (regulator położenia)



układy pomiarowe położenia, prędkości i prądu



mechaniczny łańcuch kinematyczny (przekładnia pasowa zębata, przekładnia śrubowa
toczna, łożyskowanie, prowadnice)

8. Charakterystyka mechaniczna silnika prądu stałego

9. Różnica pomiędzy klasycznym silnikiem prądu stałego a bezszczotkowym

Zasadą działania silników szczotkowych jest stykanie się grafitowych szczotek ze stykami
rozmieszczonymi na komutatorze. Szczotki te są używane aby przenosić ładunki elektryczne na
komutator który wprawia w ruch zwoje umieszczone na wirniku silnika. Natomiast silnik
bezszczotkowy składa się z nieruchomego uzwojenia i wirujących magnesów

Silniki bezszczotkowe, poza ceną, wydają się mieć same zalety - nie ma w nich ani szczotek, ani
komutatorów - nie ma się więc co zużywać, nie ma co iskrzyć czyli zwiększać temperatury,
powodować straty energii. Dzięki temu silniki pracują długotrwale bezobsługowo. Mogą być więc też
stosowane w miejscach, które po montażu są niedostępne.

10. Charakterystyka mechaniczna silnika asynchronicznego

Charakterystyka

mechaniczna

pokazuje

cechy

charakterystyczne danej maszyny. Jak widać z rysunku
krzywa (granatowa) dzieli charakterystykę na dwie części.
Z jednej strony w zakresie poślizgów od s = 1 do sk krzywa
unosi się, a z drugiej strony w zakresie poślizgów od sk do
sn krzywa opada. Punktem, w którym następuje
załamanie krzywej jest moment krytyczny. Jest to ważny
punkt pracy maszyny. Załóżmy, że wał wirnika jest
obciążony naturalnym momentem obciążenia (tarcie,
opór powietrza) oraz dodatkowym urządzeniem. Aby
wirnik mógł zacząć się obracać wartość momentu
rozruchowego musi być większa od momentu obciążenia
(hamującego). Jeżeli moment rozruchowy będzie większy
od momentu hamującego to wirnik ruszy i zacznie
nabierać prędkości. Przy stałym obciążeniu na wale
maszyny moment obciążenia zmienia się niewiele (np.
rośnie opór wiatru). Z czasem, zgodnie z zasadą działania
maszyny, w miarę wzrostu prędkości zacznie maleć
moment elektromagnetyczny - będzie to się działo po
osiągnięciu

momentu

krytycznego.

Moment

elektromagnetyczny w pewnej chwili zrówna się z momentem hamującym i nastanie stan równowagi
(na rysunku jest to punkt przecięcia się charakterystyki z krzywą momentu obciążenia - Mh -
fioletowa krzywa). Dalsze zwiększanie prędkości jest możliwe wówczas, gdy moment obciążenia się
zmniejszy (np. zdjęte zostanie obciążenie wału). Wówczas prędkość obrotowa wzrośnie i wirnik
będzie dążył do uzyskania prędkości synchronicznej. Ponieważ moment elektromagnetyczny będzie
się zmniejszał przy pewnej prędkości będzie zbyt mały, aby dalej zwiększała się prędkość wirowania
wirnika. Moment ten jedynie wystarczy na pokonanie oporów naturalnych. Jeżeli do wału maszyny
zostanie dołączone ponownie urządzenie to zwiększy się moment hamujący. Spowoduje to obniżenie
się prędkości, a co za tym idzie - częstotliwość przecinania uzwojeń wirnika przez pole stojana
wzrośnie. Konsekwencją tego będzie zwiększenie się siły elektromotorycznej indukowanej w wirniku,
a więc i prądu. W związku z tym wzrośnie moment elektromagnetyczny. Na skutek wzrostu
momentu, różnica między momentem hamującym a momentem elektromagnetycznym zmaleje i
prędkość wirowania wirnika przestanie się zmniejszać. Moment obciążenia zrówna się z momentem
hamującym i nastanie nowy stan równowagi, ale już przy mniejszej prędkości. Dalsze zwiększanie
momentu hamującego jest możliwe do czasu, gdy moment elektromagnetyczny będzie równy
momentowi krytycznemu, jednak gdy moment obciążenia zawiera się między momentem
znamionowym a krytycznym to stan taki nazywany jest przeciążeniem. Długotrwale utrzymujące się
przeciążenie prowadzi do przegrzania się maszyny a nawet zniszczenia, dlatego należy tego unikać.
Jeżeli maszyna pracuje w zakresie poślizgów od sk do sn to mówimy o pracy w zakresie stabilnym.
Wtedy moment elektromagnetyczny dostosowuje się do momentu obciążenia - jest to główna cecha
silnika asynchronicznego. Jeżeli maszyna pracuje w zakresie poślizgów od s = 1 do sk to zjawiska
zachodzące podczas pracy przebiegają inaczej (niekorzystnie). Jeżeli moment obciążenia zmaleje to
wzrośnie nie tylko prędkość ale i moment obrotowy (elektromagnetyczny) i po przekroczeniu
momentu krytycznego maszyna zacznie pracować na drugiej części charakterystyki. Natomiast jeśli
wzrośnie moment obciążenia to moment elektromagnetyczny nie będzie w stanie na tyle wzrosnąć,
aby zrównać się z momentem hamującym. Prędkość zacznie maleć aż w końcu wirnik się zatrzyma.
Praca, podczas której maszyna pracuje w zakresie poślizgów od s = 1 do sk nazywana jest pracą w
zakresie niestabilnym. Normalna praca maszyny powinna odbywać się w zakresie od sk do sn, ale nie
zbyt blisko punktu momentu krytycznego, gdyż wzrost obciążenia spowoduje zbyt duże przeciążenie.
Sprawność silnika asynchronicznego dużej mocy wynosi (0,8 - 0,9).

11. Wzór na prędkość obrotową silnika asynchronicznego

Stosunek różnicy częstotliwości prądu w wirniku do częstotliwości w stojanie lub inaczej - stosunek
różnicy prędkości synchronicznej i prędkości obrotowej wirnika do prędkości synchronicznej
nazywany jest poślizgiem.

Inaczej mówiąc poślizg jest to stosunek pola w wirniku do pola w stojanie. Poślizg jest bardzo
ważnym parametrem każdej maszyny synchronicznej. W czasie, gdy wirnik stoi w miejscu poślizg
wynosi 1, natomiast, gdyby wirnik obracał się z prędkością synchroniczną poślizg wynosiłby 0, co w
praktyce przy pracy silnika jest niemożliwe. Poślizg w czasie pracy maszyny zawiera się w przedziale 1
< s < 0. Poślizg można także wyrażać w %.

Prędkość obrotowa wirnika wynosi:

Prędkość pola w stojanie = prędkość synchroniczna:

f – częstotliwość (liczba cykli zmiany prądu na sekundę),
p – liczba par biegunów.

12. Metody regulacji prędkości obrotowej silnika asynchronicznego

Po przekształceniu przytoczonego wcześniej wzoru na poślizg otrzymujemy wzór na prędkość
obrotową silnika indukcyjnego, na podstawie, którego możemy stwierdzić, że będzie ona zależała od:



f - częstotliwości zasilania (falownik!)



p - liczby par biegunów



s - poślizgu

Zmiana poślizgu sterownie poślizgowe

Przy silnikach pierścieniowych można zmieniać prędkość obrotowa przez przyłączanie rezystorów w obwodzie
wirnika. Pobór mocy przez te rezystory zwiększa poślizg, a w skutek tego maleje prędkość obrotowa.
Nastawione prędkości są zależne od obciążenia np. przy zmniejszeniu obciążeniu prędkość obrotowa wzrasta
(duże straty ciepła na rezystorach).

13. Charakterystyka mechaniczna silnika synchronicznego

14. Podstawowe parametry charakteryzujące silniki elektryczne

Podstawowe parametry silnika są zwykle podane na jego tabliczce znamionowej, pozostałe - np.
moment rozruchowy, prąd rozruchowy, można znaleźć tylko w katalogach lub oszacować według
właściwości poszczególnych rodzajów silników.

Moc znamionowa - zazwyczaj jest podawana moc elektryczna w watach, tzn. moc pobierana przez
silnik podczas pracy z normalną prędkością obrotową. Moc mechaniczna tzw. moc na wale, jest
mniejsza i zależy od sprawności silnika (najczęściej 40-80%)

Napięcie zasilania - znamionowa wartość napięcia zasilającego (stałego lub zmiennego), przy której
określane są inne parametry. Większość silników może być zasilana napięciem niższym. Nie należy
stosować napięć dużo wyższych od znamionowego.

Moment obrotowy - jest to siła z jaką silniki elektryczne potrafią kręcić obciążeniem. Podawany jest
w Nm, typowe wartości dla małych silników: od 0.01 do 50 Nm.

Moment rozruchowy - parametr informujący o tym, czy silnik jest w stanie wystartować pod
obciążeniem. Może być podawany w Nm lub w procentach momentu obrotowego. W zależności od
silnika moment rozruchowy może być mały. średni lub duży. Moment rozruchowy może decydować o
przydatności silnika do określonych zdań.

Obroty znamionowe. Zawsze s¹ podawane obroty w normalnych warunkach pracy, tzn. przy
znamionowym obciążeniu i napięciu zasilania. Obroty silników mogą się zawierać w granicach
100...100000 obr./min., ale najczęściej spotykane wartości to 1000...4000 obr./min.

Prąd znamionowy i prąd rozruchowy. Prąd znamionowy jest to pobór prądu w normalnych
warunkach pracy. Prąd rozruchowy występuje tylko podczas rozpędzania silnika i jest 2...8-krotnie
większy od prądu znamionowego (największe prądy rozruchowe mają silniki indukcyjne). Warto o
tym pamiętać, projektując układ sterowania i zasilania silnika

Przeciążalność, Rodzaj/typ silnika

15. Na co ma wpływ zwiększenie skoku śruby tocznej napędu

Przybliżona reguła doboru śruby napędowej mówi o tym, że każda zmiana skoku śruby o 2” powoduje
zmianę obrotów maksymalnych o około 400 obr/min. Czyli zwiększenie skoku śruby spowoduje
obniżenie obrotów maksymalnych i odwrotnie.
W naszym przykładzie jeśli chcielibyśmy zwiększyć obroty maks. silnika do 5300 obr/min należałoby
zmniejszyć skok śruby o 2", czyli zastosować śrubę o skoku 19". Spowodowałoby to z pewnością
uzyskanie lepszych przyspieszeń i wyższej prędkości maksymalnej.



Im mniejszy jest skok śruby tocznej, tym mniejszy jest masowy moment bezwładności
napędzanych mas, zredukowany na wał silnika,



Im mniejszy jest skok śruby tocznej, tym większa jest sztywność statyczna serwonapędu



Zmniejszenie skoku śruby wymaga stosowania silników szybkoobrotowych.



Zwiększenie skoku śruby umożliwia osiąganie większych przyspieszeń.

16. Na co ma wpływ zwiększenie przełożenia przekładni pasowej napędu

Teoretyczne przełożenie przekładni pasowej wyraża się zależnością:

i

t

= d

2

/d

1

Gdzie:

d

1

– średnica skuteczna koła napędzającego

d

2

– średnica skuteczna koła napędzanego

Przekładnie, dla których i>1 nazywane są przekładniami redukcyjnymi (zwalniającymi), więc
zwiększenie przełożenia przekładni pasowej ma wpływ na obroty układu a jego następstwem jest ich
zmniejszenie.

17. Obszary pracy silników elektrycznych

18. Podstawowe warunki doboru silników do poszczególnych obszarów pracy

a. Kryterium szybkiego ruchu

gdzie

– maksymalne obroty silnika, – przełożenie przekładni,

– skok śruby tocznej,

– prędkość szybka

b. Kryterium momentu bezwładności

|

|

Nie jest to warunek decydujący
gdzie:
Is – masowy moment bezwładności zredukowany na wał silnika
Izr – moment bezwładności wirnika silnika

c. Kryterium maksymalnego momentu – chwilowe momenty ruchu muszą być mniejsze

niż moment maksymalny silnika

d. Kryterium nie przegrzewania silnika

√

∑(

)

e.

19. Rodzaje silników liniowych

Silniki liniowe są budowane jako :
- silniki prądu stałego,
- silniki prądu przemiennego (trójfazowe):
- asynchroniczne,
- synchroniczne.
Silniki liniowe prądu stałego nie znalazły zastosowania w budowie obrabiarek i są

praktycznie niespotykane.

20. Zalety silników liniowych w porównaniu do napędów konwencjonalnych

-bardzo precyzyjne pozycjonowanie
-mała wartość skoku minimalnego
-praca w pionie możliwa bez dodatkowego sprzętu
-brak dodatkowych pasków przenoszących napęd, które mogą mieć wpływ na luzy i
powtarzalność a co za tym idzie precyzyjność wykonywanych ruchów
-doskonale parametry dynamiczne
-możliwość otrzymania bardzo dużych prędkości i przyśpieszeń ze względu na brak
ograniczeń spowodowanych tarciem i bezwładnością
-doskonała liniowości i stała szybkość ruchu pozbawionego pulsacji,
-wolne od hałasu
-dłuższa żywotność

21. Charakterystyka mechaniczna silnika liniowego

Charakterystyka silnika liniowego synchronicznego (statyczna) jest definiowana jako zależność siły
posuwu od prędkości liniowej osiąganej przez silnik

Podstawowe dane charakterystyczne silników liniowych



znamionowa siła posuwu dla pracy ciągłej i odpowiadająca jej wartość skuteczna prądu,



maksymalna wartość siły posuwu i odpowiadająca jej wartość prądu skutecznego,



maksymalna prędkość liniowa odpowiadająca wartości znamionowej siły dla pracy ciągłej,



maksymalna prędkość liniowa odpowiadająca wartości znamionowej siły dla pracy
krótkotrwałej,



szczytowa moc elektryczna, odpowiadająca pracy krótkotrwałej, dla maksymalnej siły
posuwu i maksymalnej prędkości ruchu,



straty mocy w silniku dla pracy ciągłej, tj. dla obciążenia znamionowego i maksymalnej
prędkości ruchu ciągłego,



masy części pierwotnej i wtórnej silnika liniowego,



gabaryty części pierwotnej i wtórnej silnika,



nominalna wielkość szczeliny powietrznej między częścią pierwotną i wtórną.

22. Zalety i wady śrub tocznych w porównaniu ze śrubami ślizgowymi

Śruby ślizgowe
Zalety:



duża sztywność



duża nośność (dzięki dużej powierzchni styku)



niska cena w porównaniu do tocznych

Wady:



występowanie luzu



mała sprawność przekładni. Dodatkowo zyskujemy samohamowność



mała dokładność – głównie ze względu na występowanie luzu

Śruby toczne
Zalety:



Duża sprawność (90%)



Eliminacja luzów



duża dokładność



duża żywotność

Wady:



duży koszt



wymagana czystość

23. Podstawowy warunek doboru śruby tocznej

Dobór śruby tocznej



z warunku na naciski powierzchniowe



z warunku na wyboczenie

Średnia prędkość obrotowa śruby:

∑

gdzie: n

i

– prędkość obrotowa w danej fazie cyklu

t

i

– czas trwania fazy cyklu

T – czas całkowity cyklu

Siła zastępcza:
Przy stałej prędkośći obrotowej:

√

∑

Przy zmiennej prędkości obrotowej

√

∑

Siła obciążenia:

P – siła wstępnego napięcia

Żywotność śruby [obr]:

(

)

gdzie: C

d

– nośność dynamiczna

F

a

– siła obciążająca

Żywotność śruby [h]:

√

24. Rodzaje sygnałów w układach pomiarowych położenia

Rodzaje sygnałów



inkrementalny 1 Vss

o 2 sygnały sinusoidalne
o 1 lub kilka sygnałów referencyjnych
o amplituda sygnału ok 1V
o możliwość podziału sygnału nawet przez 1000



inkrementalny 11μAss



inkrementalny TTL

o 2 sygnały prostokątne TTL (ok. 5V)
o 1 lub kilka sygnałów referencyjnych
o wrażliwość na zakłócenia



Rezolwer



Absolutny EnDat

o sygnał synchroniczny
o możliwość transmisji również innych danych, np. test, reset itp.
o częstotliwość zegara do 2 MHz
o z kompensacją opóźnienia nawet do 16 MHz (EnDat 2.2)



Absolutny SSI

o sygnał synchroniczny
o częstotliwość zegara 100 kHz – 2 MHz
o przy rozdzielczości 0,1 μm i 24 bitach danych max odległość ok. 1,6m



Inne np. Fanuc, Mitsubishi

25. Pomiar pośredni i bezpośredni położenia, zalety i wady

Jeżeli pomiar przemieszczenia w serwonapędzie realizuje się metodą pośrednią, to maksymalny skok
śruby tocznej jest ograniczony rozdzielczością układu pomiarowego.

Pomiar pośredni położenia:



układ pomiarowy z małą rozdzielczością (tani)



współczesne silnika napędowe (synchroniczne) wymagają układu pomiarowego kąta obrotu
wirnika i układ ten można wykorzystać jako pośredni układ pomiarowy



wymagana dokłada przekładnia pasowa



wymagana dokładna śruba kulowa



wrażliwość na zmiany temperatury (nagrzewania się) śruby

Pomiar bezpośredni położenia



wymagany układ pomiarowy z dużą rozdzielczością (drogi)



mniejsze wymagania co do dokładności przekładni pasowej i śruby kulowej



odporność na zmiany temperatury (nagrzewania się) śruby