MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

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

Materiały do wykładu „

Wst

p do

Wst

p do

mechatroniki

mechatroniki”

Aktuatory (nastawniki, człony wykonawcze)

Dr in

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

ęść

3 (1 – 58)

Wrocław, 2009

Aktuatory s

nymi składnikami układów

mechantronicznych. Porównuj

c aktuator z człowiekiem, to

stanowi on mi

ęś

nie, które s

niezb

dne do wykonania

ruchów lub uzyskania sił. Ich sterowanie odbywa si

przez

mózg (komputer procesowy), a ich zdolno

ść

funkcjonowania wymaga odpowiedniego przepływu krwi
(energii pomocniczej).
Patrz

c z technicznego punktu widzenia pod poj

ciem

aktuatora

aktuatora rozumie si

zestawienie przetwornika energii

z członem nastawiaj

cym mocy.

Człon nastawiaj

cy mocy ł

czy wchodz

energi

(zwykle energi

elektryczn

) z sygnałem nastawiaj

cym Y.

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

ci nastawiaj

cej (najcz

ęś

ciej energi

mechaniczn

Zatem w układach mechatronicznych aktuatory stanowi

człon ł

cy przetwarzanie informacji z mechanicznym

układem podstawowym.

Aktuatory (człony wykonawcze)

Aktuator

Przetwornik

energii

Człon

nastawiaj

cy mocy

Zmodulowana

energia

’

Energia

Sygnał

nastawiaj

Wielko

ść

nastawiaj

Podział aktuatorów wg zasady działania

Systematyczny podział aktuatorów mo

e by

przeprowadzony w ró

ny sposób w zale

ci od przyj

tego kryterium:

realizowanego zadania zasadniczego (aktuatory drogi wzgl. siły),

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

grupy (aktuatory konwencjonalne, mikroaktuatory oraz nowe aktuatory),

postaci ruchu (aktuatory z ograniczonym i nieograniczonym ruchem).

Dalej zostan

rozpatrzone poszczególne rodzaje aktuatorów wynikaj

ce z zasady ich działania.

Rola aktuatorów w urz

dzeniach mechatronicznych

Wła

ciwo

ci aktuatorów istotnie wpływaj

na wydajno

ść

i gotowo

ść

całego urz

dzenia

mechatronicznego. Dlatego aktuatory zaczynaj

zajmowa

kluczow

pozycj

we wszystkich obszarach

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

szych aktuatorów.

Dotyczy to szczególnie zada

nastawczych w układach nap

dowych najró

norodniejszych maszyn

i urz

dze

, charakteryzuj

cych si

wysokimi wymaganiami w ekstremalnych warunkach pracy.

Przy tym nie chodzi tylko o dobre własno

ci dynamiczne, czyli wykonywanie szybkich i dokładnie

pozycjonuj

cych ruchów nastawczych. Na pierwszy plan wychodz

coraz cz

ęś

ciej wymagania

systemowe. Chodzi tu o zwarte jednostki funkcjonalne, które mo

na łatwo dopasowywa

zmieniaj

cych si

zada

. Nowoczesny aktuator powinien ponadto ułatwia

nadzór i diagnoz

, zarówno

siebie samego jak i całego urz

dzenia mechatronicznego.

Konwencjonalne (mechaniczno-elektryczne) urz

dzenia nastawcze nie spełniaj

zwykle powy

szych

wymaga

. Ich jako

ść

funkcjonowania opiera si

jeszcze w du

ym stopniu na precyzji cz

ęś

ci (małych

tolerancjach wykonania). Dlatego przechodzi si

dzi

do mechatronicznych systemów nastawczych.

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

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

przetwarzanie informacji. Zatem istotnym elementem aktuatora staje si

oprogramowanie. Obejmuje

ono zarówno algorytm zdolny pracowa

w czasie rzeczywistym jak i sposób projektowania regulatora.

Urz

dzenia mikroprocesorowe (komputerowe) s

coraz ta

sze. Wymagana wydajno

ść

obliczeniowa czy

komunikacyjna jest łatwa do uzyskania. Opracowuje si

nowe algorytmy regulacji i poprawia istniej

ce.

Opieraj

one na odpowiednich modelach aktuatora i skuteczniej wykorzystuj

fizykalne wła

ciwo

nap

dów nastawczych. Ponadto kompensuj

takie czynniki jak: tolerancje wykonania, wahania

warunków pracy, naturalne zjawiska zu

ycia. Trwała, wysoka dokładno

ść

pozycjonowania i du

dynamika nastawiania mog

wtedy osi

gni

te przy prostej budowie aktuatora. Dodatkowo okazuje

e dost

pne sygnały pomiarowe mo

na zastosowa

do nadzoru i diagnozy urz

dzenia

nastawczego i to bez dodatkowych pomiarów

Termin „aktuator” wywodzi si

z łaci

skiego wyrazu „agitare” oznaczaj

cego poruszanie,

nap

dzanie. Okre

la on urz

dzenie nastawiaj

ce (wykonawcze). Zadaniem aktuatorów jest

zamiana wielko

ci nastawiaj

cych o małej mocy, przy wykorzystaniu dodatkowej energii,

w wielko

ci fizyczne o znacznie wy

szym poziomie energii, w celu oddziaływania na proces.

Poj

cie aktuator zawiera wszystkie rodzaje urz

dze

słu

żą

cych do wytwarzania sił i realizacji

ruchów.

W systemach mechatronicznych aktuatory znajduj

pomi

dzy przetwarzaniem informacji

i oddziaływanym procesem. S

to w szczególno

ci aktuatory z wej

ciem elektrycznym lub

płynowym (pneumatycznym albo hydraulicznym) i mechanicznymi wielko

ciami wyj

ciowymi,

takimi jak droga (przemieszczenie), siła lub pr

dko

ść

. Ponadto wyst

puj

równie

aktuatory

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

Aktuatory

Przetwornik

sygnału

Nap

nastawiania

Przenoszenie

nastawiania

Regulator

nastawiania

Człon

nastawiaj

Wielko

ść

nastawiaj

Energia

zasilania

E’

Wielko

ść

wiod

Regulowany

aktuator

Wielko

ść

steruj

Sterowany

aktuator

’

(Moc elektryczna)

Interfejs

Sterowanie, regulacja

(procesor)

Interfejs

Człon nastawiaj

(elektronika mocy)

Przetwornik (silnik)

Przepływ energii

(Moc

mechaniczna:

P = M

ωω

P = F v)

Kierowanie procesem

Dane procesu

Przepływ energii

Aktuatory słu

żą

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

dko

liniowe, pr

dko

ci obrotowe). Ich sterowanie i regulacja odbywa si

najcz

ęś

ciej za pomoc

sygnałów

elektrycznych małej mocy, które s

tworzone przez procesory (mikrosterowniki lub procesory sygnałowe).

Ogólnie aktuatory spełniaj

funkcj

podstawow

jak

jest „zamiana i nastawianie strumieni energii”.

W najprostszych zastosowaniach ich funkcja ogranicza si

do zamiany energii. I tak np. silniki elektryczne

zamieniaj

strumienie energii elektrycznej na energi

mechaniczn

Obserwuje si

rosn

ce zastosowanie układów

nap

dowych (silników elektrycznych) małej mocy.

Ich wbudowywanie, konfiguracja i uruchamianie s

uproszczone dzi

ki sieciowym systemom

komunikacyjnym z prostymi interfejsami. Coraz
wi

ksze znacznie ma tak

e miniaturyzacja

aktuatorów i składników nap

dów.

Rozwój mikroelektroniki prowadzi do coraz
wi

kszej mocy obliczeniowej z mniejszej

przestrzeni i umo

liwia coraz szybsze

i dokładniejsze wykonywanie zada

przetwarzania

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

liwia

budow

zło

onych zespołów o minimalnych

wymiarach i z minimaln

liczb

poł

cze

oraz

wysok

niezawodno

Istotny wpływ na rozwój aktuatorów ma tak

technika mikrosystemów, która umo

liwia

opracowanie wielu innowacyjnych rozwi

Aktuatory – systemy sieciowe i miniaturyzacja

Konwencjonalne aktuatory

ród konwencjonalnych aktuatorów wyró

nia si

aktuatory elektromagnetyczne,

akuatory hydrauliczne,

aktuatory pneumatyczne,

aktuatory termiczne.

W konwencjonalnej technice nap

dów jak równie

w aplikacjach mechatronicznych s

przewa

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

a tak

e w maszynach technologicznych (np. obrabiarkach sterowanych numerycznie)

sto stosowane serwo-silniki pr

du stałego i przemiennego (z falownikami) oraz

silniki skokowe ze wzgl

du na dobre mo

liwo

ci regulacji poło

enia.

W nowoczesnych układach nap

dowych jak równie

systemach mechatronicznych

istotne znaczenie ma równie

technika płynowa. Układy hydrauliczne i pneumatyczne

maj

szerokie zastosowanie w wielu gał

ziach przemysłu.

Aktuatory płynowe do realizacji ruchów i wytwarzania sił wykorzystuj

media w postaci

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

energi

kinetyczn

lub

potencjaln

i dzi

ki temu s

w stanie wykona

prac

w silniku lub członie

nastawiaj

cym (np. siłowniku).

Aktuatory płynowe bardzo dobrze nadaj

do realizacji ruchów (przemieszcze

)

liniowych. Dzi

ki ich prostej budowie mog

one zast

powa

wiele rozwi

elektrycznych. Jednak za pomoc

aktuatorów płynowych utrudniona jest realizacja

dokładnych zada

pozycjonowania.

Aktuatory (człony wykonawcze)

Oddziaływanie na procesy techniczne (zespoły robocze) odbywa si

zwykle za pomoc

urz

dze

nastawiaj

cych

(aktuatorów), które zmieniaj

okre

lone wielko

ci wej

ciowe. Do tego celu jest najcz

ęś

ciej potrzebna energia pomocnicza:

elektryczna, hydrauliczna lub pneumatyczna.

Aktuatory s

stosowane we wszystkich obszarach techniki. Ze wzgl

du na ró

norodne wymagania wyst

puje wiele ich

rodzajów. Aktuatory dla systemów mechatronicznych maj

zwykle elektryczne wielko

ci wej

ciowe i mechaniczne

wielko

ci wyj

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

dko

ść

lub siła. Klasyfikacj

aktuatorów mo

przeprowadzi

ze wzgl

du na rodzaj energii pomocniczej słu

żą

cej do wytwarzania siły (ruchu).

Elektryczno

ść

Energia elektryczna jest dost

pna w wi

kszo

ci przypadków. Jej bezproblemowe wytwarzanie ze

stosunkowo wysok

sprawno

, w poł

czeniu z dobrymi mo

liwo

ciami przesyłania i transformowania, daje du

żą

elastyczno

ść

. Ponadto, dzi

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

Realizacja przetwarzania sygnału i nap

du odbywa si

z wykorzystaniem jednakowej postaci energii, a cz

sto tak

e z tym

samym napi

ciem. Dlatego te

układy elektryczne wypieraj

inne rozwi

zania. Jedynie tam, gdzie nie jest to mo

liwe ze

wzgl

du na du

e warto

ci sił, wysokie temperatury lub ze wzgl

dów bezpiecze

stwa, w systemach mechatronicznych

musz

tak

e stosowane inne rodzaje energii pomocniczej.

Hydraulika Strumie

oleju pod ci

nieniem w obwodach hydraulicznych zwykle musi by

wytwarzany przez dodatkowo

zainstalowany zasilacz hydrauliczny. Ci

nienia robocze wynosz

od 100 do 400 bar. Zaletami układów hydraulicznych

jest uzyskiwanie du

ych warto

ci sił oraz zwarta budowa nap

dów.

Pneumatyka Układy pneumatyczne s

realizowane zarówno na podci

nienie (szczególnie w samochodach ci

ęż

arowych),

jak i na nadci

nienie (wzgl

dem ci

nienia atmosferycznego). Warto

ci ci

nienia s

zwykle ograniczone do 6 – 8 bar,

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

ych wymiarów

(gabarytów) w tych przypadkach, gdy wymagane s

ksze warto

ci sił. Konieczne jest zwykle tak

e uzdatnianie

spr

ęż

onego powietrza. Nap

dy pneumatyczne charakteryzuj

niezawodn

i cich

prac

Sterownik

Nastawnik

energii

Przetwornik

energii

Układ

mechaniczny

Energia

pomocnicza

Sygnał

nastawiaj

Energia

nastawiania

Aktuator

Klasyfikacja i zasady działania aktuatorów

Aktuatory przetwarzaj

analogowe lub cyfrowe sygnały urz

dze

sterowniczych w mechaniczne wielko

wyj

ciowe (drog

, sił

, k

t, moment obrotowy). Poziom mocy tych wielko

ci znacznie przekracza sygnał

wej

ciowy. Potrzebne do tego wzmocnienie mocy jest osi

gane głównie na drodze elektrycznej, hydraulicznej

lub pneumatycznej. W zale

ci od energii pomocniczej mo

na stosowa

ró

ne zasady nastawiania i

budowa

ró

ne aktuatory. Ogólnie mo

na je podzieli

na: elektromechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne

oraz niekonwencjonalne.

elektromechaniczne

płynowe

niekonwencjonalne

AKTUATORY

- silnik pr

du stałego

- silnik pr

du przemiennego

- silnik krokowy
- elektromagnes
- silnik liniowy

- siłowniki pneumatyczne
- siłowniki hydrauliczne

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

kształtu”

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

dnienia zasilania)

Piezoelektryczny

Silnik pr

du stałego

Siłownik hydrauliczny

Siłownik pneumatyczny

Podci

nieniowy

Silnik krokowy

Elektromagnes

10 20 50 100 200 500 1000 2000 5000

W/ kg

W aktuatorach elektromagnetycznych przetwarzanie energii (mocy) elektrycznej w mechaniczn

odbywa si

z wykorzystaniem pola elektromagnetycznego. Aktuatory te dziel

na:

aktuatory elektrodynamiczne oraz

aktuatory reluktancyjne. (Reluktancja – rezystancja magnetyczna)

Sposób działania aktuatorów elektrodynamicznych opiera si

na sile Lorenz’a. Wyst

puje ona wtedy, gdy

przewodz

cy pr

d elektryczny przewód znajduje si

w polu magnetycznym, przy czym pr

d elektryczny i pole

magnetyczne musz

wykonywa

wzgl

dem siebie ruchy.

Aktuatory elektrodynamiczne

Fizyczna zasada działania podczas tworzenia siły
w elektrodynamicznych nap

dach widoczna jest na

rysunku.
Pole magnetyczne jest uzyskiwane za pomoc

magnesów

trwałych. Je

eli cewka z płyn

cym przez ni

dem

przemieszcza si

, to na układ działa siła Lorenz’a.

Cewka

Magnes trwały

Zwora

elazna

Do aktuatorów elektrodynamicznych zaliczane s

: silniki pr

du stałego oraz silniki pr

du przemiennego.

Silniki pr

du stałego s

obecnie cz

sto stosowanymi silnikami elektrycznymi o regulowanej pr

dko

ci obrotowej.

Wynika to szczególnie z takich ich zalet jak:

bezstopniowa mo

liwo

ść

regulacji pr

dko

ci obrotowej w szerokim zakresie,

wysoka sztywno

ść

nap

du (małe zmiany pr

dko

ci obrotowej wskutek obci

ąż

enia, tak

e w przypadku braku

regulacji),

równomierny bieg,

wysokie własno

ci dynamiczne.

Silnik pr

du stałego zawiera stojan i wirnik. Składaj

one z współosiowych ferromagnetycznych cylindrów,

w których wn

trzach s

umieszczone cewki. Je

eli obie cewki, tzn. wirnika i stojana s

zasilane pr

dem stałym,

to otrzymuje si

silnik pr

du stałego.

Zasad

działania silnika pr

du stałego mo

na obja

na podstawie przewodz

cej p

tli

umieszczonej w polu magnetycznym.

Do spowodowania ci

głego

ruchu obrotowego silnika
kierunek przepływu pr

du jest

stale zmieniany przez
elektromechaniczny przeł

cznik

(komutator).

eli p

tla

przewodz

ca jest

ukierunkowana wzdłu

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

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

tli

przewodz

cej w

kierunku linii pola
magnetycznego.

d stały

przepływaj

cy przez

przewodz

której o

jest

obrotowo
uło

yskowana

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

Zasada działania i rodzaje silników pr

du stałego

ródło

Szczotka

Uzwoje-

nie

Komu-

tator

Ogólny przypadek silnika pr

du stałego jest taki,

e zarówno w stojanie jak i wirniku s

umieszczone cewki.

W zale

ci od rodzaju wzbudzenia pola magnetycznego stojana silniki pr

du stałego dzieli si

na:

• obcowzbudne - wzbudzanie odbywa si

albo przez oddzielne napi

cie w cewkach stojana albo jest to

wzbudzanie stałe (magnesy trwałe),

• samowzbudne, przy czym rozró

nia si

silniki bocznikowe i silniki szeregowe.

Silniki elektryczne pr

du stałego

W systemach mechatronicznych wyst

puje du

y udział aktuatorów elektromechanicznych. Ogólna budowa ró

nych

silników elektrycznych i ich podstawowe własno

ci s

przyjmowane jako znane. W porównaniu z silnikami stosowanymi

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

przewidziane

do pracy ci

głej i preferowanego kierunku obrotów, lecz słu

żą

one do nastawiania okre

lonej pozycji. Wskutek tego

wyst

puj

inne wymagania, takie jak np. du

a elektryczna i mechaniczna przeci

ąż

alno

ść

, wysoka dokładno

ść

pozycjonowania, dobre własno

ci dynamiczne i zwi

zany z tym mały moment bezwładno

ci, wytwarzanie momentu

hamowania przy odporno

ci na zu

ycie, a tak

e szeroki zakres zmian pr

dko

ci obrotowej. Doprowadziło to do rozwoju

specjalnych serwo-silników. Zakres mocy rozci

ga si

od małych silników o mocy kilku watów do nap

dów o mocy w kW.

Silniki elektryczne pr

du stałego z komutacj

mechaniczn

(ze szczotkami) do realizacji dynamicznych,

szybkich zada

nastawiania i pozycjonowania s

obecnie

wykonywane prawie wył

cznie jako silniki bocznikowe

z magnesami trwałymi. Odznaczaj

one liniow

charakterystyk

zale

ci pr

d-moment obrotowy, która jest

prawie niezale

na od poło

enia k

towego wirnika. Kierunek

obrotów i pr

dko

ść

obrotow

na w prosty sposób zmienia

bezstopniowo przez zmian

napi

cia podawanego do wirnika.

Uzyskuje si

szeroki zakres zmian pr

dko

ci obrotowych a

1 : 10.000 oraz płynn

prac

silnika. Dlatego te

silniki pr

stałego dla standardowych zada

w obszarze małych

rednich mocy s

tak

e jeszcze obecnie dobrym i tanim

rozwi

zaniem.

Własno

ci silników pr

du stałego z komutacj

mechaniczn

Zalety:

• dobre przebiegi regulacji dzi

ki liniowej

charakterystyce pr

d-moment obrotowy,

• dobre własno

ci dynamiczne,

• bardzo wysoka płynno

ść

ruchu,

• du

y zakres zmian pr

dko

ci obrotowej.

Wady:

• zu

ycie komutatora i szczotek (obsługa),

• ograniczenie dynamiki i momentu zatrzymania

wskutek komutatora,

• złe odprowadzanie ciepła.

Silnik elektryczny z elektroniczn

komutacj

(bezszczotkowy)

Jeszcze do niedawna w wysoko-dynamicznych serwonap

dach były stosowane przewa

nie silniki pr

stałego z komutacj

mechaniczn

. Obecnie w zakresie małych i

rednich mocy nap

dów s

one coraz cz

ęś

ciej

zast

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

m.in. praca

bezobsługowa i du

a przeci

ąż

alno

ść

silnika ze wzgl

du na brak mechanicznego układu komutacyjnego.

Dalsz

zalet

silników bezszczotkowych jest lepsze

odprowadzanie ciepła z uzwoje

stojana. Oznacza to

równocze

nie lepszy stosunek mocy do masy ni

dla

porównywalnych silników z komutacj

mechaniczn

Jednak te zalety s

zwi

zane z bardziej zło

onym

sprz

tem do sterowania prac

silnika oraz bogatszym

układem sensorów. W bezszczotkowym silniku
wyst

puj

tak

e oscylacje momentu, które zostały

usuni

te dopiero w nowoczesnych rozwi

zaniach

takich jak np. sinusoidalna komutacja. Dlatego te

e by

ograniczona równomierno

ść

pracy, co

szczególnie negatywnie uwidacznia si

w przypadku

wolnych ruchów obrotowych.

Własno

ci silników elektrycznych z komutacj

elektroniczn

Zalety:

• bardzo dobre własno

ci dynamiczne,

• du

a przeci

ąż

alno

ść

• praca bezobsługowa,

• mały moment bezwładno

ci i lepsza warto

ść

stosunku mocy do masy ni

w silniku pr

du stałego.

Wady:

• zestaw sensorów i kosztowny układ sterowania,

• cz

sto ograniczona równomierno

ść

pracy

(oscylacje momentu obrotowego),

• wy

sze koszty systemu nap

dowego ni

dla

konwencjonalnych silników pr

du stałego.

Stojan z uzwojeniem pr

du przemiennego

Wirnik z

wbudowanymi

płytkami z

magnesów

trwałych

Budowa i działanie silników pr

du przemiennego jest oparte na podobnej zasadzie jak silników pr

stałego. Stojan i wirnik składaj

z współosiowych cylindrów ferromagnetycznych, w których s

umieszczone cewki. Je

eli obie te cewki s

zasilane pr

dem przemiennym, to jest to podstawowa

posta

silnika pr

du przemiennego.

W porównaniu z silnikami pr

du stałego, w silnikach pr

du przemiennego ze wzgl

du na zmienne

pole magnetyczne w wirniku mo

e by

zastosowany magnes ze stałym kierunkiem pola. Ponadto

wirnik mo

e tak

e zawiera

trwałe magnesy. Dzi

ki temu uzyskuje si

silnik o prostej i zwartej

budowie.
Po rozruchu silnika jego wirnik obraca si

zgodnie z wirowaniem pola magnetycznego, a zatem

synchronicznie. Je

eli pole magnetyczne w stojanie zmienia swój kierunek wraz z napi

ciem pr

przemiennego, to wirnik wskutek zmiennego przyci

gania i odpychania przy ka

dym okresie pr

sieci elektrycznej wykonuje pewien obrót.

eli wirnik zawiera cewki, to mog

one zasilane pr

dem stałym, ale ze wzgl

du na obracanie

wirnika konieczne jest przekazywanie pr

du przez pier

cienie

lizgowe.

Silniki pr

du przemiennego mog

• synchroniczne,

• asynchroniczne,

• silniki elektroniczne (silniki EC).

W stojanie silnika synchronicznego wyst

puje wiruj

ce pole, a w wirniku pole magnetyczne.

Wirowanie pola uzyskuje si

przez jedn

lub wiele cewek znajduj

cych si

w stojanie. Silniki

synchroniczne podczas waha

obci

ąż

enia zachowuj

stał

dko

ść

obrotow

. Wymagaj

one jednak

wspomagania podczas rozruchu, a przy przeci

ąż

eniach zatrzymuj

. Jednak przez sterowanie

dko

obrotow

na t

wad

wyeliminowa

. Silniki synchroniczne pr

du przemiennego s

stosowane np. w nap

dach posuwu obrabiarek sterowanych numerycznie.

Silniki pr

du przemiennego

Synchroniczne silniki pr

du przemiennego

Dla silnika synchronicznego maj

cego liczb

par biegunów p i wł

czonego do sieci elektrycznej

du przemiennego o cz

stotliwo

ci f = 50 Hz wyst

puje nast

puj

ca zale

ść

jego pr

dko

obrotowej n

= —— [obr/min]

60 f

Silnik synchroniczny z jedn

par

biegunów ma synchroniczn

dko

ść

obrotow

= 3000

obr/min, a dla wi

kszej liczby par biegunów warto

ść

tej pr

dko

ci jest odpowiednio mniejsza. Dzi

temu na zasadzie przeł

czania liczby par biegunów mo

na skokowo zmienia

dko

ść

obrotow

silnika.

– moment zatrzymania

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

dko

obrotow

, która wynika z cz

stotliwo

ci pr

du w sieci i liczby par

biegunów. Tym samym nie mo

e si

on samoczynnie uruchomi

i dlatego te

jego rozruch odbywa si

za pomoc

silnika

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

dko

obrotow

, która

odpowiada synchronicznej pr

dko

ci obrotowej. Je

eli moment

obci

ąż

enia przekracza maksymalny moment zatrzymania M

, to silnik

synchroniczny ulega zatrzymaniu.
Silniki synchroniczne s

przewa

nie stosowane w nap

dach

z pr

dko

obrotow

proporcjonaln

do cz

stotliwo

ci, które nie

musz

mie

nastawianej pr

dko

ci. Ponadto silniki synchroniczne

wyst

puj

w aplikacjach wymagaj

cych pracy z równomiern

(stał

)

dko

obrotow

Asynchroniczne silniki pr

du przemiennego

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

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

cie i płynie

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

cym

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

ce pola magnetyczne stojana i wirnika nie wiruj

jednakowo szybko, a zatem

synchronicznie. Poniewa

do wirnika nie musi by

doprowadzane zasilanie elektryczne, to ma on prost

budow

i nie

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

ść

indukowanego w wirniku pr

du jest tym mniejsza im mniejsza jest ró

nica pomi

dzy pr

dko

obrotow

wirowania

pola magnetycznego stojana i pr

dko

obrotow

wirnika. Ta ró

nica pr

dko

ci obrotowych nazywa si

lizgiem.

dko

ść

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

dko

ci obrotowej

wiruj

cego pola magnetycznego stojana n

. Z warto

ci obu tych pr

dko

ci obrotowych oblicza si

lizg s:

Charakterystyka zewn

trzna (moment obrotowy M

- pr

dko

ść

obrotowa n) silnika asynchronicznego,

– moment zatrzymania

s = ———

n – n

Zaletami silników asynchronicznych, w porównaniu z silnikami

komutatorowymi s

: małe nakłady na piel

gnacj

, długi okres

ywotno

ci, zwarta budowa (jedynie ło

yska s

zespołami

ulegaj

cymi zu

yciu), cicha praca i nie wyst

powanie drga

oraz

niska cena.

Natomiast do wad tych silników nale

żą

: ograniczona maksymalna

dko

ść

obrotowa, wzgl

dnie du

a masa, wzgl

dnie niska

sprawno

ść

, a tak

e zło

one sterowanie pr

dko

obrotow

(falowniki).

Przykłady zastosowania silników asynchronicznych:

zwarte nap

dy: pomp, wentylatorów, obrabiarek,

cichobie

ne nap

dy: maszyny do pisania, kopiarki,

nap

dy z regulowan

dko

obrotow

: maszyny pralnicze,

serwonap

dy.

Silnik asynchroniczny

Ze wzgl

du na prostsz

budow

silniki asynchroniczne odgrywaj

żą

rol

w nap

dach.

W zakresie mocy do ok. 1 kW s

one powszechnie stosowane w sprz

cie gospodarstwa domowego (np. pralki,

lodówki, zamra

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

silników asynchronicznych s

obrabiarki i inne maszyny. Natomiast silniki o du

ych mocach rz

du 20 MW s

stosowane np. w elektrowniach do nap

du pomp zasilaj

cych kotły.

Własno

ci silników asynchronicznych w regulowanych nap

dach:

Zalety:

• prostsza, zwarta budowa,

• bezobsługowa praca, mało cz

ęś

ci ulegaj

cych

yciu,

• niskie koszty wytwarzania w zakresie mocy > 20 kW,

• mniejsze koszty systemu w porównaniu z silnikami

z komutacj

elektroniczn

Wady:

• wysokie nakłady zwi

zane ze

rodkami do zmiany

dko

ci obrotowej,

• własno

ci serwo tylko w poł

czeniu ze zło

elektronika steruj

• wi

ksze warto

ci momentu bezwładno

ci ni

w silnikach bezszczotkowych.

Uzwojenie

Rowki

Stojan

Zwarty

wirnik

Pier

cie

zwieraj

L1
L2
L3

Obci

enie

Sterowanie/

regulacja

Filtr

sieciowy

Falownik

(przekształtnik

stotliwo

ci)

Silnik

Maszyna

Proces

Sie

elektryczna

Nap

dy elektryczne z pr

dko

obrotow

regulowan

przemiennikiem cz

stotliwo

ci (falownikiem)

Rozwój nowych technologii w przemy

le wymusi

zupe

nie inne ni

kiedy

sposoby regulacji pr

dko

ci ró

nych

maszyn nap

dzanych silnikami elektrycznymi. Pocz

tkowo w układach nap

dowych stosowano silniki pr

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

ce z silnikami asynchronicznymi pr

du przemiennego. Urz

dzeniem, które umo

liwia optymalne

wykorzystanie takiego silnika jest przetwornica cz

stotliwo

ci (ang. static frequency converter), zwana

powszechnie falownikiem. Przetwornice cz

stotliwo

ci słu

żą

do przekształcania energii elektrycznej pr

przemiennego o okre

lonych parametrach (napi

cie, cz

stotliwo

ść

) na energi

du przemiennego o zadanych

parametrach zgodnych z wymaganiami u

ytkownika. Za ich pomoc

na płynnie regulowa

dko

ść

obrotow

klatkowych silników indukcyjnych (asynchronicznych) w pompach (stabilizacja ci

nienia w sieci

wodoci

gowej niezale

nie od rozbioru wody), wentylatorach, przeno

nikach, ta

moci

gach, windach,

podno

nikach, mieszalnikach, trakach, wytłaczarkach, obrabiarkach, spr

ęż

arkach, maszynach włókienniczych,

dziewiarskich i pakuj

cych, w przemy

le chemicznym oraz oczyszczalniach

cieków. Mog

one

akż

e regulowa

dko

ść

obrotow

silników synchronicznych maj

cych wirniki z magnesami lub uzwojone. W przeciwie

stwie do

silników asynchronicznych, silniki te obracaj

z pr

dko

synchroniczn

bez wzgl

du na obci

ąż

enie. Stała

warto

ść

strumienia magnetycznego w stojanie silnika jest utrzymywana dzi

ki stałej warto

ci stosunku napi

cia

wyj

ciowego do cz

stotliwo

ci (U/f) realizowanej przez przetwornic

Przetwornica cz

stotliwo

ci składa si

z nast

puj

cych elementów:

prostownika jedno- lub trójfazowego, który przekształca trójfazowe napi

cie

przemienne sieci zasilaj

cej na napi

cie stałe,

stopnia po

redniego, który przekształca napi

cie wyprostowane na napi

cie

wygładzone o regulowanej lub stałej warto

ci; wyró

nia si

3 rodzaje stopni

rednich: stałopr

dowy, stałonapi

ciowy i o regulowanym napi

ciu, tzw.

impulsator (czoper). Stopie

redni jest magazynem energii, który zasila

inwerter mocy,

inwertera mocy (falownika) do wytwarzania napi

cia trójfazowego o regulowanej warto

ci i zmiennej

stotliwo

ci. Układ ten jest zbudowany z tranzystorów bipolarnych z izolowan

bramk

IGBT (ang.

Insulated Gate Bipolar Transistor), które maj

cechy tranzystorów bipolarnych i polowych typu MOSFET.

Dzi

ki nim mo

na przeł

cza

e pr

dy z wielk

stotliwo

przy stosunkowo małych stratach energii.

Tranzystory mo

na wł

cza

i wył

cza

w dowolnej chwili przebiegu napi

cia. Dlatego cz

stotliwo

ść

pracy

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

czany jest silnik,

układu sterowania i kontroli, nazywanego te

kart

steruj

, który nadzoruje prac

prostownika, obwodu

redniego i stopnia mocy. Układ ten analizuje sygnały steruj

ce oraz umo

liwia komunikacj

z u

ytkownikiem.

Wszystkie przetwornice cz

stotliwo

ci maj

układ wytwarzaj

cy sygnał, który kształtuje przebiegi wyj

ciowe

w trzech fazach. W zale

ci od zastosowanej metody otrzymywania napi

cia wyj

ciowego przetwornice

dzieli si

na trzy grupy:

ródłem pr

dowym CSI (ang. Current Source Inverter),

z modulacj

amplitudy PAM (ang. Pulse Amplitude Modulation),

z modulacj

szeroko

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

wektora napi

cia VVC (ang. Voltage Vector Control).

Budowa przetwornicy cz

stotliwo

ci (falownika)

Przetwornica powinna realizowa

funkcje, które umo

liwiaj

prac

sterowanego przez ni

silnika w całym

zakresie pr

dko

ci obrotowych, w tym tak

e w najtrudniejszych warunkach przy małej pr

dko

ci obrotowej

i zmiennym obci

ąż

eniu. Działanie takich układów polega na wprowadzaniu korekt podstawowych parametrów

wyj

ciowych i nazywa si

kompensacj

. Umo

liwia ona prac

silnika ze stałym momentem obrotowym, przy

bardzo małych pr

dko

ciach obrotowych. Wyró

nia si

nast

puj

ce rodzaje kompensacji:

kompensacja napi

cia rozruchu (realizowana jest dzi

ki optymalnemu strumieniowi magnesuj

cemu

i maksymalnemu momentowi rozruchowemu przy pracy z małymi pr

dko

ciami, co osi

ga si

przez

zwi

kszanie warto

ci napi

cia wyj

ciowego),

kompensacja cz

stotliwo

ci pocz

tkowej (mo

liwe jest uruchomienie silnika nie tylko zatrzymanego, ale

tak

e obracaj

cego si

z pewn

dko

kompensacja po

lizgu (umo

liwia stabiln

prac

układu nap

dowego w całym zakresie pr

dko

ci obrotowej.

Polega ona na kontrolowaniu po

lizgu przez ci

gły pomiar pr

du na wyj

ciu trzech faz przetwornicy

i zwi

kszaniu cz

stotliwo

ci, proporcjonalnie do obci

ąż

enia.

Przetwornica cz

stotliwo

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

potencjometrem do ustawiania parametrów współpracy z wybranym silnikiem..

Zasada działania

Przetwornica cz

stotliwo

ci utrzymuje zadan

charakterystyk

momentu obci

ąż

enia silnika dzi

ki kontroli

stosunku napi

cia wyj

ciowego do cz

stotliwo

ci pr

du wyj

ciowego (U/f) oraz pr

du obci

ąż

enia. Przy stałej

warto

ci U/f strumie

magnesuj

cy silnika jest stały (mo

na go przedstawi

na wykresie obrazuj

cym wiruj

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

Płynna regulacja pr

dko

ci obrotowej zespołów roboczych nap

dzanych silnikami elektrycznymi była dotychczas

przeprowadzana za pomoc

układu przekładni bezstopniowych i silnika asynchronicznego lub silników pr

stałego. Dzi

ki rozwojowi techniki mikroprocesorowej obecnie najta

szym i najprostszym sposobem regulacji

jest zastosowanie asynchronicznego silnika klatkowego i przetwornicy cz

stotliwo

ci. U

ycie przetwornicy

eliminuje te

nieekonomiczne zał

czanie i wył

czanie silnika powoduj

ce szybkie zu

ycie samego silnika,

a tak

e urz

dze

z nim współpracuj

cych.

Działanie przetwornicy cz

stotliwo

ci (falownika)

Zalety elektrycznego silnika asynchronicznego

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

M
M

Moment obrotowy

[obr./min]

Silnik asynchroniczny

Silnik pr

du stałego

Silnik pr

du stałego

Silnik

synchroniczny

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

[obr./min]

Moc

Silnik

asynchroniczny

Silnik pr

stałego

Silnik

synchroniczny

żą

zalet

silników

asynchronicznych jest bardzo szeroki
zakres pr

dko

ci obrotowych w pracy

z osłabionym polem.

Tryb pracy z osłabionym polem
uzyskuje si

wówczas, gdy

stotliwo

ść

wzbudzania stojana

jest wi

ksza ni

znamionowa

dko

ść

obrotowa silnika n

Oznacza to,

e czas który ma

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

wystarczaj

silne pole. Dzi

ki temu pr

dko

ść

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

a zaleta

w porównaniu z silnikami pr

stałego i silnikami synchronicznymi.

Silnik skokowy

Silniki krokowe stanowi

korzystn

ze wzgl

du na koszty alternatyw

nap

dów w zakresie małych mocy

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

czeniu ze zintegrowanymi sterownikami

umo

liwiaj

prost

budow

regulowanych zespołów pozycjonowania.

eli bł

dy skoku nie mog

tolerowane, to nap

d musi by

realizowany w zamkni

tym układzie regulacji.

Jednak wówczas znikaj

istotne korzy

ci w porównaniu z innymi rodzajami silników elektrycznych. Ponadto

silniki skokowe, w porównaniu z innymi silnikami, maj

zwykle ni

sze sprawno

ci i mniejsz

przeci

ąż

alno

ść

Własno

ci nap

dów z silnikami skokowymi:

Zalety:

• bezpo

rednie cyfrowe sterowanie za pomoc

zintegrowanych układów,

• niezawodny, bezobsługowy,

• tanie rozwi

zanie nap

du,

• mo

liwe sterowanie prac

bez czujnika poło

enia.

Wady:

• musz

znane charakterystyki obci

ąż

enia

⇒

konieczne przewymiarowanie,

• wzgl

dnie małe g

sto

ci mocy,

• w sterowanym trybie pracy niebezpiecze

stwo

wyst

pienia bł

dów skoku,

• stosunkowo mała dynamika działania nap

Biegun

przesuni

ty o

1 podziałk

Wirnik

Pracuj

cy w sposób sterowany silnik krokowy

ma ograniczenia w zakresie swoich
zastosowa

, poniewa

jego niezawodne

działanie wymaga dokładnej znajomo

przebiegów obci

ąż

enia. Przyjmowanie

zało

enia,

e zmiana obci

ąż

enia,

oddziaływanie sił bezwładno

ci i drga

nie

spowoduj

adnych bł

dów skoków jest

liwe tylko do okre

lonej warto

obci

ąż

enia. Dlatego te

zwykle nap

d taki jest

przewymiarowany.

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

cie

impulsów taktuj

cych, K - wej

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

impulsie taktu na wej

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

ciu T

Zasada działania silnika skokowego

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

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

całym

wiecie w urz

dzeniach technologicznych, a w

ród nich w robotach, manipulatorach, pozycjonerach,

drukarkach kodów, układach selekcji, w maszynach sprzedaj

cych, pakuj

cych i wielu, wielu innych. Silniki do

zastosowa

technologicznych, a szerzej profesjonalnych, cz

sto nazywa si

elektromaszynowymi elementami

automatyki, wyró

niaj

c t

nazw

maszyny o szczególnie wysokiej jako

ci wykonania i stabilno

ci parametrów.

Podobnie wysokie wymagania odno

nie jako

ci wykonania i dokładno

ci ruchu stawiane s

silnikom

stosowanym do budowy aparatury medycznej, jeszcze wy

sze do urz

dze

militarnych i lotnictwa, a najwy

sze

do sprz

tu kosmicznego.

Ze wzgl

du na własno

ci, którymi odznaczaj

silniki skokowe, znalaz

y one bardzo wiele

ró

norodnych zastosowa

. Ich udział ilo

ciowy

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

nie. Znale

źć

na wsz

dzie tam, gdzie wymagane jest

precyzyjne pozycjonowanie k

towe lub liniowe.

Najwi

cej silników skokowych znajduje si

komputerach

ich

urz

dzeniach

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

dym

komputerze PC jest kilka takich silników.
Drug

grup

urz

dze

powszechnego u

ytku,

w których znale

źć

na wiele ró

norodnych

silników skokowych, s

wyroby mechanizuj

prace biurowe, zapisuj

ce i odczytuj

informacje d

kowe oraz obrazowe, a tak

zegary i zegarki z regulatorem kwarcowym.

Zastosowanie silników krokowych

Sprz

biurowy

Urz

dzenia

informatyki

Sprz

audiowizualny

Urz

dzenia

technologiczne

Sprz

t lotniczy

i kosmiczny

Układy

automatyki

Sprz

medyczny

Sprz

militarny

Inne

zastosowania

Silniki

skokowe

Aktuatory reluktancyjne - elektromagnesy

Do aktuatorów reluktancyjnych zalicza si

silniki krokowe,

elektromagnesy.

Elektromagnesy s

zespołami nap

dowymi o prostej i zwartej budowie, które w coraz wi

kszym zakresie

i wi

kszych ilo

ciach s

stosowane w budowie maszyn, pojazdach i automatyzacji. Słu

żą

one w szczególno

do uzyskiwania ograniczonych przemieszcze

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

towych (0,1 ... 90

). Cz

sto s

one wykonane nie jako pojedynczy element, ale integralna cz

ęść

zło

onych składników funkcyjnych (np.

zaworów magnetycznych, sprz

gieł magnetycznych, przeka

ników, styczników).

Rozró

nia si

elektromagnesy pr

du stałego,

elektromagnesy pr

du przemiennego,

elektromagnesy spolaryzowane.

Główn

ęś

składow

elektromagnesu jest

kotwica jako organ ruchomy, jarzmo, które słu

y jako

elazna zwora oraz cewka. Działanie

elektromagnesów polega na tym,

e po wł

czeniu

cewki do pr

du powstaje pole magnetyczne, które

powoduje przyci

gni

cie kotwicy do jarzma.

Elektromagnesy s

elektromagnetycznymi

przetwornikami energii. Zamieniaj

one

doprowadzon

energi

elektryczn

, poprzez

redni

posta

energii magnetycznej, na energi

mechaniczn

, która słu

y do uzyskania ruchu.

Kotwica

Powietrzna

szczelina

robocza

Cewka

Jarzmo

δδδδ

- siła magnetyczna

- siła przyci

gania

- siła trzymania

prz

- siła

przeciwdziałaj

prz

, F

prz

δδδδ

min

δδδδ

max

Elektromagnes

Zalety:

• prosta, zwarta i tania budowa,

• bezpo

rednie uzyskiwanie ruchów liniowych,

• bardzo wysoka dynamika działania.

Wady:

• nieliniowe przebiegi,

• mała g

sto

ść

mocy,

• tarcie i histereza magnetyczna,

• du

a warto

ść

du spoczynkowego,

Własno

ci nap

dów z elektromagnesami:

Elektromagnes w realizacji zada

pozycjonowania o du

ych wymaganiach dynamicznych i małych warto

ciach

sił jest obecnie najkorzystniejszym ze wzgl

du na koszty rozwi

zaniem nap

du („element o małym skoku").

Prosta budowa w poł

czeniu z elektryczn

energi

pomocnicz

umo

liwia realizacj

szybkich obwodów

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

ci przemieszcze

za pomoc

tzw.

elektromagnesów uruchamiaj

cych uzyskuje si

e siły przyci

gania przy zwartej budowie.

Te własno

ci s

szczególnie niezb

dne

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

głe

ruchy wykonawcze. W tym celu wynikaj

z zasady działania nieliniowa
charakterystyka siły magnetycznej musi
by

linearyzowana, co zwykle uzyskuje si

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

przy tym

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

ci 10 - 25 mm.

Elektromagnes

rdzeniowy

Elektromagnes

głowicowy

Elektromagnes z obrotow

kotwic

(jarzmowy)

Aktuatory (nap

dy) elektromechaniczne

Elektromechaniczne urz

dzenia nastawiaj

ce s

bardzo rozpowszechnione. Du

a ilo

ść

typów, szczególnie

silników, umo

liwia elastyczne dopasowanie do realizacji ró

norodnych zada

. Nap

dy elektryczne w obszarze

małych i

rednich mocy nastawiania maj

dominuj

pozycj

, która wynika m.in. z du

ej dost

pno

i mo

liwo

ci przekształcania energii elektrycznej. Ponadto zapewniaj

one wysokie dokładno

ci pozycjonowania

przy dobrych własno

ciach dynamicznych. Wysoka sprawno

ść

całego układu jest wy

sza ni

dla porównywalnych

składników pneumatycznych i hydraulicznych.

Zalety

• dobre własno

ci regulacyjne

• du

a dynamika

• elastyczne rozwi

zania nap

dów

• du

a sprawno

ść

• dobre mo

liwo

ci diagnostyczne

Wady

• ograniczona g

sto

ść

mocy

• zu

ycie energii w pracy statycznej

• ograniczony termicznie zakres pracy

• du

y udział „ruchomych cz

ęś

mechanicznych”

Własno

ci nap

dów elektromechanicznych:

Przy wysokich wymaganiach dynamicznych, w poł

czeniu z du

ymi warto

ciami sił nastawiania,

w zastosowaniach aktuatorów elektromechanicznych wyst

puj

ograniczenia. Bowiem fizycznie ograniczona

sto

ść

mocy (nasycenie materiałów magnetycznych) prowadzi do wzgl

dnie du

ych nap

dów. Inne wady

wynikaj

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

redniego wbudowania

w maszyny wskutek cz

sto wyst

puj

cych silnych wstrz

sów, konieczne s

odpowiednie rozwi

zania

konstrukcyjne. Ponadto wysokie temperatury otoczenia mog

narusza

ich zdolno

ść

działania wskutek

rozmagnesowania i uszkodzenia izolacji uzwoje

. Dlatego te

liwo

ci zastosowania i trwało

ść

układów

elektromechanicznych w

rodowisku wysokich temperatur i oddziaływa

wibracyjnych s

ograniczone.

Elektromechaniczne nap

dy dziel

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

(silniki elektryczne). Wa

grup

silników mo

na dalej podzieli

na: komutowane mechanicznie (szczotkowe)

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

czona przekładnia lub

mechanizm posuwu, aby uzyska

inn

warto

ść

dko

ci ruchu obrotowego lub ruch translacyjny (liniowy).

Aktuatory hydrauliczne

Hydrauliczne aktuatory zamieniaj

energi

hydrauliczn

(energi

strumienia i energi

nienia) cieczy

w energi

mechaniczn

Rozró

nia si

silniki hydrauliczne,

siłowniki hydrauliczne.

Nap

dy hydrauliczne pozwalaj

na uzyskiwanie z małej przestrzeni bardzo du

ych sił. Silniki hydrauliczne

przetwarzaj

uzyskan

przez pompy energi

hydrauliczn

ponownie na energi

mechaniczn

. Ciecz

pod ci

nieniem nap

dza elementy wyporowe takie jak: koła z

bate, łopatki lub tłoki.

Silniki hydrauliczne s

budowane dla jednego lub dwóch kierunków strumienia, a tak

e jako silniki o stałej

i zmiennej pr

dko

ci obrotowej.

Silniki hydrauliczne

Silniki z

bate

Silniki o zaz

bieniu

zewn

trznym

Silniki o zaz

bieniu

wewn

trznym

Silniki z pier

cieniem

batym

Silniki łopatkowe

O działaniu
wewn

trznym

O działaniu
zewn

trznym

Silniki tłokowe

Silniki z tłokami
promieniowymi

Silniki z tłokami
osiowymi

Silniki o stałej, nastawialnej lub

regulowanej pr

dko

ci obrotowej

Hydrauliczny silnik z

baty

Hydrauliczny silnik łopatkowy

Hydrauliczne silniki z

bate – zasada działania

Budowa silników z

batych pod wzgl

dem konstrukcyjnym jest podobna do hydraulicznych

pomp z

batych.

Wskutek dostarczanej pod ci

nieniem cieczy hydraulicznej (oleju) na koła z

bate silnika

działa moment obrotowy, który jest wyprowadzany na wałek silnika.

Silniki z

bate s

zaliczane do silników szybkoobrotowych.

one stosowane dla pr

dko

ci obrotowych powy

ej 500 obr/min.

Nap

dy hydrauliczne - siłowniki

Hydrauliczne urz

dzenia wykonawcze s

przewa

nie stosowane tam, gdzie wymagane s

e siły wzgl. przyspieszenia,

przy równoczesnej małej przestrzeni zabudowy. Poniewa

pomimo uzyskiwania du

ych warto

ci sił poruszane s

małe

masy, to mo

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

pneumatycznymi, s

wysoka sztywno

ść

i odporno

ść

na uderzenia. Składnikami układów hydraulicznych s

siłowniki

i silniki hydrauliczne. W przeciwie

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

poniewa

zapewnia du

e momenty obrotowe przy małych momentach bezwładno

ci (stosunek g

sto

ci mocy hydrauliki/

pneumatyki zawiera si

w zakresie od 10 do 25). Dzi

ki temu uzyskuje si

bardzo małe stałe czasowe i tym samym

liwo

ść

bardzo dynamicznej realizacji ruchu obrotowego. Małe warto

ci pr

dko

ci obrotowych daj

jednak

realizowa

tylko z wzgl

dnie nierównomiernym ruchem obrotowym. Ruchy translacyjne uzyskiwane s

za pomoc

siłowników hydraulicznych. W aplikacjach o wysokich wymaganiach stosowane s

serwo-siłowniki ze specjalnymi

uszczelkami i bardzo wysok

jako

współpracuj

cych ze sob

powierzchni cylindra i tłoka oraz tłoczyska siłownika.

Przebiegi dynamiczne nap

dów hydraulicznych odznaczaj

przede wszystkim małym tłumieniem, które jest ponadto

zale

ne od skoku tłoka i obci

ąż

enia. W poł

czeniu z nowoczesnymi rozwi

zaniami regulacji mo

na realizowa

serwonap

dy hydrauliczne, które maj

e dokładno

ci pozycjonowania przy dobrych własno

ciach dynamicznych.

Własno

ci nap

dów hydraulicznych:

Zalety:

• małe gabaryty,

• wysoka dynamika i g

sto

ść

mocy,

• du

a sztywno

ść

• du

e mo

liwo

ci pracy.

Wady:

• wysokie koszty całego systemu,

• układ składaj

cy si

z dwóch cz

ęś

ci,

• niezb

dne zasilanie spr

ęż

onym olejem,

• tarcie i zło

ona dynamika utrudniaj

regulacj

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

ca,

7 - tarcza do
mocowania,
8 - uszczelnienie

Budowa układu hydraulicznego

Siłownik

Zawór
zwrotny

Filtr

Odpowietrzanie
zbiornika

Pompa

Zawór ogranicza-

cy ci

nienie

Zawór

drogowy

Zawór

nat

ęż

enia

przepływu

Filtr

ssawny

Filtr ci

nieniowy

Filtr powrotny

Nap

dy pneumatyczne

Wynikaj

ce z zasady ich działania cechy

takie jak mała i zale

na od pozycji

sztywno

ść

, wzgl

dnie du

e tarcie tłoka

w cylindrze oraz nieliniowe własno

serwozaworów wymagaj

znacznych

nakładów zwi

zanych z regulacj

. Jednak

wraz z trendem do miniaturyzacji
składników pneumatycznych i wzrostem
mo

liwo

ci rmikrokomputerów oczekuje si

kszego zastosowania tego rodzaju

aktuatorów.

Własno

ci nap

dów pneumatycznych:

Zalety:

• du

e mo

liwo

ci robocze,

• szeroki zakres temperatur pracy,

• korzystny stosunek mocy do masy,

• wysoka niezawodno

ść

i pewno

ść

pracy,

• dobry stosunek cena/ mo

liwo

ci.

Wady:

• znaczne nakłady z przygotowaniem spr

ęż

onego

powietrza,

• du

e wymiary (gabaryty),

• tarcie i

liwo

ść

powietrza utrudniaj

regulacj

• ograniczona dokładno

ść

pozycjonowania.

Pneumatyczne urz

dzenia nastawiaj

ce wykorzystuj

fizyczne własno

ci spr

ęż

onego powietrza. Wysoka stabilno

ść

kompresji i zdolno

ść

magazynowania energii, a tak

e mała lepko

ść

tego medium transmisyjnego umo

liwiaj

budow

efektywnych i dynamicznie działaj

cych układów nap

dowych. Przy prostej i zwartej budowie (jedno przył

cze) nap

pneumatyczne s

odpowiednie do tego, aby realizowa

rednie warto

ci siły nastawiania (rz

du kilku kN), przy czym mo

równocze

nie uzyskiwa

e pr

dko

ci ruchów roboczych i du

e całkowite przemieszczenia. Oprócz tych własno

odznaczaj

one tak

e wysok

niezawodno

pracy w ekstremalnych warunkach otoczenia (odporno

ść

temperatur

, zabrudzenia, przeci

ąż

enia i eksplozj

). Ponadto zapewniona jest odporno

ść

na pola elektromagnetyczne oraz

promieniowanie

wietlne. Przetwarzanie energii pneumatycznej w mechaniczn

jest realizowane po pierwsze w siłownikach

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

e dokładnie działaj

cych zespołów pozycjonuj

cych

z wykorzystaniem pneumatycznych aktuatorów za pomoc

tylko czystego sterowania ogólnie nie jest mo

liwa.

Budowa siłownika pneumatycznego

Tłok

Pokrywa zamykaj

Tłoczki tłumi

Tłoczysko

Uszczelka

Pokrywa ło

yskowa

Uszczelka i zgarniacz

zabrudze

Cylinder

Uszczelki tłoka

Nastawialne
tłumienie w
poło

eniu ko

cowym

Nastawialne
tłumienie w
poło

eniu ko

cowym

Tuleja prowadz

Bezpo

rednie sterowanie siłowników

Siłownik jednostronnego działania

Siłownik dwustronnego działania

Rodzaje siłowników pneumatycznych

Siłowniki

Zawory

(rozdzielacze)

czniki drogowe

Zespół roboczy

Zespół

nastawiaj

Urz

dzenia

zadawania

Urz

dzenia

zasilaj

Schemat układu pneumatycznego

Spr

ęż

arka

Odwadniacz/

nawil

acz

Rozdzielacz

Liniowy elektryczny zespół

nap

dowy z paskiem z

batym

Liniowy elektryczny zespół nap

dowy

z przekładni

rubow

Nap

dy elektryczne s

stosowane ju

od 1860 r.

Dopiero ok. 100 lat pó

niej ugruntowały swoj

pozycj

w przemy

le nap

dy pneumatyczne, których

sensowne zastosowanie jest do mocy rz

du 3kW

(ci

nienie robocze 0,6 MPa,

rednica siłownika

<100mm).

Natomiast

aplikacje

nap

dach

elektrycznych rozci

gaj

nawet do mocy rz

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

dów

zawiera si

w zakresie małych mocy.

Szczególna

konkurencja

pomi

dzy

ró

nymi

rodzajami nap

dów panuje w obszarze realizacji

ruchów liniowych.

I tak w przypadku nap

pneumatycznego

uzyskuje

liwo

ść

bezpo

redniej realizacji ruchu liniowego.

Natomiast w przypadku nap

dów elektrycznych

z silnikami obrotowymi konieczne jest zastosowanie
odpowiednich

zespołów

mechanicznych.

W aplikacjach maj

cych małe wymagania dotycz

dokładno

ci pozycjonowania i stosunkowo małych sił

nap

dowych mog

to by

przekładnie pasowe

bate. Natomiast w aplikacjach o wy

szych

wymaganiach, zarówno w zakresie obci

ąż

jak

dokładno

pozycjonowania,

zamiany

obrotowego ruchu silnika elektrycznego na ruch
liniowy stosuje si

przekładnie

rubowe toczne.

Liniowy beztłoczyskowy pneumatyczny

zespół nap

dowy

Przykłady liniowych zespołów nap

dowych

Zalety elektropneumatycznych układów sterowania:

• wysoka niezawodno

ść

(mała liczba ulegaj

cych zu

yciu, ruchomych elementów

mechanicznych),

• zmniejszone nakłady zwi

zane z projektowaniem i instalacj

, szczególnie

w rozbudowanych układach sterowania,

• zmniejszone nakłady instalacyjne, szczególnie przy zastosowaniu nowoczesnych

zespołów, takich jak np. wyspy zaworowe,

• prosta wymiana informacji pomi

dzy wieloma układami sterowania.

Obecnie elektropneumatyczne układy sterowania s

bardzo rozpowszechnione w praktyce

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

Własno

ci elektropneumatycznych układów sterowania

Sterownik komputerowy

(sygnały elektryczne)

Elektrycznie sterowany
(uruchamiany) zawór drogowy

Siłownik

z czujnikami

zbli

eniowymi

Adaptronika jako klucz do innowacji

Czy w przyszło

ci b

dziemy mieli takie wyroby, które podczas pracy nie b

hałasowały (np. lodówki,

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

, co mo

osi

ąć

przez zastosowanie innowacyjnych rozwi

układów adaptacyjnych, które za pomoc

zintegrowanych czujników i aktuatorów samoczynnie dostosowuj

do zmieniaj

cych si

warunków

otoczenia, czyli adaptroniki.

Adaptronika jest okre

lana jako cz

ęść

mechatroniki (obszar technologii) dla uzyskiwania nowej klasy tzw.

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

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

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

powi

zane z odpowiednimi regulatorami

i innymi składnikami (sprz

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

mechatroniczne (adaptroniczne) umo

liwiaj

np. aktywne tłumienie hałasu i drga

, a tak

e kontrol

kształtu

i poło

enia. W ten sposób uzyskuje si

liwo

ść

dopasowania struktur do zmieniaj

cych si

warunków pracy,

dzi

ki czemu mo

na znacznie poprawi

bezpiecze

stwo, funkcjonalno

ść

i komfort u

ytkowania wyrobów. Celem

zastosowania takich zaawansowanych struktur jest tak

e zmniejszenie obci

ąż

, wydłu

enie trwało

ci, poprawa

wykorzystania zasobów, redukcja kosztów eksploatacji i piel

gnacji oraz uproszczenie rozwoju wyrobów.

Przeno-

szenie siły

Podstaw

adaptacyjnych systemów strukturalnych (adaptronicznych)

materiały funkcjonalne, które stosuje si

jako sensory i aktuatory.

Takie materiały maj

za zadanie przetwarzanie jednych wielko

fizycznych w inne i odwrotnie. Ró

norodne tego rodzaju materiały s

wra

liwe na pola elektryczne i magnetyczne, ciepło czy

wiatło

(czujniki), a reaguj

siłami lub odkształceniami (aktuatory - działanie

wykonawcze). Takimi materiałami s

ceramika piezoelektryczna, stopy

magnetostrykcyjne,

ele polimerowe, włókna optyczne (

wiatłowody),

itp. W

ród celów adaptroniki mo

na wymieni

: aktywne tłumienie drga

i hałasu, aktywn

regulacj

kształtu, aktywn

regulacj

poło

enia,

rozpoznawanie uszkodze

w wielofunkcyjnych lekkich strukturach

konstrukcyjnych itd.

Pole

elektryczne

Pole

magnetyczne

Ciepło

wiatło

Ładunek
Napi

cie

Oporno

ść

Indukcyjno

ść

Oporno

ść

Nat

ęż

enie

wiatła

Ceramika piezoelektryczna
Polimery piezoelektryczne
Ceramika elektrostrykcyjna
Ciecze elektroreologiczne

ele polimerowe

Stopy magnetostrykcyjne
Ciecze magnetoreologiczne

Stopy z pami

kształtu

Polimery z pami

kształtu

Hybrydowe zestawy materiałów

ele polimerowe

Elekrostrykcyjne

ele polimerowe

Materiały fotomechaniczne
Włókna optyczne

ele polimerowe

Siła mechaniczna

Odkształcenie

itp.

Aktuator

Sensor

Materiały funkcyjne zmieniaj

(przetwarzaj

) jedne wielko

fizyczne na inne

Nowe rodzaje aktuatorów

Dzi

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

ulepszone liczne „niekonwencjonalne” wzgl. opracowane nowe rozwi

zania aktuatorów. Wspóln

cech

w takich członach

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

puj

w poł

czeniu z nowymi

materiałami bazowymi. Techniczne wykonania maj

wysoki stopie

specjalizacji, z czym zwi

zane jest ograniczenie

obszarów zastosowa

. Ponadto bardzo du

e koszty materiałów hamuj

ich szersze rozpowszechnienie. Jednak rozwój

np. aktuatorów piezoelektrycznych wskazuje na du

e perspektywy. I tak np. piezoelektryczne człony wykonawcze maj

zdolno

ść

przetwarzania zarówno wielko

ci mechanicznych w elektryczne jak i elektrycznych w mechaniczne. To

dwukierunkowe przetwarzanie daje si

wykorzysta

m.in. do zada

przemieszczania. Techniczne wykorzystanie efektu

piezoelektrycznego jest jednak mo

liwe tylko przez zastosowanie odpowiedniej piezoceramiki.

W poł

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

uzyska

zmiany długo

ci w zakresie µm. Ruch roboczy jest sterowany

przez podawanie napi

cia. Jego realizacja odbywa si

w czasie kilku

µs z mo

liwo

pokonywania du

ych sił oporu. Zastosowanie

aktuatorów piezoelektrycznych powinno si

odbywa

przy

uwzgl

dnieniu termicznych i mechanicznych warunków pracy.

Elementy piezoceramiczne s

bardzo cienkimi, kruchymi materiałami,

które maj

własno

ci zale

ne od temperatury i procesów starzenia.

Dlatego te

ekstremalne obci

ąż

enia łatwo prowadz

do powstania

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

y zwraca

uwag

na to,

spowodowane działaniem ciepła (temperatury) warto

ci zmiany

długo

ci mog

du zakresu pracy aktuatora.

Własno

ci aktuatorów piezoelektrycznych:

Zalety:

• du

e siły działania przy bardzo wysokiej dynamice,

• w pracy statycznej mały pobór mocy,

• du

a dost

pno

ść

materiałów ceramicznych,

• wysoka g

sto

ść

mocy,

• praktycznie nie ulegaj

yciu.

Wady:

• tylko bardzo małe zakresy realizacji przemieszcze

• silne nagrzewanie przy du

ych cz

stotliwo

ciach pracy,

• zale

ne od temperatury i starzenia własno

ci materiałów,

• konieczny zasilacz wysokiego napi

cia do sterowania

• luzy i histereza.

Płytki
piezoceramiczne

Droga X

Efekt wydłu

enia

Aktuatory magnetostrykcyjne

W ró

nych materiałach ferromagnetycznych wskutek działania zewn

trznego pola magnetycznego zmieniaj

odległo

ci mi

dzy atomami. Dzi

ki temu za pomoc

sterowanej siły (nat

ęż

enia) pola magnetycznego daje si

uzyskiwa

zmiany długo

ci (zjawisko magnetostrykcji), których warto

ci dla materiałów o du

magnetostrykcyjno

ci wynosz

1- 2 mm/ m. Uzyskiwane siły s

ksze ni

dla porównywalnych

piezoaktuatorów i s

du 500 N/mm.

Charakterystyka i budowa aktuatora magnetostrykcyjnego

Magnetostrykcyjne aktuatory s

jeszcze obecnie

w stadium rozwoju. Dost

pno

ść

stopów metali

z własno

ciami magnetostrykcyjnymi jest silnie

ograniczona, a ich ceny s

odpowiednio wysokie.

Najwa

niejszymi technicznymi rozwi

zaniami s

magnetostrykcyjne aktuatory liniowe, które
pozwalaj

na uzyskiwanie bardzo dokładnych

ruchów w maksymalnych zakresach 50 - 200 µm
i warto

ciach sił do 20 kN. Tworzenie pola

magnetycznego mo

na efektywnie uzyskiwa

np.

przez sterowanie warto

Własno

ci aktuatorów magnetostrykcyjnych:

Zalety:

• du

e warto

ci siły działania,

• bardzo wysoka dynamika wzgl. cz

stotliwo

ść

pracy,

• du

y zakres temperatur pracy,

• zwarta budowa,

• praktycznie nie ulegaj

yciu.

Wady:

• drogie i trudno dost

pne materiały,

• histereza,

• pobór pr

du podczas pracy statycznej,

• pier

cieniowa budowa,

• silne nagrzewanie przy wysokich cz

stotliwo

ciach.

Nat

ęż

enie pola H

terfenolowy

łc

εεεε

Cewka

Obudowa

Ciecze magnetoreologiczne w tłumieniu drga

Bez oddziaływania pola magnetycznego ciecz
magnetoreologiczna zachowuje si

jak ciecz

Newtonowska.

Zastosowanie cieczy magnetoreologicznej do
regulowanego tłumienia drga

jest od pewnego

czasu przedmiotem intensywnych prac
badawczych. S

tak

e pierwsze aplikacje

w samochodach.

I tak np. układy tłumienia drga

o nazwie

„Magneride” firmy Delphi s

stosowane w

samochodach Audi model TT oraz w Corvette
i Ferrari.

Zastosowania układów tłumienia drga

z zastosowaniem cieczy magnetoreologicznej s

liwe w ró

nych

obszarach. Przykładem jest tłumienie drga

w mostach. Innymi mo

liwymi zastosowaniami jest tłumienie

ruchów i drga

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

przypadkach zastosowa

zalety tłumienia drga

za pomoc

cieczy magnetoreologicznej mo

na wykorzysta

tylko wtedy, gdy tłumiony układ (obiekt regulacji) b

dzie mo

na wystarczaj

co dokładnie odwzorowa

pomoc

modelu i przeprowadzi

symulacj

, aby móc w sposób niezawodny regulowa

tłumienie.

Ciecze magnetoreologiczne s

jednorodnymi mieszaninami składaj

cymi si

z cieczy z zawartymi w niej drobnymi

stkami stałymi (Suspension). Stałe cz

stki maj

wielko

ść

0,1 do 10 µm i składaj

z materiału

ferromagnetycznego. S

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

wody. Pod

wpływem pola magnetycznego nast

puje wi

zanie si

ze sob

stek ferromagnetycznych. Uzyskuje si

silnie

anizotropowe przebiegi ze zmieniaj

lepko

do stanu ciała stałego.

Wysokie

nienie

Niskie

nienie

Linie pola

magnetycznego

ródło pola

elektromagnety-

cznego (cewka)

Kierunek ruchu

Efekt magneto-

reologiczny

Ciecz magneto-

reologiczna

Aktuatory z pami

kształtu

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

kształtu (ang. Memory-

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

kształtu przy osi

gni

ciu okre

lonej temperatury zmieniaj

skokowo swój stan, czyli kurcz

rozci

gaj

, lub te

staj

super-elastyczne. Własno

ci te mo

na porówna

ze znanymi

powszechnie elementami nastawiaj

cymi z bimetalami. Równie

w bimetalach wyst

puje podwójna

funkcja, a mianowicie taki element mo

e by

równocze

nie sensorem i aktuatorem (np. wł

cznik

termiczny). Jednak inaczej ni

w bimetalach, które przy ogrzewaniu odkształcaj

w sposób ci

gły,

w przypadku stopów z pami

kształtu przy okre

lonej temperaturze nast

puje spontaniczna reakcja

w postaci zmiany kształtu.

Zjawisko „pami

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

Pó

niej efekt ten stwierdzono tak

e w stopach tytanu i niklu, które obecnie okazały si

najbardziej

efektywne w zastosowaniach praktycznych.

Termo-

bimetal

Austenit –

temperatura

cowa

Martenzyt –

temperatura

cowa

Martenzyt –

temperatura

pocz

tkowa

Austenit –

temperatura

pocz

tkowa

100%

Udział martenzytu

Wzgl

dna zmiana długo

∆∆∆∆

Stopy z pami

kształtu

Fizycznym wyja

nieniem zjawiska pami

ci kształtu jest wyst

powanie dwóch rodzajów sieci

krystalicznych, pomi

dzy którymi takie stopy zmieniaj

swoj

struktur

. Te struktury sieci krystalicznych

okre

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

stopu przechodzi z fazy niskiej temperatury martenzytu w faz

wysokiej temperatury austenitu.

Martenzyt

Martenzyt (odkształcony)

Chłodzenie

Odkształcanie

Austenit

Nagrzewanie

Rozwój w obszarze elektroniki odbywa si

tylko w jednym kierunku: urz

dzenia powinny by

coraz mniejsze,

coraz szybsze i bardziej efektywne. Ta miniaturyzacja mo

e by

dalej kontynuowana tylko wtedy, gdy do

dyspozycji b

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

w sobie

specjalne własno

ci mechaniczne, elektryczne i optyczne sprawiaj

e mo

liwe jest poł

czenie ró

nych funkcji

w małej przestrzeni. Takie nowe materiały umo

liwiaj

rozwój i produkcj

zupełnie nowych elementów

elektronicznych. Przykładami zespołów mechatronicznych s

np. czujniki temperatury w układach hamulcowych

samochodu i czujniki ci

nienia w kołach. Elementy z tworzyw sztucznych powinny w przyszło

ci spełnia

nie tylko

rol

obudowy, ale tak

e doprowadza

wiatło, ciepło lub pr

d. W zminiaturyzowanych zespołach materiały

zaawansowane (funkcjonalne) powinny przej

ąć

liczne zadania, dla realizacji których dotychczas były wymagane

oddzielne składniki. Dlatego te

prowadzone s

intensywne badania dotycz

ce rozwoju odpowiednich materiałów

z całkowicie nowymi własno

ciami. Rozwijane s

przede wszystkim tworzywa sztuczne, ale tak

e stopy metali

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

ciami. Równolegle do opracowywania nowych materiałów s

rozwijane nowe metody (techniki) wytwarzania, które zapewni

szybsz

i ta

produkcj

Przykładem sensownego zastosowania tworzyw sztucznych z własno

ciami

magnetycznymi jest cienki mechatroniczny silnik elektryczny o wielko

palca, który w samochodzie mo

e sterowa

przepustnic

lub regulowa

szeroko

ść

zki

wiatła reflektorów. Silnik ten w cało

ci składa si

z tworzywa sztucznego. Dzi

ki domieszce materiałów magnetycznych

(ferrytu) mo

e on by

nap

dzany zewn

trznym polem magnetycznym.

Zaletami takiego rozwi

zania jest tanie wytwarzanie przez formowanie

wtryskowe, a tak

e zintegrowanie czujnika, który zapewnia dokładne

ustawianie osi.
Natomiast takimi materiałami, które mo

na celowo uaktywnia

za pomoc

promieni lasera s

takie jak np. obecnie stosowane w wytwarzaniu

aparatów słuchowych. Promie

lasera tworzy bezpo

rednio w tworzywie

sztucznym obudowy

cie

ki przewodz

ce pr

d elektryczny, co pozwala na

poł

czenie funkcji mechanicznych i elektrycznych.

Zastosowanie zaawansowanych materiałów w wyrobach

mechatronicznych

Elektryczny serwonap

Układ

sterowania

maszyny

Regulator

cyfrowy

Zasilacz

elektryczny

Elektryczny
serwo-silnik

Moc

Czujnik

poło

enia

Sieci

miejscowe

(ang. Fieldbus)

Integracja

Falo-

wnik

Przykłady serwonap

dów elektrycznych i ich zastosowania

W skład serwonap

du mog

wchodzi

np. silniki

asynchroniczne pr

du przemiennego zasilane falownikami.

Silniki te mog

mie

wbudowany encoder, umo

liwiaj

pomiar poło

enia k

towego wirnika.

Maj

one zastosowanie m.in. w takich obiektach

(maszynach) jak: maszyny pakuj

ce, monta

komponentów

na płytkach drukowanych, głowice narz

dziowe,

etykieciarki, maszyny dla przemysłu spo

ywczego,

nawijarki ze sterowanym naci

giem.

liwa jest zmiana trybu pracy pomi

dzy: sterowaniem

poło

eniem (pozycj

), pr

dko

i momentem.

Główne zastosowania serwo-silników

Czterema głównymi obszarami zastosowania serwo-silników s

: linie monta

owe,

obrabiarki, maszyny pakuj

ce oraz transport i przeładunek materiałów.

Spo

ród innych obszarów (19,2%) obserwuje si

rosn

ce zainteresowanie takimi

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

i u

lig

fic

t d

i p

eł

16,8

13,8

11,4

8,4

3,6

Serwonap

d typu Simotion (firmy Siemens),

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

czone w jednej

jednostce steruj

cej, jest dobrym rozwi

zaniem dla

maszyn mechatronicznych.

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

w ten sposób przejrzyste rozwi

zanie dla

producentów maszyn. Poł

czenie sterowania

ruchem i zada

technologicznych ma równie

zalety z punktu widzenia kosztów inwestycji.

Simotion składa si

z trzech podstawowych

komponentów: oprogramowania projektowego
Scout, zawieraj

cego narz

dzie do konfiguracji

systemu i zarz

dzania projektem, oprogramowania

wykonawczego (Runtime

software), którego moduły

mog

optymalnie dopasowane do wymaga

oraz dost

pnej w ró

nych wariantach platformy

sprz

towej.

Simotion

jest odpowiednim rozwi

zaniem dla

maszyn maj

cych wiele osi, dla których odej

cie od

konwencjonalnej techniki z centralnym sterowaniem
i sprz

ęż

onymi mechanicznie osiami staje si

coraz

ęś

ciej nieuniknione. Ma to miejsce przede

wszystkim w takich bran

ach, jak opakowania,

przetwórstwo tworzyw sztucznych, prasy i maszyny
do obróbki drewna.

Przykład serwonap

du typu SIMOTION (Siemens)

PROFIBUS – miejscowa sie

komunikacyjna.

Cyfrowe sprz

ęż

enie zwrotne w nowoczesnych

serwonap

dach

Sprz

ęż

enia zwrotne

Moc silnika

Switch POSI
AX 5000

Wł

czone urz

dzenia

mocy:
- styczniki,
- przeka

niki,

- urz

dzenia

półprzewodnikowe.

Parametry

Parametry
Konfiguracja

System programowy do

konfiguracji i parametryzacji

Przemiennik cz

stotliwo

Nap

dy elektryczne w obrabiarkach

Pulpit obsługi
układu
sterowania
numerycznego
CNC

Silniki
elektryczne
(nap

głównego,
nap

dów

posuwu
i pomocnicze)

Sterowniki
nap

dów

Zastosowanie nap

dów bezpo

rednich przynosi nast

puj

ce korzy

ci:

wzrost produktywno

ci maszyny (np. obrabiarki) dzi

ki mo

liwo

ci wykorzystania lepszych własno

dynamicznych nap

dów,

zmniejszenie kosztów eksploatacji przez obni

enie zu

ycia elementów i piel

gnacji nap

dów,

znaczne zwi

kszenie trwało

ci w porównaniu z nap

dami zawieraj

cymi silniki obrotowe, co przyczynia

tak

e do zmniejszenia wyst

powania awarii,

uzyskiwane dokładno

ci, jako

ść

regulacji, współczynniki wzmocnienia i sztywno

ci mog

o rz

sze ni

w konwencjonalnych nap

dach z silnikami obrotowymi i mechanicznymi elementami

przenoszenia nap

du.

Zastosowanie nap

dów bezpo

rednich jest tak

e zwi

zane z nast

puj

cymi wadami:

sze wydzielanie ciepła powoduje konieczno

ść

kompensacji przez intensywne chłodzenie

z wykorzystaniem dodatkowych urz

dze

chłodz

cych,

konieczne jest uwzgl

dnienia w prowadnicach sił przyci

gania wyst

puj

cych pomi

dzy elementem

pierwotnym i wtórnym,

brak przeło

enia mechanicznego wymaga konieczno

ci zastosowania wi

kszej liczby aktywnych cz

ęś

elektrycznych i wi

kszej ilo

ci energii.

Jednak proste zast

pienie po

redniego nap

du przez nap

d bezpo

redni nie przynosi jeszcze

adnych

zysków. Wymaga to takiego dopasowania konstrukcji maszyn, aby mo

na było wykorzysta

korzy

wynikaj

ce z zastosowania rozwi

zania z nap

dem bezpo

rednim. Dzi

ki zastosowaniu odpowiednich

modeli mechatronicznych mo

liwe jest wykazanie oraz odwzorowanie zale

ci i wzajemnych

oddziaływa

zespołów maszyny, nap

dów elektrycznych, sterowania i regulacji. Umo

liwia to

okre

lenie korzy

ci, które przyniesie zastosowanie nap

dów bezpo

rednich jeszcze zanim maszyna

zostanie w rzeczywisto

ci zbudowana.

Cechy nap

dów bezpo

rednich w budowie maszyn

liwo

ść

realizacji du

ych

warto

ci przyspiesze

(do

3,5 m/s

) zapewnia

uzyskiwanie szybkich
nawrotów stołu roboczego
szlifierki w cyklu
szlifowania.

Zastosowanie bezpo

rednich nap

dów liniowych

np. w szlifierce typu Ecoline przyczynia si

zredukowania czasu obróbki przedmiotu nawet
o 75%. Du

e pr

dko

ci ruchów szybkich

(dostawczych) obrabiarki powoduj

skrócenie

czasów pomocniczych.

Bezpo

redni nap

d liniowy w szlifierce

Własno

ci bezpo

rednich nap

dów liniowych

Uzyskuje si

maksymalne pr

dko

ci ruchu

bez ograniczania warto

ci przemieszcze

Zastosowanie silników liniowych jest sensowne wsz

dzie tam, gdzie wyst

puje du

udział cykli obróbkowych realizowanych z maksymalnie mo

liwymi pr

dko

ciami

ruchu.

Równie

w urz

dzeniach załadowczych silniki liniowe zapewniaj

uzyskiwanie

ych oszcz

dno

ci czasu, poniewa

urz

dzenia manipulacyjne bez

transportowania ładunków (przedmiotów) mog

bardzo szybko przemieszcza

Długie osie (du

e przemieszczenia) mo

na uzyskiwa

przez kolejne umieszczenie

odpowiednich cz

ęś

ci wtórnych silnika liniowego.

Praktycznie nie ma

adnego ograniczenia warto

ci drogi przemieszczenia.

Dzi

ki wyeliminowaniu np. pasów z

batych i tocznych

rub poci

gowych znacznie

upraszcza si

monta

zespołu posuwowego, zmniejszaj

nakłady zwi

zane

z piel

gnacj

oraz wydłu

ywotno

ść

, a tak

zwi

kszaj

własno

ci dynamiczne

(np. przyspieszenia 2 g), uzyskiwane pr

dko

ci (rz

du 120 m/min) i dokładno

Poniewa

w hydraulicznych i pneumatycznych układach nap

dowych stosowane s

siłowniki, to takie rozwi

zania mog

szczególnie korzystne w realizacji

przemieszcze

liniowych zespołów roboczych maszyn. Układy elektryczne, oparte

na obracaj

cych si

silnikach, wymagaj

stosowania specjalnych zespołów

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

Przy doborze zespołów realizuj

cych ruch nale

y bra

pod uwag

m.in. nast

puj

czynniki:

Dokładno

ść

i powtarzalno

ść

ruchu – sterowane elektronicznie serwomechanizmy

zapewniaj

najwy

szy poziom dokładno

ci i powtarzalno

ci. W aplikacjach

wymagaj

cych utrzymywania stałego ci

nienia (siły) w nieruchomym zespole

korzystne jest zastosowanie układów hydraulicznych.

Zło

ono

ść

– w aplikacjach wieloosiowych (kilka ruchomych zespołów roboczych)

najlepszym rozwi

zaniem jest zastosowanie układów serwomechanizmowych

sterowanych cyfrowo ze wzgl

du na mo

liwo

ść

dokładnej ich synchronizacji.

Wydajno

ść

– zwi

kszenie wydajno

ci maszyny technologicznej czy linii

produkcyjnej mo

na uzyska

dzi

ki zastosowaniu zespołów nap

dzanych

elektrycznie (osi

gane pr

dko

ci ruchu s

du 10 m/s, a zatem dwukrotnie

ksze ni

z nap

dami pneumatycznymi i hydraulicznymi).

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

o wyborze rodzaju nap

du, gdy

konieczne jest ich

oszacowanie dla konkretnych przypadków zastosowa

Czynniki wpływaj

ce na wybór rodzaju nap

Od producentów (dostawców) zespołów nap

dowych i urz

dze

automatyki wymaga si

takich wyrobów

i systemów, za pomoc

których mo

na zwi

kszy

wydajno

ść

, niezawodno

ść

i dokładno

ść

pracy maszyn.

Szczególnym wymaganiem jest tak

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

w ró

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

zany wyrób, który

e by

łatwo dostosowany do okoliczno

ci.

Nap

d działa zwykle za po

rednictwem elektromechanicznego przetwornika energii – silnika – cz

sto przy

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

nik) lub produkcji. Matematyczny opis procesu jak równie

zastosowanie

odpowiednich sensorów i metod regulacji s

podstaw

budowy odpowiedniego układu nap

dowego.

Dlatego te

z analizy procesu wynikaj

wymagania dotycz

ce nap

dów:

dobór odpowiednich silników i zespołów przeniesienia nap

du (np. przekładnia,

ruba poci

gowa),

liwo

ść

zastosowania ró

nych układów pomiarowych do uzyskiwania wymaganych wielko

ci stanu takich

jak poło

enie, pr

dko

ść

obrotowa czy przyspieszenie,

nowoczesne (zaawansowane) metody regulacji, aby uzyska

wymagane dokładno

ci wielko

ci zwi

zanych

z procesem,

zapewnienie odpowiednio du

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

Control).

W przedsi

biorstwie produkcyjnym od poziomu zarz

dzania, przez sterowanie maszyn a

do regulacji nap

dów

wyst

puje ci

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

p do

wielko

ci stanu, parametrów i programów. Je

eli ruchy s

le koordynowane w ramach MC, to takie

aplikacje wymagaj

pracy z twardym czasem rzeczywistym, przy ci

gle rosn

cej liczbie uczestników

komunikacji. Wymaganiami wynikaj

cymi z rozpatrywania informacji dla nap

dów s

istnienie konwencjonalnych cyfrowych i analogowych interfejsów sygnałów,

liwo

ci integracji regulatora nap

du w ró

nych sterownikach przy akceptacji ró

norodnych miejscowych

sieci komunikacyjnych (ang. Fieldbus).

Wymagania dotycz

ce nap

dów

Wła

ciwo

ci ró

nych rodzajów nap

dów

Bezpieczny

e moce

z małej

obj

Łatwo

ść

przesyłu

i magazynowania

energii

Zalety

Hała

liwy

Wycieki,

kłopotliwe

dostarczanie

energii

Zakłócenia

elektryczne

i magnetyczne,

nagrzewanie

Wady

szy

Normalny

Serwis (wzgl

dnie)

Lepsza

Gorsza

Normalna

Trwało

ść

(wzgl

dna)

0.1

0.1 – 0.05

0.005

Dokładno

ść

pozycjonowania

[mm]

0.05 – 30

0.002 – 2

0.001 – 5

dko

ść

liniowa [m/s]

0.05 – 3

0.02 – 2

0.3 – 5

Zakres ruchu liniowego [m]

50 – 150

Przeci

ąż

alno

ść

[%]

10 – 120

Sztywno

ść

[kN/mm]

>10

6 10

5 - 9 10

Wytrzymało

ść

[cykli]

300

650

25 – 150

Moc z jednostki [W/kg]

15 – 25

30 – 25

50 – 55

Sprawno

ść

[%]

Pneumatyczny

Hydrauliczny

Elektryczny

Typ nap

Porównywana wła

ciwo

ść

Porównywana wła

ciwo

ść

Charakterystyka aktuatorów: zale

ść

siły F od drogi

nastawiania s

Siła nastawiania

Droga nastawiania

s [mm]

[N]

1000

100

0,001 0,01

0,1

100

Aktuatory piezoelektryczne

Aktuatory hydrauliczne

Aktuatory
z odkształcanymi
materiałami

Aktuatory
pneumatyczne

Silniki pr

stałego DC/

ruba poci

gowa

Elektromagnesy

Silniki skokowe/

ruba poci

gowa

Charakterystyka aktuatorów: zale

ść

siły F od

dko

ci nastawiania v

dko

ść

nastawiania v [mm/s]

Siła nastawiania F

[N]

10000

1000

100

1000

10000

Aktuatory hydrauliczne

Aktuatory z
odkształcanymi
materiałami

Aktuatory
pneumatyczne

Silniki pr

stałego DC/

ruba poci

gowa

Elektromagnesy

Silniki skokowe/

ruba poci

gowa

Aktuatory
piezoelektryczne

Moc nastawiania 1000 W

10 W

0,1 W