NAPĘD ELEKTRYCZNY

Napędem elektrycznym nazywamy zespół urządzeń i aparatów elektrycznych pracujących na zasadzie wykorzystania energii elektrycznej i służących do nadawania ruchu maszynie roboczej .

W najprostszym układzie napędowym występuje jednokrotne przetwarzanie energii . Natomiast w złożonych układach napędowych , zanim energia elektryczne zostanie przekazana maszynie roboczej , może być kilkakrotnie przetwarzana lub mogą być zmienione jej parametry elektryczne . Każde przekształcenie energii jest związane ze stratami . Elektryczne układy napędowe odznaczają się jednak sprawnością energetyczną oraz prostotą budowy i łatwością obsługi .

Elektryczny układ napędowy składa się z następujący części :

1. źródła napięcia (zasilacz)

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

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

4. maszyny roboczej

ZASILACZ		APARATURA ŁĄCZENIOWA		SILNIK		MASZYNA ROBOCZA

Spośród napędowych silników elektrycznych można wyróżnić :

1. silniki prądu stałego - obcowzbudne , bocznikowe , szeregowe , szeregowo - bocznikowe, krokowe (skokowe)

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

1. wartością mocy

2. rodzajem napięcia : stałe lub przemienne

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

4. liczbą faz

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

6. wartością rezystancji lub impedancji wewnętrznej źródła

7. kształtem napięcia : sinusoidalne , prostokątne , odkształcone W skład wyposażenia układu napędowego wchodzą następujące aparaty elektryczne :

1. łączniki

2. rezystory regulacyjne i rozruchowe

3. dławiki wygładzające

4. układy regulacji napięcia

5. urządzenia rozruchowe

6. urządzenia zabezpieczające

7. urządzenia kontrolujące pracę silnika

8. urządzenia hamujące

9. połączenia pędne

Silniki prądu stałego .

Zasada działania .

1,2- boki zezwoju

3. odbiornik

4. szczotki

5. pierścienie ślizgowe

Rozpatrywać będziemy model elementarny składający się z jednego zwoju obracającego się między dwoma biegunami marginesu . Początek i koniec zwoju są połączone z dwoma pierścieniami ślizgowymi , po których ślizgają się szczotki odprowadzające prąd do zamkniętego obwodu zewnętrznego . Jeżeli zwój znajdujący się w polu magnetycznym o indukcji B obraca się z prędkością v , to w jego bokach o długości l indukuje się siła elektromotoryczna . Jeżeli obwód tego zwoju będzie zamknięty (przez szczotki i pierścienie ślizgowe) , to popłynie w nim prąd o kierunku zgodnym ze zwrotem indukowanej siły elektromotorycznej . Budowa :

1. nieruchomy stoj an

2. wirujący wirnik (twornik)

3. bieguny główne

4. bieguny pomocnicze

5. komutator Rozróżniamy silniki :

Budowa silnika prądu statego: a), b) obcowzbudncgo, c) samowzbudnego

Silniki prądu przemiennego . Silniki synchroniczne.

1. samowzbudne - bocznikowe , szeregowe , szeregowo - bocznikowe

2. obcowzbudne

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

2. z biegunami j awnymi (z wirnikiem j awnobiegunowym) Silniki asynchroniczne.

Budowa trójfazowego asynchronicznego silnika prądu pracmiennęgo

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

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

2. o uzwojeniach pierścieniowych - jeżeli uzwojenie wirnika jest wykonane z drutu nawojowego , to istnieje możliwość dołączenia do obwodu wirnika dodatkowych elementów zwiększających rezystancję każdej fazy . Aby to było możliwe , uzwojenie wirnika jest połączone na stałe z pierścieniami ślizgowymi . Silnik z takim uzwojeniem nazywamy silnikiem indukcyjnym pierścieniowym .

Silniki krokowe.

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

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

Do zalet napędów elektrycznych należy zaliczyć: 1. zwarta konstrukcja napędu i przetworników sterująco - kontrolnych (czujników stanu)

2. duża szybkość działania dzięki małej bezwładności elementów ruchomych silnika

3. stałość prędkości obrotowej

4. wysoka maksymalna prędkość obrotowa (do 15000 obr/min)

5. szeroki zakres regulacji rozwijanych momentów

6. małe bezwładności wirników , uzyskiwane dzięki specjalnym konstrukcjom

7. duży moment obrotowy przy maksymalnej prędkości

8. bezpieczeństwo pracy

9. niski poziom szumu i wibracji oraz brak zanieczyszczenia otoczenia

10. trwałość i stosunkowo duża pojemność cieplna ; umożliwia to eksploatację bez nadzoru i ogranicza czynności obsługi , wymagają niewielkiej liczby zabiegów konserwatorskich

11. łatwy demontaż silników w przypadku wystąpienia konieczności ich wymiany bądź remontu

12. ogólnodostępność , taniość i łatwość doprowadzenia energii zasilania W grupie wad należy wymienić :

1. ograniczoną trwałość szczotek w komutatorach silników prądu stałego

2. ograniczone wykorzystanie w środowisku zagrożonym wybuchem (możliwość wystąpienia przebić , zwarć)

3. zależność prędkości od obciążenia , co wymaga rozbudowy układów regulacji napędu

NAPĘD HYDRAULICZNY

Napędy hydrauliczne są to urządzenia służące do przekazywania energii mechanicznej z miejsca jej wytwarzania do urządzenia napędzanego. W napędach tych czynnikiem przenoszącym energię jest ciecz. Zasada napędu hydraulicznego jest oparta na prawie Pascala, dotyczącym równomiernego rozchodzenia się ciśnienia w cieczy.

W zależności od sposobu przenoszenia ruchu rozróżnia się napędy hydrauliczne:

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

- hydrokinetyczne, których działanie opiera się na wykorzystaniu energii kinetycznej cieczy W zależności od rodzaju przenoszonego ruchu rozróżnia się napędy o ruchu obrotowym i o

ruchu postępowym. W napędach hydraulicznych może też następować zamiana ruchu obrotowego na

postępowy bądź ruchu postępowego na obrotowy.

Napęd hydrauliczny

JT.

ttys. 5.1. Schemat napędu hydraulicznego

f_l — moc Ywjiao** [ok doprawadaai do napędu), F_t — moc wyjki™ (moc otrzymywana i napędu), — oiat mana w tupędne

W skład mechanizmu hydraulicznego wchodzą:

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

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

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

- Zawory sterujące przepływem (czynnika energii) w układzie napędu hydraulicznego Oprócz tych elementów niezbędne są również elementy pomocnicze: przewody łączące, zbiorniki, filtry, akumulatory hydrauliczne, chłodnice lub podgrzewacze, a także przyrządy do pomiaru ciśnienia, natężenia przepływu itd.

Zalety układów hydraulicznych:

• możliwość uzyskania bardzo dużych sił, przy małych wymiarach urządzeń

• możliwość uzyskania bezstopniowej zmiany prędkości ruchu

• możliwość użycia małych sił do sterowania pracą ciężkich maszyn

• możliwość zdalnego sterowania

• możliwość zastosowania mechanizacji i automatyzacji ruchów

- dużą trwałość elementów układów hydraulicznych oraz łatwość ich wymiany Do wad należy zaliczyć:

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

- duże straty energii na pokonywanie oporów przepływu Cylindry hydrauliczne

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

Pompy

Pompa łopatkowa typu Vickersa

1- wirnik, 2- łopatka, 3- obudowa

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

Pompa zębata

1- korpus, 2 i 3- koło i wałek napędzający, 4 i 5- koło i wałek napędzany, 6- kanał ssawny 7- kanał tłoczny

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

Pompa łopatkowa mimośrodkowa

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

3

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

Pompa tłokowa osiowa

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

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

i jednocześnie przekręcania się korpusu zawierającego cylindry o taki sam kąt. Tłok wykonuje pełny skok, a cylinder jest połączony z komorą ssawną. W czasie dalszego półobrotu wałka i korpusu tłok wykonuje suw w kierunku przeciwnym i wytłacza zassaną uprzednio ciecz z cylindra. Pompy promienne

1- tłoczek, 2- wirnik, 3- nieruchoma przegroda, 4- obudowa, 5- kanał ssawny, 6- kanał tłoczny, e-zmienna mimośrodkowość

Mają układ rzędowy lub gwiazdkowy. Gwiazdkowy składa się z wirnika, w którym znajdują się cylindry i tłoki. Wirnik obraca się na wałku zawierającym dwie wyfrezowane komory - tłoczną i ssawną, połączone kanałem ssawnym z końcówka pompy. Rozdzielone są przegrodą. Tłoki opierają się dzięki naciskowi sprężyn lub siłom odśrodkowym o pierścień obudowy względem, której wirnik jest przesunięty o mimośrodkowość e. Ciecz wytłaczana z komory tłocznej jest zasysana z komory ssawnej do cylindra, a później wytłaczana do komory tłocznej. Liczba cylindrów wynosi zwykle 5 do

9.

Do elementów sterujących napędów hydraulicznych zaliczamy: - zawory ciśnieniowe spełniające następujące zadania:

• zawory bezpieczeństwa zabezpieczają układy hydrauliczne przed zbyt wysokim ciśnieniem

• zawory przelewowe utrzymują określone ciśnienie w układzie hydraulicznym

• zawory kolejności działania utrzymują określone ciśnienie przed zaworem niezależnie od ciśnienia za zaworem

• zawory redukcyjne utrzymują określone ciśnienie za zaworem niezależnie od zmian ciśnienia przed zaworem

• zawory różnicowe utrzymują stałą różnicę ciśnień przed i za zaworem

• zawory proporcjonalne zapewniają stały stosunek ciśnień przed i za zaworem

• zawory natężeniowe spełniają następujące zadania:

• zawory odcinające zamykają lub otwierają przepływ cieczy

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

• zawory zwrotne przepuszczają strumień cieczy tylko w jednym kierunku

• zawory dławiące sterują w sposób ciągły natężeniem przepływu cieczy

• regulatory przepływu dwudrogowe zapewniają stałe natężenie przepływu, niezależnie od zmian ciśnienia w instalacji

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

Zawór bezpieczeństwa ( przelewowy) Każdy układ hydrauliczny powinien być zabezpieczony przed przeciążeniami. Przed podwyższeniem

ciśnienia ponad dopuszczalną wartość. Zabezpieczenie takie zapewnia się przez włączenie na odgałęzieniu przewodu tłocznego pompy zaworu bezpieczeństwa, który otwiera się samoczynnie w przypadku podwyższenia się ciśnienia do określonej wartości. Często tylko część cieczy dostarczonej przez pompę ma dopływać do urządzenia wykonawczego, a reszta powinna odpływać do zbiornika lub innej gałęzi układu, w której panuje niższe ciśnienie. W takich warunkach zawór przepuszczający nadmiar cieczy z odgałęzienia roboczego jest nazywany zaworem przelewowym, który spełnia jednocześnie zadania zaworu bezpieczeństwa.

kulkowy:

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

tłoczkowy:

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

7- przeciwnakrętka

Gorsze są zawory kulkowe ponieważ szybciej zużywa się gniazdo, którym osadzona jest kulka dlatego

częściej stosuje się zawory tłoczkowe.

Dławiki

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

lepkości cieczy.

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

cieczy. Dławik iglicowy

NAPĘDY PNEUMATYCZNE

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

Do wad napędów pneumatycznych zaliczyć należy niestałość prędkości członu wyjściowego napędu przy zmianach obciążeń, spowodowaną ściśliwością czynnika roboczego, ograniczoną liczbę punktów pozycjonowania (najczęściej dwa), konieczność wyhamowania członu wyjściowego napędu w końcowej fazie ruchu, gdyż jego uderzenia przy dużej prędkości w twardy zderzak (np. denko cylindra siłownika) powodują znaczne przeciążenia dynamiczne, głośną prace napędu. Pod względem funkcjonalnym podzespoły napędu pneumatycznego dzielimy na bloki:

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

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

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

• zawór redukcyjny - pozwala nastawiać optymalne ciśnienie do sprężonego powietrza

• filtr powietrza - służy do usuwania z powietrza zasilającego napęd cząstek zanieczyszczeń, dzielimy je na

o mechaniczne - odpowiedzialne za wyłapywanie cząstek na drodze

przepuszczania powietrza przez odpowiednią tkaninę, papier lub odwirowanie.

o adsorpcyjne - usuwają cząstki zanieczyszczeń poprzez pochłanianie ich przez odpowiedni związek chemiczny

- manometr - kontrola i regulacja ciśnienia zasilania

b) Blok sterowania przepływem sprężonego powietrza - zawiera urządzenia, za pomocą których,
zgodnie z założonym programem działania robota, otwiera się lub zamyka dostęp medium
roboczego do roboczych przestrzeni elementów wykonawczych (siłowników). Elementami
sterowania przepływem powietrza sątzw. rozdzielacze pneumatyczne (zawory rozdzielające)

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

c) Blok elementów wykonawczych napędu - siłowniki liniowe jednostronnego lub

dwustronnego działania, rzadziej siłowniki z przesunięciem kątowym - wahadłowe. Każdy siłownik realizuje swój cykl roboczy w kolejności określonej procesem technologicznym. Przełączenie odpowiedniego rozdzielacza następuje wg programu, realizowanego przez układ sterujący robota.

Sterowanie zaworami pneumatycznymi odbywa się poprzez dwustanowe przekaźniki:

• elektryczne

• pneumatyczne

Siłownik liniowy:

a - jednostronnego i b -

dwustronnego działania

Siłowniki z przesunięciem

kątowym:

c i d; 1 - zębatka; 2 - wał wyjściowy; 3 - śruba; 4 - nakrętka; 5 - prowadnica 10

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

Przekaźnik pneumatyczny zbudowany j est w postac ;ez elastyczne

membrany o różnych powierzchniach efektywnych

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

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

1. dławienie wpływu czynnika roboczego z opróżnianej komory siłownika

1. wyhamowanie tłoka za pomocą urządzeń mechanicznych (amortyzatorów), a także pneumatycznych lub hydraulicznych

Hamulce wykorzystywane w pneumatycznych zespołach napędowych dzielimy na: a) hamulce cierne

• duża sprawność

• nie obciąża siłownika podczas ruchu

• duże prędkości ruchu

• duży wpływ na prędkość i dokładność

Hamulec cierny

pneumatyczny

1 - trzpień tłoczyska; 2

okładziny cierne; 3 -

obudowa

1

1

2

2

2

3

3

3

8

9

9

9

9

11

11

11

11

12

13

12

12

kulkowy toczkowy

Hamulec hydrauliczny 1 - sprężyna; 2,5 - komory przelewowe; 3 - zbiornik; 4 - tłoczysko

b) hamulce hydrauliczne

- mały wpływ obciążenia na prędkość i dokładność pozycjonowania niemożność uniknięcia skutków tarcia w obwodzie hydraulicznym

---