Aktuátorok és szenzorok Aktuátorok Írta: Dr. Jakab Endre

Aktuátorok és szenzorok

AktuátorokÍrta: Dr. Jakab Endre

Készült az ESZA 02040002 projekt keretében

04/19/23Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002 2

Tartalom1. Bevezetés

– Mozgásinformáció leképzés

– Relatív és elemi mozgások

– Elemi mozgások, szánok

– Struktúraképzések

– Az aktuátor fogalma, elhelyezkedése

– Energiaátalakítók, energiafajták

• 2. Mechanikai aktuátorok

• 3. Fluidmechanikai aktuátorok

• 4. Villamos aktuátorok

Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab EndreAKTUÁTOROK


1. Bevezetés• Az Aktuátorok és szenzorok c. tantárgy keretében a legismertebb, és

széles körben alkalmazott megoldások és alkalmazások rendszerezett bemutatására helyezzük a hangsúlyt.

• Az ismeretközlés módja lehetővé teszi, hogy a különböző szakmai (mechatronikai) területen dolgozó hallgatók átfogó képet kapjanak az aktuátorokról és szenzorokról.

• Feltételezzük, a témába vágó középiskolai tananyag ismeretét, továbbá, hogy a megszerzett gyakorlattal a magasabb szintű ismeretek megszerzése, szélesebb körű kitekintés és szintetizálás válik lehetővé. Az aktuátorok és szenzorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben az 1. ábrán látható.



Mechatronika

Mechanika Elektrotechnika

Aktuátor- ésszenzortechika

Információ-technika

ModellezésFolyamat-irányítás

1.ábra: A mechatronikai rendszer építőelemei

Az 1. ábrán az egyes mezők, metszetek rendszerbeli és egymáshoz viszonyított arányai mechatronikai szerkezetektől függően változóak lehetnek. A metszeteken kívüli mezők a mechatronikai rendszer passzív egységei és elemei, míg a többi aktív egység és elem. Az aktuátor- és szenzortechnika a mechanika és elektrotechnika (elektronika) szoros kapcsolatára utal, ami nem nélkülözheti az információtechnikai hátteret.



Mozgásinformáció leképzés

Az aktuátorok magyarázataa mozgásinformáció leképzésimodell segítségével

Jelölések• I=Információ• k=Kinematikai lánc (kA, ki)• A=Alakítási-Kapcsolódási mechanizmus• F1=A kapcsolódó felületpár egyik fele

(a származtatott felületű munkadarab Fm)• F2= A kapcsolódó felületpár másik fele

(a származtató felületű szerszám Fsz)

F1=Fm F2=Fsz

A

k k

I

2. ábra: Mozgásinformáció leképzési modell



• A 2. ábra szerinti modell azt mutatja, hogy a közölt I információk alapján k kinematikai láncokon keresztül valósul meg két fizikai test (mennyiség) között szükséges relatív mozgás. A k kinematikai láncok számát, egymással való kapcsolatát (technológiai, kinematikai), a mozgások összekapcsolásának módját (soros, párhuzamos) a feladat határozza meg. Rendszerek egyszerűtől az igen bonyolultig egyaránt előfordulhatnak.

• A k=kA+ki kinematikai láncok elemei:• kA-az alapkényszerek és azokon tárolt mozgások, amelyek a mozgást

határozottá teszik.• ki- mozgások: elemi mozgások, illetve relatív mozgások.• A kinematikai láncok lehetnek tisztán: • mechanikus, elektronikus, hidraulikus, pneumatikus, termikus, • vagy vegyesek, mint elektromechanikus, elektrohidraulikus,

elektropneumatikus, hidropneumatikus.



Relatív és elemi mozgások

A mechatronikai rendszerekben valamely elempár között szükséges relatívmozgásokat célszerűen elemi mozgásokból hozzuk létre. Az elemi mozgások, illetve azt megvalósító szánok a Descartes-i derékszögűkoordinátarendszer tengelyeinek megfelelően, legtöbbször merőlegesenépülnek egymásra, ami megmunkálási célszerűségből következik.A számjegyvezérléssel irányított tengelyek (D) száma sok esetben igen magasis lehet. Az egyes tengelyek lehetnek egyidejűleg egymással összefüggésben,szimultán irányíthatók (2D-6D-s berendezések), meg nem is (kinematikai,technológiai). Gépváltozatok az irányított tengelyek számától függőenképezhetők.

Elemi mozgások, szánok

Az elemi mozgás biztosításához a tér lehetséges 6 (3 egyenesvonalú haladó, 3forgó) szabadságfokából 5-öt kényszerekkel (kA) kötünk meg.



Az elemi mozgásokat szánok (3. ábra) valósítják meg: egyenesvonalú haladó mozgást lineáris szánok, forgómozgást forgó szánok (orsók, tengelyek, körasztalok), vagy transzlációs körmozgású szánok.

Fontos!

Ha lehet mindig forgómozgású szerkezeteket építsünk és csak a kinematikai lánc legvégén alakítsuk át a forgó mozgást egyenesvonalú haladó, vagy más mozgássá. Ennek előnyei:

dinamikailag kedvezőbb szerkezet, forgó mozgásnál magas mozgásparaméterek biztosíthatók,a forgásszimmetrikus alkatrészek előállítása olcsóbb.



.

c.,b.,a.,

x

y

zRz

Ry

Rx

Haladó mozgások: x, y, z

Forgó mozgások: Rx, Ry, Rz

Szabadságfokok száma: 6

4. ábra: Elemi mozgásokat megvalósító szánok

3. ábra: Elemi mozgások



StruktúraképzésekA mechatronikai rendszerek építésekor igen gyakran alkalmazzák amódszeres tervezés két gyakori és fontos elemét a struktúrák és aparaméterváltozatok képzését, az optimális megoldás kereséshez a műszakiés gazdasági értékelemzést. Ezekhez szorosan kapcsolódik az építőszekrényelv, a moduláris építés elve.• A strukturális változatok képzésének alapja az, hogy az egymástól

mechanikusan független irányított tengelyekből (aktuátor láncokból) meghatározott szabályok szerint különböző gépváltozatok modulárisan építhetők. A változatok képzésének alapja: mozgásmegosztás az alakítási mechanizmusban egymásra ható két oldal (például szerszám-munkadarab mozgatása) között (szélső esetben minden mozgást az egyik, vagy a másik oldal végez) oldal, továbbá a sorosan kapcsolódó aktuátor láncok (szánok) egymásra épülési sorrendváltozatai (pl. A-ra épül a B, vagy fordítva), vagy másként rendűség változatai.



A paraméterváltozatokat geometriai sor szerint képezzük. A paraméter-változatok nagyságrendi változatok, amelyeket katalógusok foglalnak általában össze, például villanymotorok teljesítménysora, hidraulikus és pneumatikus hengerek méretsora említhető. A paraméterváltozatok képzésére az alábbi összefüggés használatos:

ahol a geometriai paramétersor szorzótényezője, n a képzett tagok száma, m a felosztott tartomány szélessége (Renard-sorok).

Az aktuátor fogalma: Az „aktuátor” szó magyarázatát a latin aktor=cselekvőt is jelentő szóból indítjuk.

Aktuátor az energia bevezetéstől az energia felhasználásig terjedő kinematikai láncban elhelyezkedő, mozgást (vagy állapotváltozást) létrehozó és átalakító rendszerek, egységek, elemek összessége.

n m



Energia-állító

Energia-átalakító

Mech.-irendszer

Végrehaj-tó szerv

Működtetőenergia

Rendelkezőjelek

Vezérlőenergia

s, v, a, F,,, M

Zavaró jelek

SzenzorokVészjelek

Aktuátorok

Irányítottjellemzők

5. ábra: Aktuátorok a mechatronikai rendszerben



A kimeneten a végrehajtó szerv helyezkedik el, amely meghatározottkinematikai, mozgást, erőt, vagy nyomatékot (s, v, a, F, illetve , , , M) ad. Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben (5. ábra).

Energiaátalakítók, energiafajtákMegállapodás:Megállapodás: működtető energiaként a továbbiakban olyan energiákattekintünk, amelyek hálózatról levehetők, a berendezések elhelyezését nembefolyásolják, vagy a berendezés mellé telepíthető energiaforrás. Alegkézenfekvőbb, és legrugalmasabb energiaforrás villamos, amelyet alegtöbb mechatronikai berendezésnél használnak. A villamos energiát,átalakítók teszik alkalmassá másfajta energia kifejtésére.Villamos—mechanikai energiaátalakítókA villamos forgómotor kapcsain keresztül betáplált villamos teljesítmény(Pvill) a motor tengelyén mechanikai teljesítményként (Pm) jelenik meg,amely legtöbbször további mechanikus aktuátorok kiinduló láncszeme (6.ábra). Villamos motorok típusai: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptető.



Villamos-mechanikai-fluidmechanikai-mechanikai energiaátalakítókA motorhoz kapcsolt szivattyú a mechanikai teljesítményt (Pm)fluidmechanikai (pl. hidraulikus) teljesítménnyé (Pfl) alakítja át, amelyetazután mechanikai munka végzésére használunk fel (7. ábra).Azonos energiatípusok esetén azonos típusú aktuátorok kapcsolódnak:villamos-villamos, mechanikai-mechanikai, fluidmechanikai-fluidmechanikai.Energiaátalakításkor a hasznos levehető teljesítmény csökken az átalakítóegység hatásfokától függően:

Ube

Ibe

Mki

ki

6. ábra: Villamos-mechanikai enegiaátalakító

7. ábra: Villamos-mechanikai-fluidmechanikai- mechanikai enegiaátalakító

SzM HM

be

veszt

be

vesztbe

be

ki

P

P1

P

PP

PP



A különböző energiafajtáknak megfelelő teljesítmények ismert formuláit akövetkezőkben foglaltuk össze. Ezzel egyszerű az energiaátalakítókravonatkozó teljesítményeknek a hatásfokok figyelembevételével történő oda-és vissza felírása.

Energiaátalakítók, energiafajták

Teljesítmény összefüggések (potenciál x áramlásérték)

1. Mechanikai teljesítmény

•Haladó mozgásnál: Pm=vxF (Nm/sec), ahol v (m/sec) sebesség, F (N) erő.•Forgó mozgásnál: Pm=xM (Nm/sec), ahol (1/sec) szögsebesség, M (Nm) nyomaték.

2. Villamos teljesítmény

•Pvill=UxI (VA), ahol U (V) feszültség, I (A) áramerősség.



3. Fluidmechanikai teljesítmény

Pfl=pxQ (Nm/sec=watt), ahol p (N/m2=Pa) nyomás, Q (m3/sec) térfogatáram.

4. Termikus teljesítmény

Phő=TxhA (watt), ahol T (oC) hőmérsékletdifferencia, h (w/m2 oC)hőátadási tényező, A (m2) hőátadási felület.

5. Kémiai teljesítmény (robbanómotorok)

Pm=HaxBö=M (J/sec=W), ahol Ha (J/kg) a tüzelőanyag fűtőértéke, B(kg/sec) az időegység alatti üzemanyag fogyasztás, ö a rendszerösszhatásfoka (37-44 %).



2. Mechanikai aktuátorok2. Mechanikai aktuátorokA mechanikai aktuátorok a kinematikai- és erő viszonyok(nyomatékviszonyok) megváltoztatására szolgálnak. Típusaik:

FORGÓ-FORGÓ FORGÓ-HALADÓHALADÓ-FORGÓ HALADÓ-HALADÓ

2.1 FORGÓ-FORGÓ mozgásátalakítók• Fogaskerékhajtások a hengeres fogaskerekes (8. ábra), kúpfogaskerekes

és csigahajtások.

• Dörzshajtások.

• Szíjhajtások: erőzárók (ékszíj, laposszíj és Poly-V szíj, zsinór), szíjhajtások, amelyek megfelelő működéséhez szíjfeszítés szükséges, továbbá alakzáró szíjhajtások, mint fogazott szíjhajtás (11. ábra).



n1

n2

z1

z2

n1

n2

i = = =

n1n2

z2z1

k = = =

n2

n1

z1

z2

I.

II.

I.

II.

k = 1i

k

nbe

z3

z4

z1

z2

II.

I.

Tk.

nbe

z1

z2

z3

z4

II.

I.

Tk.1 Tk.2

n n

nbe

z3

z4

z1

z2

I.

II.

n

nbe

II.

z1

z2

z3

z4

z5

z6

n

8. ábra: Homlokfogaskerekes hajtások8. ábra: Homlokfogaskerekes hajtások



Fogaskerékhajtások, hajtóművekFogaskerékhajtások, hajtóművek• A bal felső ábra állandó áttételű (hajtóviszonyú) hajtást mutat. A k

hajtóviszony a hajtó és hajtott fogaskerekek fogszámainak hányadosa, az i módosítás reciproka, amellyel a kihajtó fordulatszámok közvetlenül kifejezhetők (nki=nbek). Az egylépcsős egység (lehet kétlépcsős), állandó, vagy változtatható (cserélhető) hajtóviszonyú.

• A jobb felső ábra háromfokozatú, tolótömbös elemi hajtóműegységet szemléltet. A fogaskerék tengelykapcsoló funkciót is ellát.

• Az alsó ábrák kétfokozatú elemi hajtóműegység háromféle megvalósítását (tolótömbös, mechanikus és elektromágneses tengelykapcsolós) szemléltetik.

• A fenti hajtóműegységekből változatos összetett hajtóművek képezhetők soros, ritkábban párhuzamos kapcsolással.



32 34 1 311

A 9. ábra fokozatnélküli fordulatszámot előállító hajtóművek lehetségesfunkcióábráit szemlélteti. Az ábrák számozása: 1- fokozat nélkül állíthatófordulatszámú motor, 2-fokzatos hajtómű, vagy állandó áttétel, 3-hajtotttengely (főorsó)- végrehajtó szerv, 4-tengelykapcsoló.

A 9.a ábra motor és vele sorba kapcsolt fokozatos hajtóműegységet (állandó

áttétel) szemléltet. A fogaskerekes fokozatos hajtóművek ma is gazdaságos

megoldásai a nyomatékerősítésnek és a fordulattartomány kijelölésnek.

9. ábra: Hajtómű9. ábra: Hajtóműfunkcióábrákfunkcióábrák

a., b., c.,



Példaként említhetők az NC szerszámgép (esztergagép, fúró-marómegmunkáló központ, stb.) főhajtóművek, a teljesítmény hajtóművek, vagya szervomotortól a végrehajtó mechanizmusig található kinematikaihajtások, legegyszerűbb esetben egyetlen lépcsős hajtással, ami igengyakran fogazott szíjas hajtás.A 9.b megoldásban a motor és az orsó egytengelyű (koaxiális), köztükszög- és tengelyhibát kiegyenlítő, nagy torziós merevségű tengelykapcsolótalálható. Kinematikai hajtások tipikus megoldásai, pl. a szervomotor ésgolyósorsó kapcsolatban, vagy teljesítmény hajtásokban (köszörűgép,marógép, faipari felsőfejes marógép stb.).A 9.c motororsós megoldásban a motor tengelye egyben a végrehajtószervet hordozza, ezáltal a közvetlen (direkt) hajtás eszköze. A motortengelye különböző mechanizmusokat közvetlenül is mozgathat. Amegoldás gyakori a kinematikai és a teljesítményhajtásokban. Direktvillamos hajtásra a lineáris aktuátoroknál később mutatunk példát.



Fogaskerékhajtások, csigahajtásokFogaskerékhajtások, csigahajtások

Fogaskerékhajtások hézagtalanításaA kinematikai pontosság gyakran megköveteli a fogaskerékpár, fogaskerékfogasléc pár, csiga-csigakerék pár kis hézagokkal, vagy hézagtalan építését.Ilyen igény merül fel pl. mérő hajtásokban, pontos pozícionáló (szán,manipulátor) hajtásokban.Egyenes fogazatoknál a hajtó z1 fogszámú fogaskereket szélességébenkettéosztják. A két fogaskerék felet (z1a, z1b) egymáshoz viszonyítvaelfordítják és hézagtalan állapotban axiálisan, erőzáró kötéssel rögzítik. Ferde fogazatoknál az egyik fogaskereket kettéosztva és a két fél egymáshozviszonyított axiális elállítása (pl. hézagoló tárcsával) lehet a megoldás.

Csigahajtás hézagtalanítása Hézagtalan, vagy kishézagú hajtásokat igényelnek a a robotcsukló hajtások,folytonos osztóasztalok (CNC körasztal, C tengely, optikai osztóasztal).



A baloldali csigahajtás a precíziós osztóasztalok jól bevált megoldása (kis kapcsolószög, nagy fogmagasság). Az egyik csigafél a tengelyen fix helyzetű, a másik csigafél tengelyirányú (axiális) állítása szolgál hézagtalanításra. A jobboldali megoldásban a csiga lefejkörözésével, radiális állításával, vagy billentésével (pl. optikai osztóasztalok) érik el a hézagtalan állapot.

10 ábra: Hézagtalanított fogaskerék- és csigahajtások10 ábra: Hézagtalanított fogaskerék- és csigahajtások

z2

z1a z1b

z2

z1a z1b

Mbe

be

ki

Mki

Mbe

be

Mki

ki



D1D2

a

v

n1 n2

L

k=D1/D2

11. ábra: Szíjhajtás modellje11. ábra: Szíjhajtás modellje

Nagy lassítású hajtóművek (excenteres hajtóművek)

A csigahajtások mellett nagy lassítást és nyomatékerősítést valósítanak meg a különböző fogaskerekes reduktorok és bolygóművek. SCARA típusú robotok csuklómozgatására szolgáló Harmonic Drive és CYCLODRIVE (Sumitomo) ciklois bolygóműves, valamint közvetlen motorhajtású megoldásokat mutatnak a 12. ábrák.



12. ábra: Robotcsuklók mozgatása



12. ábra: Robotcsuklók mozgatása



2.2 FORGÓ-HALADÓ mozgásátalakítók Orsó-anya: egyik legrégebben alkalmazott megoldás, amely sikló és gördülő megoldásban létezik. A hézagtalan és előfeszített un. golyósorsó-anya (jó átviteli tényezőjű) párt széles körben alkalmazzák precíziós hajtásokban, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (anya hajtott, orsó áll) (13.a ábra).Fogaskerék-fogasléc: széles körben alkalmazott, hosszabb löketeknél utazó hajtásként (fogasléc a tartó elemen). Igényesebb megoldásban hézagtalanított fogaskerék-fogasléc hajtású (13.b ábra)Csiga-csigaléc: nagy elmozdulásoknál precíziós utazó hajtásként, gyakran hidrosztatikus kivitelben (13.c ábra).Fogazott szíjhajtás, zsinórhajtás: olcsó, széles körben alkalmazott, megbízható hajtás (plotterek, nyomtatók, másolók, gépszánok stb. mozgatására). A mozgatott egységet a fogazott szíjhoz kapcsolják (13.d).Forgattyús mechanizmusok: kiinduló mechanizmus a négytagú-négycsuklós mechanizmus (14.a ábra). Megoldásai pl. az egyszerű forgattyús (14.b ábra), forgattyús-kulisszás (14.c ábra), forgattyús-lengőhimbás, forgattyús-könyökös mechanizmusok a kívánt speciális kinematikai- és erőviszonyok létrehozására (optimalizált gyorsulásgörbéjű mechanizmusok).



SzánMbebe Fki, vki

m

ro

be Mbe

vki Fkim

ro

13. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók

Mbe, be

Fki, vki

a.,b.,

c., d.,



Mki, kiMbe, be

r

r l

Mbe, beFki,

vki

Mbe,be

Fki,vki

Szán

Mbe,be

Fki, vkim

a., b.,

c., d.,

14. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók



(m, s, v, a) Szervomotor

Golyósorsó-anya (do,po,Jo)

Szán

Mstat, Mdin, Jmot

Tk

Ft

15. ábra: Közvetlen golyósorsó-anya hajtás



Motornyomaték számítások közvetlen golyósorsós hajtásnál (15. ábra)A szervomotort a szükséges működési fordulatszám tartomány (nm,min-nm,max),az Mm,stat statikus és az Mm,din dinamikus nyomaték alapján választjuk ki. A sebességek meneteA 16. ábra a szán mozgási sebesség, vagy a motortengely szögsebességváltozásának trapéz alakú jellegét mutatja. A gyorsítás kezdetén és a fékezésvégén a sebességek értéke zérus.

v(m/p)

m(1/sec)

t (sec)

tgy tf

vmax max

gy

m

gy

0mm

ttmax,,max,

gygy

0

t

v

t

vva maxmax

ms40050tt fgy

t

16. ábra: Sebesség- és szögsebesség viszonyok



Dinamikus nyomaték: Mm,din=Jöm

A Jö a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték, aszöggyorsulás, m a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka.A haladó m tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére, T a golyósorsó egykörülfordulásának ideje, Ao az orsó átviteli tényezője.

.,,, 2

2

om2mom

20om

2 vmJJ

21

J21

mv21

,,T2

T

pv m

o .,2o

2o

om mA2

pmJ

., moomö JJJJ



A motor és orsó közé épített k hajtóviszony esetén az orsóra redukálttehetetlenségi nyomatékokat (Jo,red) a motor tengelyére k2-el redukáljuk(Jo,mot=Jo,red k2).

Statikus nyomaték: Mm,stat=Mo/m

Az Mo az orsó tengelyére redukált, a szánt terhelő Ft erőből adódónyomaték, m a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A k hajtóviszonyesetén az orsóra számított statikus nyomatékot k-val redukáljuk a motortengelyére (Mstat=Mokm) z Ft szánerő redukálása az orsóra, ahol g=0, a menetemelkedés szöge, do az orsó közepes átmérője):

A tehetetlenségi nyomatékok redukálásának további eseteiFogazott szíjas hajtással és fogaskerék-fogasléc hajtással mozgatott m

tömegesetén, ahol az ro a fogas szíjtárcsa, vagy a fogaskerék osztókör sugara:

.)( oto

to

ot

ot

ogt

oo AF

2p

Fdp

F2

dtgF

2d

tgF2

dM

2oom mrJ ,



Speciális vezérpályás mechanizmusok Folytonos és egyenletes forgómozgás mellett meghatározottmozgásfüggvényű alternáló mozgások létrehozására szolgálnak (14.d ábra).Mozgásfüggvények számításához gyakran az optimalizált gyorsulásgörbéket használják fel (pl. szinoid+egyenes+szinoid).

2.3 HALADÓ-FORGÓ mozgásátalakítók

A 2.3 alatti szerkezetek fordítottjai, amennyiben nem önzáróak: pl. a fogaslécfogaskerék, fogazott szíj-szíjtárcsa (17. ábra), de lehet dugattyú - hajtórúd –forgattyús tengely.

2.3 HALADÓ-HALADÓ mozgásátalakítókA fogasléc-fogaskerék-fogasléc, emelőkaros mechanizmusok (18. ábra).



r

Mki, kiFbe,

vbe l

Fbe sbe Fki skivbe Fbe

vkiFki

ki Mki

vbe Fbe

17. ábra: Haladó-forgó mozgásátalakítók

18. ábra: Haladó-haladó mozgásátalakítók



3. Fluidmechanikai aktuátorokA fluidmechanikai aktuátorok hidraulikus vagy pneumatikus energiávalműködtetett szerkezetek A mechatronikai berendezésekben a hidraulikus aktuátorok az elterjedtebbek.A pneumatikus aktuátorokat elsősorban két pontra (véghelyzetre), merevütközőre való állításra, a megfogó és befogó készülékek működtetésére, gyorsműködésre használják. Az arányos pneumatikus technikával a mechatronikaiberendezésekben való felhasználás kiszélesedett. A pneumatikus és hidraulikus aktuátorok összehasonlításaA levegő nagymértékben összenyomható. A pneumatikával kifejthető erő ésnyomaték kicsi, erő- nyomaték-sebesség szabályozhatóságuk jó, de terhelésfüggetlen sebesség nem biztosítható. Az áramlási sebesség, az aktuátorműködési sebessége (0,01-1,4 m/sec) magas a hidraulikushoz (0,2 m/sec)képest. Pneumatikus rendszerekben az 1 bar-ig terjedő nyomást vezérlésifeladatokhoz, a 6-10 bar nyomást aktuátorok működtetésére használják.



Hidraulikus rendszerekben az aktuátorokat kis (30-60 bar), közepes (160 bar-ig) és nagy (420 bar-ig) nyomással működtethetik.A pneumatikus körfolyamok nyitottak, mivel a munkaközeg a környezetbőlkerül a rendszerbe és onnan a környezetbe kerül vissza. A hidraulikuskörfolyamokban a munkaközeg (a folyadék) zárt körforgást végez, tartálybólkerül a rendszerbe és onnan mindig a tartályba jut vissza. Továbbiakban ahidraulikus körfolyamokat tárgyaljuk.

A hidraulikus körfolyamok építőegységeiAz aktuátorok működtetésére körfolyamok szolgálnak, amelyek fő egységei:Szivattyúk állandó, vagy változtatható térfogat kiszorítással, illetve egy, vagykét szállítási iránnyal (4 változat) (19.a ábra). Típusaik: fogaskerekes,csavarorsós, csúszólapátos, axiál- és radiáldugattyús.Motorok forgó, vagy lengő mozgással állandó, vagy változtatható térfogat kiszorítással, egy vagy két szállítási iránnyal (19.b ábra).



Hidraulikus szivattyúk, motorok

A

A B

A

A B

19.a ábra: Szivattyúk 19.b ábra: Forgó motorok

19.c ábra: Lineáris motorok 19.d ábra: Akkumulátor, tartály



Motorok lineáris mozgással (munkahengerek) egyszeres vagy kettősműködtetéssel, egy- vagy kétoldali dugattyúrúddal (19.c ábra), teleszkóposak.Akkumulátorok (térfogat kiegyenlítési feladatokra) (19.d ábra).Irányító elemek:• Áramlásirányítók, mint útváltó- útirányító szelepek.• Mennyiségirányítók (térfogatáram irányítók), mint a fojtószelep és a

mennyiségállandósító szelepek.• Nyomásirányítók, mint például a nyomáshatárolók, nyomáscsökkentőkTartályok, szűrők, hőcserélők, vezetékek, csatlakozók, kiegészítő elemek.Szelepek jelképei (20.a, b ábra)A szelepek jele négyzet, amelyből annyit rajzolnak egymás mellé, ahányx szelepállás (1, 2, 3) van. Ha van a szelepnek nyugalmi alaphelyzete,akkor a csatlakozó vezetékeket ott kell jelölni. Az útszelephez csatlakozóvezetékek (csatornák) y száma 2, 3, 4, 5, 6, 8 (elsősorban mobilhidraulikában) lehet. A szelepeket a csatornák és helyzetek (pozíciók)száma szerint adják meg (y/x) pl. 2/2, 3/2, 4/3, 5/3.



A szelep összekötött csatornáit a négyzetbe rajzolt összekötő vonal (nyíl az

áramlás irányába mutat), a lezárt csatlakozásokat a megszakított vonalak

végeibe rajzolt keresztvonal jelöli.

Szelepműködtetés (20.c ábra)A szelepek működtetésének szimbólumait a szelep két végén acsatlakozásokra merőlegesen adják meg. A működtetés módjai: kézi, elektromágnes, gépi, rúgó, fluid közeg, elővezérelt.

Áramlásirányító (útváltó, útirányító) szelepek (20.d, e ábra)A 20.d, e ábrák különböző útváltó szelepek szimbolikus rajzait mutatják a

lehetséges gazdag választékból. A 20.f ábrák egy egyszerű és egy kettős

vezérelt útirányító (visszacsapó) szelep szimbolikus rajzát mutatja. A kettős

vezérelt visszacsapó szelep feladata a munkahengert valamely, a véghelyzetek

közötti állapotban megtartani, akár terhelés ellenében is.



20.a ábra: Szelep állások, csatornák 20.b ábra: Szelepcsatornák összekötése

20.c ábra: Működtetési módok

a 0 b

2 3 4 5

A B

P T

20.d ábra: Útszelepek

P

A

2/2

4/2P T

A B

A

3/2P T

P T

A

3/3



20.e ábra: Útszelepek

P T

A

4/3

B

P T

A

4/3

B

P T

A

4/3

B

20.f ábra: Visszacsapószelepek

21.a ábra: Fojtó, fojtó-visszacsapó, áramállandósító szelepek

21.b ábra:Nyomáshatároló

A B

A1 B1

A B

A1 B1

M

21.c ábra:Nyomáscsökkentő



Térfogatáram irányítókFojtószelep beállítható fojtással. A folyadékáram a terheléstől és a folyadékviszkozitásától függően változik.Fojtó-visszacsapó szelepnél fojtóhatás csak egy irányban érvényesül.A fojtószelepek beömlő, vagy kiömlő ágban egyaránt elhelyezkedhetnek.Áramállandósító szelep a terheléstől független sebesség biztosítására.Nyomásirányítók: nyomáshatárolók, nyomáscsökkentőkNyomáshatárolók a rendszernyomást határolják le, kiinduláskor zártak (21.b)Nyomáscsökkentők feladata a technológiai nyomás biztosítása,kiindulási helyzetükben nyitottak (21.c ábra).Kapcsolási rajz a körfolyam felépítését mutatja (22. ábra).A hidraulikus rendszerek egyik fontos része a tápegység. A 22. ábra bal felsőrésze egy lehetséges tápegység kialakítást szemléltet, amelynek jelölései: Mmotor, Sz-szivattyú, V-visszacsapószelep, Ny-nyomáscsökkentő,A-akkumulátor, G-golyósszelep, S-szűrő.



22. ábra: Kapcsolási rajzok

"0"SzM

A

V VNy

S

G

"b""a"



A tápegység általában több hidraulikus motor ellátását biztosítja. Az ábratovábbi részein egy 4/3 útváltóval irányított differenciáldugattyús hengerműködtetése látható az útváltó három lehetséges állásánál. A különbözőterheléseknél szükséges egyenletes sebesség biztosításáról az útváltó előtt anyomóágba kötött térfogatáram-állandósító szelep gondoskodik.

Hidraulikus vezérelt és szabályozott aktuátorokAz aktuátorok szabályozott működtetése szervo- és arányos technikávaltörténik. Szervoszelepekkel magasabb műszaki követelmények elégíthetők ki,beszerzési és üzemeltetési költségeik viszont magasabbak, mint az arányosszelepeké, amelyeket elsősorban vezérlési feladatokra használnak.

SzervoszelepekA szervoszelepek egy, illetve több fokozatú erősítők. A kis energiaszintűirányító jellel és a hozzá tartozó kis értékű elmozdulással (x) nagy hidraulikuskimenő teljesítmények irányíthatók. Több fokozat soros kapcsolásakor pontos szabályozás valósítható meg, az erősítési tényező akár 107 értéket is elérheti.A fokozatok száma annál magasabb, minél nagyobb a rendszer teljesítménye.



Hidraulikus erősítők

A hidraulikus erősítő- és irányító elemek jellemzője, hogy két- vagy több állandó és/vagy változtatható fojtással (ellenállással), fokozatmentesenirányítják kimenetükön a térfogatáram nagyságát, útját (irányát), vagy anyomást. Hidraulikus erősítőkben a fojtást leggyakrabban tolattyú, vagyfúvóka–torlólemez szerkezet valósítja meg (23. ábra). A tolattyús erősítőknegatív, zérus és pozitív túlfedésűek (23. ábra), míg a fúvóka-torlólemezképezte fojtás negatív túlfedésű. A hidraulikus erősítők fojtásai a

fogyasztóvalhídkapcsolást alkotnak. A félhídban lévő ellenállás párok (R1-R3 és R2-R4) amotor egy-egy oldalát irányítják (24. ábra). Az egyes párok ellenállásainakkombinációi: változó-változó, állandó-változó, változó-állandó. A torlólemeza két fúvókával, mint egy-egy változó fojtással (R1, R2) és a két fix fojtással(R3, R4) hidraulikus hídkapcsolást alkot (25. ábra).



A két- vagy többfokozatú erősítők első fokozata mindig fúvókás-torlólemezesazután tolattyús. Kétfokozatú erősítőnél a visszacsatolás lehet pl. hidraulikus,elektromos, vagy mechanikus (26. ábra) (illetve merev vagy nem merev).Szabályozott hajtásnál (több fokozatnál) a főtolattyú helyzetét mérik.

Motor fordulatszám változtatás módszereiA fordulatszám változtatás történhet: primer, illetve szivattyú állítással, vagyszekunder, illetve motor állítással fokozatmentesen és fokozatosan (27. ábra). A fokozatmentes állítás eszközei a belső ellenállás (fojtás), vagy a motor,illetve szivattyú fajlagos jellemzőinek (Vg” cm3/ford) változtatása. A 28. ábra a hidromotor fordulatszám (sebesség) szabályozására mutat példákat:a szivattyú (primer), vagy a motor (szekunder) fajlagos munkatérfogatánakállításával, vagy fojtás állításával az 1, 2, vagy 3 helyeken (28.a ábra), vagy aszivattyú fajlagos munka térfogatának (primer) állításával (28.b ábra), ahol azállítást szervoszeleppel irányított henger végzi. A szervoszeleppel (arányosszeleppel) a vezérlő áramon (I) keresztül irányított hidromotor fordulatszámállítás (primer) a külső gerjesztésű egyenáramú motor kapocsfeszültség (U)szabályozásával vethető össze (28.c)



Pvez

PA

R1=áll.R3

PB

R2=áll.R4

Pvez

Torlólemez

"B" típus

Q P

R1R2

R3 R4Qmotx

Px

Tolattyú

Fúvóka

Torlólemez

x0

Q

x

x0=0

Q

x

x0

Q

x

Negatív túlfedés Zérus túlfedés Pozitív túlfedés

23. ábra: Erősítők

25. ábra: Fúvóka-torlólemez erősítő

24. ábra: Hidraulikus hídkapcsolás

26. ábra: Kétfokozatú erősítőPA BT T

Állandó mágnes

Vezérlő tekercs

Közp. rugók

Membrán

Fúvókák-Torlól.

Állandó fojtások

Középhelyzetbeállítása

Vezérlő tolattyú

1. fokozat

2. fokozat

I.

II.

III.



Arányos szelepekAz arányos szelepek arányos (egyenáramú) mágnesei a hidraulikus szelepvezérlését végezhetik közvetlenül (erő-vagy elmozdulás vezérelt), vagyközvetetten (elővezérelt). A 29.a ábra 4/3-as elővezérelt arányos útváltó, a29.b ábra áramirányító, a 29.c ábra nyomásirányító szelepek egyszerűsítettszimbólumait mutatja. Az arányos mágneses elmozdulás vezérlésnél (29.dábra) az elektromágnes által létrehozott, a vasmagot kitérítő erőt rúgóerőegyenlíti ki, a kívánt helyzet szabályozással hozható létre. Erővezérlésnéla vasmag közvetlenül hat a hidraulikus elemre.

Merev visszavezetésű erősítőkAlkalmazásuk másolóberendezéseken történik, kialakításuk tolattyús erősítős.A tolattyús erősítő háza és a munkahenger mozgó része mereven összekötött,ennek következtében a henger köpenye követi a tolattyú mozgását (negatívvisszacsatolás). A fojtások számától, típusától függően lehetnek egy- két- ésnégyél vezérlésűek (30. ábra). A vezérlő élek számának növekedésével azerősítési tényező nő, az állandósult állapotbeli hiba csökken. Ugyanakkor arendszer időállandója nő, csillapítási tényezője és stabilitása csökken.



P T

M

Mki, ki

a, b

28.a ábra: Állítás szivattyúval, motorral,illetve fojtással

28.b ábra: Primerállításmegoldás

28.c ábra: Egyenáramú motoros és hidraulikus

fordulatszám állítás analógia

SzM

27. ábra: Primer, szekunder állítás

Qmot

(m3/s)

n (f/perc)

QSz

(m3/s)

n (f/perc)

QSz,max

Primer állításeSz, QSz

Szekunder állításemot, Qmot

Qmot, max

U

I=áll.+

-Mki, ki

P T

Mki, ki

a,b

SzM

1 23



29.c ábra: Arányos, közvetlen nyomáscsökkentő

P T

A B

b a

29.a ábra: 4/3-as elővezérelt arányos útváltó

Pbe Pki

29.b ábra: Arányos közvetlen áramirányító

P T

A

29.d ábra: Elmozdulás- és erővezérlés

Fr

Induktív útadó

Fmágnes Fmágnes

Fterhelés



30. ábra: Merev visszavezetésű erősítőkTP

Ft

Q0

+y

+x

Q2

Qt

Q1

TP

Ft

Q0

+y

+x Q3 Q4

Q1Q2

T P

Ft

Q0

Q1Q2

Q3

Q4

+y

+x



4. Villamos aktuátorokCsak a mozgást előidéző elektromos és mágneses aktuátorokat tárgyaljuk.

4.1 Villamos motorok- A kétmágnes elv

A villamos gépekben keletkező nyomaték, a mozgás létrehozása két mágnesegymásra hatásával szemléltethető. A 31. ábra egy közös forgástengellyelrendelkező belső és külső, hengergyűrű alakú, északi (É) és déli (D)pólusokkal rendelkező mágnest mutat. A mágnesek között légrés található.Nyugalmi állapotban a belső és külső mágnesek ellentétes mágnes pólusaiszemben állnak, mivel az ellentétes pólusok vonzzák egymást. Gondolatbanforgassuk el a külső mágnest, a belső mágnes az elmozdítást követi. A külső,vagy a belső mágnes egyenletes forgatása a másik mágnes folytonos forgómozgását eredményezi. A két oldalra ható elektromágneses nyomatékegyenlő, de ellentétes irányú.



A nyomaték nagyságát a két mágnes mágneses tengelyei által bezárt szög, aterhelési szög jellemzi. Stabil állapot és zérus nyomaték =0O-nál, maximálisnyomaték =±90O -nál, labilis helyzet és zérus nyomaték =180O -nál adódik. A villamos gépek állandósult üzemének (nyomatékának) feltétele kétegyüttforgó mágneses mező megléte. A motor csak addig működőképes, a kétoldal csak addig fejt ki nyomatékot egymásra, amíg az együttjárás

megvalósulés azt a pólusok egymáshoz viszonyított helyzete biztosítja. Az egyes forgó(lineáris) motortípusok az álló és forgórészek pólus rendszereinekkialakításában és a mágnesek keletkezésének módjában különböznekegymástól. A fluxus, az I áram előállítási módja és a terhelési szögalakulása attól függ, hogyan keletkezik az egyik illetve a másik mágnes.

MotortípusokForgó és lineáris: egyenáramú, szinkron, aszinkron, léptetőmotor.



A motorok fordulatszáma, sebessége fokozatmentesen állítható és legtöbbször4/4-es hajtással rendelkeznek (33. ábra). A motor funkcióösszevonást valósítmeg azzal, hogy mindkét irányban létrehozható forgás és fékezés. Természetesen lehet 2/4-es és 1/4-es táplálás is. A szabályozott elektro-mechanikus hajtás funkcióvázlatát a 34. ábra mutatja.

Egyenáramú gépek

A külső gerjesztésű, kefe-kommutátoros egyenáramú motor egyszerűsítettkapcsolási vázlatát a 35. ábra szemlélteti. A motor armatúrakör egyenlete:

A motor armatúra (forgórész) tekercseiben az állórész mágneses mező fluxusa által indukált Ub belső feszültség m motortengely szögsebességnél ésk motorállandónál:

IRUU b IRUUb

mb kU



F

É

D

É

D

+-90 90180

1800

Stabil üzem

generátor motor

Mn

Mb

Mm

m

I.

IV.

II.

III.

Motor(hajt)

Generátor(fékez)

Generátor(fékez)

Motor(hajt)

Szabályozotttápegység

Hálózat~ =

Motor HajtóműVégrehajtó

szervVezérlés

Programadatok

Mérő, ellenőrző jelek

33. ábra: Villamos gépekhajtási negyedei

34. ábra: Szabályozott elektromechanikus hajtás funkcióvázlata

31. ábra: Kétmágnes elv 32. ábra: Szinkron gép jelleggörbéje



Az elektromágneses motor nyomatéka:

Primer és szekunder fordulatszám szabályozás

Primer fordulatszám (kapocsfeszültség) szabályozáskor a fluxus névl értékű,az U kapocsfeszültség növelésével Unévl-ig a fordulatszám egyenes aránybannő. Az I. tartomány szabályozhatósága: SzI=10-50, attól függően, hogy amotor általános rendeltetésű, vagy szervomotor .Szekunder fordulatszám (mezőgyengítéses, fluxuscsökkentéses) szabályozáskor a kapocsfeszültség Unévl értékű, a fluxus csökkentésével afordulatszám fordítottan változik, azaz nő. A II. tartomány szabályozhatósága:SzII=4-5.Vegyes fordulatszám szabályozáskor az U és a egyaránt csökken. A III.tartomány szabályozhatósága: SzIII.=1,2-1,3.

IkIUP

Mm

b

m

mm

)

k

U(

R

)k(

R

kUkM m

2m

m



A 36. és 37. ábra szemlélteti a fordulatszám szabályozás egyes módjainakmegfelelő, a motorra jellemző, teljesítmény és nyomaték határ diagrammokat,A 37. ábra logaritmikus léptékű.

Állandó mágnesű egyenáramú motorokAz egyenáramú motorok álló- vagy forgórésze állandó mágnessel is készülhet. Az állórészükön állandó (permanens) mágneses motorok többségükbenkisteljesítményű törpemotorok, amelyek fluxusa állandó.A forgórészükön permanens mágneses motorok az egyszerű egyenáramúmotor kifordításával képzelhetők el. A forgórész helyére kerülő állórész ekkorállandó mágnesű (=áll), a nagy mágneses térerőt kerámia mágnesek biztosítják. A kialakításból adódóan ezek kefe és kommutátor nélkülimotorok, melyeket elektronikus kommutációjú, vagy szinkron motornak isneveznek.



U Ub

I

R

Mm

mIg

Ug +-

-

+

Ig - gerjesztő áram

Ug - gerjesztő feszültség

nm

Mm(Nm)

Pm

nvnnnmin

Pmin

Mmax

Pm(nm)

Mm(nm)

(kW)

Pmax

nmax

Mmin

I. II. III. (min-1)

35. ábra: Az egyenáramú motoregyszerűsített kapcsolása

36. ábra: Teljesítmény és nyomatékhatárdiagramok

37. ábra: Logaritmikus teljesítmény és nyomaték határdiagramok

lgMm lgPm

(Nm) (kW)

lgnm(min-1)

Pmax

Mmax

Mmin

Pmin

nmin nn nr nmax

I. II. III.

lgPm(lgnm)

lgMm(lgnm)



Az állórész legtöbbször három- vagy négyfázisú tekercselését a fordulat-iránynak megfelelő sorrendben kommutáló tranzisztorok kapcsolják azegyenáramú hálózathoz a forgórész helyzetétől függően, amelyet pl. Hallelemek mérnek.

Szinkron motorokA szinkron gépek állórésze rendszerint háromfázisú (az indukciós gépekhezhasonló), forgórésze pedig valamilyen állandó mágnes. Itt ismerhető fellegtisztábban a kétmágnes elv, a két mágnes, a mágneses tengelyek és aterhelési szög. Az állórészen állandó mágnessel kialakított egyenáramú géphezhasonlóság alapján (álló és forgórész csere) „kefenélküli egyenáramú gépnek”is nevezik, ahol a háromfázisú táplálás az elektronikus kommutációval vethetőössze. A forgó szinkronmotor elvi felépítését a 38. ábra szemlélteti. A

szinkronmotor, azaz a két mágnes egymásra nyomatékot csak akkor fejt ki, ha a forgó mágneses mezővel a forgórész együtt, szinkron forog. Állandó terhelőnyomatéknál a forgó mező és rotor között terhelési szög alakul ki.Túlterhelésnél a motor szinkronból kieshet.



Szinkronmotorok fajtáiA hiszterézis (veszteség) motorokat a finommechanikában használják,teljesítményük kicsi (50100 W). Az állandó mágnesű szinkron motorokat elsősorban előtoló, pozicionálóhajtásokban, robothajtásokban használják. fordulatszámtartásuk jó,teljesítményük 0,5-10 kW. A reluktancia motorok a pólusok irányában és arra merőleges irányban eltérőmágneses ellenállást (reluktanciát) használják ki, ezért kiálló pólusokkalkészülnek. Teljesítményük 50200 W.Szinkronmotorokkal több hajtás együttfutása egyszerűen biztosítható 1:1hajtóviszonyú elektronikus kinematikai lánccal. A fokozatmentesfordulatszám állítás frekvenciaváltoztatással, pl. közbülső egyenáramú körösfrekvenciaváltóval történik (39. ábra). Az egyenáramú gépekhez viszonyítvajó a fordulatszám tartásuk, dinamikájuk, magas fordulatszámnál rövid ideigtúlterhelhetők és nincs kommutációs probléma. A magasabb fordulatokatkorlátozza a forgó mágnesekre ható röpítő erő.



É

D

D/É

É/D

U

I

n=f/p, p= póluspárok száma

U=szinuszos

RST

~~~~~~

f=50 Hz (U, f)=vált.

R'S'T'

nmnünnnb

Mb

Mn

Mü

Mm

Mb - billenő nyomaték

Mn - névleges nyomaték

Mü - üresjárási nyomaték

nb - billenő pont fordulatszáma

nn - névleges fordulatszám

nü - üresjárási fordulatszám

Mm(nm)

s

s=0

39. ábra: Közbenső egyenáramú

körös frekvenciaváltó

38. ábra: Szinkronmotoregyszerűsített felépítése

40. ábra: Aszinkronmotor nyomaték diagramja



Aszinkron motorokA legszélesebb körben alkalmazott villamos forgógép, amelynek fő jellemzői:háromfázisú váltóáramú táplálás, egyszerű szerkezeti felépítés, nagyválaszték, kis karbantartás igény, kis tehetetlenségi nyomaték. Az állandóteljesítményű tartományban lényegesen magasabb fordulatszámok érhetők el,ui. nincsenek kommutációs problémák. Az aszinkronmotorok alkalmazásátjelentősen kiszélesítette a jó minőségű, megbízható frekvenciaváltók- ésszabályozók kifejlesztése. A szokásos frekvenciasáv 0400 Hz, de igényesetén több kHz-es feszültség és ezáltal magas fordulat állítható elő.Igényesebb hajtásoknál a motor kialakítása, vasmag anyagminősége, stb. eltéra szokásos aszinkron gépekétől. Az aszinkron motorok nyomaték

fordulatszám(szlip) jellegörbéje a 40. ábrán látható. A motorok nn névleges fordulatszáma,különböző pl. 850, 1000, 1150, 1500, 1800, f/perc lehet. A motornyomaték ésa fordulat az alábbi összefüggésekkel írható fel, ahol K a gépállandó, U afeszültség, f a frekvencia, p póluspárok száma, s, sB szlip:

s

s

s

sM

)s(Mb

b

bm

2

m fU

KM

)s1(

p

f60n 1

m



Az aszinkron motorokra is jellemző teljesítmény és nyomaték határdiagramoka 36. és 37. ábra szerintiek. A közbenső egyenáramú körös frekvenciaváltókmellett (39. ábra) az un. mezőorientált (vektor kontroll) fordulatszámszabályozás terjed. Ennek oka a tranziens üzem kedvező jellemzői, jófordulatszámtartás és a fordulatszám gyors és lengésmentes beállítása.

LéptetőmotorokMűködésük a szinkrongépekhez, reluktancia motorokhoz hasonló, állórészükkiálló pólusú (2, 3, 4, 5), szimmetrikus, vagy aszimmetrikus alakú. Apólusokat tekercsekbe vezetett egyenáram gerjeszti vezérléstől függően, azeredő mágneses mező csak diszkrét helyzeteket foglalhat el.Szinkrongépeknél a mező állandó szögsebességgel forog. A forgórész állandómágnesű (gerjesztett), vagy gerjesztetlen (lágyvas) és különböző alakijellemzőkkel épülhet.



A váltakozó (bipoláris), vagy azonos (unipoláris) polaritású vezérlések közülbipoláris kapcsolást szemléltet a 41. ábra, ahol a fázistekercs két szembenállópóluson helyezkedik el. Az álló- és forgórész pólusok száma eltérő lehet. Az lépésszög, zforg-a forgórész pólusok, m-a fázisok száma:

Direkt hajtások

Direkt hajtásnak nevezzük azokat a megoldásokat, amelyeknél az aktuátormozgását közvetlenül a motor mozgásához kötjük, azaz nincs közbeiktatottmozgásátalakító. Forgó mozgású motoroknál az aktuátor közvetlenül amotortengelyre szerelt (9.c ábra). Egy motororsó megoldást részletesen isszemléltet a 42. ábra. A haladó mozgású közvetett és közvetlen hajtásúszánmozgatás összehasonlítása a 43. ábrán látható. A lineáris motor elvikialakítása a felnyitott és kiterített forgómotorokból vezethető le (44. ábra),legelterjedtebbek az aszinkron típusok. A PASIM Direktantriebe GmbHkivitelezett megoldását a 45. ábra szemlélteti. Kivitelük lehet egyoldali,kétoldali, vagy henger alakú (szolenoid).

mz360

forg



Motortípusok, szabályozások.A szabályozott teljesítmény- és kinematikai hajtásokban található motorokszerkezeti kialakításukban, tulajdonságaikban jelentősen eltérnek.A hajtásszabályozások alapvető típusai: Sebességszabályozás: a szabályozottjellemző fordulat, sebesség. Helyzetszabályozás: a szabályozott jellemzők azelmozdulás és a fordulat, vagy sebesség. A szabályozott és egymássalösszefüggő tengelyek száma 1-6 lehet, jelölésük: 1D-6D.Elektronikus kinematikai láncok (EKL), vagy más néven Master-Slave(Mester-Szolga) hajtások kinematikailag összefüggő mozgásokhozszolgálnak.

4.2 Villamos készülékekA villamos készülékek a mechatronikai berendezések villamos motorokonkívüli nélkülözhetetlen elemei, amelyek az elektromechanikus, villamos ésfluidmechanikai rendszerekben használatosak. Ehelyütt néhány alapvető elembemutatására vállalkozhatunk az elmozdulást végző kisfeszültségű

elemekből.



41. ábra: Léptetőmotor bipoláristáplálása és elvi kapcsolása

42. ábra: Direkt hajtású orsó



43. ábra: Szánmozgatási módok

44. ábra: Lineáris motor modell



45. ábra: PASIM GmbH direkt lineáris hajtása

Gránitágy

Motor állórész

Motor mozgórész

Mérőegység

Szán



A készülékek többféleképpen rendszerezhetők.Kapcsoló, vagy analóg típusú készülékek. A kapcsoló típusokon belüllehetnek működtető (pl. elektromágnesek, mágneskapcsolók, segédrelék,időrelék, stb.) és érzékelő (végállás kapcsolók) készülékek. A készülékeklehetnek húzó, vagy nyomó üzemmódúak, váltó-vagy egyenárammalműködtetettek, behúzásra, vagy elengedésre késleltetettek, stb.

A 46.a ábra mágneskapcsoló (kontaktor) elvi felépítését mutatja, ahol 1-aműködtető mágnes és tekercse, 2-a mágnes mozgó részét kikapcsoló rugó, 3érintkezők, 4-mozgó érintkezőt feszítő rugó.A 46.b ábra relé alkalmazására mutat példát, rendszerint segédáramkörökben.A 46.c ábra a hengeres (szolenoid) kialakítású elektromágnes elvi kialakításátszemlélteti, ahol 1-fémház (vas), 2-tekercs, 3-vasmag, 4-ütköző, 5-aműködtetett elem. A táplálás váltó-vagy egyenáramú, az elektromágnesnyomó, vagy húzó. Alkalmazásukra pl. a fluidmechanikai szelepekműködtetése említhetők, löketük maximum 20-25 mm-ig terjed.



A 46.d ábra egy kétállapotú (bistabil) hengeres elektromágnes kialakításátmutatja, ahol 1-fémház, 2-tekercs, 3-állandó mágnes, 4- tekercs. Alkalmazásagépkocsik központi zárrendszerének működtetésére, vagy a fluidtechnikábanimpulzus szelepek két állapotának kapcsolására.

További elektromágnes alkalmazások

Súrlódó lemezes elektromágneses tengelykapcsolók, fékekAz elektromágnessel működtetett elektromechanikus tengelykapcsolók, fékeklehetnek erőzárók egy, vagy több súrlódó lemezzel és alakzárók fogakkal.Indukciós tengelykapcsolók, fékek.Lényegében aszinkrongép. A primer forgórész gerjesztő tekercseitcsúszógyűrűn keresztül táplálják, a szekunder rész a forgórészt szlippelköveti, ami terhelésfüggő. Hátrányuk a melegedés.Mágnesporos tengelykapcsolókA két tengelykapcsoló fél között mágnesezhető és kenőanyagbanelhelyezkedő vaspor teremt kapcsolatot gerjesztéskor.



1 2 34 5

46.a ábra: Mágneskapcsoló elvi felépítése

46.b ábra: Relé

46.c ábra: Hengeres (szolenoid) elektromágnes

46.d ábra: Kétállapotú hengeres elektromágnes

Elektromágnes

Táplálás

Működtetés

1

2

3 4

1 2 3 4



4.3 Új típusú villamos aktuátorokPiezoelektromos, Elektrostriktív (elektromos tér hatására szimmetrikuskristályok alakváltozása) Magnetostriktív (mágneses térbe helyezettferromágneses anyagok (kristályok) alakváltozása), Elektrorheologiai(elektromos mezőbe helyezett folyadék viszkozitás értékének növekedése),Magnetorheologiai (mágneses mezőbe helyezett egyes folyadékok

viszkozitásértékének növekedése), Ikerfémek (hőbimetállok), Emlékező fémek,Térfogatváltoztató anyagok.A felsoroltakból a piezoelektromos aktuátorokat érintjük röviden.Teljesítményerősítésük jobb, mint a elektrostriktív és magnetostriktívaktuátoroknak, gyors működésűek, nagy erők állíthatók elő, kopásmentesek,viszonylag kis elmozdulások jellemzik. Műszaki paramétereikUmax=8001000 V, l=70200 m, s= 1800-2000 N/m, 0=250 kHz,g~0,80 =50%. A piezohatás lényege: a piezokristály hossza elektromosfeszültség hatására az elektromos mező irányában megváltozik (nő). Ha azelmozdulás korlátozott, akkor a hatás erő alakjában jelenik meg.



A jelenség fordítottját a piezoelektromos méréstechnika használja.Kristályanyag lehet természetes pl. kvarc (SiO2), vagy mesterséges, mint pl. abáriummal bíró különböző összetételű kristályok.A piezoelektromos hatásmechanizmus alapján, a kristályok anizotróptulajdonsága miatt, gerjesztéstől függően (a kristályok alakváltozásiirányainak megfelelő) két alaptípus létezik: hosszirányú (longitudinális), azazpolarizációs tengelyirányú (47.a ábra), és keresztirányú (transzverzális),amely az előzőre merőleges (47.b ábra). Legtöbb alkalmazásnál a feszültség apolarizációs irányba esik. Az elmozdulás arányos a feszültség nagyságával.Piezohatás addig van, amíg gerjesztés is van. Gyakorlati alkalmazásokratöbbrétegű piezoaktuátorokat alkalmaznak (48. ábra). A hosszirányban rétegelt kialakítás vékony piezokerámia lapokból áll,amelyek között vékony, sík fémelektródák találhatók a tápláláshoz. Ezekethosszirányú alakváltozás jellemzi (48.a ábra).A keresztirányban, sávokban rétegelt kialakításnál a keresztirányú hatásthasználják ki (48.b ábra). Egyedi feladatokra szolgálnak a hajlító, bimorf (kettős) és hibrid aktuátorok.



A piezoaktuátorok egyre szélesebb körben nyernek alkalmazást. Főalkalmazási terület ott található, ahol kis és pontos elmozdulásokra, illetve nagy erőkre van szükség. Példaként említhetők tükörbeállítások,szerkezetek hézagtalanítása, előfeszítése, nagypontosságú vezetések, pontospozícionálások az aktuátorlánc különböző helyeire (pl. szerszámba,golyósorsó-anya hajtásba) beépített pizoaktuátorral szubmikronosberendezéseknél.



U

Fny, z

x y

z

(1) (2)

(3)

U

Fny, xx

y

z

(1)

(2)

(3)

z

z x

x

47. ábra: Piezoelektromos hatásmechanizmus

a., b.,

48. ábra: Piezoaktuátor kialakításoka., b.,



Összefoglalás• Az oktatott tananyag megértése, számonkérése.

• Gyakorlati tréningek módjai: példák keresése és bemutatása kinek-kinek a szakmai területéről.

• Kérdések külön lapon.

• További információk• Actuator címszó alatt az interneten mintegy 451000 cím található.

Ezekben igen széleskörű mechatronikai oktatási anyagok, irodalmak, cikkek, alkalmazások és gyártmányismertetők találhatók.

• Könyvek részben elektronikus keresés nyomán, részben a megadott irodalomjegyzék alapján szerezhetők be.



Az anyag elsajátítását segítő témajegyzék• Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben.2. Az aktuátorok fogalma.3. A mozgásinformáció leképzés.4. Relatív és elemi mozgások, szánok.5. Struktúrák, paraméterváltozatok, az építőszekrény elv.6. Energiaátalakítók, energiafajták, teljesítmény összefüggések.7. Mechanikai aktuátorok.8. Forgó-forgó mozgásátalakítók. Fogaskerekes hajtóművek

hézagtalanítás.9. Nagy lassítású hajtóművek, alkalmazások.10. Forgó-haladó mozgásátalakítók.11. Golyósorsós hajtások, számítások.12. Haladó-forgó, haladó-haladó mozgásátalakítók.13. Fluidmechanikai aktuátorok, hidraulikus körfolyamok építőelemei.14. Hidraulikus szivattyúk, motorok.15. Irányító elemek és azok működtetése.



16. Áramlásirányítók, mint útváltó- útirányító szelepek. 17. Mennyiségirányítók (térfogatáram irányítók), mint pl. a fojtószelep, és

mennyiségállandósító szelepek.18. Nyomásirányítók: nyomáshatároló, nyomáscsökkentő szelepek.19. Tápegység kialakítás körfolyamok.20. Vezérelt és szabályozott hidraulikus aktuátorok, erősítők.21. Hidraulikus motorok fordulatszám állítása.22. Arányos- és szervoszelepek, merev visszavezetésű erősítők.23. Villamos motorok, kétmágnes elv.24. Egyenáramú gépek.25. Szinkron gépek.26. Aszinkron gépek.27. Léptetőmotorok.28. Direkt hajtások.29. Hajtási negyedek. 30. Teljesítmény és nyomaték határgörbék, fordulatszám szabályozás.31. Villamos készülékek, elektromágnesek, relék, tengelykapcsolók, stb.32. Új típusú villamos aktuátorok.



Irodalom[1] Baumüller: Dokumentation LSE – Baureihe Version 1[2] W. Bolton: Mechatronics, Elektronic control systems in mechanical Engineering[3] B. Bork: Linear-Direktantriebe in Werkzeugmaschinen, Darmstadt,

Hua Gao Werkstatt und Betrieb, Band 131 (1998) H. 7-8, S. 654-663[4] D.A. Bradley – D. Dawson - N.C. Burd – A.J. Loader: Mechatronics, Chapman § Hall[5] Devdas – Richard: Mechatronic System Design, PWS Publishing Company Boston, 1997[6] Excel-Csepel Szerszámgépgyártó Kft.: Dokumentációk[7] FESTO Pneumatic: Pneumatika alapválaszték Katalógus[8] Halász, S.-Hunyár, M.-Schmidt, I.: Automatizált villamos hajtások II: Műegy. Kiadó, 1999[9] B. Heinmann – W. Gerth _ K. Popp: Mechatronik (Komponenten-MethodenBeispiele),

Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 1998[10] G. Henneberger: Linearantriebe für den industriellen Einsatz, Stand der Technik,

Entwicklungstendenzen. Achen Internationale ETG-Tage 1999, Band 79, Seite 439-[11] R. Isermann: MechatronischeSysteme-Grundlagen, Springer Verlag Berlin Heidelb, 1999[12] Ipsits I.: Villamos automatikaelemek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest[13] Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002[14] Kröell-Dulay I.: Szerszámgépek hidraulikus rendszerei, Kézirat Tankönyvkiadó Bp., 1974[15] Kröell-Dulay I.: Szerszámgépek automatizálása I., Kézirat, Nemzeti Tankönyvkiadó, 1993



[16] Mannesmann-Rexroth AG: Katalog 1998 (RD 0 155-01, RD 0 155-02) [17] Mádai, F.: Villamos hajtások, Oktatási segédlet, Kézirat, Miskolc 1999[18] Mádai, F.: Egyenáramú és aszinkron motoros négynegyedes hajtás vizsgálata,Miskolc1995[19] G. Pritschow: Linearmotor oder Kugelgewindetrieb? Stuttgart J. Bretschneider VDI-

Zeitschrift Special, (2000) Heft 2, Seite 26-29[20] W. Roddeck: Einführung in die Mechatronik, Teubner Stuttgart, 1997[21] Siemens AG.: SIMODRIVE Projektierungsanleitung Lineamotor (1FN1, 1FN3) München[22] Stefányi I. – Szandtner K.: Villamos kapcsolókészülékek, Tankönyvkiadó, Bp.1991[23] Szemerey Z.: Kisfeszültségű kapcsolókészülékek, Műszaki könyvkiadó, 1990[24] Tajnafői, J.: Szerszámgéptervezés I. Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1973[25] Tajnafői, J.: Szerszámgéptervezés II. Kézirat, Kézirat, Tankönyvkiadó, Bp., 1990[26] Tajnafői, J. – Patkó, Gy. – Takács, Gy. – Hegedűs, Gy.:Visszavezető-tag tájolása

golyósorsók esetén, GÉP 2003/3-4. LIV. Évf. pp. 9- 12.[27] G. Vizi – E. Jakab: Latest Results in theMachining of Epicycloidal Gearing, Wesic,

Miskolc, 2003 p.10[28] Vágó Ivánné: Elektrotechnika, GAMF Kecskemét 1987[29] Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssystemen Band 2. VDI-Verlag GmbH, 1991[30] Juhász P.: Lineáris motorok, Komplex tervezési feladat, Miskolc 2002[31] Ilene J. Busch – Vishniac: Elektromechanical Sensors and Actuators, Springer 1998[33] www.ipi.uni-hannover.de/html/lehre...lomarbeiten/1999/geisler.jens/aktoren


http://www.ipi.uni-hannover.de/html/lehre...lomarbeiten/1999/geisler.jens/aktoren

Documents

Aktuátorok és szenzorok Aktuátorok Írta: Dr. Jakab Endre