Aktuátorok és szenzorok Aktuátorok Írta: Dr. Jakab Endre

1. Aktuátorok és szenzorokAktuátorokÍrta: Dr. Jakab Endre Készült az ESZA 02040002 projekt keretében

2. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Tartalom 1. Bevezetés • Mozgásinformáció leképzés • Relatív és elemi mozgások • Elemi mozgások, szánok • Struktúraképzések • Az aktuátor fogalma, elhelyezkedése • Energiaátalakítók, energiafajták • 2. Mechanikai aktuátorok • 3. Fluidmechanikai aktuátorok • 4. Villamos aktuátorok Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

3. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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, szélesebbkörű kitekintés és szintetizálás válik lehetővé. Az aktuátorok és szenzorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben az 1. ábrán látható. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

4. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

5. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Mozgásinformáció leképzés Az aktuátorok magyarázata a mozgásinformáció leképzési modell 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) 2. ábra: Mozgásinformáció leképzési modell Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

6. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK • 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

7. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Relatív és elemi mozgások A mechatronikai rendszerekben valamely elempár között szükséges relatív mozgásokat célszerűen elemi mozgásokból hozzuk létre. Az elemi mozgások, illetve azt megvalósító szánok a Descartes-i derékszögű koordinátarendszer tengelyeinek megfelelően, legtöbbször merőlegesen épülnek egymásra, ami megmunkálási célszerűségből következik. A számjegyvezérléssel irányított tengelyek (D) száma sok esetben igen magas is lehet. Az egyes tengelyek lehetnek egyidejűleg egymással összefüggésben, szimultán irányíthatók (2D-6D-s berendezések), meg nem is (kinematikai, technológiai). Gépváltozatok az irányított tengelyek számától függően képezhetők. Elemi mozgások, szánok Az elemi mozgás biztosításához a tér lehetséges 6 (3 egyenesvonalú haladó, 3 forgó) szabadságfokából 5-öt kényszerekkel (kA) kötünk meg. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

8. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

9. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 3. ábra: Elemi mozgások 4. ábra: Elemi mozgásokat megvalósító szánok Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

10. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Struktúraképzések A mechatronikai rendszerek építésekor igen gyakran alkalmazzák a módszeres tervezés két gyakori és fontos elemét a struktúrák és a paraméterváltozatok képzését, az optimális megoldás kereséshez a műszaki és gazdasági értékelemzést. Ezekhez szorosan kapcsolódik az építőszekrény elv, 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

11. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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 j 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

12. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 5. ábra: Aktuátorok a mechatronikai rendszerben Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

13. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK A kimeneten a végrehajtó szerv helyezkedik el, amely meghatározott kinematikai, mozgást, erőt, vagy nyomatékot (s, v, a, F, illetve j, w, e, M) ad. Az aktuátorok elhelyezkedése a mechatronikai rendszerben (5. ábra). Energiaátalakítók, energiafajták Megállapodás: működtető energiaként a továbbiakban olyan energiákat tekintünk, amelyek hálózatról levehetők, a berendezések elhelyezését nem befolyásolják, vagy a berendezés mellé telepíthető energiaforrás. A legkézenfekvőbb, és legrugalmasabb energiaforrás villamos, amelyet a legtöbb mechatronikai berendezésnél használnak. A villamos energiát, átalakítók teszik alkalmassá másfajta energia kifejtésére. Villamos—mechanikai energiaátalakítók A villamos forgómotor kapcsain keresztül betáplált villamos teljesítmény (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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

14. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Villamos-mechanikai-fluidmechanikai-mechanikai energiaátalakítók A motorhoz kapcsolt szivattyú a mechanikai teljesítményt (Pm) fluidmechanikai (pl. hidraulikus) teljesítménnyé (Pfl) alakítja át, amelyet azután 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 átalakító egység hatásfokától függően: 6. ábra: Villamos-mechanikai enegiaátalakító 7. ábra: Villamos-mechanikai-fluidmechanikai- mechanikai enegiaátalakító Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

15. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK A különböző energiafajtáknak megfelelő teljesítmények ismert formuláit a következőkben foglaltuk össze. Ezzel egyszerű az energiaátalakítókra vonatkozó 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=wxM (Nm/sec), ahol w (1/sec) szögsebesség, M (Nm) nyomaték. 2. Villamos teljesítmény • Pvill=UxI (VA), ahol U (V) feszültség, I (A) áramerősség. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

16. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK • Fluidmechanikai teljesítmény Pfl=pxQ (Nm/sec=watt), ahol p (N/m2=Pa) nyomás, Q (m3/sec) térfogatáram. 4. Termikus teljesítmény Phő=DTxhA (watt), ahol DT (oC) hőmérsékletdifferencia, h (w/m2 oC) hőátadási tényező, A (m2) hőátadási felület. 5. Kémiai teljesítmény (robbanómotorok) Pm=HaxBhö=Mw (J/sec=W), ahol Ha (J/kg) a tüzelőanyag fűtőértéke, B (kg/sec) az időegység alatti üzemanyag fogyasztás, hö a rendszer összhatásfoka (37-44 %). Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

17. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 2. Mechanikai aktuátorok A mechanikai aktuátorok a kinematikai- és erő viszonyok (nyomatékviszonyok) megváltoztatására szolgálnak. Típusaik: FORGÓ-FORGÓ FORGÓ-HALADÓ HALADÓ-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). Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

18. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 8. ábra: Homlokfogaskerekes hajtások Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

19. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Fogaskerékhajtások, 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

20. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 9. ábra: Hajtómű funkcióábrák a., b., c., A 9. ábra fokozatnélküli fordulatszámot előállító hajtóművek lehetséges funkcióábráit szemlélteti. Az ábrák számozása: 1- fokozat nélkül állítható fordulatszámú motor, 2-fokzatos hajtómű, vagy állandó áttétel, 3-hajtott tengely (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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

21. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Példaként említhetők az NC szerszámgép (esztergagép, fúró-maró megmunkáló központ, stb.) főhajtóművek, a teljesítmény hajtóművek, vagy a szervomotortól a végrehajtó mechanizmusig található kinematikai hajtások, legegyszerűbb esetben egyetlen lépcsős hajtással, ami igen gyakran fogazott szíjas hajtás. A 9.b megoldásban a motor és az orsó egytengelyű (koaxiális), köztük szög- és tengelyhibát kiegyenlítő, nagy torziós merevségű tengelykapcsoló található. Kinematikai hajtások tipikus megoldásai, pl. a szervomotor és golyósorsó kapcsolatban, vagy teljesítmény hajtásokban (köszörűgép, marógép, faipari felsőfejes marógép stb.). A 9.c motororsós megoldásban a motor tengelye egyben a végrehajtó szervet hordozza, ezáltal a közvetlen (direkt) hajtás eszköze. A motor tengelye különböző mechanizmusokat közvetlenül is mozgathat. A megoldás gyakori a kinematikai és a teljesítményhajtásokban. Direkt villamos hajtásra a lineáris aktuátoroknál később mutatunk példát. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

22. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Fogaskerékhajtások, csigahajtások Fogaskerékhajtások hézagtalanítása A kinematikai pontosság gyakran megköveteli a fogaskerékpár, fogaskerék fogasléc 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 z1fogszámú fogaskereket szélességében kettéosztják. A két fogaskerék felet (z1a, z1b) egymáshoz viszonyítva elfordítják és hézagtalan állapotban axiálisan, erőzáró kötéssel rögzítik. Ferde fogazatoknál az egyik fogaskereket kettéosztva és a két fél egymáshoz viszonyított 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). Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

23. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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 csigahajtások Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

24. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 11. 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

25. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 12. ábra: Robotcsuklók mozgatása Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

26. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 12. ábra: Robotcsuklók mozgatása Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

27. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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). Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

28. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK b., a., c., d., 13. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

29. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK a., b., c., d., 14. ábra: Forgó-haladó mozgásátalakítók Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

30. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK (m, s, v, a) Szán Tk Szervomotor Ft Mstat, Mdin, Jmot Golyósorsó-anya (do,po,Jo) 15. ábra: Közvetlen golyósorsó-anya hajtás Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

31. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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 menete A 16. ábra a szán mozgási sebesség, vagy a motortengely szögsebesség változásának trapéz alakú jellegét mutatja. A gyorsítás kezdetén és a fékezés végén a sebességek értéke zérus. 16. ábra: Sebesség- és szögsebesség viszonyok Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

32. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Dinamikus nyomaték: Mm,din=Jöe/hm A Jö a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték, e a szöggyorsulás, hm a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka. A haladó m tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére, Ta golyósorsó egy körülfordulásának ideje, Ao az orsó átviteli tényezője. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

33. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK A motor és orsó közé épített k hajtóviszony esetén az orsóra redukált tehetetlenségi nyomatékokat (Jo,red) a motor tengelyére k2-el redukáljuk (Jo,mot=Jo,red k2). Statikus nyomaték:Mm,stat=Mo/hm Az Mo az orsó tengelyére redukált, a szánt terhelő Ft erőből adódó nyomaték, hm a kinematikai láncmechanikai hatásfoka. A k hajtóviszony esetén az orsóra számított statikus nyomatékot k-val redukáljuk a motor tengelyére (Mstat=Mok/hm).Az Ftszánerő redukálása az orsóra, ahol (rg=0, • a menetemelkedés szöge, do az orsó közepes átmérője): A tehetetlenségi nyomatékok redukálásának további esetei Fogazott szíjas hajtással és fogaskerék-fogasléc hajtással mozgatott m tömeg esetén, ahol az ro a fogas szíjtárcsa, vagy a fogaskerék osztókör sugara: Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

34. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Speciális vezérpályás mechanizmusok Folytonos és egyenletes forgómozgás mellett meghatározott mozgásfüggvényű 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 fogasléc fogaskerék, fogazott szíj-szíjtárcsa (17. ábra), de lehet dugattyú - hajtórúd – forgattyús tengely. 2.3 HALADÓ-HALADÓ mozgásátalakítók A fogasléc-fogaskerék-fogasléc, emelőkaros mechanizmusok (18. ábra). Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

35. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 17. ábra: Haladó-forgó mozgásátalakítók 18. ábra: Haladó-haladó mozgásátalakítók Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

36. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 3. Fluidmechanikai aktuátorok A fluidmechanikai aktuátorok hidraulikus vagy pneumatikus energiával működtetett szerkezetek A mechatronikai berendezésekben a hidraulikus aktuátorok az elterjedtebbek. A pneumatikus aktuátorokat elsősorban két pontra (véghelyzetre), merev ütközőre való állításra, a megfogó és befogó készülékek működtetésére, gyors működésre használják. Az arányos pneumatikus technikával a mechatronikai berendezésekben való felhasználás kiszélesedett. A pneumatikus és hidraulikus aktuátorok összehasonlítása A levegő nagymértékben összenyomható. A pneumatikával kifejthető erő és nyomaték kicsi, erő- nyomaték-sebesség szabályozhatóságuk jó, de terhelés független sebesség nem biztosítható. Az áramlási sebesség, az aktuátor működési sebessége (0,01-1,4 m/sec) magas a hidraulikushoz (0,2 m/sec) képest. Pneumatikus rendszerekben az 1 bar-ig terjedő nyomást vezérlési feladatokhoz, a 6-10 bar nyomást aktuátorok működtetésére használják. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

37. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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 környezetből kerül a rendszerbe és onnan a környezetbe kerül vissza. A hidraulikus körfolyamokban a munkaközeg (a folyadék) zárt körforgást végez, tartályból kerül a rendszerbe és onnan mindig a tartályba jut vissza. Továbbiakban a hidraulikus körfolyamokat tárgyaljuk. A hidraulikus körfolyamok építőegységei Az aktuátorok működtetésére körfolyamok szolgálnak, amelyek fő egységei: Szivattyúk állandó, vagy változtatható térfogat kiszorítással, illetve egy, vagy két 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). Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

38. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Hidraulikus szivattyúk, motorok 19.a ábra: Szivattyúk 19.b ábra: Forgó motorok 19.d ábra: Akkumulátor, tartály 19.c ábra: Lineáris motorok Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

39. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Motoroklineáris mozgással (munkahengerek) egyszeres vagy kettős működtetéssel, 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, nyomáscsökkentők Tartályok, szűrők, hőcserélők, vezetékek, csatlakozók, kiegészítő elemek. Szelepek jelképei (20.a, b ábra) A szelepek jele négyzet, amelyből annyit rajzolnak egymás mellé, ahány x szelepállás (1, 2, 3) van. Ha van a szelepnek nyugalmi alaphelyzete, akkor a csatlakozó vezetékeket ott kell jelölni. Az útszelephez csatlakozó vezetékek (csatornák) y száma 2, 3, 4, 5, 6, 8 (elsősorban mobil hidraulikában) lehet. A szelepeket a csatornák és helyzetek (pozíciók) száma szerint adják meg (y/x) pl. 2/2, 3/2, 4/3, 5/3. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

40. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 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 a csatlakozásokra 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

41. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 20.a ábra: Szelep állások, csatornák 20.b ábra: Szelepcsatornák összekötése 20.c ábra: Működtetési módok 20.d ábra: Útszelepek Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

42. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 20.e ábra: Útszelepek 20.f ábra: Visszacsapószelepek 21.a ábra: Fojtó, fojtó-visszacsapó, áramállandósító szelepek 21.b ábra: Nyomáshatároló 21.c ábra: Nyomáscsökkentő Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

43. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Térfogatáram irányítók Fojtószelep beállítható fojtással. A folyadékáram a terheléstől és a folyadék viszkozitásától 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, nyomáscsökkentők Nyomáshatárolók 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 felső része egy lehetséges tápegység kialakítást szemléltet, amelynek jelölései: M motor, Sz-szivattyú, V-visszacsapószelep, Ny-nyomáscsökkentő, A-akkumulátor, G-golyósszelep, S-szűrő. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

44. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 22. ábra: Kapcsolási rajzok Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

45. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK A tápegység általában több hidraulikus motor ellátását biztosítja. Az ábra további részein egy 4/3 útváltóval irányított differenciáldugattyús henger működtetése látható az útváltó három lehetséges állásánál. A különböző terheléseknél szükséges egyenletes sebesség biztosításáról az útváltó előtt a nyomóágba kötött térfogatáram-állandósító szelep gondoskodik. Hidraulikus vezérelt és szabályozott aktuátorok Az aktuátorok szabályozott működtetése szervo- és arányos technikával történik. Szervoszelepekkel magasabb műszaki követelmények elégíthetők ki, beszerzési és üzemeltetési költségeik viszont magasabbak, mint az arányos szelepeké, amelyeket elsősorban vezérlési feladatokra használnak. Szervoszelepek A szervoszelepek egy, illetve több fokozatú erősítők. A kis energiaszintű irányító jellel és a hozzá tartozó kis értékű elmozdulással (x) nagy hidraulikus kimenő 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. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

46. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Hidraulikus erősítők A hidraulikus erősítő- és irányító elemek jellemzője, hogy két- vagy több állandó és/vagy változtatható fojtással (ellenállással), fokozatmentesen irányítják kimenetükön a térfogatáram nagyságát, útját (irányát), vagy a nyomást. Hidraulikus erősítőkben a fojtást leggyakrabban tolattyú, vagy fúvóka–torlólemezszerkezet valósítja meg (23. ábra). A tolattyús erősítők negatív, zérus és pozitív túlfedésűek (23. ábra), míg a fúvóka-torlólemez képezte fojtás negatív túlfedésű. A hidraulikus erősítők fojtásai a fogyasztóval hídkapcsolást alkotnak. A félhídban lévő ellenállás párok (R1-R3 és R2-R4) a motor egy-egy oldalát irányítják (24. ábra). Az egyes párok ellenállásainak kombinációi: változó-változó, állandó-változó, változó-állandó. A torlólemez a két fúvókával, mint egy-egy változó fojtással (R1, R2) és a két fix fojtással (R3, R4) hidraulikus hídkapcsolást alkot (25. ábra). Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

47. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK A két- vagy többfokozatú erősítők első fokozata mindig fúvókás-torlólemezes azután 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 módszerei A fordulatszám változtatás történhet: primer, illetve szivattyú állítással, vagy szekunder, 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 munkatérfogatának állításával, vagy fojtás állításával az 1, 2, vagy 3 helyeken (28.a ábra), vagy a szivattyú fajlagos munka térfogatának (primer) állításával (28.b ábra), ahol az állítást szervoszeleppel irányított henger végzi. A szervoszeleppel (arányos szeleppel) a vezérlő áramon (I) keresztül irányított hidromotor fordulatszám állítás (primer) a külső gerjesztésű egyenáramú motor kapocsfeszültség (U) szabályozásával vethető össze (28.c) Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

48. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 24. ábra: Hidraulikus hídkapcsolás 23. ábra: Erősítők 25. ábra: Fúvóka-torlólemez erősítő 26. ábra: Kétfokozatú erősítő Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

49. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK Arányos szelepek Az arányos szelepek arányos (egyenáramú) mágnesei a hidraulikus szelep vezérlését végezhetik közvetlenül (erő-vagy elmozdulás vezérelt), vagy közvetetten (elővezérelt). A 29.a ábra 4/3-as elővezérelt arányos útváltó, a 29.b ábra áramirányító, a 29.c ábra nyomásirányító szelepek egyszerűsített szimbólumait mutatja. Az arányos mágneses elmozdulás vezérlésnél (29.d ábra) az elektromágnes által létrehozott, a vasmagot kitérítő erőt rúgóerő egyenlíti ki, a kívánt helyzet szabályozással hozható létre. Erővezérlésnél a vasmag közvetlenül hat a hidraulikus elemre. Merev visszavezetésű erősítők Alkalmazásuk 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 (negatív visszacsatolás). A fojtások számától, típusától függően lehetnek egy- két- és négyél vezérlésűek (30. ábra). A vezérlő élek számának növekedésével az erősítési tényező nő, az állandósult állapotbeli hiba csökken. Ugyanakkor a rendszer időállandója nő, csillapítási tényezője és stabilitása csökken. Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002

50. Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke: Dr. Jakab Endre AKTUÁTOROK 27. ábra: Primer, szekunder állítás 28.a ábra: Állítás szivattyúval, motorral, illetve fojtással 28.b ábra: Primer állításmegoldás 28.c ábra: Egyenáramú motoros és hidraulikus fordulatszám állítás analógia Optomechatronikai felnőttképzés ESZA 02040002