Μηχανοτρονική Μάθημα 2 ο ενεργοποιητές - συστήματα κίνησης Αντώνιος Γαστεράτος, Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήμα Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης
μηχανοτρονική διαδικασία σχεδιασμού
βασικά στοιχεία μηχανοτρονικής
μηχανολογικά στοιχεία μηχανοτρονικής τα μηχανολογικά στοιχεία μπορεί να είναι: η ίδια η μηχανολογική δομή, μηχανισμοί, υδραυλικά κλπ μπορούν να περιλαμβάνουν στατικά και δυναμικά χαρακτηριστικά. μπορούν να αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους. απαιτούν φυσική ισχύ για την παραγωγή κίνησης, δύναμης, θερμότητας κλπ.
ηλεκτρομηχανολογικά στοιχεία μηχανοτρονικής τα ηλεκτρομηχανολογικά στοιχεία μπορεί να είναι: αισθητήρες ιδιοδεκτικοί: συσκευές που είναι σε θέση να μετρούν κατάλληλα μεγέθη όπως η θέση, η ταχύτητα, η δύναμη κλπ, πάνω στο μηχανισμό ετεροδεκτικοί: συσκευές που είναι σε θέση να μετρούν μεγέθη του περιβάλλοντος ενεργοποιητές ηλεκτρικοί (κινητήρες DC, βηματικοί, άνευ ψήκτρας κλπ), υδραυλικοί, πνευματικοί κ.ά.
ενεργοποιητές
ηλεκτρικοί ενεργοποιητές συστήματα μετατροπής της ηλεκτρικής ισχύος σε μηχανική πλεονεκτήματα ικανοποιητικά ταχείς και ακριβείς δυνατότητα χρήσης εξεζητημένων αλγορίθμων ελέγχου ευκολία στη διάθεση και οικονομικότεροι απλοί στη χρήση μειωμένες διαστάσεις εξαιρετική απόδοση μεγάλο εύρος παρεχομένης ισχύος (από mw έως MW)
ηλεκτρικοί ενεργοποιητές μειονεκτήματα ανάγκη τοποθέτησης ενός μειωτήρα (με εξαίρεση τους direct drives) και με αποτέλεσμα στη μείωση της ακρίβειας και την αύξηση του κόστους η διαθέσιμη ισχύς δεν είναι ικανοποιητική σε ορισμένες εφαρμογές
σερβοκινητήρας βασίζεται σε έλεγχο ανάδρασης
κωδικοποιητές η σύζευξη δύο φωτοδιόδων διακόπτεται από αδιαφανείς τομείς ενός δίσκου, ενώ αποκαθίσταται από τους διαφανείς τομείς στους απόλυτους οπτικούς κωδικοποιητές κάθε τομέας αντιστοιχεί σε διαφορετική ψηφιακή λέξη υψηλότερη ανάλυση από τους resolvers, αλλά λιγότερο αξιόπιστοι εκποµπός φωτός ανιχνευτής φωτός απόλυτος οπτικός κωδικοποιητής άξονας δίσκος
κωδικοποιητές
σήματα ελέγχου
κινητήρας και κωδικοποιητής η ταχύτητα του κινητήρα εξαρτάται από τη τάση τροφοδοσίας η κατεύθυνση εξαρτάται από την πολικότητα της τάσης τροφοδοσίας ο δίσκος του κωδικοποιητή περιστρέφεται με μία πλήρη περιστροφή του άξονα ο κωδικοποιητής μπορεί να είναι οπτικός ή μαγνητικός (Hall) η ταχύτητα ορίζεται από ένα μόνο ανιχνευτή ένας δεύτερος ανιχνευτής μπορεί να προσδιορίσει και τη διεύθυνση η ακρίβεια μπορεί να αυξηθεί με τη χρήση γραναζιών στον άξονα του κινητήρα
ιδιότητες σερβοκινητήρα υψηλή μέγιστη ροπή/δύναμη που επιτρέπει υψηλή επιτάχυνση (και επιβράδυνση) υψηλή ροπή/δύναμη σε μηδενική ταχύτητα γρήγορος, ακριβής και εύρωστος έλεγχος
DC κινητήρες απλοί, φτηνοί εύκολοι στον έλεγχο 1W - 1kW δυνατότητα υπερφόρτωσης brushes wear περιορισμένη υπερφόρτωση σε υψηλές ταχύτητες
έλεγχος DC κινητήρα ελεγτής και γέφυρα Η έλεγχος PWM έλεγχος ταχύτητας έλεγχος PID
γέφυρα Η επιτρέπει δεξιόστροφη και αριστερόστροφη κίνηση
γέφυρα Η υλοποίηση με μικροελεγκτή 2 ψηφιακές έξοδοι σε ενισχυτή ισχύος [μία στο Gnd και μία στο Vcc] ή 1 μόνο ψηφιακή έξοδος και ένας αντιστροφέας
ενισχυτής ισχύος
brushless DC κινητήρες πολύ καλή αναλογία ισχύος/βάρους απλός χρειάζεται ανάδραση ταχύτητας και θέσης πιο σύνθετος έλεγχος μικρή ισχύς (10W 50kW)
brush vs. brushless
βηματικοί κινητήρες έλεγχος θέσης αργοί άνευ ανάδρασης ακριβής έυρεση θέσης εύκολος έλεγχος
βηματικοί κινητήρες οδήγηση ενός βήματος ανά χρονικό παλμό (ορθά ή αντίστροφα) χαρακτηριστικά: αριθμός βημάτων ανά περιστροφή (π.χ. 200 βήματα ανά περιστροφή = 1.8 ανά βήμα) μέγιστος αριθμός βημάτων ανά δεπτερόλεπτο τιμή βηματισμού, που αντιστοιχεί στη μέγιστη ταχύτητα η βηματική ακολουθία μπορεί να έιναι τόσο γρήγορη, ώστε η κίνηση που προκύπτει να εμφανίζεται ως συνεχής
ακολουθία μεταγωγής τεσσάρων βημάτων η οδήγησή τους απαιτεί μία ακολουθία μεταγωγής τεσσάρων βημάτων για λειτουργία πλήρους βήματος
ακολουθία μεταγωγής οκτώ βημάτων εναλλακτικά μπορεί να οδηγηθεί από ακολουθία μεταγωγής οκτώ βημάτων για λειτουργία μισού βήματος (μεγαλύτερη ανάλυση)
διαμόρφωση PWM Διαµορφώνον Φέρον
διαμόρφωση PWM πώς δουλεύει δεν αλλάζουμε τάση τροφοδοσίας η ισχύς εναλλάσεται σύμφωνα με συγκεκριμένο ρυθμό παλμών που αντιστοιχεί στην επιθυμητή έξοδο ισχύος το σήμα έχει πολύ υψηλή συχνότητα (π.χ. 20kHz) οι ενεργοποιητές έχουν σχετικά αργή απόκριση Pulse- Width Ratio = t on / t period
υδραυλικοί ενεργοποιητές συστήματα μετατροπής της υδραυλικής ισχύος (ισχύς πεπιεσμένου λαδιού) σε μηχανική πλεονεκτήματα απλοί ενεργοποιητές μεγάλη ικανότητα φορτίου μεγάλη ταχύτητα όταν βρεθούν σε μία θέση τη διατηρούν γραμμική μετατόπιση δυνατότητα ακριβούς ελέγχου μειονεκτήματα κακή απόδοση υψηλό κόστος, ιδιαίτερα σε μικρές διαστάσεις προβλήματα θορύβου προβλήματα απώλειας λαδιού καταλαμβάνουν μεγάλο όγκο
πνευματικοί ενεργοποιητές συστήματα μετατροπής της πνευματικής ισχύος (ισχύς πεπιεσμένου αέρα) σε μηχανική πλεονεκτήματα σχετικά μικρό κόστος υψηλή ταχύτητα μειονεκτήματα χαμηλή ακρίβεια, λόγο υψηλής συμπιεστότητας του αέρα προβλήματα θορύβου προβλήματα απώλειας ανάγκη φίλτρων αέρα δημιουργείται ανάγκη συντήρησης προβλήματα λόγω ανάγκης συνεχούς παροχής πεπιεσμένου αέρα (κόστος, αυτονομία κλπ)
λοιποί ενεργοποιητές πέραν των κυρίων κατηγοριών, υπάρχουν, σε ερευνητικό πεδίο κυρίως, παρά σε επίπεδο εφαρμογών διάφορα άλλα είδη ενεργοποιητών, αναφορικά: πιεζοηλεκτρικοί (πχ διηλεκτρικά ελαστομερή) μαγνητικοί υπερήχων SMA αδράνειας
λοιποί ενεργοποιητές
συστήματα μεταφοράς κίνησης η μηχανική ισχύς που παράγεται από τους ενεργοποιητές, σπάνια μεταφέρεται απευθείας στην άρθρωση τα πλέον χρησιμοποιούμενα συστήματα μεταφοράς κίνησης στη ρομποτική είναι: γρανάζια με αξονικά δόντια (spur gears) κεκλιμένα γρανάζια (bevel gears) γρανάζι με ατέρμονο άξονα (worm gears) γρανάζι με οδοντωτή μπάρα αλυσίδες ιμάντες
γρανάζια με αξονικά δόντια ένα γρανάζι τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και αλληλοσυνδέεται με ένα άλλο γρανάζι, που είναι τοποθετημένο στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι παράλληλοι μεταξύ τους πλεονεκτήματα καλή μηχανική απόδοση χαμηλό κόστος μειονεκτήματα προβλήματα χώρου
κεκλιμένα γρανάζια ένα κεκλιμένο γρανάζι τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και αλληλοσυνδέεται με ένα άλλο κεκλιμένο γρανάζι, που είναι τοποθετημένο στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι κάθετοι μεταξύ τους πλεονεκτήματα επιτρέπει κάθετη τοποθέτηση των αξόνων (ευελιξία στο μηχανολογικό σχεδιασμό) επιτρέπει πιο συμπαγή τοποθέτηση των ενεργοποιητών μειονεκτήματα λιγότερο αποδοτικά από τα γρανάζια με αξονικά δόντια μεγαλύτερο κόστος προβλήματα θορύβου στις υψηλές ταχύτητες
γρανάζι με ατέρμονο άξονα ένας ατέρμονος άξονας τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και αλληλοσυνδέεται με ένα γρανάζι, που είναι τοποθετημένο στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι κάθετοι μεταξύ τους, αλλά δεν τέμνονται πλεονεκτήματα μπορούν να επιτύχουν υψηλούς λόγους σύνδεσης σε μικρό χώρο επιτρέπει κάθετη τοποθέτηση των αξόνων μειονεκτήματα κόστος η απόδοση μειώνεται σύντομα, καθώς μειώνεται ο λόγος σύνδεσης
γρανάζι με οδοντωτή μπάρα ένα γρανάζι τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και αλληλοσυνδέεται με μία οδοντωτή μπάρα, που είναι τοποθετημένη στον άξονα πρισματικής άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι κάθετοι μεταξύ τους, αλλά δεν τέμνονται πλεονεκτήματα επιτρέπει κάθετη τοποθέτηση των αξόνων επιτρέπει την υλοποίηση πρισματικών αρθρώσεων μειονεκτήματα κόστος
λοιπά γρανάζια
αλυσίδες ένας οδοντωτός τροχός τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και συνδέεται με μία αλυσίδα με πολλές συνδέσεις, η οποία με τη σειρά της συνδέεται με άλλον οδοντωτό τροχό συνδεδεμένο στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι παράλληλοι μεταξύ τους και η απόσταση μεταξύ τους εξαρτάται από το μήκος της αλυσίδας πλεονεκτήματα υψηλή απόδοση δυνατότητα απορρόφησης κραδασμών ευκολία στην επιλογή θέσης του ενεργοποιητή (εξαρτάται από το μήκος της αλυσίδας) μειονεκτήματα ο χώρος πρέπει να υπολογιστεί με προσοχή, ώστε να είναι βέβαιη η προσαρμογή της αλυσίδας στους τροχούς η συντήρηση της αλυσίδας (καθαρισμός, λάδωμα) θόρυβος πολλά κινητά μέρη (αύξηση πιθανότητας σφάλματος)
ιμάντες μία τροχαλία τοποθετείται στον άξονα του ενεργοποιητή και συνδέεται με έναν συγχρονισμένο ιμάντα (συνήθως από ελαστικό), ο οποίος με τη σειρά του συνδέεται με άλλη τροχαλία συνδεδεμένη στον άξονα της άρθρωσης. Οι δύο άξονες είναι παράλληλοι μεταξύ τους και η απόσταση μεταξύ τους εξαρτάται από το μήκος του ιμάντα πλεονεκτήματα απορρόφα τους κραδασμών καλύτερα από την αλυσίδα δεν απαιτεί συντήρηση ήσυχη μετάδοση απόδοση όση και των γραναζιών ευκολία στην επιλογή θέσης του ενεργοποιητή (εξαρτάται από το μήκος του ιμάντα)
ιμάντες μειονεκτήματα πρέπει να χρησιμοποιούνται παράλληλοι άξονες δυσκολία στον έλεγχο ταχύτητας, λόγω ελαστικότητας του ιμάντα το συνολικό σύστημα καταλαμβάνει πολύ χώρο παρουσιάζουν μειωμένη μηχανική αντοχή σε σχέση με τις αλυσίδες και προβλήματα γήρανσης