Nastawniki (aktuatory, aktory)

Transkrypt

1 Nastawniki (aktuatory, aktory)

2 SCHEMAT SYSTEMU MECHATRONICZNEGO WEJŚCIE UKŁAD MECHANICZNY WYJŚCIE NASTAWNIKI CZUJNIKI procesor(y)

3

4 Nastawnikiem (aktuatorem - ang. actuator) nazywa się urządzenie, które umożliwia wykonanie pewnej pracy poprzez przetworzenie sygnału sterującego w postaci wielkości elektrycznej na proporcjonalną wielkość nieelektryczną (przemieszczenie, temperatura, siła). Nastawniki są przeciwieństwem czujników, gdzie poddawana jest konwersji określona wielkość fizyczna na wielkość elektryczną. Zamiana energii elektrycznej na inny rodzaj energii, np. na energię mechaniczną, którą można wykorzystać np. do napędzania różnego rodzaju elementów.

5 Wg tak przyjętej definicji nastawnikami nie są urządzenia, które umożliwiają wykonanie pewnej pracy poprzez przetworzenie sygnału sterującego w postaci wielkości nieelektrycznej na sygnał innego typu, np. siłownik hydrauliczny, siłownik pneumatyczny, zawory, pompy.

6 Natomiast nastawnikami mogą być mikrourządzenia wykonane w technice MEMS, jeżeli następuje w nich bezpośrednia zamiana energii elektrycznej na energię mechaniczną. Takimi mikrourządzeniami mogą być: mikroprzełączniki, mikrozawory, mikropompy, mikrosilniki, inne.

7 mikroprzełącznik metalowy pasek sprężysty sprężynka skrętna wspornik elektroda naciskowa wspornik elektroda odciągowa elektroda kontaktowa

8 mikrozawór elektromagnes wlot szkło krzem szkło wylot

9 mikropompa zawór wlotowy zawór wylotowy membrana elastyczna podgrzewacz rezystancyjny

10 Mikroturbina i mikropompa warstwa hydrauliczna łożysko kulkowe turbina łożysko kulkowe pompa spiralna elektrody stojana

11 Klasyfikacja nastawników Klasyfikacja nastawników (aktuatorów, aktorów): nastawniki ruchu: ruchu obrotowego, przemieszczenia liniowego, nastawniki sygnału on-off (mikroprzełączniki), nastawniki przepływu (mikrozawory), nastawniki ciśnienia (mikropompy), nastawniki mocy (mikrosilniki).

12 Klasyfikacja nastawników Klasyfikacja nastawników (aktuatorów, aktorów): nastawniki ruchu: ruchu obrotowego, przemieszczenia liniowego, nastawniki sygnału on-off (mikroprzełączniki), nastawniki przepływu (mikrozawory), nastawniki ciśnienia (mikropompy), nastawniki mocy (mikrosilniki).

13 Nastawniki ruchu obrotowego Nastawniki ruchu obrotowego silniki elektryczne

14 Klasyfikacja silników w wg sposobu zasilania zasilane napięciem stałym silnik elektryczny obcowzbudny, silnik prądu stałego z magnesami trwałymi silniki elektryczne samowzbudne bocznikowy, szeregowy, szeregowo-bocznikowy zasilane napięciem przemiennym jednofazowe (klatkowy, szeregowy) trójfazowe (klatkowy, liniowy, pierścieniowy) zasilane dwustronnie (synchroniczny, asynchroniczny-synchronizowany).

15 W mechatronice stosowane są tzw. mikrosilniki elektryczne. Występują w trzech głównych odmianach: silniki prądu stałego, silniki skokowe, miniaturowe silniki prądu przemiennego. Silniki prądu stałego mogą być komutowane mechanicznie (szczotkowo) lub elektronicznie. Silniki prądu przemiennego mogą być również komutowane szczotkowo. Część z nich nie posiada komutatora wykorzystując wirujące pole magnetyczne. Silniki skokowe z reguły komutowane są elektronicznie.

16 silnik prądu stałego komutowany szczotkowo Stojan jest stacjonarną zewnętrzną częścią silnika. Rotor jest wewnętrzną częścią silnika, która się obraca. W animacji, czerwony kolor reprezentuje magnes lub uzwojenie z polaryzacją N, podczas gdy zielony reprezentuje magnes lub uzwojenie z polaryzacją S. Przeciwne biegunowości, tzn. czerwona i zielona polaryzacja przyciągają się wzajemnie.

17 Jak tylko skoro rotor osiąga pionowe ustawienie, szczotki poruszają się przez kontakty komutatora i pobudzają następne uzwojenie. W animacji kontakty komutatora są brązowe, zaś szczotki są szare. Żółta iskra pokazuje, kiedy szczotki przełączają się do następnego uzwojenia.

18 silnik prądu stałego komutowany elektronicznie Bezszczotkowy silnik prądu stałego ma rotor z trwałymi magnesami oraz stojan z uzwojeniem. Sterowanie elektroniczne zastępują funkcję komutatora i pobudza właściwe uzwojenie.

19 silnik skokowy Silnik krokowy (inaczej silnik skokowy) silnik elektryczny, w którym impulsowe zasilanie prądem elektrycznym powoduje, że jego wirnik nie obraca się ruchem ciągłym, lecz wykonuje za każdym razem ruch obrotowy o ściśle ustalonym kącie.

20 Trzy podstawowe typy silników krokowych pod względem budowy: silnik z magnesem trwałym, silnik o zmiennej reluktancji, silnik hybrydowy.

21 silnik pełnokrokowy silnik półkrokowy

22 napędy projektorów skanery optyczne drukarki analizatory krwi urządzenia do faksowania termostaty

23 Klasyfikacja nastawników Klasyfikacja nastawników (aktuatorów, aktorów): nastawniki ruchu: ruchu obrotowego, przemieszczenia liniowego, nastawniki sygnału on-off (mikroprzełączniki), nastawniki przepływu (mikrozawory), nastawniki ciśnienia (mikropompy), nastawniki mocy (mikrosilniki).

24 nastawnik przemieszczenia liniowego magnes uzwojenie wałek suwak

25

26 wałek uzwojenie u w v u w v u w v strumień S N S N S N S N u w v u w v u w v strumień siła Prawo Fleminga prąd

27 Plate Linear Guide Table Linear Encoder Shaft Holder Shaft Motor Cables

28

29 Klasyfikacja nastawników Klasyfikacja nastawników (aktuatorów, aktorów): nastawniki ruchu: ruchu obrotowego, przemieszczenia liniowego, nastawniki sygnału on-off off (mikroprzełą łączniki), nastawniki przepływu (mikrozawory), nastawniki ciśnienia (mikropompy), nastawniki mocy (mikrosilniki).

30 mikroprzełącznik metalowy pasek sprężysty sprężynka skrętna wspornik elektroda naciskowa wspornik elektroda odciągowa elektroda kontaktowa

31 Mikroprzełącznik jest urządzeniem łączącym lub odcinającym przepływ prądu w obwodzie elektrycznym. Mikroprzełączniki to nastawniki wykorzystujące różnego rodzaju zjawiska fizyczne: elektrostatyczne, indukcji elektromagnetycznej, elektrostrykcji, termorezystancji, unne.

32 Mikroprzełączniki MEMS Apply insulator Voltage conductive layer conductive substrate Force magnetic layer substrate Force Apply Current EM coil przyciąganie elektrostatyczne indukcja elektromagnetyczna Apply Voltage electrostrictive layer Force Apply Current patterned resistive layer Force substrate substrate elektrostrykcja termorezystancja

33 mikroprzełącznik

34 Klasyfikacja nastawników Klasyfikacja nastawników (aktuatorów, aktorów): nastawniki ruchu: ruchu obrotowego, przemieszczenia liniowego, nastawniki sygnału on-off (mikroprzełączniki), nastawniki przepływu (mikrozawory( mikrozawory), nastawniki ciśnienia (mikropompy), nastawniki mocy (mikrosilniki).

35 mikrozawór elektromagnes wlot szkło krzem szkło wylot

36 Podstawowe typy mikrozaworów: zawory aktywne (wymuszone otwarcie bądź zamknięcie zaworu) zawory pasywne (otwarcie bądź zamknięcie zaworu w zależności od ciśnienia) Mikrozawory to nastawniki wykorzystujące różnego rodzaju zjawiska fizyczne: piezoelektryczne, elektromagnetyczne, elektrostatyczne, bimetaliczne, termopneumatyczne,

37 W zależności od kształtu zawieradła wyróżnia się: zawory pierścieniowe (Ring-Shaped Valves) zawory z wykorzystaniem ramienia dźwigni (Lever Arm- Shaped Valves) zawory talerzowe (Disc-Shaped Valves) zawory w kształcie litery V (V-Shaped Valves) zawory membranowe (Membrane Shaped Valves) zawory pływakowe (Floating Valves)

38

39 Piezoelectric MEMS Microvalve

40 Klasyfikacja nastawników Klasyfikacja nastawników (aktuatorów, aktorów): nastawniki ruchu: ruchu obrotowego, przemieszczenia liniowego, nastawniki sygnału on-off (mikroprzełączniki), nastawniki przepływu (mikrozawory), nastawniki ciśnienia (mikropompy( mikropompy), nastawniki mocy (mikrosilniki).

41 Mikropompa jest systemem umożliwiającym przekazywanie, płynów, cieczy lub gazów z wejścia na wyjście przez rurki o bardzo małych średnicach. Mikropompy to nastawniki wykorzystujące różnego rodzaju zjawiska fizyczne: piezoelektryczne, termopneumatyczne, elektrostatyczne, pneumatyczne, elektrodynamiczne, inne.

42 mikropompa zawór wlotowy zawór wylotowy membrana elastyczna podgrzewacz rezystancyjny

43

44 budowa mikropompy termopneumatycznej Praca oparta o cykliczne ogrzewanie i schładzanie gazu znajdującego się w szczelnie zamkniętej komorze. Gaz ogrzewany za pomocą elementu grzejnego, rozszerza się, oddziałuje na cienką membranę (jedna ze ścian komory), powodując jej ugięcie. Membrana odkształcając się, zwiększa ciśnienie płynu znajdującego się w drugiej komorze, zwiększone ciśnienie unosi zawór wylotowy i pozwala wydostać się pewnej ilości płynu, aż do momentu wyrównania się ciśnień po obu stronach zaworu. Schłodzenie gazu powoduje odwrotny efekt.

45 Klasyfikacja nastawników Klasyfikacja nastawników (aktuatorów, aktorów): nastawniki ruchu: ruchu obrotowego, przemieszczenia liniowego, nastawniki sygnału on-off (mikroprzełączniki), nastawniki przepływu (mikrozawory), nastawniki ciśnienia (mikropompy), nastawniki mocy (mikrosilniki).

46 Mikrosilniki Mikrosilnik to struktura krzemowa o średnicy kilkudziesięciu mikrometrów. Pierwsze mikrosilniki wykonano na uniwersytecie MIT (USA) i w laboratorium LAAS (Francja). Obecnie technologia wytwarzania pozwala nawykonywanie takich struktur w innych centrach mikrokrzemowych.

47 mikrosilniki

48 silnik elektrostatyczny

49 80 watowa turbinka gazowa

50 Najmniejszy w świecie silnik parowy