Napędy urządzeń mechatronicznych

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Napędy urządzeń Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Ewolucja systemów technicznych (Gawrysiak 1997) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

3 Sterowany proces techniczny Napędy urządzeń Schemat urządzenia mechatronicznego (Gawrysiak 1997) Komunikacja z innymi urządzeniami Urządzenia do wyprowadzania informacji Układy pomiarowe Mikroprocesor Urządzenia do wprowadzania informacji Układy wykonawcze Komunikacja z innymi urządzeniami J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

4 Urządzenia i systemy mechatroniczne - urządzenia technologiczne (NEOTECH 2005) Nawijarka NCJ-01 Automat do cynowania ACW-01 J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

5 Systemy mechatroniczne - urządzenia do rejestracji i odtwarzania obrazów (HP, Canon 2008) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

6 Urządzenia i systemy mechatroniczne - zautomatyzowane stanowisko badawcze (Wierciak, Rawski, Szykiedans, Lisicki 2005) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

7 Urządzenia i systemy mechatroniczne - systemy wspomagania ruchów człowieka (ARGO, HONDA 2009) Egzoszkielet HAL System ReWalk J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

8 Sterowany proces techniczny Napędy urządzeń Schemat urządzenia mechatronicznego (Gawrysiak 1997) Komunikacja z innymi urządzeniami Urządzenia do wyprowadzania informacji Układy pomiarowe Mikroprocesor Urządzenia do wprowadzania informacji Układy wykonawcze Komunikacja z innymi urządzeniami J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

9 Układ wykonawczy (Wierciak 1998) Układ realizujący określoną funkcję urządzenia Sygnały sprzężenia zwrotnego Sygnały sterujące Układ napędowy Moc mechaniczna Obciążenie mechaniczne Napędzany mechanizm Zasilanie J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

10 Struktura układu napędowego (Wierciak 2003) Sygnały zwrotne Sygnały sterujące Sterownik Siłownik Układ przen. napędu Napędzany mechanizm Energia napęd Zasilacz Układ napędowy J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

11 Podstawowe struktury układów wykonawczych (Isermann 2005) Otwarty układ sterowania Układ z pętlą sprzężenia zwrotnego J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

12 Rodzaje napędów i ich siłowniki (Schmid 2001) Mechaniczne sprężyny, obciążniki Pneumatyczne siłowniki pneumatyczne Hydrauliczne siłowniki hydrauliczne Elektryczne silniki, elektromagnesy Niekonwencjonalne J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

13 energia chemiczna Napędy urządzeń Rodzaje energii pomocniczej (Isermann 2005) energia płynu energia elektryczna siły polowe pneumatyka siły atomowe rozszerzalność cieplna SIŁOWNIK hydraulika zjawisko pamięci ciśnienie elektrolit. ciśnienie wybuchu energia cieplna Rodzaj energii Zasada generowania siły J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

14 Właściwości energii pomocniczych w pojazdach (Isermann 2005) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

15 Małe silniki elektryczne w samochodzie osobowym (Tak Kenjo 1991) Filtr powietrza Tylny klimatyzator Wentylator nagrzewnicy Termometr wewnętrzny Siłownik klimatyzatora Pompa próżniowa Zegar Magnetofon kasetowy Prędkościomierz elektroniczny Lusterko wsteczne Pompa układu samopoziomującego Pompa układu regulacji prędkości Rozrusznik Chowany reflektor Wentylator chłodnicy Wentylator chłodnicy oleju Napęd przepustnicy Napęd spoilera Układ przesuwu fotela Układ podnoszenia fotela Układ pochylania fotela Pompa poduszki lędźwiowej Inne regulacje fotela Odsuwany dach Napęd anteny Sterowane amortyzatory Blokada drzwi Pompa paliwa Napęd okna (4) Napęd wycieraczki tylnej Spryskiwacz tylnej szyby Napęd wycieraczki przedniej Spryskiwacz przedniej szyby Wycieraczka reflektora (2) Spryskiwacz reflektora (2) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

16 Klasyfikacja siłowników w zależności od rodzaju energii (Isermann 2005) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

17 Główne cechy elektromechanicznych układów napędowych (Isermann 2005) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

18 Transporter z urządzeniem podającym (Masternak 2008) Szafa sterownicza J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

19 Schemat systemu transportującopodającego (Masternak 2008) Zespół pobierania Zespół transportu Zespół przenoszący Maszyna dozująca Kartoniarka Instalacja pneumatyczna Podsystem mechaniczny Podsystem elektroniczny J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

20 Układ transportu tubek (Masternak 2008) Rolka napinająca Rolka napędowa Silnik indukcyjny z reduktorem J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

21 Układ spychający (Masternak 2008) Zespół spychający Zespół blokujący J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

22 Układ przenoszący (Masternak 2008) Transporter Osłona Produkt Bęben Transporter kartoniarki J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

23 Układ przenoszący (Masternak 2008) Bęben Silnik skokowy Układ przeniesienia napędu J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

24 Napędy niekonwencjonalne - przykłady (Wierciak 2003) Piezoelektryczne Z pamięcią kształtu (SMA) Elektro-pneumatyczne Wykonane w technologii MEMS J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

25 Stopy z pamięcią kształtu (SMA) zastosowane do napędu mikrorobota (Libersa, Arsicault, Lallemand 2001) Projekt mikrorobota Ogniwo mikrorobota LMS (Laboratoire de Mécanique des Solides) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

26 Cienkie warstwy SMA w budowie mikrosystemów (Roch, Delobelle, Wallart,Collard, Buchaillot 2001) Żeńska część pętli przed nagrzaniem; L = 1000 μm, e = 6,3 μm Pętla TiNi po nagrzaniu J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

27 Siłowniki wykonane w technologiach MEMS (ANSYS 2002) Siłownik termoelektryczny Siłownik elektromechaniczny Silnik elektrostatyczny J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

28 Specjalizowany napęd piezoelektryczny (Canon 1995) Canon Ultrasonic Motor (USM) zastosowany w obiektywie J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

29 Siłowniki piezoelektryczne i ich zastosowania (Physik Instrumente 1995) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

30 Mikrorobot pełzający i jego moduł napędowy (Oleksiuk 1989) mm Pojedyncze ogniwo mikrorobota J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

31 Struktura elektrycznego układu napędowego (Wierciak 2000) UKŁAD NAPĘDOWY Sygnały sprzężenia zwrotnego Obciążenie elektryczne Zredukowane obciążenie Obciążenie Sygnały sterujące Sterownik Mikrosilnik Układ przeniesienia napędu Napędzany mechanizm Napięcia sterujące Moc mechaniczna Moc mechaniczna Moc elektryczna J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

32 Mikrosilniki elektryczne (Portescap 1995) Silniki prądu stałego z komutacją elektroniczną Zewnętrzne średnice od Φ 1,9 mm Silniki skokowe Mikrosilniki prądu stałego Zewnętrzne średnice od Φ 8 mm J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

33 Reduktory zębate technologie high-tech (Maxon 2003) Przełożenia od 4 to 6285 Przekładnie walcowe i planetarne J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

34 Siłowniki liniowe (UltraMotion 2003, HSI 2002) Siłowniki ze śrubowym mechanizmem zamiany ruchu silnik potencjometr liniowy nakrętka popychacz przekładnia pasowa śruba J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

35 Układy pomiarowe i sterujące (Maxon 2003, Portescap 1995) Sterowniki Enkodery optyczne (1000 imp/obr) prądnice tachometryczne J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

36 Serwonapędy (Lenze 2008) Serwosilniki Serwonapęd J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

37 Karty katalogowe mikrosilników elektrycznych ApiPortescap J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

38 Karta katalogowa miniaturowej przekładni zębatej (ApiPortescap 1996) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

39 Kąt niezgodności δ [rad] Przemieszczenie popychacza x [mm] Siła obciążenia F [N] Częstotliwość taktowania f [Hz] Napędy urządzeń Odpowiedzi siłownika na liniowe narastanie siły - wyniki symulacji komputerowej (Wierciak 2004) Czas t [s] Czas t [s] Czas t [s] Czas t [s] J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

40 Podstawowe funkcje układów napędowych (Wierciak 2003) A. Pozycjonowanie B. Ruch z określoną prędkością C. Oddziaływanie określoną siłą/momentem Robot mobilny z chwytakiem Napęd dysku twardego J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

41 Wymagania funkcjonalne (Wierciak 2003) A. Pozycjonowanie B. Ruch z określoną C. Oddziaływanie określoną prędkością siłą/momentem 1.Duża dokładność 2.Krótki cykl pozycjonowania 1.Małe wahania prędkości 2.Krótki czas regulacji 1.Stabilność siły 2.Krótki czas regulacji CHARAKTERYSTYKI FUNKCJONALNE GOTOWOŚĆ NIEZAWODNOŚĆ J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

42 Typowy profil prędkości w układzie napędowym (Wierciak 2000) Prędkość ω Praca z ustaloną prędkością Przyspieszanie Hamowanie Czas t J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

43 Przykładowy profil prędkości w układzie o pracy ciągłej (Wierciak 2000) Prędkość ω Czas t J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

44 Typowe profile prędkości przy pozycjonowaniu (Wierciak 2000) Prędkość ω Praca z ustaloną prędkością Prędkość ω Na krótkiej drodze Przyspieszanie Hamowanie Hamowanie Czas t Na długiej drodze Przyspieszanie Czas t J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

45 Cel przedmiotu (Wierciak 2008) Celem przedmiotu jest przygotowanie słuchaczy do samodzielnego dobierania napędów elektrycznych do projektowanych urządzeń. Wykład (NM1) - 1 godz. (dr J. Wierciak) Przegląd napędów, ze szczególnym uwzględnieniem napędów elektrycznych: konstrukcje, charakterystyki. Przedstawienie metod doboru napędów. (Zaliczenie: egzamin pisemny) Laboratorium (NM2) - 1 godz. (dr J. Wierciak, dr M. Bodnicki) Przybliżenie słuchaczom podstawowych charakterystyk elektromechanicznych przetworników energii i zapoznanie ich z doświadczalnymi metodami wyznaczania tych charakterystyk. (Zaliczenie: sprawozdania z ćwiczeń maks. 40 punktów) Projektowanie (NM2) - 1 godz. (dr J. Wierciak, dr K. Szykiedans) Przeprowadzenie doboru urządzeń napędowych i układów przeniesienia napędu do przykładowych układów wykonawczych. (Zaliczenie: sprawozdania z ćwiczeń projektowych maks. 50 punktów) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

46 Napędy elektromechaniczne - zakres wykładu (Wierciak 2007) Elektryczne układy napędowe urządzeń Napędy z mikrosilnikami prądu stałego Napędy z silnikami skokowymi Elektromagnesy prądu stałego Napędy z mikrosilnikami prądu przemiennego Zasady doboru mikrosilników J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

47 Napędy elektromechaniczne - zakres ćwiczeń projektowych (Wierciak 2007) Dobór elektromagnesu prądu stałego do układu wykonawczego Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym Dobór mikrosilnika prądu stałego do napędu bezpośredniego Dobór mikrosilnika prądu stałego do napędu z przekładnią Dobór mikrosilnika prądu stałego do układu pozycjonującego J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

48 Harmonogram zajęć w roku akad. 2012/2013 (Wierciak 2012) J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

49 Napędy elektromechaniczne urządzeń precyzyjnych - wykaz źródeł (Wierciak 2008) Acarnley P. P.: Stepping Motors: a guide to modern theory and practice. Peter Peregrinus Ltd. New York, Gawrysiak M.: Mechatronika i projektowanie mechatroniczne. Politechnika Białostocka. Rozprawy Naukowe Nr 44. Białystok 1997 Heimann B., Gerth W., Popp K.: Mechatronika. Komponenty, metody, przykłady. Wyd. Naukowe PWN. Warszawa 2001 Hering M.: Termokinetyka dla elektryków. Wydawnictwa Naukowo- Techniczne. Warszawa, Isermann R.: Mechatronic Systems Fundamentals. Springer, 2005 Jaszczuk W., Wierciak J., Bodnicki M.: Napędy elektromechaniczne urządzeń precyzyjnych. Ćwiczenia laboratoryjne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa, J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

50 Napędy elektromechaniczne urządzeń precyzyjnych - wykaz źródeł - c.d. (Wierciak 2008) Kenjo T., Nagamori C.: Dvigateli postojannogo toka s postojannymi magnitami. Énergoatomizdat. Moskva, Kenjo T.: Electric Motors and their Controls. Oxford University Press Inc. New York 1991 Owczarek J. i in.: Elektryczne maszynowe elementy automatyki. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1983 Sochocki R.: Mikromaszyny elektryczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, Wróbel T.: Silniki skokowe, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, Praca zbiorowa pod red. W. Oleksiuka: Konstrukcja przyrządów i urządzeń precyzyjnych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa, Praca zbiorowa pod redakcją W. Jaszczuka: Mikrosilniki elektryczne. Badanie właściwości statycznych i dynamicznych. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa, J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń

51 Zaliczenie przedmiotu (Wierciak 2008) 1. Wykład (NM1) wynik z egzaminu pisemnego 2. Laboratorium i projektowanie (NM2) ocena średnia 1xpunkty z Ocena laboratorium 1xpunkty z 18 projektowania J. Wierciak: Napędy elektromechaniczne urządzeń