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 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 urządzeń

4 Przykład proces wentylacji i oddymiania budynków (D+H 2009) J. Wierciak: Napędy urządzeń

5 Przykład system do wentylacji i oddymiania budynków (D+H 2009) Siłownik okna uchylnego Siłownik klapy oddymiającej Czujnik dymu Czujnik temperatury Czujnik wiatru Sygnalizatory zdarzeń Czujnik deszczu Uruchamianie ręczne Jednostka sterująca J. Wierciak: Napędy urządzeń

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

7 Urządzenia i systemy mechatroniczne - wyposażenie samochodu (NEOSID 2005) Układ wtrysku paliwa Poduszki powietrzne Napinacze pasów bezpieczeństwa Układ zapłonowy Inteligentny napęd wycieraczek Zamek centralny Układ automatycznej korekcji świateł J. Wierciak: Napędy urządzeń

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

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

10 Analiza funkcji urządzenia (Wierciak 2007) Układy wykonawcze J. Wierciak: Napędy urządzeń Układy pomiarowe

11 Układ wykonawczy (Gawrysiak 1997) Układ wykonawczy - elektronicznie sterowany człon wykonawczy łącznik pomiędzy urządzeniem przetwarzającym informacje (mikroprocesorem) i procesem, którego parametry trzeba zmienić (nastawić). J. Wierciak: Napędy urządzeń

12 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 urządzeń

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

32 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 urządzeń

33 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 urządzeń

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

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

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

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

38 Karty katalogowe mikrosilników elektrycznych ApiPortescap J. Wierciak: Napędy urządzeń

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

40 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 urządzeń

41 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 urządzeń

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

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

45 Cel przedmiotu (Wierciak 2012) Celem przedmiotu jest przygotowanie słuchaczy do samodzielnego dobierania napędów elektrycznych do projektowanych urządzeń. Wykład - 12 godz. (dr J. Wierciak) Przegląd napędów, ze szczególnym uwzględnieniem napędów elektrycznych: konstrukcje, charakterystyki. (Zaliczenie: egzamin pisemny maks. 60 punktów) Laboratorium - 12 godz. (dr J. Wierciak, dr M. Bodnicki) Przybliżenie słuchaczom podstawowych charakterystyk elektromechanicznych przetworników energii i zapoznanie ich z doświadczalnymi metodami wyznaczania tych charakterystyk. (Zaliczenie: sprawdziany + sprawozdania z ćwiczeń maks. 20 punktów) Projektowanie - 10 godz. (dr J. Wierciak, dr M. Bodnicki) Przeprowadzenie doboru urządzeń napędowych i układów przeniesienia napędu do przykładowych układów wykonawczych. (Zaliczenie: sprawozdania z ćwiczeń projektowych maks. 20 punktów) J. Wierciak: Napędy urządzeń

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

47 Napędy elektromechaniczne - zakres ćwiczeń projektowych (Wierciak 2012) 1. Dobór elektromagnesu prądu stałego do układu wykonawczego 2. Dobór silnika skokowego do pracy w obszarze rozruchowym 3. Dobór mikrosilnika prądu stałego do napędu z przekładnią 4. Dobór mikrosilnika prądu stałego do układu pozycjonującego J. Wierciak: Napędy urządzeń

48 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 urządzeń

49 Napędy elektromechaniczne urządzeń precyzyjnych - wykaz źródeł - c.d. (Wierciak 2008) Kenjo T., Nagamori C.: Dvigateli postojannogo toka s postojannymi magnitami. Énergoatomizdat. Moskva, 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 urządzeń

50 Zaliczenie przedmiotu (Wierciak 2012) Przedmiot jest zaliczany na podstawie zaliczonego wykładu, zaliczonego projektowania i zaliczonego laboratorium Ocena z przedmiotu jest obliczana jako: Punkty z wykładu + Punkty z laboratorium + Punkty z projektowania 20 J. Wierciak: Napędy urządzeń