Mechatronika i inteligentne systemy produkcyjne Aktory 1
Definicja aktora Aktor (ang. actuator) -elektronicznie sterowany człon wykonawczy. Aktor jest łącznikiem między urządzeniem przetwarzającym informację (mikroprocesorem) i procesem, którego parametry należy zmieniać. 2
Umiejscowienie aktora w systemie mechatronicznym Energia Sensory Procesor Aktory Proces 3
Cechy aktora Aktory pozwalają nastawiać w określony sposób (kierować) strumienie energii lub przepływy masy. Wielkością wyjściową aktora jest zazwyczaj energia mechaniczna. Wejście aktora jest sterowane elektrycznie (napięcie, prąd, wypełnienie impulsu, częstotliwość, słowo cyfrowe). Wzmocnienie mocy potrzebne sterowania dużym strumieniem energii za pomocą sygnału o małej mocy jest osiągane głównie na drodze elektrycznej, hydraulicznej lub pneumatycznej. 4
Wymagania stawiane aktorom Duża dokładność nastawiania (pozycjonowania) Możliwie dobra dynamika nastawiania Te dwie grupy wymagań stoją do siebie w opozycji. Osiąganie dużej dokładności nastawiania odbywa się kosztem dynamiki i odwrotnie. Problem udaje się znacząco zminimalizować w zamkniętych obwodach sterowania położeniem (pozycją). 5
Czynniki ograniczające jakość regulacji Dokładność wykonania elementów mechanicznych Tarcie i straty w przekładniach Efekty histerezy i nasycania (np. magnetycznego) Nieliniowe charakterystyki statyczne Zmiany w procesie podlegającym sterowaniu 6
Budowa aktora Aktor składa się z: - przetwornika energii, - nastawnika energii. Wielkością wejściową i wyjściową przetwornika energii jest energia, choć zazwyczaj następuje jej zamiana w inną formę, np. elektryczna->mechaniczna. Wielkością wejściową nastawnika jest wspomniana wyżej wielkość elektryczna (energia pobierana ze źródła sygnału jest wielokrotnie mniejsza od energii przetwarzanej w przetworniku). Wielkością wyjściową jest sterowanie przetwarzaniem energii. 7
Tendencja rozwojowa aktorów Początkowo aktory były prostymi urządzeniami wykonawczymi o małej precyzji wykonania Z czasem zaczęto budować precyzyjne aktory, pozwalające na sterowanie szeroką gamą procesów W celu zwiększenia wydajności aktorów zaczęto zaopatrywać je w mikroprocesory, pozwalające na realizację podstawowych algorytmów sterowania wprost na pokładzie aktora, co poprawiło ich właściwości dynamiczne i zwiększyło dokładność bez zwiększania precyzji wykonania. 8
Tendencja rozwojowa aktorów - aktory inteligentne Dostarczenie aktorowi inteligencji pozwala na jego adaptację do aktualnych warunków otoczenia, co poprawia nastawianie, zmniejsza zużycie energii i zwiększa żywotność samego aktora. Przykład aktywne zawieszenie samochodu, przystosowujące się do rodzaju nawierzchni. Aktor inteligentny jest w rzeczywistości prostym systemem mechatronicznym. 9
Klasyfikacja aktorów Aktory klasyfikuje się ze względu na formę energii pomocniczej, potrzebnej do realizacji wybranego zadania. Najbardziej ogólny podział wyróżnia aktory: Elektromechaniczne Hydrauliczne Pneumatyczne Niekonwencjonalne (inne) 10
Aktory elektromechaniczne Elektromagnesy Silniki prądu stałego Silniki prądu przemiennego Silniki krokowe Serwomechanizmy Inne 11
Aktory elektromechaniczne Elektromagnesy, solenoidy: przetwarzają energię pola magnetycznego wytworzonego wokół cewki z prądem na przemieszczenie rdzenia metalowego lub magnesu stałego. 12
Aktory elektromechaniczne Silniki prądu stałego: (bez/)komutatorowe, z rdzeniem kubkowym, z magnesami stałymi itd. Silnik kubkowy Źródło: http://pl.wikipedia.org/ Zasada działania Źródło: http://pl.wikipedia.org/ 13
Aktory elektromechaniczne Silniki prądu przemiennego: silniki asynchroniczne wymagają ścisłej kontroli kąta obroty, ale są proste i tanie silniki synchroniczne pozwalają na wymuszenie prędkości obrotowej zależnej tylko od częstotliwości prądu przemiennego. Źródło: http://pl.wikipedia.org/ 14
Aktory elektromechaniczne Silniki krokowe: komutacja jest realizowana układem elektronicznym, co pozwala na precyzyjne wymuszenie kąta obrotu lub prędkości. Źródło: http://pl.wikipedia.org/ 15
Aktory elektromechaniczne Serwomechanizmy: układy nastawiania kąta obrotu w zamkniętej pętli sprzężenia, wykorzystują często silniki kubkowe. Źródło: http://pl.wikipedia.org/ 16
Aktory hydrauliczne Siłowniki hydrauliczne: przetwarzają energię płynu pod dużym ciśnieniem (zazwyczaj oleju) w energię mechaniczną Źródło: http://pl.wikipedia.org/ 17
Aktory pneumatyczne Siłowniki pneumatyczne: przetwarzają energię gazu pod dużym ciśnieniem (zazwyczaj powietrza) albo ciśnieniem mniejszym od atmosferycznego w energię mechaniczną Przykład: młot pneumatyczny 18
Aktory niekonwencjonalne Piezoelektryczne Magnetostrykcyjne Elektrochemiczne Termobimetaliczne Inne Źródło: http://www.matint.pl/materialyelektrostrykcyjne.php Źródło: http://pl.wikipedia.org/ 19
Najważniejsze parametry aktorów Siła nastawiania w funkcji prędkości Siła nastawiania w funkcji zakresu nastawiania Moc maksymalna w funkcji masy 20
Najważniejsze parametry aktorów Siła nastawiania w funkcji prędkości 21
Najważniejsze parametry aktorów Siła nastawiania w funkcji zakresu nastawiania 22
Najważniejsze parametry aktorów Moc maksymalna w funkcji masy 23