1.3. Виконавчі пристрої систем мехатроники
Сучасна тенденція в рішенні проблем автоматизації технологічних процесів пов'язана із широким впровадженням систем мехатроники, побудованих на базі мікропроцесорної техніки й виконавчих пристроїв з електричним керуванням.
До виконавчих пристроїв систем мехатроники можна віднести пропорційні й дискретні приводи, керовані розподільники й насоси, пропорційні клапани, регулятори й інші пристроїв здатні відповідно до сигналів електронної системи керування робити дозоване перетворення одного виду енергії в інший [22] Достоїнства й недоліки способу перетворення енергії, закладеного й виконавчому пристрої, визначають його технічні характеристики.
Електричні приводи
В електричному приводі використовується перетворення електричному енергії в механічну. Електричний привод на базі асинхронних двигунів, двигунів постійного струму або крокових двигунів широко застосовується в системах мехатроники вантажопідйомністю до 35 кг. Асинхронні двигуни допускають східчасте регулювання частоти обертання шляхом зміни кількості підключених пар полюсів або пропорційне регулювання шляхом зміни частоти керуючої напруги змінного струму. У двигунах постійного струму частота обертання регулюється амплітудою підведеної напруги постійного струму. У крокових електродвигунах із частотно-імпульсною системою керування частота обертання визначається частотою керуючих імпульсів, а кут повороту - кількістю керуючих імпульсів.
До достоїнств електричних приводів ставляться високий к.п.буд., використання одного виду енергії в керуючих і силовій частинах, безшумність у роботі, екологічна чистота.
Основні недоліки цього типу виконавчих пристроїв убусловлены, закладеним у них, способом перетворення електричної енергії в механічну. Зазначене перетворення здійснюється за допомогою електромагнітного поля, що приводить до зниження твердості й зростанню инерционности привода. У результаті частота реверса електроприводів звичайно не перевищує 70 Гц і для них характерні низькі динамічні характеристики [15]. Наявність силових електричних обмоток і колекторный підведення енергії роблять привод пожаро- і вибухонебезпечним і обмежують його застосування в ряді хімічних виробництв, при виконанні покрасочных робіт, при обслуговуванні окремих видів складських приміщень і ряду інших технологічних процесів. Чутливість електродвигунів до зовнішніх електромагнітних полів сниижает надійність електроприводів. Електричні приводи характеризуються низькими массогабаритными показниками. Питома потужність приводів з асинхронними електродвигунами досягає 100 Вт/кг, а двигунами постійного струму - 40 Вт/кг. Перспективні високомоментні електродвигуни дозволяють довести цей показник до 150 Вт/кг [15]. Розв'язна здатність електричних приводів становить одиниці кутових мінут і десяті частки міліметра. Їх відрізняє вузький діапазон регулювання швидкості, складність одержання лінійних переміщень і вузький температурний діапазон. Потужність електричних приводів, що стежать, звичайно не перевищує 2 кВт. Відомі розробки електродвигунів із друкованим і гладким ротором, безредукторних електродвигунів, а також безконтактних електродвигунів, що не іскрять, дозволяють частково усунути недоліки електропривода.
Пневматичні приводи
Пневматичні приводи (ПП), незважаючи на широку поширеність у системах мехатроники, здатні вирішувати тільки досить вузьке коло технологічних завдань. Застосовуються вони в основному тільки в циклових системах керування, які є узкоспециализированными й рідко перепрограмуються. У циклових системах зі шляховим керуванням точність позиціонування може досягати десятих часток міліметра. Для забезпечення плавного гальмування привода при підході до заданої позиції або торцевої кришки звичайно застосовуються пневматичні або замкнуті гідравлічні гальмові пристрої.
ПП відрізняє дуже висока швидкість переміщення й легкість одержання лінійних і кутових переміщень. Вантажопідйомність пневматичних приводів звичайно не перевищує 20 кг. Високий ступінь стискальності повітря як робочого тіла не дозволяє будувати точні пневматичні приводи, що стежать, з вантажопідйомністю більше 10 кг. Для побудови малопотужних що стежать ПП звичайно використовують широтно-імпульсне керування в сполученні зі швидкодіючими двопозиційними електропневматичними клапанами в каналах керування пневмоцилиндра. Точність позиціонування в подібних приводах при робочому тиску до 0,8 Мпа не перевищує декількох міліметрів. ПП ставиться до категорії екологічно чистих приводів і за умови відсутності в блоці підготовки повітря маслораспылителя широко використовується в системах мехатроники у фармацевтичній і харчовій промисловості.
Гідравлічні приводи
Гідравлічні виконавчі пристрої (ГИУ) використовують у системах мехатроники, вантажопідйомність яких перевищує 35 кг. Питома потужність ГИУ досягає 200 Вт/кг і більше. Вони дозволяють забезпечити високу швидкодію, швидкості лінійних переміщень 1,5...2 м/с і кутових — 6,3...8 радий/с. Частота реверса досягає 200 Гц. Мала стискальність рідини в них забезпечує високу твердість. К.п.буд. гідравлічних приводів залежить від застосованого способу дозування рідини. Тому к.п.буд. у них може коливатися від 0,9 при машинному або об'ємному способі регулювання швидкості до 0,18 при дросельному способі регулювання швидкості з послідовним включенням дроселя. Однак, через високу вартість регульованих об'ємних гідромашин, що стежать електрогідравлічні приводи з машинним регулюванням швидкості економічно виправдані тільки при потужності більше 5 кВт. Істотним достоїнством гідравлічних приводів є легкість одержання лінійних і кутових переміщень. Компактність, висока питома потужність і пожаробезопасность електрогідравлічних приводів дозволяють розташовувати їх безпосередньо на кінематичних ланках засобів автоматизації, спрощуючи їхню конструкцію, підвищуючи точність і продуктивність за рахунок усунення додаткових кінематичних передач. Дискретність позиціонування досягає 0,1 мм або 4 10-3 радий. При використанні індустріальних масел температурний діапазон становить -20...+60 0С, а при застосуванні синтетичних рідин він може розширюватися до -60...+200 0С. Потужність досягає 7 кВт. Головними недоліками ГИУ є:
- наявність, принаймні, двох видів енергії, що спричиняє необхідність установки в засобі автоматизації громіздкої насосної станції;
- можливість витоків рідини в робочу зону;
- необхідність попереднього прогріву рідини, що знижує продуктивність устаткування;
- значний шум при роботі.
При дросельному способі дозування доводиться застосовувати спеціальні міри для охолодження робочої рідини в процесі експлуатації. ГИУ характеризуються складністю конструкцій і низкою технологічністю.
Однак, описані способи одержання програмувальних лінійних і кутових переміщень не дозволяють забезпечити зростаючі потреби систем мсхатроники в різноманітних високоефективних виконавчих пристроях, здатних забезпечити рішення широкого кола завдань автоматизації технологічних процесів у різних областях техніки, медицини й сільського господарства.
Фахівцями в області автоматизації постійно ведуться роботи зі створення найрізноманітніших электронноуправляемых виконавчих пристроїв на базі відомих у природі ефектів і явищ.
П'єзоелектричні приводи
В останні роки широке поширення в системах мехатроники одержали виконавчі пристрої, побудовані на базі п'єзоелектричних перетворювачів (ПЭП). У цьому класі виконавчих пристроїв як електромеханічний перетворювач використовується п'єзоелектрична кераміка, що здатна деформуватися при зміні підведеного електричного потенціалу (режим зворотного пьезоэффекта), а також може генерувати на своїх поверхнях електричний потенціал при деформуванні зовнішньою силою (режим прямого пьезоэффекта) [6]. Обсяг пьезокерамики при цьому залишається незмінним.
На відміну від традиційних електромагнітних перетворювачів, в основі роботи яких лежить зміна електромагнітного поля, у ПЭП використовується електричне поле, що значно підвищує надійність і перешкодозахищеність виконавчих пристроїв в умовах зовнішніх електромагнітних полів, що обурюють. Сучасні состави п'єзоелектричної кераміки відрізняються високим к.п.буд., високою механічною міцністю, здатністю працювати в діапазоні температур - 273...+3500С, а состави на основі кобальту - до +7000С, інертністю до агресивних середовищ, нечутливістю до електромагнітних і радіаційних полів. У виконавчих пристроях на базі п'єзоелектричної кераміки массогабаритные показники в порівнянні із традиційним електроприводом знижені в 1,5... 100 разів, досягаються високі динамічні й навантажувальні характеристики.
П'єзоелектричні виконавчі пристрої створюються для двох режимів порушення - низькочастотного дорезонансного й резонансного. Звичайно з низькочастотним режимом порушення будуються виконавчі пристрої позиціонування [11,20,21].
П'єзоелектрична кераміка, забезпечуючи деформацію, порциональную величині підведеної електричної напруги, сама може виступати в ролі позиційного виконавчого пристрою. Одержувані при цьому переміщення визначаються залежністю
де: Δl - величина деформації пьезоэлемента; l-l- довжина пьезоэлемента в напрямку деформації; d33 - пьезомодуль у напрямку 33; Е - напруженість електричного поля; SЕ33- модуль Юнга; F-F- площа пьезокерамики; Р-Р- розвивається усилие, що.
З метою зменшення величини електричної напруги, необхідного для одержання заданого переміщення, керамікові звичайно секционируют, тобто виконавчий пьезокерамический елемент створюють у вигляді, установлених механічно послідовно й підключених электрически паралельно з дотриманням полярності, тонких п'єзоелектричних шайб (мал. 1.4).
Такій складовій пьезокерамический пакет при керуючій напрузі 400 У и товщині пакета порядку 100 мм здатний робити переміщення до 100 мкм. Точність позиціонування може досягати десятих часток мікрометра.
При малих величинах навантажень використовують биморфную конструкцію пьезокерамического виконавчого пристрою, утворену шляхом склейки або спайки пьезокерамических пластин і разнополюсного паралельного їхнього підключення до керуючої напруги (мал. 1.5).
Пластина вигинається за рахунок того, що керуюча напруга викликає стиск одного зі склеєних по площині пьезоэлементов і розтягання іншого. Величина прогину консольно закріпленого плоского биморфного елемента в холостому режимі може бути розрахована відповідно до залежності
де: d31 - пьезомодуль у напрямку 31; h - товщина биморфного пьезоэлемента; U - підведена електрична напруга.
П'єзоелектричний привод на основі консольно закріпленої биморфной пластини довжиною 60 мм і товщиною 1 мм при напрузі ± 500 У при відсутності навантаження забезпечує переміщення ± 0,3 мм. Міцність конструкції досягається за рахунок армування плоским центральним електродом.
Такі приводи застосовуються як електромеханічний перетворювач у гідропідсилювачі « сопло-заслінка». У цьому випадку пьезоэлемент виконує роль заслінки, що змінює провідність регульованих дроселів у гідравлічній мостовій схемі, у діагоналі якої встановлений силовий розподільний золотник.
Приводи у вигляді складених пакетних і биморфных п'єзоелектричних перетворювачів, маючи можливості тонкого пропорційного або дискретного регулювання, можуть виступати в ролі швидкодіючих приводних елементів гідравлічних дросселирующих пристроїв різного виконання. Наприклад, на базі биморфных пьезокерамических пластин будуються регулятори витрати рідини із дроселями змінної провідності типу « сопло-заслінка», частота спрацьовування яких досягає 1 кГц.
На базі складеного пьезокерамического пакета, здатного розвивати досить більші зусилля, будуються короткоходовые пьезогидравлические приводи, у яких за рахунок застосування гідравлічних мультиплікаторів досягаються переміщення до 1 мм (мал.1.6) [11, 21]. Точність позиціонування досягає одиниць мікрометрів. Зниження точності позиціонування внаслідок гістерезису пьезокерамики вдається усунути електричними коректуваннями.
У таких герметичних мультиплікаторах застосовуються рідини з високими значеннями модуля об'ємної пружності, проводиться обов'язкова дегазація рідини, а складання мультиплікаторів проводиться без доступу повітря. Використовуються этиленгликолевые рідини або рідкі метали. При розрахунку таких мультиплікаторів необхідно враховувати й пружність мембран, тобто брати до уваги наведені значення модуля об'ємної пружності рідини [18]. Для підвищення міцності пьезокерамического пакета використовують армування центральним болтом або зустрічно встановлюють ідентичний пакет.
Короткоходовые пьезогидравлические приводи лежать в основі сучасних мехатронных систем адаптивних дзеркал, здатних змінювати в режимі, що стежить, свою кривизну, адаптивних затискних пристосувань, роботизированных комплексів, а також мехатронных систем электронноуправляемых дизельних двигунів.
Низькочастотні ПЭП дозволяють створити електрогідравлічні длинноходовые приводи машинного регулювання швидкості. Такі приводи на відміну від приводів дросельного регулювання, мають високий к.п.буд. і не вимагають наявності громіздкого гідравлічного бака.
ПЭП дозволяють цим автономним приводам працювати в адаптивних мехатронных системах із частотно-імпульсним керуванням. Приклад подібного привода представлений на мал. 1.7 [30]. Корпус 1 привода заповнений дегазованої этиленгликолевой рідиною. У корпусі розміщені стислі пьезокерамические складові пакети 2, 3, 4 і 5. Пьезокерамические пакети впираються в поршні 7 і 8. Поршні 7 і 8 перебувають усередині рухливої гільзи 6, пов'язаної з робочим органом. Усередині поршнів розміщені електрогідравлічні двопозиційні клапани. Електронна система керування забезпечує підключення ПЭП і клапанів до питаюшиму напруги відповідно до запрограмованої послідовності. У результаті кожному керуючому імпульсу, за рахунок перистальтического руху перетворювачів і клапанів, відповідає певний обсяг рідини, що переноситься з однієї крайньої порожнини корпуса в іншу.
Це приводить до переміщення гільзи 6 на один крок. Шлях переміщення гиль і задається кількістю поданих імпульсів, а швидкість переміщення - частотою імпульсів. Величиною подаваного на складові пьезопакеты напруги можна регулювати обсяг рідини, що відповідає одному керуючому імпульсу, тобто забезпечити адаптацію привода до технологічних потреб. Для компенсації температурного розширення рідини й можливих витоків схема може передбачати розширювальний пневмогидравлический акумулятор [23].
Резонансні пъезогидравлические приводи
Широку гаму виконавчих пристроїв мехатронных систем залишають резонансні пьезогидравлические апарати. Ці пристрої відрізняються високим к.п.буд. ПЭП, порушуваних у режимі резонансу. Частота резонансу звичайно лежить у діапазоні 18 кГц - 5 Мгц. На базі таких перетворювачів будуються ультразвукові диспергаторы, що забезпечують одержання мелкодисперсного аерозолю шляхом розпилення в тонкому шарі або у фонтані [30].
Акустична система диспергатора з розпиленням у тонкому шарі забезпечує порушення ультразвукових резонансних поздовжніх коливань. При цьому по довжині диспергатора встановлюється стояча хвиля деформації, а на торцевій поверхні, що розпорошує, за рахунок трансформатора швидкості забезпечується одержання амплітуди коливань, достатньої для руйнування межмолекулярных зв'язків (мал. 1.8).
У диспергаторах з розпиленням у фонтані концентрація ультразвукової енергії досягається за рахунок фокусування хвилі, що біжить, деформації у фокальній крапці акустичної лінзи або напівсферичного пьезокерамического елемента (мал. 1.9).
При розпиленні в тонкому шарі утвориться аерозоль із дисперсністю 5...30 мкм, що дозволяє за рахунок геометрії поверхні розпилення сформувати задану форму факела розпилу.
При розпиленні у фонтані утвориться аерозоль із дисперсністю 0,5...5 мкм. У цьому випадку крапельки, що відлітають, аерозолю, маючи дуже малу кількість руху, не дозволяють сформувати факел.
Ультразвукові диспергаторы, як виконавчі пристрої мехатронных систем, допускають електронне регулювання продуктивності процесу розпилення, наприклад, за допомогою широтно-імпульсної модуляції або электронноуправляемых дозаторів [19].
Регулювання дисперсності одержуваного аерозолю при заданій резонансній частоті може бути в певних межах досягнуто за рахунок зміни амплітуди електричних коливань.
На базі резонансних ультразвукових ПЭП будуються малопотужні пристрої транспортування рідини, що допускають тонке електронне регулювання продуктивності [24].
Резонансними виконавчими пристроями є також проточні (мал. 1.10) і непротічні (мал. 1.11) ультразвукові кавитационные камери й ванни, призначені для активування, перемішування й знезаражування рідин, а також для очищення деталей складної конфігурації.
Висока ефективність резонансних кавитационных апаратів досягається за рахунок усунення взаємного впливу ультразвукових випромінювачів. Із цією метою виконується акустична розв'язка випромінювачів або їхня установка в пучностях хвилі деформації.
Відоме застосування проточних кавитационных камер у технологічному процесі видобутку нафти для обробки пластової води. У системах мехатроники проточні й непротічні кавитационные апарати попускають електронне пропорційне й широтно-імпульсне регулювання інтенсивності кавітації.
Розглянуті виконавчі пристрої побудовані з використанням відомих законів механіки: закону Ньютона, закону збереження маси, закону збереження імпульсу, закону збереження енергії, реологических законів і т.д.