1

U.A.V Arad

Sisteme mecanice de actionare

2

CUPRINS

1CUPRINS

21.INTRODUCERE

21.1.Definiie

21.2.Clasificarea sistemelor de acionare

31.3.Notiuni generale

41.4.BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

61.5.Consideraii privind motoarele pas cu pas (MPP)

61.5.1.Prezentarea motoarelor pas cu pas

91.5.2.Constructia si functionarea motoarelor pas cu pas

121.5.3.Scheme de comand a MPP

13BIBLIOGRAFIE

1. INTRODUCERE1.1. Definiie

Sistemul de acionare este o mulime de elemente fizice legate ntre ele care se introduce ntre generatorul de energie mecanic i dispozitivul (unealta) care opereaz direct asupra obiectului de lucru cu scopul de a transforma i transmite energia mecanic iniial (principal) la organul final care acioneaz asupra obiectului de lucru.

1.2. Clasificarea sistemelor de acionare

Prin raport cu gradul de intervenie a corpului uman se disting sisteme de acionare cu intervenie uman i sisteme de acionare fr intervenie uman.

Sistem manual de acionare

Sistemele de acionare cu intervenie uman se caracterizeaz prin faptul c sunt puse n micare de energia fizic a corpului omenesc.Sistemele de acionare cu participare uman sunt denumite ndeobte sisteme de acionare manuale deoarece n majoritatea cazurilor fora este transmis sistemelor prin mini dei sunt folosite uneori i membrele inferioare.

Sistem mecanic de acionare

Sistemele de acionare fr intervenie uman sunt cele care sunt puse n micare de surse de energie exterioare corpului omenesc.Aceste surse de energie sunt numite motoare fiind generatoare de for mecanic ce pune n micare sistemul de acionare denumit n acest caz sistem de acionare mecanic.Dei sursa energiei mecanice poate fi hiraulic, pneumatic, electric, termic, chimic sau de alt natur sistemele de acionare puse n micare de aceste motoare sunt denumite mecanice deoarece micarea forei de la motor la sistemul de acionare i de la el la obiectul asupra cruia se acioneaz se finalizeaz ntr-o form mecanic.

1.3. Notiuni generale

Pentru dezvoltarea forelor i momentelor i realizarea mic rilor n sistemele mecatronice se utilizeaz sisteme de acionare de cele mai diferite tipuri i forme de energie. Pentru cuprinderea tuturor acestor dispozitive tehnice ntr-o singur noiune, se utilizeaz, n literatura strin, termenul de actor (de la verbul englez to act = a aciona), care include toate elementele de ieire, destinate producerii de fore i micri. n figura 1 sunt sintetizate principalele forme de energie i de efecte pentru realizarea unor aciuni mecanice [ISE99], iar tabelul 5.1 cuprinde o detaliere a diferiilor actori, care utilizeaz o anumit form de energie [ROD03].

Fig. 1 Forme de energie i efecte pentru realizarea unor aciuni mecanice [ISE99.

Actorul include dou componente de baz, una care furnizeaz energia necesar, n baza semnelelor primite de la sistemul numeric de comand, cea de-a doua care transform energia primit n energie mecanic, utilizat pentru dezvoltarea de fore/momente i/sau efectuarea mi c rilor.

n cazul utilizrii energiei electrice, prima component poate fi implementat, de la caz la caz, cu un simplu releu sau cu un bloc de tranzistoare de putere, cu logica i circuitele de reacie adecvate, dup cum, n cazul utilizrii energiei hidraulice sau pneumatice, distribuirea acesteia se poate face cu ventile simple sau cu servoventile.

1.4. BAZELE SISTEMELOR MECATRONICE

n msura n care cele dou componente sunt distincte, cea de-a doua este ncadrat, n cele mai multe cazuri n noiunea de motor. Vorbim despre:

motoare electrice, rotative (motorul pas cu pas, motorul de curent continuu, motorul sincron, motorul asincron) sau liniare (motorul pas cu pas liniar, motorul asincron liniar);

motoare fluidice (hidraulice sau pneumatice) liniare (cilindrii hidraulici/pneumatici) sau rotative (cu palete, cu pistoane axiale, cu pistoane radiale).

Cmpuri electrice i

Electromotor

Energie

magnetice externe

Electromagnet

electric

Fore moleculare

Actori feroelectrici

Interne

Actori magnetostrictivi

Actori piezoelectrici

Energie

Fore de presiune realizate

Sisteme cu presiuni mai mari

fluidic

pneumatic

dect presiunea atmosferic

Sisteme cu presiuni mai mici

dect presiunea atmosferic

Fore de presiune realizate

Motoare hidraulice

hidraulic

Energie

Dilatare termic

Bimetal termic

Actor bazat pe dilatarea termic

termic

Efectul de memorie a

Aliaje cu memorie uni-sens

formei

Aliaje cu memorie dublu-sens

Energie

Presiune din electroliz

Acionri electrochimice

chimic

Presiune din explozie

Acionri pirotehnice

Sistemele de acionare noi, ncadrate i n noiunea de acionri neconvenionale, i bazaz funcionarea pe fenomene interne din reeaua molecular sau cristalin a unor materiale speciale (tab. 1), n cazul crora noiunea de motor nu mai poate fi utilizat.

Literatura anglo-saxon utilizeaz pentru aceste sisteme de acionare, n mod predilect termenul de actuator, care provine tot de la verbul to act = a aciona, i este utilizat, frecvent, i n literatura n limba romn.

Prezentul capitol nu i propune s trateze n detaliu toate tipurile de actori, ci doar s prezinte:

problemele complexe pe care ridic utilizarea a dou tipuri de actori ncadrai n categoria electromotoarelor: motorul pas cu pas i servomotorul de curent continuu, care intr n componena unui mare numr de sisteme mecatronice;

principiile de funcionare, soluiile constructive i sistemele de comand pentru dou tipuri de actori neconvenionali, pentru care se va utiliza noiunea de actuator: actuatorii piezoelectrici i actuatorii cu memorie a formei.

1.5. Consideraii privind motoarele pas cu pas (MPP)1.5.1. Prezentarea motoarelor pas cu pas

Motorul pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizeaz transformarea unui tren de impulsuri digitale ntr-o micare proporional a axului su. Micarea rotorului MPP const din deplasri unghiulare discrete, succesive, de mrimi egale i care reprezint paii motorului. n cazul unei funcionri corecte, numrul pailor efectuai trebuie s corespund cu numrul impulsurilor de comand aplicate fazelor motorului. Deplasarea unghiular total, constituit dintr-un numr de pai egal cu numrul de impulsuri de comand aplicat pe fazele motorului, determin poziia final a rotorului. Aceast poziie se pstreaz, adic este memorat, pn la aplicarea unui nou impuls de comand. Proprietatea de univocitate a conversiei impulsuri deplasare, asociat cu aceea de memorare a poziiei, fac din MPP un excelent element de execuie, integrat n sistemele de reglare a pozi iei n circuit deschis. MPP mai prezint proprietatea de a putea intra n sincronism fa de impulsurile de comand chiar din stare de repaus, funcionnd fr alunecare, frnarea efectundu-se, de asemenea, fr ieirea din sincronism. Datorit acestui fapt se asigur porniri, opriri si reversri brute fr pierderi de pai n tot domeniul de lucru.

Viteza unui MPP poate fi reglat n limite largi prin modificarea frecvenei impulsurilor de intrare. Astfel, dac pasul unghiular al motorului este 1,8 numrul de impulsuri necesare efecturii unei rotaii complete este 200, iar pentru un semnal de intrare cu frecvena de 400 impulsuri pe secund turaia motorului este de 120 rotaii pe minut. MPP pot lucra pn la frecvene de 1000 - 20000 pai / secund, avnd pai unghiulari cuprini ntre 180 si 0,3. Aplicaiile acestora sunt limitate la situaiile n care nu se cer puteri mari (puteri uzuale cuprinse ntre domeniile microwailor si kilowailor). MPP sunt utilizate n aplicaii de mic putere, caracterizate de mic ri rapide, precise, repetabile: plotere x-y, uniti de disc flexibil, deplasarea capului de imprimare la imprimante serie, acionarea mecanismelor de orientare si prehensiune la roboti, deplasarea axial a elementelor sistemelor optice, mese de poziionare 2D pentru mainile de gurit etc.

Utilizarea MPP confer urmtoarele avantaje:

gam larg a frecvenelor de comand;

precizie de poziionare i rezoluie mari;

permit porniri, opriri, reversri fr pierderi de pai;

memoreaz poziia;

sunt compatibile cu comanda numeric.

Principalele dezavantaje ale utilizrii MPP sunt:

unghi de pas, deci increment de rotaie, de valoare fix pentru un motor dat;

vitez de rotaie relativ sczut;

putere dezvoltat la arbore de valoare redus;

randament energetic sczut;

Funcionarea unui MPP nu poate fi privit dect n contextul ntregului ansamblu motor-sarcin (sistem mechanic) au fost rezolvate toate aspectele legate de cinematica i dinamica acionrii: reducerea maselor/momentelor de inerie i a forelor/momentelor la axul MPP, stabilirea profilelor de vitez i a vitezelor/aceleraiilor necesare deplasrii sarcinii ntr-un timp impus, n funcie de tipul mecanismului de acionare utilizat (cu transmitere tangenial a micrii fig. 2, a), cu mecanism urub (cu bile) piuli (fig.2, b), cu reductor (fig.2,c) etc.

a) b)

c)

Fig. 2 Sistemul de actionare pas cu pas.

Realizarea de micri cu MPP a) de translaie cu mecanisme cu transmitere tangenial a mic rii (pinion-curea din at; pinion-cremalier); b) de translaie cu urub-piuli; c) de rotaie (construcie cu reductor intern)

Tipul sarcinii i al mecanismului de acionare sunt eseniale pentru alegerea MPP, prin:

Impunerea unei anumite rezoluii a sistemului mecanic;

Reducerea maselor/momentelor de inerie la axul MPP;

Reducerea forelor/momentelor la axul motorului;

Impunerea unui profil de vitez pentru realizarea micrilor;

ncadrarea raportului moment de inerie reflectat/moment de inerie al MPP n limite adecvate.

1.5.2. Constructia si functionarea motoarelor pas cu pas

Motorul pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizeaz transformarea unui tren de impulsuri digitale ntr-o micare proporional a axului su. Micarea rotorului MPP const din deplasri unghiulare discrete, succesive, de mrimi egale i care reprezint paii motorului. n cazul unei funcionri corecte, numrul pailor efectuai trebuie s corespund cu numrul impulsurilor de comand aplicate fazelor motorului. Deplasarea unghiular total, constituit dintr-un numr de pai egal cu numrul de impulsuri de comand aplicat pe fazele motorului, determin poziia final a rotorului. Aceast poziie se pstreaz, adic este memorat, pn la aplicarea unui nou impuls de comand. Proprietatea de univocitate a conversiei impulsuri deplasare, asociat cu aceea de memorare a poziiei, fac din MPP un excelent element de execuie, integrat n sistemele de reglare a pozi iei n circuit deschis. MPP mai prezint proprietatea de a putea intra n sincronism fa de impulsurile de comand chiar din stare de repaus, funcionnd fr alunecare, frnarea efectundu-se, de asemenea, fr ieirea din sincronism. Datorit acestui fapt se asigur porniri, opriri si reversri brute fr pierderi de pai n tot domeniul de lucru.

Viteza unui MPP poate fi reglat n limite largi prin modificarea frecvenei impulsurilor de intrare. Astfel, dac pasul unghiular al motorului este 1,8 numrul de impulsuri necesare efecturii unei rotaii complete este 200, iar pentru un semnal de intrare cu frecvena de 400 impulsuri pe secund turaia motorului este de 120 rotaii pe minut. MPP pot lucra pn la frecvene de 1000 - 20000 pai / secund, avnd pai unghiulari cuprini ntre 180 si 0,3. Aplicaiile acestora sunt limitate la situaiile n care nu se cer puteri mari (puteri uzuale cuprinse ntre domeniile microwailor si kilowailor). MPP sunt utilizate n aplicaii de mic putere, caracterizate de mic ri rapide, precise, repetabile: plotere x-y, uniti de disc flexibil, deplasarea capului de imprimare la imprimante serie, acionarea mecanismelor de orientare si prehensiune la roboti, deplasarea axial a elementelor sistemelor optice, mese de poziionare 2D pentru mainile de gurit etc.

MPP sunt de mai multe feluri: rotative sau liniare, numrul nfurrilor de comand variind ntre unu si cinci. Din punct de vedere al construciei circuitului magnetic sunt trei tipuri principale:

a. cu reluctan variabil (de tip reactiv);

b. cu magnet permanent (de tip activ);

c. hibride.

MPP cu reluctan variabil (figura 3) are att statorul ct si rotorul prevzute cu dini uniform distribuii, pe cei ai statorului fiind montate nfurrile de comand. Rotorul este pasiv. La alimentarera unei/unor faze statorice, el se rote te de aa manier, nct liniile de cmp magnetic s se nchid dup un traseu de reluctan minim, adic dinii rotorici s se gseasc, fie fa n fa cu cei statorici (fig. 3, I i II), fie plasai dup bisectoarea unghiului polilor statorici (fig. 3, III). Acest tip de motor asigur pai unghiulari mici i medii i poate opera la frecvene de comand mari, ns nu memoreaz poziia (nu asigur cuplu electromagnetic n lipsa curentului prin fazele statorului respectiv, nu are cuplu de meninere).

Fig. 3 Schema de principiu a unui MPP cu reluctan variabil

MPP cu magnet permanent are dinii rotorului constituii din magnei permaneni, cu polii dispui radial (n figura 3, poziia I, se va imagina un pol rotoric S n dreptul polului N al statorului i un pol rotoric N n dreptul polului S generat de nfurarea AA). Cnd se alimenteaz fazele statorului se genereaz cmpuri magnetice, care interactioneaz cu fluxurile magneilor permaneni, dnd natere unor cupluri de for e, care deplaseaz rotorul. Aspectele legate de comanda n secvene, simpl , dubl i mixt, sunt similare cu cele de la MPP cu reluctan variabil . n schimb, n msura n care rotorul execut un numr de pai i polul sud al rotorului se apropie de polul A al statorului, curentul prin nfurarea AA trebuie s -i schimbe sensul, pentru a-i opune acestuia un pol nord i a menine sensul cuplului de fore. Alimentarea fazelor se face cu impulsuri de polaritate alternat, lucru care complic structura dispozitivului de comand, numit comand bipolar

Acest tip de motor asigur momente motoare mai mari i un cuplu de meninere a rotorului, chiar n lipsa alimentrii fazelor Paii unghiulari obinui sunt mari (ntre 45 si 120), ntruct num rul de magnei permanen i, care pot fi dispui de-a lungul circumferinei rotorului este mult mai mic dect numrul de dini accesibil pentru rotorul uni MPP cu reluctan variabil.

O soluie care elimin dezavantajul unui unghi de pas mic este cea a unui MPP cu rotor disc, realizat de firma Portescape din Elveia, a crui schem de principiu este prezentat n figura 4. Esta constituit din dou armturi statorice, decalate spaial cu din pasul polar, i un rotor n form de disc, pe a crui circumferin sunt dispuse 50 de perechi de magnei permaneni, fiecare cu o alternan nord-sud. Distana dintr dou perechi reprezint un pas polar. nfurrile statorului primesc, alternativ, cte o pereche de impulsuri, cu schimbarea sensului curentului (comand bipolar), care asigur deplasarea rotorului cu un pas polar. Numrul de impulsuri pe revoluie va fi, n consecin, de 200, iar unghiul de pas este de 1,8.

MPP hibrid este o combinaie a primelor dou tipuri, mbinnd avantajele ambelor i fiind varianta de MPP utilizat n marea majoritate a aplicaiilor.

n cazul unui MPP hibrid, rotorul este constituit dintr-un magnet permanent, dispus longitudinal, la ale c rui extremiti sunt fixate dou coroane dinate din material feromagnetic (fig. 5, a). Dinii unei coroane constituie polii nord, iar dinii celeilalte coroane, polii sud. Dinii celor dou coroane sunt decalai spaial, astfel nct, dac un dinte al unei coroane se g sete n dreptul unui dinte statoric, dintele rotoric de pe cealalt coroan s se afle la jumtatea unghiului dintre doi dini statoric

Fig. 4 Schema de principiu a unui MPP cu magnei permaneni i rotor disc

Fig. 5 Motor pas cu pas hybrid cu 2 faze

1.5.3. Scheme de comand a MPP

O schem obinuit de comand a motoarelor pas cu pas cu un sistem numeric este prezentat n figura 6.

Fig. 6 Schema de comanda motor pas cu pas

n aceast schem, sistemul numeric de comand furnizaz numai 2 semnale:

un semnal sub forma unui tren de impulsuri, de o anumit frecven, care determin frecvena de generare a impulsurilor de comand pentru MPP i, n consecin, viteza unghiular a MPP;

un semnal de binar (0/1) care stabilete ordinea n care sunt distribuite impulsurile

de comand la faze i, n consecin, sensul orar sau antiorar de deplasare a MPP. Rolul generrii secvenelor de comand pentru tranzistoarele de putere, care activeaz curenii prin fazele MPP, revine unui circuit special, numit distribuitor de

impulsuri.

Exist i soluii n care un procesor numeric furnizeaz direct cele 4 semnale de comand, F1F4, i elimin din schem distribuitorul de impulsuri.

BIBLIOGRAFIE

1. http://ro.wikipedia.org/ - Motoare pas cu pas

2. http://ro.wikipedia.org/ - Sisteme de actionare electrice

3. http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on-line/BSM/BSM/capitol5.pdf - Sisteme de actionare