STRUCTURA HARDWARE A UNUI SISTEM MECATRONIC Actionarea Sistemelor Mecatronice STRUCTURA HARDWARE A UNUI SISTEM MECATRONIC UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Sistemul de programare a sarcinilor – Constituit din Microprocesor sau Microcontroler (genereaza miscarile dorite si secventele acestora, in concordanta cu cerintele sau comenzile transmise). Controlerul de secvente si miscare – compara parametrii curenti ai miscarii cu cei impusi si realizeaza corecturile necesare. Amplificatorul de putere – amplifica semnalul in concordanta cu cerintele actuatorului. Actuatorul – transforma semnalul corectat in semnal de intrare (moment, forta, viteza) in accord cu cerintele procesului. Mecanismele si transmisiile mecanice – realizeaza adaptarea parametrilor actuatorului la cerintele impuse de procesul tehnologic. Senzorii – prelucreaza informatii privind parametrii procesului si transmit semnale corespunzatoare controlerului miscarii. Dispozitivul de conditionare a semnalelor – Filtre, amplificatoare etc. care prelucreaza semnalele in concordanta cu cerintele impuse de intrarea in controlerul miscarii. OBS: functie de natura sistemului, modulele pot fi combinate mai multe intr-un singur element iar structura acestora este influentata in permanenta de progresele tehnice
Schema structurală a unui robot Actionarea Sistemelor Mecatronice Schema structurală a unui robot UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Fără a pierde din generalitate, schema de mai sus poate fi modificată şi prezentată ca in continuare, astfel încât să fie puse mai bine în evidenţă subsistemele funcţionale.
Actionarea Sistemelor Mecatronice UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA
SISTEMUL DE ACŢIONARE AL ROBOŢILOR Actionarea Sistemelor Mecatronice SISTEMUL DE ACŢIONARE AL ROBOŢILOR Rol - de a realiza deplasarea dispozitivului de prehensiune şi a obiectului de manipulat pe o traiectorie, pe baza semnalelor furnizate de sistemele de comandă (SCR) şi a energiei furnizate de o sursă Alegerea sistemului de acţionare: - clasa de operaţii şi mediul de lucru; - viteza de deplasare; - precizia de poziţionare; - capacitatea de manipulare; - spaţiul de lucru; UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Electric Pneumatic Hidraulic Mixte 1972 4% 43% 53% - 1975 6% 23% 71% 1983 30% 21% 40% 9% Tendinte: Generalizarea servoactionarii electrice la robotii industriali cu sarcina portanta max. de 100-150 daN (>90%din roboti) si extinderea tipurilor “direct drive” (motorul cuplat direct cu elementul antrenat); Preferinţa, în continuare, pentru acţionările pneumatice pentru aplicaţii de montaj, unde sunt necesare viteze mari de poziţionare a efectorului robotului industrial iar sarcinile de manipulat de 0,5-10 daN (aproximativ 7% din roboţii industriali aflaţi actual în exploatare); Restrângerea domeniului de utilizare a acţionării hidraulice la sub 3% din totalul roboţilor actuali din exploatare, fiind totuşi preferată pentru pentru roboţi de gabarit mare (manipularea sarcinilor de peste 150 daN) şi pentru condiţii de operare speciale (mediu exploziv, temperaturi mari etc.).
Cerinţele pentru motoarele din cadrul SAR sunt: Actionarea Sistemelor Mecatronice Cerinţele pentru motoarele din cadrul SAR sunt: să dezvolte cupluri motoare ridicate la gabarite reduse; să aibă momente de inerţie reduse pentru facilitarea poziţionării; să fie compatibile cu sistemul de comandă; să fie insensibile la perturbaţiile din exterior. Între SAR şi celelalte sisteme ale roboţilor industriali există o interdependenţă reciprocă. UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Acţionarea cuplelor cinematice se poate face: direct (axă motor – axă articulaţie) – se elimină jocurile mecanice, scad momentele de inerţie, dar cresc greutatea şi puterea motorului; prin organ de transmisie
Acţionarea hidraulică OBS: A fost cel mai răspândit tip de acţionare însă după 1980 se constată o tendinţă de scădere a acestui tip de acţionare. UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Avantaje Robusteţe, puteri de acţionare mari, greutăţi reduse ale componentelor corespunzătoare acestor puteri, posibilităţi de reglare bune (în mod obişnuit nu necesită mecanisme suplimentare pentru transmiterea şi transformarea mişcării în cuplele cinematice conducătoare), domeniu mare de reglare a vitezelor în mod continuu, viteză mare şi uniformitate la inversarea sensului mişcării. Dezavantaje Sensibilitate la modificarea temperaturii mediului ambiant, necesitatea unui grup de acţionare hidraulic (generator hidraulic), utilizarea unor echipamente de comandă uneori complicate. Sunt poluante datorită scurgerilor prin neetanşeităţi. Ceaţa de lichid, formată în cazul curgerii sub presiune mare prin fante şi fisuri, este foarte inflamabilă datorită componentelor volatile prezente în fluidul respectiv. Contaminarea lichidelor constituie principala cauză a ieşirii din funcţiune a transmisiilor hidraulice. Dacă contaminantul este abraziv performanţele sistemului se reduc continuu. Pătrunderea aerului în lichidul sub presiune generează oscilaţii care limitează performanţele dinamice ale sistemelor hidraulice. Un circuit hidraulic, indiferent de rolul pe care-l îndeplineşte într-un sistem, este constituit dintr-o multitudine de rezistenţe hidraulice, aflate în partea de comandă sau de forţă, montate în serie sau paralel.
Acţionarea pneumatică Actionarea Sistemelor Mecatronice Acţionarea pneumatică OBS.: Este cea mai facilă şi se constată o creştere a aplicabilităţii ei în cadrul SAR. UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Avantaje Viteze mari de acţionare, elasticitate crescută, posibilităţi de conectare la reţeaua de aer comprimat; este asemănătoare în anumite privinţe cu acţionarea hidraulică dar lipsesc conductele de retur şi are o sensibilitate mai mică la modificările de temperatură; Dezavantaje Se folosesc presiuni mici (4-5 daN/cm2) ceea ce nu permite dezvoltarea unor forţe mari, performanţe de precizie şi dinamice reduse datorită compresibilităţii aerului şi vitezei de propagare scăzute a semnalelor precum şi a comutaţiei mai lente.
Acţionări hibride (combinate) Actionarea Sistemelor Mecatronice Acţionarea electrică OBS.: Există tendinţa de a fi tot mai mult utilizată. Avantaje UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Existenţa disponibilităţilor de energie electrică, asigurarea de caracteristici dinamice superioare pentru un domeniu mare de reglare al vitezelor, precizia ridicată de poziţionare, compatibilitatea mare cu sistemele de comandă şi construcţia senzorilor, adoptarea comenzilor numerice. De asemenea, utilizarea motoarelor electrice pas cu pas înlătură traductoarele de poziţie iar cuplele cinematice de translaţie pot fi acţionate cu motoare electrice liniare. Dezavantaje Necesitatea utilizării unor mecanisme suplimentare pentru adaptarea vitezei unghiulare şi a momentului motor la cerinţele concrete de mişcare ale cuplelor conducătoare, cuplarea acestor mecanisme făcându-se prin reductoare fără joc mecanic, cu inerţie redusă şi elasticitate mică. Acţionări hibride (combinate) Acestea îmbină avantajele acţionărilor descrise mai înainte dar duc la o construcţie mai complexă. Au apărut convertori electro, pneumo sau fluido-mecanici care transformă un semnal de intrare electric, fluidic sau pneumatic în unul mecanic analog, ca de exemplu: motoarele torsionale, electromagneţii proporţionali. Au apărut de asemenea servomecanismele electro-hidraulice, servovalvele, amplificatoarele hidraulice de cuplu antrenate la arborele de comandă de motoare electrice pas cu pas.
ACŢIONAREA HIDRAULICĂ Actionarea Sistemelor Mecatronice ACŢIONAREA HIDRAULICĂ UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Organizarea unei instalaţii hidraulice Circuitul hidraulic al unui braţ manipulator
Schema unui generator hidraulic Actionarea Sistemelor Mecatronice Schema unui generator hidraulic UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA
Proprietati specifice uleiurilor hidraulice Proprietăţi termice şi termodinamice - Punctul de solidificare (congelare) – este temperatura la care uleiul nu mai curge (-25 grade) - Punctul de curgere- este temperatura la care uleiul prezintă o uşoară curgere (cu 3 grade peste temp. de congelare) - Punctul de inflamabilitate - este temperatura la care uleiul dezvoltă vapori care se aprind la o sursă termică, dar care se sting dupa dispariţia sursei (180-210 grade) - Punctul de ardere - este temperatura la care uleiul continuă să ardă (220-270 grade) - Punctul de autoaprindere - este temperatura la care vaporii de ulei se aprind în contact cu aerul (aprox.250 grade) Proprietăţi termochimice şi chimice - Stabilitatea termică - este temperatura critică la care uleiul se degradează chimic (se descompune prin cracare (ruperea moleculelor) - Stabilitatea la oxidare – păstrarea proprietăţilor fizice si chimice in contact cu aerul, atunci când temperatura creşte - Stabilitatea hidrolitică – proprietatea uleiurilor de a rezista la umezeală (absorţia de lichide pe la neetanşeităţi –formare emulsiei ulei-apă) - Conţinutul de aer si capacitatea de dizolvare a gazelor- absorţia unei cantităţi suplimentare de aer peste limita admisibilă şi capacitatea de dizolvare creşte cu creşterea presiunii pana la 30 MPa. - Proprietăţi de lubrifiere (onctuozitatea : capacitate ulei de a forma straturi de molecule aderente pe supraf solide în scopul reducerii frecării în regimul de ungere la limită) Coroziunea şi protecţia anticorozivă - capaciatea de a rezista la coroziunea chimică - Filtrabilitatea şi compatibilitatea - Toxicitatea - Proprietăţi organoleptice (incolor sau transparent pentru reperarea impurităţilor; inodor-plăcut mirositor) - Aciditatea şi alcalinitatea - Cifra de cenuşă – indică posibilitatea depunerilor de cărbune
Dezemulsionarea si spumarea Cauzele apariţiei spumării sunt următoarele: Neetanşeităţi ale conductei de aspiraţie a pompei; în această situaţie, pompa aspira aer din atmosferă şi îl dizolvă în lichidul de lucru. Absenţa peretilor despartitori- liniştitorului care delimitează zona de aspiraţie din rezervorul de ulei; rolul liniştitorului este chiar de a linişti uleiul din rezervor, permiţând astfel separarea aerului dizolvat eventual in ulei înainte de aspirarea acestuia în instalaţie. Completarea lichidului din rezervor cu ulei spumat în timpul funcţionării pompei. Pornirea utilajului (după un timp îndelungat sau la punerea în funcţiune) fără a dezaera în prealabil instalaţia hidraulică. Se poate spune ca spumarea este, de fapt, o contaminare a lichidului de lucru; în urma acestei contaminări rezultă un amestec bifazic, lichid - gaze, proprietăţile şi comportarea sa în exploatare suferind modificări majore: lichidul devine compresibil, îi scade viscozitatea. Prezenţa spumării se manifestă prin funcţionare zgomotoasă, şocuri şi oscilaţii ale presiunii, încălzire excesivă, mişcarea elementelor de execuţie cu viteză neuniformă, iar în cazul sistemelor precise de poziţionare / urmărire se constată abateri nepermis de mari de la toleranţele admise.
FENOMENE SPECIALE ÎNTÂLNITE ÎN HIDRAULICĂ 1. Griparea hidraulică - considerăm un sertar cilindric circular drept, alimentat cu o presiune oarecare. Fenomenul descris mai sus se numeşte gripare hidraulică şi se explică printr-o distribuţie asimetrică a presiunii pe umerii sertarului, al cărei efect este lipirea acestuia de bucşă. Timpul necesar producerii gripajului şi dispariţiei acestuia corespunde timpului necesar strivirii filmului de ulei, respectiv refacerii acestuia. 2. Şocul hidraulic - regimul permanent se întâlneşte foarte rar în conductele transmisiilor hidraulice deoarece debitul real al pompelor volumice variază periodic cu frecvenţă mare, ciclurile maşinilor de lucru acţionate impun variaţii de viteză sau inversări ale sensului de mişcare, forţele şi momentele rezistente sunt frecvent variabile, etc.
- Singura cale de reducere a presiunii este micşorarea vitezei iniţiale prin mărirea diametrului conductei. În practică , viteza lichidului în conducte se limitează la 5m/s, o suprapresiune de 50 bar considerându-se acceptabilă pentru presiuni de lucru de 200 - 300 bar. - Efectele şocului hidraulic se limitează cu ajutorul acumulatoarelor hidropneumatice. De asemenea, se vor evita variaţiile bruşte de secţiune şi sudurile in circuitele hidraulice. - Pentru evitarea rezonanţei dintre pompa şi sistem, cauzată în special de supapele de presiune, la punerea în funcţiune mai sunt necesare modificări ale lungimilor unor conducte sau schimbarea poziţiei unor acumulatoare. 3. Cavitaţia - este un fenomen hidraulic complex, ce se produce într-un lichid aflat în mişcare şi constă în formarea unor bule (cavităţi) de vapori şi gaze, ca urmare a scăderii presiunii locale sub o valoare numită presiune critică. - În cazul instalaţiilor hidraulice, cavitaţia se manifestă prin zgomot mare în funcţionare, temperaturi mari, performanţe scăzute ale instalaţiei, uzura prematură a unităţilor de pompare. - Pentru evitarea apariţiei cavitaţiei este necesar ca presiunea lichidului de lucru la aspiraţia pompelor să nu scadă sub presiunea de vaporizare pv; pentru ulei mineral, pv = 0,66 bar. - Creşterea presiunii la aspiraţie se obţine prin presurizarea rezervorului, plasarea pompei sub nivelul lichidului din rezervor, folosirea filtrelor grosiere la aspiraţie, dimensionarea corectă a conductei de aspiraţie sau folosirea de pompe auxiliare.
APARATAJ HIDROSTATIC Aparatajul hidrostatic de comanda - asigura indeplinirea ciclului de lucru impus instalatiei sau a masinii si se imparte in: a) Aparatajul de distributie (distribuitoare, invertizoare, robinete, etc. - rolul de a dirija fluidul de lucru spre elementele sistemului, de a asigura evacuarea la rezervor a fluidului folosit si de a obtine succesiunea functionarii diverselor mecanisme actionate hydraulic. b) Aparatajul de reglare si control (supape, drosele si stabilizatoare, etc ) - asigura presiunea necesara, viteza de lucru a fluidului, acceleratia si deplasarea necesara mecanismelor actionate hydraulic. Servovalvele sunt folosite pt transmiterea marimilor de intrare dupa o anumita lege. II. Aparatajul hidrostatic auxiliar cuprinde o seriie de elemnte de importanta mai mica, dar indispensabile functionarii sistemului hidraulic. Aceste elemnte sunt conductele, filtrele, acumulatoarele si rezervoarele.
I. APARATAJUL DE COMANDA Aparatajul de comanda trebuie sa asigure pentru sistemele hidraulice regimurile optime de functionare, randamentul maxim, posibilitatea automatizarii proceselor tehnologice si totodata exploatarea in deplina siguranta, comanda usoara, pierderi hidraulice minime, sensibilitate mare, pret convenabil al instalatiei. a. Aparatajul de distributie Aparatajul de distributie are rolul de a repartiza debitele de fluid pe circuitele sistemului hidraulic conform ciclului de lucru impus motoarelor hidraulice. Aparatajul de distributie poate fi realizat in general cu distribuitoare rotative sau cu distribuitoare cu sertar (cilindrice sau plane) Simbolizarea grafica a distribuitoarelor se face conform STAS 7145-86 Functiile aparatajului de distributie sunt: asigurarea unei inversari linistite (fara socuri ) a miscarii motorului comandat; timp minim de inversare; pierderi minime de putere; pozitie precisa a organului comandat in punctele extreme. OBS.: Fiecare din aceste cerinte poate fi conditionata de tipul masinii sau a organului actionat, fiind cerute de exemplu precizii pozitionale de ordinul sutimii de milimetru sau viteze mari de deplasare cu micsorarea socului hidraulic. In general distribuitoarele hidraulice realizeaza comutarea circuitelor prin deplasarea unor mase mici (masa sertarasului) deci in cazul existentei unor forte de inertie suficient de reduse, ceea ce asigura calitatii dinamice superioare sistemelor de actionare mecanice si chiar electromecanice.
Comanda distribuitoarelor, Se poate realiza pe : cale mecanica (directa), electrica (electromecanica), hidraulica sau prin combinatii, ceea ce asigura o integrare usoara in schemele de automatizare a comenzilor. In cazul in care comanda distribuitoarelor se face electric sau hidraulic, ele se numesc distribuitoare pilotate (electric, hidraulic). Inversarea hidraulica trebuie sa raspunda in general urmatoarelor cerinte impuse de procesul tehnologic: realizarea celor trei faze ale inversarii: - franarea de la viteza de regim la viteza zero; - oprirea completa a sistemului; - accelerarea de la viteza zero la viteza de regim posibilitatea reglarii timpului de oprire in punctele finale ale cursei asigurarea unei depasiri minime si constante ∆L=L-Lo exprimata cu diferenta intre cursa organului de lucru actionat de L si distanta dintre limitatori (opritori) Lo. Depasirea influenteaza productivitatea, deoarece prin crestere lui ∆L creste timpul mort si indirect timpul fazei de lucru a masinii. Inversarea hidraulica este insotita inevitabil de unele fenomene negative mai important fiind socul hidraulic (lovitura de berbec) care are ca efect cresterea presiunii. Fenomenul este cu atat mai accentuat cu cat frecventa inversarii este mai mare iar cursa organului actionat mai scurta. Ca efect secundar apare o incalzire apreciabila a uleiului.
Distribuitoare rotative Distribuitoarele rotative se folosesc in cazul debitelor mici (8 – 10 l/min), inversarilor cu frecventa mica si a preciziei relativ mici a pozitiei organului actionat. Aceste distribuitoare se caracterizeaza prin simplitatea in constructie, comanda efectuandu-se manual sau cu opritori mecanici reglabili.
In principiu un distribuitor rotativ este format din corpul 1, cepul 2, capacul 3, maneta 4.
Distribuitoare rectilinii (cu sertar) Distribuitoarele rectilinii sunt cel mai mult folosite in sistemele de actionare, intrucat asigura comanda unei game largi de debite la frecvente ridicate de inversari. Totodata acopera toata gama de pozitii de lucru. Distribuitoarele hidraulice cu sertar au ca parti componente principale doua subansamble cu functiuni distincte: subansamblul de distributie sau distribuitorul propriu-zis (fig.2) compus din corpul 1 si sertarul 2 prevazut cu doua sau mai multe pistoanase 3, care realizeaza prin pozitiile lor relative legaturile interioare ala orificiilor; subansamblul de comanda care realizeaza actionarea (deplasarea) sertarului. In general, unui subansamblu de distributie i se poate atasa orice subansamblu de comanda de marime corespunzatoare.
Pentru distribuitorul din fig Pentru distribuitorul din fig. in pozitia 1 a manetei de comanda 4 lichidul refulat de pompa hidraulica Ph intra prin orificiile deschise ale distribuitorului si conducta 5 in camera din stanga a motorului hidraulic Mh , deplasand pistonul spre dreapta cu o viteza v1. Lichidul din camera din dreapta a motorului este evacuat in rezervorul R prin conducta 6 si orificiile de evacuare ale distribuitorului. - Exista o mare gama de distribuitoare ca rezultat al combinatiei dintre numarul de cai si pozitii. - Canalul interior ce leaga intre ele doua orificii, de exemplu P cu A este o cale de curgere. In prezentarea conventionala a distribuitoarelor, numarul de pozitii ale aparatului se simbolizeaza prin dreptunghiuri. Orificiile active se simbolizeaza prin conductele de legatura racordate la dreptunghiul care reprezinta pozitia initiala sau de repaus a aparatului. Reprezentarea conventionala a distribuitoarelor pune in evidenta de regula si actionarea acestora
Distribuitoarele cu sertar actionate electric cu electromagneti fixati la unul sau la ambele capace sunt des folosite avand in vedere posibilitatea includerii lor in schemele automate. In fig.3 este reprezentat un distribuitor cu comanda electrica, cu electromagnet pe o singura parte. Alimentand electromagnetul 1 , sertarul 2 este impins spre stanga si uleiul circula intre P si A. Atunci cand se intrerupe curentul de alimentare al electromagnetului, sub actiunea arcului 3, sertarul revine in pozitia indicata in figura, circulatia uleiului intre P si A fiind intrerupta. Scaparile de ulei colectate in camera 4 sunt eliminate prin orificiul R la rezervor. Electromagnetii de comanda pot fi alimentati la tensiune de 24 V c.c. sau la 220 V, curent alternativ. Timpul de trecere al sertarului distribuitorului dintr-o pozitie in alta sub actiunea electromagnetului este de ordinul 0.04 – 0.09 s, in functie de debitul si presiunea uleiului, la care se adauga un timp aproape dublu necesar intrarii in functie a electromagnetului.
b. Aparataj de reglare şi control Din această categoria de aparate fac parte droselele şi supapele, realizînd următoarele funcţiuni: 1.controlul vitezelor liniare sau unghiulara ale motoarelor hidraulice liniare sau rotative, control ce sa realizează în două moduri, a)-pe cale volumică, prin modificarea capacităţii pompei (reglare volumică); b)-rezistiv, cu ajutorul unor rezistenţe hidraulice ce limitează debitul transmis motorului, debit mai mic decît debitul pompei. Aceasta reglare se poate realiza cu ajutorul aparatelor de distribuţie continuă şi a aparatelor de reglare rezistivă a debitelor, numite drosele. Droselele pot crea restricţii la curgerea mediului lichid şi, pe lîngă funcţia obisnuita, pot regla şi menţine constant debitul. 2.controlul forţei F şl a cuplului M, utile, pe care le dezvoltă motorul hidraulic liniar, respectiv rotativ. Pentru o construcţie dată, valoarea lui F, respectiv M depinde de valoarea presiunii de lucru, iar la motoarele rotative cu capacitatea reglabilă şi de valoarea de reglaj a acestora.
Aparatele ce reglează presiunea în instalaţie sînt supapele. Supapele se împart în: supape de presiune şi supape de sens. Supapele de presiune se clasifică după circuitul a cărui presiune o reglează: supape normal inchise si supape normal deschise; după tipul comenzii: directă sau pilotată dupa tipul contactului hidraulic: cu închidere cilindrica sau conică Supapele de sens, sînt aparate ce permit circulaţia lichidului numai în anumite sensuri. Pot fi de sens interzis deblocabile printr-o comandă hidraulică internă sau externă sau de sens interzis propriu-zise.
Reglarea volumică Avînd în vedere dependenţa dintre viteza motorului hidraulic liniar sau rotativ de mărimea debitului, se poate obţine reglajul vitezei prin folosirea pompelor cu debit variabil. Puterea dezvoltata de motor şi deci şi viteza sînt proporţionale cu debitul la sarcini constante. Astfel se obţine pentru motorul liniar o forţă constantă la tijă, iar pentru motorul rotativ un cuplu de răsucire constant. Reglarea volumică este folosită atunci cînd este necesară forţă sau cuplu maxim la pornire
In fig. 6.32 a,este prezentată o schemă hidraulică ca pompa reglabilă. Acţionînd asupra reglajului pompei, se reglează debitul acesteia, deci şi viteza de deplasare a pistonului motorului hidraulic liniar 3
Reglarea rezistivă. Această metodă de reglare se foloseşte la sistemele hidraulice cu pompe de debit constant. Principiul metodei constă în intercalarea unei rezistenţe hidraulice reglabile (drosel) care acţionînd prin strangulare (laminare), determină o cădere de presiune şi în consecinţă o micşorare a debitului trimis spre motor, diferenţa de debit fiind deversată la rezervor printr-o supapă de suprapresiune. In mod normal deci, orice drosel trebuie însoţit de o supapă de deversare, în caz contrar pompa şi partea din instalaţie pînă la drosel rămîn neprotejate. De regulă atît droselul propriu-zis, cît şi supapa de deversare alcătuiesc o construcţie unică, compactă.
Din fig. se observă că debitul de ulei QM trimis motorului, reprezintă numai o parte din debitul pompei Qp, restul QR fiind trimis în rezervorul R, prin intermediul supapei S. Reglarea se poate realiza discret, continuu sau digital. Acţionarea droselului se poate face manual, mecanic sau electromecanic. La reglarea digitală, un număr fix de drosele prereglate manual este pus în stare activă de către distribuitoare acţionate electromagnetic. Constructiv un drosel conţine o fantă şi un element de obturare,care poate fi deplasat în sens axial, în aşa fel incît aria secţiunii de trecere poate fi modificată după dorinţă,pana la inchidere totala.
Divizoare de debit Divizoarele de debit se folosesc pentru divizarea unui debit oarecare într-un număr de părţi egale. Divizoarele de debit pot fi volumice sau rezistive. De exemplu , un divizor volumic poate fi o pompă specială cu mai multe refulări. Divizoarele rezistive pot fi cu două diafragme, sau cu pachet de diafragme.
Reglarea presiunii şi aparatajul de reglare al acesteia In instalaţiile hidraulice este necesară reglarea presiunii , stabilizarea şi menţinerea constantă a acesteia la valoarea impusă. Pentru reglarea presiunii se folosesc supape ( valve sau ventile ) şi relee. Supapele , prin construcţia lor şi modul de funcţionare, se află totdeauna sub acţiunea unor forţe: greutatea proprie, forţa elementului elastic, forţele de frecare, presiunea activa a lichidului de lucru, etc. Datorită variaţiei în timp a forţelor de frecare şl de presiune la care se adaugă şi prezenţa elementului elastic, iau naştere oscilaţii forţate care îngreunează menţinerea constantă a parametrilor impuşi. Acest fapt presupune luarea de măsuri pentru amortizarea şi reducerea la minim a efectului dăunător al vibraţiilor supapelor. In general, comanda se realizează prin modificarea cantitaţii de fluid ce trece prin supapă. Viteza da reacţie a supapei este influenţată negativ de forţele de frecare şi de pierderile de lichid
Supape da presiune (siguranţă si deversare) Supapa de siguranţă are rolul de a menţine in sistem o anumită presiune maxima impusă circuitului hidraulic. Pentru o valoare mai mare a presiunii, supapa se deschide şi lasă să treacă în rezervor o cantitate de lichid, ceea ce duce la restabilirea presiunii iniţiale în sistem. In acest caz, rolul supapei este de a înlătura suprasarcinile din sistem şi evitarea deteriorării organologice a sistemului. Supapa se leagă în paralel cu pompa.
Supape de reţinere şi de contrapresiune (de sens unic) Supapele de reţinere au rolul de a permite lichidului de lucru circulaţia intr-un singur sens. Se montează pe conducta de aspiraţie, ao sau pe conducta de evacuare, în imediata apropiere a pompei, pentru a nu permite sistemului hidraulic să se golească în timpul opririi pompei. In cazul montării supapei pe conducta de aspiraţie, căderea de presiune pe supapă nu trebuie să depăşească 0,2 [daN/cm2]. In cazul montării pe conducta de refulare a pompei, căderea de presiune pe supapă nu trebuie să depăşească valoarea p =(0,3-0,35)[daN/cm2].
Transformatoarele de presiune (reductoare si multiplicatoare de presiune) Transformatoarele de presiune se folosesc des in sistemele de actionare hidraulica, in scopul obtinerii unor presiuni mai mici decat cea din conducta de alimentare (reductoare), sau a unor presiuni mai mari (multiplicatoare). Transformatoarele de presiune sunt folosite si in scopul obtinerii de debite constante la reglarea din drosel, reglarea fortei de strangere in mecanisme de alimentare, micsorarea vitezei de deplasare a unor sertarase, etc.
Un reductor de presiune este reprezentat in fig Un reductor de presiune este reprezentat in fig. si este format din corpul 3, pistonul 2, arcul 5, surubul de reglare a preiunii, 6 si camerele 4 si 7. Lichidul intra prin orificiul 1 si camera 7, iar prin orificiul pistonului 2 in camera de reductie 4.
II. APARATAJUL HIDROSTATIC AUXILIAR Auxiliar - nu participă aparent direct la funcţiile unei instalaţii hidraulica, dar funcţionarea acestora este imposibilă fără existenţa acestui aparataj. Clasificarea aparatajului auxiliar se face după funcţiile îndeplinite de acesta: Conductele - realizează conducerea mediului hidraulic între elementele instalaţiei; Filtrele - realizează purificarea lichidului de impuritaţi; Rezervoarele şi răcitoarele - înmagazinează şi răcesc fluidul de lucru; Acumulatoarele - reduc nivelul vibraţiilor şi influenţa şocurilor; suplimentează, debitul în perioadele de vîrf.
Conducte - conducerea mediului hidraulic Conductele hidraulice sunt purtătorii energiei fluidului motor între elementele generatoare, consumatoare, de comandă şi auxiliare. Construcţia acestor purtători de energie a evoluat de la cele mai simple forme de conducte, pana la sisteme modulare miniaturizate analoge circuitelor integrate. Clasificarea se poate face funcţie de: amplasarea conductelor în raport cu elementele (interioare sau exterioare); mobilitatea elementelor legate (conducte rigide, rigide cu articulaţii şi flexibile); nivelul presiunii da lucru (conducte de presiune joasă, înaltă şi ultrainaltă). Obs.: In general conductele pot fi împărţite în două categorii: rigide şi flexibile. Conductele rigide nedemontabile se construiesc din ţeavă OLT 35, 45 si 55, asamblându-se prin suduri sau prin folosirea armăturilor fixe (fitinguri). Asamblarea conductelor rigide demontabile se realizează cu ajutorul racordurilor (până la presiuni de 3oo daN/cm2 sau cu flanşa (pană la presiuni de 1000 daN/cm2 ). Conductele flexibile sînt folosite atunci cînd distanta dintre sursa de energie şi organul de execuţia asta variabila
Aparataj de filtrare Filtrele au rolul de a reduce nivelul de contaminare cu impurităţi a fluidului de lucru sub valoarea admisă de elementele instalaţiei. Diversele impurităţi din lichid micşorează siguranţa în exploatare şi durata de serviciu a sistemelor hidraulice. Impurităţile din mediul hidraulic pot fi: - de natură mecanică (praf, şpan), care ajungînd la suprafeţele active si favorizează ruperea peliculei de ulei, înrăutăţesc regimul de ungere, înfundă diferite fante la drosele şi supape, sau provoacă înţepenirea pistonaşelor diferitelor elemente hidraulice; - de natură chimică (nămoluri, parafină, vopsea), care provoacă coroziunea şi oxidarea uleiului; Incluziunile cele mai des întîlnite provin din mediul ambiant, din interiorul componentelor sistemului sau sunt agenţi chimici proveniţi din degradarea uleiului prin reacţii chimice cauzate de apă, aer, căldură sau presiune şi care produc acizi si mâl. Durata de viaţă a uleiurilor hidraulice este o funcţie directa de conditiile de exploatare
Amplasarea filtrelor în instalaţiile hidraulice: pe aspiraţia pompei (fig. a); pe refularea pompei (fig. b); pe retur (flg. c); pe retur cu protecţie (flg.d).
a) Filtrul pe aspiraţie se montează pe conducta de aspiraţie a pompei pentru a proteja pompa de incluziunile din rezervor. Acest filtru este un filtru de joasă presiune. Prezenţa lui duce la scăderea presiunii de aspiraţie a pompei. Pentru a evita neumplerea pompei la îmbîcsirea filtrului, pe acesta se montează o supapă de ocolire. Fineţea de filtrare nu depăşeşte 100 μm. b) Filtrul pe refularea pompei este un filtru de presiune şi se montează pe conducta de refulare a pompei pentru a face o primă filtrare a agentului de lucru (fineţea de filtrare aproximativ 25μm), sau înaintea elementelor din instalaţie ce trebuie protejate de impurităţile produse de pompă (fineţea de filtrare 1 μm). Acest tip de filtru se construieşte în gamele de debite (0-30), (0-60), (o-12o), (0- I80), (o-27o), (o-32o), ( 0-360)[l/min], la presiuni cuprinse în gama(0,5-450) [daN/cm2]. c) Filtrul pe retur este un filtru de presiune joasă. Filtreaza lichidul ce intră din sistem în rezervor. Fineţea de de filtrare nu coboară sub lo μm. Filtrul de umplere împiedică pătrunderea impurităţilor grosiere la umplerea sau completarea uleiului in rezervor
Rezervoare Rezervoarele au rolul de a alimenta pompele cu lichidul necesar sistemelor hidraulice în circuit deschis şi de compensare a pierderilor de lichid pentru sistemele hidraulice în circuit închis. Rezervoarele se construiesc din tablă sudată sau din fontă, prin turnare. Capacitatea rezervorului trebuie să acopere întreaga cantitate de lichid necesară instalaţiei hidraulice. Această capacitate trebuie să intreacă de cîteva ori cantitatea de lichid debitată de pompă într-un minut. Sa asigure evacuarea căldurii acumulata în timpul funcţionarii, menţinînd temperatura constantă sub 55-60°C Supraîncălzirea uleiului duce la variatia vascozitatii şi la oxidarea mai intensă a uleiului. De asemenea micşorarea vîscozităţii duce la creşterea pierderilor volumice în sistem, deci la variaţia debitului şi a vitezei de lucru a organului de lucru. Pentru evitarea supraincalzirii uleiului se iau următoarele măsuri: - proiectarea raţională a schemelor prin folosirea de pompe pentru avans de lucru şi separat pentru deplasările rapide, cu debit minim; - proiectarea rezervorului să permita circulaţia intensă in lungul rezervorului a uleiului încălzit, prevăzîndu-se o distanţă maximă între conducta de aspiraţie şi cea de evacuare; - în cazuri speciale se impune răcirea forţată a uleiului prin folosirea de schimbătoare de caldura cu apă sau cu aer. Sa aiba o poziţie accesibilă montării aparatajului hidraulic, umplerii şi curăţirii sale.
Acumulatoare hidraulice Acumulatoarele hidraulice sunt elemente auxiliare ale instalaţiilor de acţionare hidraulică, cu rolul de a suplimenta debitul de ulei al pompei în timpul unor perioade scurte cu vîrfuri de debit din ciclul instalaţiei. Acumulatoarele se utilizează şi ca amortizoare de şocuri şi vibraţii. Acumulatoare folosite în acţionările hidraulice. In sistemele de acţionare hidraulică se folosesc acumulatoarele mecanohidraulice şi pneumohidraulice. Acumulatoarele mecanohidraulice se împart după modul de înmagazinare a energiei în : - cu greutăţi (fig.a) la care presiunea p este asigurată de greutatea G; - cu resorturi (fig.b) la care presiunea este o funcţie de energia înmagazinată în arc. Acumulatoarele mecanohidraulice se folosesc din ce în ce mai rar datorită gabaritului mare pe care-l au, a volumului de lichid mic şi a presiunilor reduse.
Acumulatoarele hidropneumatice. Sunt aparate destinate să acumuleze energii hidrostatice pe o durată de timp mai mare sau mai mică, după transformarea acesteia într-o energie pneumostatică. Lichidul sub presiune din instalaţia hidraulică comprimă în faza pasivă (de încărcare) gazul din acumulator, gaz care se destinde la faza activă (de descarcare), evacuînd lichidul înmagazinat între cele două faze. Procesul de acumulare-descărcare se bazează pe înalta compresibilitate a mediului gazos. Acumulatoarele hidropneumatice pot îndeplini următoarele funcţiuni: - generatoare de energie hidrostatică, destinate să acumuleze într-un timp relativ lung energii relativ mici şi de a restitui într-un timp scurt o energie mare pentru generarea de debite instantanee mari (evitînd astfel instalarea de pompe supradimensionate); - menţinerea în funcţiune a instalaţiei pe o perioadă de securitate, după defectarea pompei; - asigurarea parţială sau integrală a energiei de demarare, etc. - amortizoare de pulsaţii ale debitului pompelor în scopul uniformizării acestuia; - amortizoare de şocuri hidraulice sau mecanice, prin absorbirea energiilor în exces.
Acumulatoarele hidropneumatice se pot împărţi după separarea mediului gazos de cel lichid în: - acumulatoare fara separare (cu contact direct lichid-gaz); Acumulatoarele cu contact direct lichid-gaz au avantajul de a lucra practic fără inerţie şi fără uzură. Ca dezavantaj este pierderea permanentă de gaz care este antrenat de circulaţia lichidului. Acumulatoarele cu contact direct (fig. c) sint totuşi folosite la presiuni scăzute, dincolo de care creşterea temperaturii aerului provoacă pericol de explozie prin efectul Diesel. - acumulatoare cu separare; Acumulatoarele .hidropneumatice cu element de separare sunt cu piston şi cu cameră de cauciuc. - Acumulatoarele cu piston (fig. d) sunt robuste, pot funcţiona cu presiuni mari (32o daN/cm2), dar au inerţie, frecări şi uzuri mai mari decît cele cu camera de cauciuc. . - Acumulatoarele cu membrană (fig. e) separă camera de lichid de camera de gaz printr-o membrană executată din cauciuc sintetic special şi fixată în corpul acumulatorului. Umplerea cu gaz se face prin orificiul superior. Aceste acumulatoare se fabrică pentru capacităţi mici (pînă la 2 litri) şi presiuni pină la 21o daN/cm2 . Funcţionarea este practic lipsită de inerţie. - Acumulatoarele cu balon (flg. f) utilizează o cameră de cauciuc în locul membranei din cazul precedent. Se fabrică pentru capacităţi de pînă la 5o litri şl presluni de 520 daN/cm2 . Au o funcţionare lipsită de inerţie. Gazul folosit este azotul, care evita apariţia efectului Diesel şi a coroziunii la suprafeţele fin prelucrate. Folosirea aerului se face cu prudenţă, iar folosirea oxigenului este strict interzisă.
Funcţionarea acumulatoarelor. In fig. urmatoare este prezentată o schemă hidraulică cu acumulator în care pompa alimenteză patru motoare hidraulice liniare care se mişcă în secvenţe diferite de timp dar se retrag simultan (conform ciclogramei din fig.b şi pe care s-au prezentat şi debitele necesare fiecărui cilindru pentru fazele mişcării. Diagrama din fig. c, prezinta debitul de lichid cerut pe secvenţa. Se observă că necesarul de debit are două vîrfuri: de 23,3[l/min.] şi de 50[l/min]. In lipsa acumulatorului debitul pompei este determinat de virful de debit de 50 [l/min.]. Acest debit este necesar numai 20% din durata ciclului de lucru, ceea ce înseamnă că la utilizarea unei pompe cu capacitate constantă, cea mai mare parte a energiei se pierde pe restul duratei ciclului. In cazul utilizării unui acumulator, pentru a furniza debit pe durata ultimelor două secunde, pompa poate fi dimensionată la un debit de 33,3 [l/min.]. Dacă sistemul funcţionează la o presiune de 142 daN/cm2 , puterea necesară pompei în primul caz este da 12 [Kw] iar în cazul al doilea de numai 7,7 [kw]. Deci folosirea acumulatoarelor în instalaţiile hidraulica cu vîrfuri de debit are ca efect reducerea consumului energetic.
SIMBOLIZAREA COMPONENTELOR CIRCUITELOR HIDRAULICE
Tipuri de sisteme de acţionare hidraulice Actionarea Sistemelor Mecatronice Tipuri de sisteme de acţionare hidraulice A. Dupa modul de transmitere a fluxurilor energetic si informational UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Sisteme hidraulice de poziţionare cu comandă secvenţială sisteme în circuit deschis la care fluxurile energetic şi informaţional se transmit unidirecţional precizia de poziţionare a elementelor de execuţie se obţine cu ajutorul opritorilor rigizi, reglabili sau nereglabili, sau cu limitatori de cursă. Sisteme electrohidraulice deschise, cu comandă numerică folosesc motorul hidraulic pas cu pas, care transformă impulsurile de comandă în deplasări unghiulare sau liniare. Sisteme electrohidraulice de urmărire sisteme în circuit închis, cu traductori de reacţie. elementele de comandă caracteristice lor sunt servovalvele. B. După structura transformatorului hidrostatic pot fi sisteme: monogenerator – multimotor; - multigenerator – multimotor.
C. După principiul de funcţionare distingem: -sisteme hidraulice de acţionare de tip hidrostatic (volumic) care se bazeaza pe folosirea energiei potenţiale a lichidului, sub formă de presiune hidrostatică. -sisteme hidraulice de acţionare de tip hidrodinamic, în care se foloseşte energia cinetică (de mişcare) a lichidului. Transformarea energiei într-o instalaţie hidraulică de tip hidrostatic poate fi prezentată astfel:
Schema hidraulică de acţionare a unui manipulator Actionarea Sistemelor Mecatronice Schema hidraulică de acţionare a unui manipulator UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA
Sistemul de acţionare hidraulică a unui robot tip VERSATRAN Actionarea Sistemelor Mecatronice Sistemul de acţionare hidraulică a unui robot tip VERSATRAN UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA
Actionarea Sistemelor Mecatronice Din punct de vedere energetic sistemele de acţionare hidraulice arată astfel: UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA
Clasificarea motoarelor hidraulice Actionarea Sistemelor Mecatronice Clasificarea motoarelor hidraulice UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA MOTOARE HIDRAULICE A. Cursa limitata A1.Liniare A2. Rotative (unghiulare) B. Cursa nelimitata (rotative)
A1.1. Motoare hidraulice liniare (cilindri) Actionarea Sistemelor Mecatronice A1.1. Motoare hidraulice liniare (cilindri) UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Clasificare în funcţie de numărul direcţiilor în care cilindrul face deplasarea precum şi în funcţie de construcţia sa:
Forţa la tija pistonului : Actionarea Sistemelor Mecatronice Forţa la tija pistonului : UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA pa - presiunea atmosferică p1 , p2 , D şi d - parametrii din figura de mai jos Puterea hidraulică consumată pentru dezvoltarea forţei F este: , [kW]
A1.2. Motoare hidraulice liniare numerice Actionarea Sistemelor Mecatronice La acest tip de motor poziţia este obţinută printr-o informaţie numerică de comandă. Această tehnologie asigură: simplificarea interfeţelor simplificarea funcţiilor de control sensibilitate la perturbaţiile mici. UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Tipuri de comenzi numerice informaţia numerică, codificată prin "n" biţi, corespunde unei poziţii a motorului Comandă absolută (totală) numărul de impulsuri de presiune constituie informaţia pentru poziţie; acest tip de comandă necesită utilizarea unei memorii Comandă incrementală combinaţie a celorlalte două Comandă mixtă
Comandă absolută (totală) Actionarea Sistemelor Mecatronice Comandă absolută (totală) Se poate face în două moduri: UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Utilizând "n" cilindri (sau tije de cilindri) de lungime 2i ·x, cu i variind de la 0 la n-1, iar x fiind o lungime de bază Cilindru numeric cu pistoane multiple Utilizând combinarea a 2n orificii de alimentare (şi tot atâtea de evacuare) astfel încât unui orificiu de alimentare îi corespunde o poziţie specifică a tijei. Comutarea alimentării se realizează prin "n" distribuitoare. Cilindru numeric cu dublu efect
Construcţia unui cilindru incremental Actionarea Sistemelor Mecatronice Comandă incrementală Se realizează în două variante: Prin comandă secvenţială directă a cilindrului UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Prin creştere a debitului, deplasând printr-un motor pas cu pas tija unui distribuitor Construcţia unui cilindru incremental 1 2 3 4 PI I PJ Cilindrul este format dintr-un corp în care se deplasează o tijă prevazută cu "m" caneluri cu orificiu radial şi cu o perforare axială PI – Presiune înaltă PJ – Presiune joasă I – Închis Patru orificii de alimentare, de pe corp, asigură avansul secvenţial al tijei. Poziţia lor este în aşa fel încât un orificiu din cele patru este în dreptul unui orificiu radial din tijă în timp ce celelalte sunt închise prin prezenţa tijei
A2. Motoare hidraulice cu cursa limitată rotative Actionarea Sistemelor Mecatronice A2. Motoare hidraulice cu cursa limitată rotative UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Motoare cu cursă limitată cu palete
B. Motoarele hidraulice rotative Actionarea Sistemelor Mecatronice B. Motoarele hidraulice rotative Motoarele hidraulice rotative pot fi: cu roţi dinţate; cu palete; cu pistoane radiale; cu pistoane axiale. UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Puterea mecanică produsă la axul motorului are expresia: , [kW] Puterea hidraulică consumată are expresia: , [kW] ( ηm este randamentul mecanic ) Motor cu pistoane radiale
Motorul cu pistoane axiale Actionarea Sistemelor Mecatronice Motorul cu pistoane axiale UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA
Organe de comandă – Servovalva Actionarea Sistemelor Mecatronice Organe de comandă – Servovalva OBS.:asigură modificarea debitului prin curent electric UNIVERSITATEA TEHNICA GHEORGHE ASACHI DIN IASI FACULTATEA DE MECANICA Servovalvă "duză-paletă" Componente: - două bobine care dau un cuplu motor; - o paletă cu arc de readucere; - două duze sau injectoare; - un sertăraş distribuitor.