Mekatroniğe Giriş Dersi 7. Hafta Aktüatörler Aktüatör nedir? Aktüatöre neden ihtiyaç duyulur? Aktüatör Türleri Hidrolik-Pnömatik Aktüatörler Elektrikli Aktüatörler Bu Haftanın Konu Başlıkları SAÜ - Sakarya MYO 1 Mekatroniğe Giriş Dersi 1
Mekatronik sistemlerde aktüatörler, sistemin sınıflanmış görevlerinden en son aşamayı yerine getirirler. Sensörler tarafından algılanıp mikroişlemciye gönderilen bilgiler orada değerlendirilerek sistemin davranışı hakkında bir karara varılır. Mekatronik sistemin fonksiyonlarından üçüncüsü ve son aşaması olan bu kararın uygulanması, aktüatörlerin görevidir. Çoğu mekatronik sistem, sonuçta sistemi kontrol edebilmek için ya bir hareketi ya da enerji aktarımını ve dönüşümünü sağlar. Aktüatörler işte bu hareketi ve dönüşünü gerçekleştiren elemanlardır. Farklı mekatronik sistemler için değişik özelliklerde aktüatörler kullanılmaktadır. Örneğin sürücüsüz araçlarda, doğrusal hareket ve yönlendirme işlemi için elektrik motorları aktüatör olarak kullanılıyorken, ağır yüklerin hassas şekilde kaldırılmasında hidrolik güç ve hidrolik aktüatörler kullanılmaktadır. Birçok farklı fonksiyonu yerine getiren gelişmiş takım tezgahlarında ise, elektrik, hidrolik ve pnömatik aktüatörler tezgahların alt sistemleri için bir arada kullanılmaktadır. Aktüatörler genelde, mikroişlemciden ya da bilgisayardan düşük bir sinyal alırlar ve bunu güçlü bir sinyale dönüştürerek mekanik hareket üretirler. Aktüatör nedir? SAÜ - Sakarya MYO 2 Mekatroniğe Giriş Dersi Mekatronik bir sistemde çevreden bilgi toplanır, bu bilgiler işlenir ve çıkışa yönlendirilir. Ancak bu gönderilen bilgi çevreyi etkileyip değiştirmezse bir sonuca varılamaz. Çıkışta aktüatörler kullanılarak çevre birimler etkilenebilir. Böylelikle sistem çevreyi denetim altında tutar ve istenilen işi gerçekleştirebilir. Eyleyiciler enerjiyi mekanik harekete çevirerek bu işi yapmamızı sağlarlar. Aktüatörlere neden ihtiyaç duyarız? SAÜ - Sakarya MYO 3 Mekatroniğe Giriş Dersi 2
Sıkıştırılmış havanın kuvvet oluşturmada kullanılması milattan öncelere rastlar. İlkel insan hava körüğü gibi araçlar kullanarak pnömatiğin gündelik hayatta kullanılmasına aracı olmuştur. Ancak endüstriyel anlamda ilk ciddi pnömatik uygulamalar, 19. yüzyılın ortalarından itibaren basınçlı havanın el aletlerinde kullanılmasıyla başlamış ve pnömatik günümüze kadar pek çok farklı çalışma alanında kendine yer edinmiştir. Özellikle elektro-pnömatik sistemlerin yaygınlaşması sayesinde pnömatik, seri üretim uygulamalarında ve otomasyonlu üretimlerde ihtiyaç duyulan hatta tercih edilen sistemler arasına girmiştir. Pnömatik Aktüatörler SAÜ - Sakarya MYO 4 Mekatroniğe Giriş Dersi Haddeleme, bükme ve çekme gibi şekil verme işlemlerinde. Otomasyon sistemleri ve elektronik sanayinde. Robot teknolojilerinde. Malzeme taşımacılığında. Takım tezgâhları ve el aletlerinde. Boya, sprey ve vernik işlemlerinde. Tekstil sanayinde. Gıda, kimya, ilaç ve maden sanayinde. Pnömatik Aktüatörlerin Kullanım Alanları SAÜ - Sakarya MYO 5 Mekatroniğe Giriş Dersi 3
Avantajları + Ucuz. + Hızlı. + Temiz. + Laboratuar çalışmalarında kullanılabilir. + Endüstride sık kullanılan bir enerji türünü kullanır. + Hasar almadan durabilir. Dezavantajları - Havanın sıkışabilir olması kontrolü ve hassasiyeti azaltır. - Ekzos gürültü kirliliği yaratır. - Hava sızıntısı meydana gelebilir. - Ekstra kurulama ve filtreleme gerekebilir. - Hız kontrolü zordur. Pnömatik Aktüatörlerin Avantaj-Dezavantajları SAÜ - Sakarya MYO 6 Mekatroniğe Giriş Dersi Hidroliğin insanlık tarihinde kullanılması da tıpkı pnömatik gibi milattan öncelere rastlamıştır. Antik Yunan, Mısır, Çin ve daha birçok medeniyette sulama ve suyu taşımada basit hidrolik kanunları kullanılmıştır. Hidrolik alanındaki bilimsel çalışmalar ise Galileo ile başlamış; Torricelli ile devam etmiş en son olarak 17. Yüzyılda Pascal ile hidrostatik teorisi tamamlanmıştır. Sonrasında Isaac Newton akış direnci ve viskozite gibi tanımları hidrolik teorisine eklemiştir. Akma, enerji ve güç üretme, sıkıştırılamama gibi özelliklerinin bulunması sıvıların, hidrolik enerji üretmekte kaynak olarak kullanılmasını sağlanmıştır. Genel tanım olarak; kuvvet ve hareket üretmek ve bu kuvveti iletmek için sıvı akışkan kullanma işine hidrolik denir. Hidrolik Aktüatörler SAÜ - Sakarya MYO 7 Mekatroniğe Giriş Dersi 4
Kumanda sistemleri. Hareketli ve sabit sistemlerde. deniz ve havacılık sektöründe iş tezgâhlarında, kaldırma makinelerinde, enerji üretim alanlarında. Örnekler; Uçaklar, Takım tezgâhları, Presler, Enjeksiyon makinaları, Test cihazları, Sanayi tipi robotlar, Otomotiv endüstrisi, Kaldırma ve iletme makinaları (forklift vb.), İş makinaları (beton pompaları, Greyderler, Mobil vinçler, Ekskavatörler vb.), Tarım makineleri, Barajlar, Türbinler, Nükleer santraller, Gemilerin boşaltma ve yükleme birimleri, Gemi kontrol sistemleri Hidrolik Aktüatörlerin Kullanım Alanları SAÜ - Sakarya MYO 8 Mekatroniğe Giriş Dersi Avantajları + Büyük kaldırma kapasitesi. + Hafif olmasına rağmen güçlü. + Yağ sıkışmadığından bağlantılar sabit bir halde tutulabilir. + Çok iyi servo kontrol yapılabilir. + Kendini soğutabilir. + Çabuk tepki verebilir. + Alev alabilir ortamlarda güvenlidir. + Düşük hızlarda yumuşak hareket edebilir. Dezavantajları + Pahalıdırlar. + Yüksek hızlarda dairesel hareket için uygun değildirler. + Boyutlarını küçültmek zordur. + Uzak güç kaynağına ihtiyaç duyar bu da yer kaplar. Hidrolik Aktüatörlerin Avantaj-Dezavantajları SAÜ - Sakarya MYO 9 Mekatroniğe Giriş Dersi 5
AC MOTORLAR Alternatif akım motorları özellikle takım tezgahları gibi imalat sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. AC motorlar fırçasız çalışırlar, daha güvenilir, daha sağlamdırlar. Çok az bakım gerektirirler. Asenkron (indüksiyon) ve senkron motorlar şeklinde de gruplandırılırlar ve her iki grup da tek fazlı/çok fazlı olarak tekrar sınıflandırılır. AC senkron motorların hızı değişken frekansla kontrol edilebilir. Endüstriyel uygulamalar ve ev aletlerinde yoğun olarak tercih edilmelerine rağmen robotik uygulamalarda pek kullanılmazlar. DC motora göre hız kontrolü daha zor olabilmektedir. Bu yüzden bütünleşik veya ayrı frekans sürücülerle kullanılmaları gerekebilir. SAÜ - Sakarya MYO 10 Mekatroniğe Giriş Dersi AC MOTOR TÜRLERİ Asenkron (İndüksiyon) Tek Fazlı Gölge Kutuplu Kondansatörlü Çok Fazlı Rotoru Sargılı Sincap Kafes Senkron Tek/Çok Fazlı Sabit Mıknatıslı Relüktans Histerezis Alan Sargılı Değişebilir Hızlı Kutup Anahtarlamalı SAÜ - Sakarya MYO 11 Mekatroniğe Giriş Dersi 6
DC MOTORLAR Robotikte en sık tercih edilen motor tipi DC motorlardır. DC motorlar ucuz, küçük ve etkilidir. Ayrıca boyut, şekil ve güç bakımından çok çeşitli olmaları da DC motorların sık kullanılmalarının bir diğer sebebidir. DC motorlar robotlarda veya herhangi bir sistemde direkt ya da dişli kutularıyla (redüktörlü ya da redüktörsüz olarak) birlikte kullanılabilirler. DC motorlar, konveyorler, asansörler, vinçler, denizcilik uygulamaları, malzeme taşıma, kağıt, plastik, çelik, tekstil vb. uygulamalarda, otomobil sektöründe, havacılıkta ve mobil robotlarda hız kontrolünde kesin değerler sağlar. DC motorlara bir güç kaynağı bağlandığında DC motorun dönüş yönü akımın yönüne bağlıdır. Akımın yönü terslendiğinde DC motorun dönüş yönü de terslenmiş olur. SAÜ - Sakarya MYO 12 Mekatroniğe Giriş Dersi DC MOTORLAR Bir motorun hızı rpm ile ölçülür. Motorun hızı voltaja ve yüke bağlıdır. Bir DC motor belirtilen voltaj değerinde çalıştırıldığında DC motorun çekeceği akım yüke bağlıdır. Yük arttıkça DC motorun çektiği akım da artar. Güç bir motorun akımı ve voltajının çarpım değeridir. Ancak robot projelerinde ve mekanik sistemlerde bir motorun ürettiği kuvvet tork (motorun dönme momenti) cinsinden değerlendirilir. Bir motorun torku motora bağlanan dişli kutularıyla (redüktör) değiştirilebilir. Dişli kutuları hızın azaltılmasını ve gücün arttırılmasını sağlar. DC motorun şaftının kalın olması torkunun yüksek olmasının, şaftın ince olması ise torkunun düşük olduğunun belirtisidir. Yüksek torklu motorlardan yüksek akım geçeceğinden motorların bağlantı kabloları daha kalın olur. SAÜ - Sakarya MYO 13 Mekatroniğe Giriş Dersi 7
DC MOTOR TÜRLERİ Fırçalı DC Motorlar Sabit Mıknatıslı Ayrık Uyartımlı Paralel (Şönt) Seri Kompunt Üniversal Servo Fırçasız DC Motorlar Sensörlü Sensörsüz Step Motorlar Sabit Mıknatıslı Değişken Relüktanslı Hibrid SAÜ - Sakarya MYO 14 Mekatroniğe Giriş Dersi DC MOTORLARIN AVANTAJLARI Geniş aralıklarda hız kontrolü kolaydır. Hız-Tork karakteristikleri AC motorların tamamından daha basittir. Hız-Tork karakteristiklerinin basit olmasından dolayı çekiş gücü yüksek olan makinelerde kullanılır (Servo motorlar). Örneğin raylı sistemlerde tamamen DC motorlar kullanılır. Boyutları küçük olması nedeniyle yer tasarrufu sağlanır. DC MOTORLARIN DEZAVANTAJLARI Rotor sargılarına fırça düzeneği bağlamak gerekir.(fırçalı DC Motor) Fırçalarda aşınma meydana geleceği için peryodik bakım gerekmektedir.(fırçalı DC Motor) Sürekli bakım gerektirdiği için yapay kalpler, uydular vb. alanlarda kullanılamaz.(fırçalı DC Motor) Fırçalar kıvılcım çıkarabileceği için patlayıcı madde içeren ortamlarda kullanılamaz.(fırçalı DC Motor) DC motorlar AC motorlara göre her zaman daha pahalıdır. SAÜ - Sakarya MYO 14 Mekatroniğe Giriş Dersi 8
SOLENOIDLER Solenoidler, elektriksel bir sinyali veya elektrik akımını doğrusal mekanik harekete dönüştüren elemanlardır. Mandallar, solenoid valfler, yön kontrol valfleri, solenoidlerin kullanım alanları için verebilecek örneklerden bazılarıdır. Örneğin otomobillerin ve çamaşır makinelerinin kapı kilitlerinde solenoid kullanılmaktadır. Elektrik enerjisi ile çalışan selenoid valfler, gaz, hava, su, buhar ve yağ gibi akışkanların geçişini kontrol altında tutan elektromekanik vanalardır. SAÜ - Sakarya MYO 14 Mekatroniğe Giriş Dersi Adapazarı MYO Mekatroniğe Giriş Ders Notları, Doç.Dr. D. Karayel, Sürüm:1, Sakarya Üniversitesi. 2005- Sakarya. Mekatronik Sistem Tasarımı Ders Notları, Dr. Özgür Akın. 2014- Konya. http://www.robotiksistem.com/dc_motor_ozellikleri.html Kaynaklar SAÜ - Sakarya MYO - Mekatroniğe Giriş Dersi 9