Eyleyiciler July, 001 Contents 1 Giriş 1 1.1 Pnömatik, Hidrolik ve Elektirik eyleyicilerin karşılaştırılması... 1.1.1 Pnömatik Eyleyiciler..................... 1.1. Hidrolik Eyleyiciler...................... 1.1. Elektrik Eyleyiciler (DC motorlar ve Step Motorlar)... Step Motorlar DC Motorlar 4 4 Servo Motorlar 4 4.1 Servo Motorlarda Sürekli Dönme Hareketi............. 6 1 Giriş Robotlar hareket icin ihtiyaç duyduklari gücü elektriksel, hidrolik ve pnömatik eyleyicilerden alırlar. Robotlarda kullanılan eyleyiciler endüstriyel actuaaorların geliştirilmiş halleridir. Onlardan farkları küçük boyutlarla büyük güç sağlayabilmeleridir. Bir çok eyleyici içerisinde yer ve hız hız algılayıcıları bulunmaktadır. Her eyleyici çeşidinin kendine göre avantajları ve dezavantajları vardır (Tablo 1). Mekanik kapasitelerinin yanı sıra çevresel özellikleri de değerlendirmede ele alınmalıdır. Örneğin elektriksel eyleyiciler patlayıcı gazların bulunduğu ortamlarda özel önlemler ile kullanılabilirler. Bu ortamlarda genellikle hidrolik eyleyiciler kullanılır. Diğer yönden hidrolic eyleyiciler yağ kullanırlar ve bir sızıntı halinde çevre kirliliğine yol açabilirler. Bu yüzden yüksek derecede temizlik gerektiren ortamlarda pnömatic eyleyiciler tercih edilebilir. Pnömatik eyleyicilerin en genel kullanım uygulaması tutucuların (gripper) açılıp kapatılmasıdır. Ayrıca doğrusal pnömatik silindirler tut-ve-yerleştir tipi robotlarda kullanılır. 1
Bazı doğrusal eyleyiciler dişli sistemleri bir şaft ile döndürerek dairesel hareketi de başarabilirler. Gazlarlar büyük oranda sıkıştırılabilir olduklarından birim kütlede büyük miktarda enerji depolayabilirler. Bu nedenle yapay kollara güç sağlamak için uygun bir seçimdir. Ancak gazların sıkıştırılabilir olması pnömatik eyleyicilerin servokontrolünü kompleks hale getirir. Bir yükü bir silindir ile ufak bir mesaeye makul bir hızla taşımak için silindir içindeki odalarda yüksek bir basınç farkı gereklidir. Bu basıncı sağlamak için silindir odasında oluşacak olan boşluğun hacminden daha fazla bir havanın odaya alınması gerekir. Ayrıca piston gerekli mesafeyi katetmeden önce pistonu yavaşlatmak için odadaki hava dışarıya bırakılmalı ve diğer odaya hava alınmalıdır. Piston durduktan sonra alınan bu hava tekrar boşaltılmalıdır ve bunlar da büyük enerji kayıplarıdır. Üstelik havanın sıkışabilir olması nedeniyle bu işlemi modellemek ve tam olarak kontrol etmek zordur. Buna karşılık sıvıların gazlar kadar sıkıştırılamaz olması hidrolik eyleyicilere pnömatik eyleyicilerden farklı özellikler kazandırır. Hidrolik sıvılar enerji depolamak için kullanılamazlar bu sebeple yağı sıkıştırmak için gerekli enerjiyi depolamak için başka bir güç kaynağı gerekmektedir. Ayrıca hidrolik yağ kullanıldıktan sonra gazlar gibi havaya bırakılamayacağı yağ için bir geri dönüş yolu da bulunmalıdır. Hidrolik eyleyiciler pozisyon bilgisinin geri beslemesi ile kolayca kontrol edilebilirler ve küçük bir hata payı ile çok hızlı haraket edebilirler. 1.1 Pnömatik, Hidrolik ve Elektirik eyleyicilerin karşılaştırılması 1.1.1 Pnömatik Eyleyiciler Avantajları: Ucuz Hızlı Temiz Laboratuvar çalışmalarında kullanılabilir Endüstride sık kullanılan bir enerji türü 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 1.1. Hidrolik Eyleyiciler 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 haraket edebilir Dezavantajları: Pahalıdırlar Yüksek hızlarda dairesel hareket için uygun değildirler Boyutlarını küçültmek zordur Uzak güç kaynağına ihtiyaç duyar bu da yer kaplar 1.1. Elektrik Eyleyiciler (DC motorlar ve Step Motorlar) Avantajlar: Hızlı ve hassasdırlar Harekete sofistike kontrol teknikleri uygulanabilir Ucuz Yeni modeller çok kısa zamanda üretilebilir Dezavantajları: Düşük moment ve yüksek hızda çalışır. Bu nedenle hareketi değiştirecek aktarma organlarına ve dişlilere ihtiyaç vardır. Dişlilerdeki boşluk hassasiyeti sınırlar Elektrik atlamaları yanıcı ortamlarda tehlikeli olabilir Hareketin engellenmesi durumunda hararet yapar Pozisyonu sabitlemek için fren gerekir Robot üreticilerinin bir çoğu elektrik motorlarını tercih ederler. Elektrik motorlarının çeşidi kullanılmaktadır: Step motorlar ve DC (direct currentdoğru akım) motorlar. Step Motorlar Step motorlar bir dizi kısa elektrik akımıyla hareket ederler. Stator (hareketsiz kısım) birbirine dik manyetik alan üreten iki ayrı bobinden oluşur. Bu bobinlere sırayla elektrik akımı verilerek statorun içerisinde döndürme etkisine sahip bir manyetik oluşması sağlanır. Statorun içindeki rotor (hareketli kısım) bobinler tarafından sırayla oluşturulan manyetik alanla polarize olarak döner. Her bir elektrik akım vurgusu (pulse) rotorun belli bir açı kadar (bir adım) dönmesine neden olur. Bu şekilde verilen elektrik akım vurgularının frekansı motorun
1 C Y 1 X X 1 Y Figure 1: Değişken Dirençli Motor dönme hızını belirler. Hizli ivmelenme sonucunda step motorda kayma meydana gelebilir bunun önlenmesi için ivmelenme sırasında vurgu sıklığı ayarlanmalıdır. Stepper motorlarda yüksek hassasiyetin gerektiği durumlarda geribeslemeli kontroller kullanılır. Step motorlar durma pozisyonu etrafında salınım yapabilirler ve hafif yükler taşırken hassasiyeti kaybedebilirler. Eğer güç sadece bir bobine verilirse manyetik alanın etkisiyle rotor sabitlenecektir, bu da motorun durdurulmasında kullanılır. Step motorlar rotorlarının yapıldığı malzemeye göre sınıflandırılırlar. Değişken dirençli (variable reluctance) step motorlar dişleri olan yumuşak demirden yapılmış bir rotora sahiptir.düşük momentlidirler, orta derecede adım açılarına sahiptirler (5-15 derece) ve hızlı bir ivmye sahiptirler. Sabit mıknatıs step motorlarında sabit bir mıkmatıs rotor bulunur. Daha ucuzdurlar fakat daha kötü adım açılarına sahiptirler ve momentleri daha düşüktür. Bu motorlarda rotor silindir değil de samarium kobalt mıknatıslarından yapılmış ince bir disk şeklindedir. Hibrid step motorlar içinde sabit mıknatıs rotor bulunan variable reluctance motorlardır. Yüksek momente, küçk adım açılarına (0.5-15 derece) ve yüksek hassasiyete sahiptirler. DC Motorlar Dc motorlar daha çok endüstride kullanılırlar. Motorun dairesel hızı uygulanan voltajla doğru orantılıdır. Çıkış momenti ise bobin akım gücü ile doğru orantılıdır. Eğer haraket hassas bir şekilde kontrol edilmek isteniyorsa geri besleme kullanılmalıdır. Genel dc servomotorlar üzerlerinde yer ve hız algılayıcıları bulundururlar. Büyük motorlarda bobili statorlar bulunurken, küçük olanlarında sabit mıknatıs statorler bulunur. Samarium kobalt mıknatıslarının kullanılmasıyla yüksek güç/ağırlık oranlarına ulaşılır. Bu motorlarda çoklu bobinli bir rotor bulunur ve bu bobinker komütatör sayesinde güç kaynağına baplanırlar. Komütatör etrafında bakır teller olan bir silindirdir. Karbon fırçalar bir zamanda bir bobine elektrik vermesi için güç kaynağını komütatöre bağlarlar. Rotorun ürettiği manyetik alan statorün ürettiği manyetik alanla çakışır ve bunun sonucunda oluşan moment rotoru döndürür. Rotor dönerken komütatör de döner ve bu da karbon fırçaların başka bir bobini beslemesine neden olur. Bu sayede sürekli dönme hareketi sağlanmış olur. 4
Figure : Silver Maxon Motor Figure : Dişli Kutulu Global Motor Figure 4: Polaroid Motor Figure 5: Dişli Kutulu Green Maxon Motor 5
4 Servo Motorlar Figure 6: Green Maxon Motorun yapısı Servomotorlar uçaklarda kanat flaplerinı ve buna benzer cihazların ayarlamalarını yapmak için kullanılırlar. Servo motorlar dahili dişli sistemine sahiptirler ve yüksek momentlere ulaşırlar. Çıkış şaftı DC ve step motorlarda olduğu gibi serbestçe dönmez belli açılarda döner. Servo motorlar bunu elektronik şaft yeri algılayıcısı ve bir kontrol devresiyle yaparlar. Servo motorların çıkışı vardır: güç, toprak ve kontrol. Çoğunlukla 5 voltta çalışırlar. Kontrol sinyalleri bir dizi vurgu dan oluşur ve şaftın istenilen konumunu belirlerler. Her vurgu bir konum komutunu simgeler. Şaftların çoğu 180 derece dönebilirler. 4.1 Servo Motorlarda Sürekli Dönme Hareketi Servo motorlar bazı ayarlamalardan sonra sürekli dönme haraketi yapabilirler ve hareketli robotlar için çok uygun hale gelirler ancak bunun önünde engel vardır: Geribesleme Döngüsü Motorun şaft dişlisi bir potansiyometreye bağlıdır ve bu potansiyometre şaftın pozisyon bilgisini sürekli gerideki kontrol devresine gönderir. Şaftın açısal yeri bu şekilde ayarlanır. Fakat bu potansiyometre sınırlı bir dirence sahiptir ancak sürekli dönme hareketi direncini 6
Figure 7: Servo motor sürekli arttırmasını gerekli kılar. Mekanik durdurma Genellikle şaftın üzerinde şaftın 0 ve 180 dereceler arasında kalmasına neden olacak plastik engelleyiciler vardır. Bu sorunların çözümü şu şekilde gerçekleştirilebilir. Motorun, şaftın her zaman 90 derecede olduğunu sanması sağlanabilir ve plastik tutucu kesilir. Eger kontrol devresi şaftın sürekli 90 derecede olduğunu düşünürse 0 ve 180 derecelik dönme komutlarında hic bir zaman o konuma ulaşamayacağı için sürekli dönecektir. Servo motorun şaftının her zaman 90 derecede olduğunu düşünmesini sağlamak için yol vardır: 1. Potansiyometre adet sabit dirençle değiştirilir. Bu dirençlerin değeri potansiyometrenin 90 derece direncine eşit olmalıdır.. Potansiyometrenin şaft ile bağlantısı kesilir ve dönmesi engellenir. 7