Váltó a gyakorlatban.
A lineáris motorok között speciális helyet foglal el. Mielőtt megvizsgáljuk a lineáris motorok egy kiválasztott típusát, érdemes röviden áttekinteni a motoroknak (aktuátoroknak) e családját is.
Lényegében három típust lehet megkülönböztetni:
• Elektrodinamikus (merülőtekercses)
• Szinkron
• Aszinkron
Az első típust kis teljesítményigény, rövid lökethossz és általánosságban kisméretű szerkezetek esetében alkalmazzák. A CD és DVD fejeken kívül lényegében ilyen szerkezet található a hangszórókban és az elektrodinamikus mikrofonokban is.
A szinkron és aszinkron lineáris motorokat a szerszámgépiparban és az elektronikai gyártóberendezésekben alkalmazzák. Kis méretekben ezekkel nem lehet találkozni.
Érdemes áttekinteni előnyeiket és hátrányaikat is, hiszen joggal merül fel a kérdés, miért kell forgó motorokat, hajtóműveket és mozgásátalakítókat tartalmazó, bonyolult rendszereket építeni pozicionálási célra, ha egyszer az egyenes vonalú direkt hajtás rendelkezésre áll?
6.2. táblázat - Lineáris motorok jellemző tulajdonságai
Előnyök Hátrányok
Nagy gyorsítási képesség (10 g-ig) Rossz hatásfok, a veszteségi teljesítmény miatt jelentős hőforrás a rendszerben
Nagy pozicionálási pontosság (szabályozással 0.1-1 μm)
Erőt módosító áttétre nincs lehetőség, mindent a motor határoz meg
Típustól függően légcsapágyazás és mágneses lebegtetés lehetséges
Bizonyos típusoknál az erős mágneses tér miatt jelentős a szánra és a vezetékre ható erő Igény szerinti mozgatási hossz Pozícióban tartáshoz energia szükséges
Nagy előtoló erő (20 kN-ig) Aszinkron változatnál pozícióban tartásnál nagy hőterhelés
Nincs mozgásátalakító Terheléstől függő dinamika
Nagy mozgatási sebesség (100 m/s –ig) Ferromágneses anyagok megmunkálásánál gond van a forgáccsal
Egy jelentős gyártó által készített összehasonlító táblázaton láthatjuk a további szempontokat, amelyek mérlegelésével érthetővé válik az, hogy miért nem vált egyeduralkodóvá a piacon a lineáris motorok családja.
6.3. táblázat - Jellegzetes mechatronikai hajtások összehasonlítása
Hajtás jellemzői Fogazott szíj Golyósorsó Lineáris motor
Hajtás jellemzői Fogazott szíj Golyósorsó Lineáris motor
Mozgatási hossz 10 m-ig 2 m-ig 10 m-ig
Mozgatás sebessége 5…10 m/s 3…5 m/s …100 m/s
Gyorsítás 100 m/s2 50 m/s2 100 m/s2
Pozicionálás 10 μm 2 μm 1 μm
Merevség közepes nagy nagy
Ár alacsony magas magas-nagyon magas
A fejezetben példaként, a merülő tekercses lineáris motort fogjuk elemezni.
A CD és DVD eszközök optikai rendszerének fókuszáló lencséjét merülő tekercses lineáris motor mozgatja. Az eszköz jellegzetesen mechatronikai, sőt optomechatronikai, különlegessége a méreteiben és a megkívánt pozicionálási pontosságban van. Ezen túlmenően olyan példája az elektromechanikus váltónak, amelynél jól tanulmányozható, hogy melyek egy eltérő típusú rendszert összekapcsoló átalakító szerves részét képező passzív elemek. Azok az elemek, amelyek nélkül a rendszer működésképtelenné válna. A villamos elemek megléte magától értetődő, hiszen tekercs és mágneses mező nélkül nincs átalakító. Azonban a mechanikai oldal sem érdektelen. A tekercs és az optika a foglalattal együtt természetesen a tömeg, de a kettős célú rugalmas konstrukció nélkül nincsen sem pozíciótartás, sem egyenes vezetés. Ha ugyanis ezt a rugós vezetéket elhagynánk, a tekercs árama által létrehozott erő vagy kilökné, vagy ütközésig behúzná a foglalatot. A mikrométer törtrészére is lehetséges pozíciót a rugófeszítés által keletkező ellenerő biztosítja, hiszen a foglalat azt a pillanatnyi pozíciót veszi fel, amelynél az adott áram által létrehozott Lorentz erővel (elektromágneses erő) a rugóerő egyensúlyt tart. A finommechanikában jól ismert, hogy a felületi érdesség és egyéb technológiai korlátok miatt a mikrométer tartományban, de főként az alatt, kizárólag deformációs elven működő vezetékeket lehet alkalmazni, csúszó és gördülő vezetékek ilyen célra nem használhatók. Legalábbis a tudomány és technika jelen állása szerint.
6.18. ábra - CD fej képe és szerkezeti modellje
A fenti fotón egy híradástechnikai CD fej látható összeszerelt állapotban, jobboldalon pedig a modellezést lehetővé tevő szerkezeti vázlat félnézet-félmetszet szerű rajz (magyarázó ábra, nem egzakt műszaki rajz) formájában azzal, hogy rugalmas vezeték éppen nem látható, mert az a rajz síkjára merőleges. Egyszerűbb CD és DVD szerkezetekben négy db kör keresztmetszetű, rugóbronzból készült huzaldarab képezi a vezetéket, amelyeknek egyik vége a kerethez, a másik pedig a foglalathoz van rögzítve. Igényesebb kialakításokban
speciálisan kiképzett csuklópontokkal rendelkező, kettős műanyag vezeték (négycsuklós mechanizmus) található.
A következő képen egy ilyen komplex kialakítású, rugalmas egyenes vezeték felülnézeti fotóját látjuk. A bemutatott vezeték valójában négycsuklós mechanizmus, a négy csapágyazás helyén rugalmas csuklókkal – ezért ezt a szerkezetet is rugalmas vezeték egy speciális formájának tekintjük. A vezeték monolitikus (egy darabból készült) és lényegében két párhuzamos, merev műanyag lemezből áll, a rugalmas csapágyazásokat az anyag elvékonyításával, és speciális, hornyos kialakításával hozták létre. Ez a vezeték nem csak függőleges mozgást, hanem bizonyos mértékű oldalirányú elmozdulást és szögben történő elfordítást is lehetővé tesz. A kép baloldalán a rugós vezeték befogása, míg a jobboldalon a lencsefoglalat egy kicsiny része látszik. A kör alakú jelölés „1”-es számmal jelzi azokat a csuklópontokat, amelyek a lencsefoglalat oldalirányú pozicionálását és szögben való elfordítását biztosítják. A méhsejt formával kijelölt, és „2”-es számmal jelzett csuklók a párhuzamos rugós vezeték függőleges mozgását teszik lehetővé.
A rugalmas vezetéken kívül jól kivehetőek további szerkezeti elemek is, így például a szimmetrikusan elhelyezett, két lineáris motor „fő” tekercsei, amelyek a lencse függőleges pozicionálását teszik lehetővé. A nagy tekercsek közepén a mágneskör „vas” része látható, az „U”-alak egyik szára, felülről. A permanens mágnes az U-forma belső oldalára van ragasztva, ez a fotón már nem látszik, de a fenti szerkezeti ábrán bemutattuk. A nagy tekercsek külső oldalán két-két további, kisebb tekercset is találunk, ezekkel a lencsefoglalat oldalirányú elmozdítását és szögben való elfordítását lehet biztosítani.
6.19. ábra - A CD fejben található rugalmas vezeték elemei
(„1” elfordulás, „2” függőleges mozgás)
A rugalmas kettős vezeték működésének jobb érthetősége miatt a két következő kép a rugós vezeték két szélső pozícióját mutatják be. A baloldali képen az alsó ütközési helyzet látható, és figyelmes szemlélő nem csak az egyik lemezt, hanem a kép alján a párhuzamos, második lemez csuklópontjait is fel tudja ismerni. A jobboldali képen a vezeték felső ütközési pozíciója van bemutatva.
6.20. ábra - A rugalmas vezeték főmozgásának két szélső pozíciója
A működési vázlat alapján megszerkesztett gráf erősen emlékeztet a DC motor gráfjára. A villamos oldal azonos, ott a tekercs ellenállása és a nyugalmi induktivitása alkotják a hurok passzív elemeit, a mechanikai oldalon egyenes vonalú mozgást végző elemeket láthatunk. A rugalmas vezeték „k” rugómerevsége, és a deformációból eredő belső súrlódási veszteséget modellező „b” csillapítási tényezője (veszteséges rugó, Kelvin modell) valamint az eredő tömeg található. A mechanikai oldalon forrás nincsen.
6.21. ábra - A CD fej gráfja
Keresett a hagyományos szabályozókör megtervezéséhez szükséges X(s)/Ube(s)=G(s) átviteli függvény. Ilyen esetben legcélszerűbb, ha impedancia módszert alkalmazunk. A következő ábrákon először az impedancia hálózat, majd a kimeneti változónak alárendelt összevonások eredményeként kapott kapcsolás látható.
Mechanikai keresztváltozó keresett, ezért a villamos oldal impedanciáit átszámítjuk mechanikai egyenértékű impedanciákká, és felrajzoljuk a keresztváltozó osztót. A feladatot ennél egyszerűbb kapcsolással nem lehet megoldani.
6.22. ábra - A CD fej impedancia hálózata
A korábbi példáknál bemutatott módon összevonjuk a villamos oldal impedanciáit, majd a mechanikaim oldalra számítjuk át az eredőt, hiszen mechanikai változó a keresett.
6.23. ábra - Egyszerűsített kapcsolás az átviteli függvény felírásához
Az egyszerűsített kapcsolás alapján, feszültségosztó formájában felírjuk az átviteli függvényt:
A kijelölt műveletek elvégzése a következő feladat:
Végül a szakasz átviteli függvénye már nem tartalmaz deriváló jelleget, tekintettel arra, hogy az optikai foglalatnak nem a sebessége, hanem a pozíciója a szabályozott jel. A sebességre felírt átviteli függvényt tehát be kell szorozzuk 1/s kifejezéssel:
Az átviteli függvényben szándékosan elkülönítettük a mechanikai és a villamos időállandókat, valamint a mechanikai rész csillapítatlan rezonancia frekvenciájával összefüggő tagot:
Az operátor első hatványához tartozó együttható harmadik tagja jellegzetesen mechatronikai, hiszen ez egy vegyes időállandó. A redukció alapján a nv2/k=Lk kifejezés nem más, mint a mechanikai rugómerevséggel egyenértékű induktivitás. Így valójában egy Lk/R elektromechanikus időállandóval van dolgunk.
Az általunk eddig megvizsgált híradástechnikai CD fejek mindegyikének mechanikai rezonancia frekvenciája a 17 Hz<ω0 <30 Hz tartományban volt található. A szabályozókör tervezése szempontjából ezt a szakaszt mindenképpen másodrendűnek célszerű tekinteni, hiszen az L/R időállandó elhanyagolhatóan kicsi a mechanikai rész időállandójához viszonyítva. A szakasz dinamikai szimulációját bemutatjuk a 15. fejezet - CD-fej fókusztávolság szabályozásának tervezése és szimulációja elején. Szimulációval és méréssel győződtünk meg arról, hogy a szabályozás szempontjából „éppen” a motor induktivitása lesz elhanyagolható. Érdekességként említjük, hogy van olyan munka, amelyben a szerző nem vesz tudomást a domináns jellegű mechanikai építőelemekről, munkájában olyan villamos kapcsolás látható, amelyen a lineáris motorból kizárólag a tekercs induktivitása van feltüntetve. Éppen az az elem, amely a dinamikus viselkedésben nem játszik szerepet: Claus Biaesch-Wiebke CD-Player und R-DAT-Recorder [6.3.]. Ilyen alapról indulva természetesen nem lehet megfelelő szabályozókört méretezni. Az idézett munka célja nem is ez volt, hanem a CD-DVD fejek felépítésének és működésének bemutatása, bár a teljeséghez mechatronikai szemlélet esetében az elektrodinamikus váltó, és a mechanikai építőelemek is hozzátartoznak.
Szakirodalom
[6.1.] Lenk, A.. Elektromechanische Systeme Bd. 2. Verlag Technik. Berlin . 1975.
[6.2.] Kuo, B. C.. Önműködő szabályozott rendszerek. Műszaki Könyvkiadó. Budapest . 1979.
[6.3.] Biaesch-Wiebke, Claus. CD-Player und R-DAT-Recorder. Vogel Verlag. Würzburg . 1988.