4.1.3.3 Piezoelektrické akčné členy

Piezoelektrické akčné členy (častejšie aktuátory) sú inteligentné prevodníky typu elektrické pole/deformácia. Mechanické výstup môžu mať obyčajne posuvný alebo rotačný. Sú využívané na presné nastavenie polohy v optických systémoch (napr. na automatické nastavenie ohniskovej vzdialenosti fotoprístrojov, ako pohony videokamier), v palivových vstrekovacích systémoch či v systémoch aktívneho potlačovania vibrácií a hluku. Aplikácií je však omnoho viac.

4.1.3.3.1 Piezoelektrické akčné členy s posuvným pohybom

Najjednoduhším akčným členom (aktuátorom) s posuvným pohybom je piezoelektrická doštička (alebo tyčinka), opatrená elektródami. Napätie U privedené do elektródy vytvorí medzi nimi pole s intenzitou E3 = U/h (h je hrúbka) a doštička sa zásluhou piezoelektrického koeficientu d33 zdeformuje v smere X3. Výsledná jednoosová deformácia:

S3 = Δh/h = d33E33

Mechanické posunutie v smere X3 je potom dané vzťahom

Δh = d33U

Mechanické posunutia piezoelektrického akčného členu môžu byť modelované matematickými vzťahmi a výkonnými softwarovými prostriedkami (ANSYS).

Veľkosť mechanického posunutia závisí na sile generovanej akčným členom. Nezaťažený piezoelektrický akčný člen má najväčšie posunutie Δhmax³, naopak akčný člen zaťažený tak veľkou silou, že posunutie je nulové, vyvíja blokovaciu silu Fb.

Mechanické posunutie jednoduchého piezoelektrického akčného člena je opakovateľné s veľkou presnosťou, je však veľmi malé (v rade nm až µm podľa použitej piezoelektrickej látky, resp. podľa jej piezoelektrickej konštanty).

Zväčšenie mechanického posunutia piezoelektrického akčného členu sa dá dosiahnuť niekoľkými spôsobmi. Najrozšírenejšie je zväčšenie získané sčítaním jednotlivých posunutí za sebou radených jednoduchých akčných členov. Vzniká mnohovrstevný akčný člen (multilayer). Výsledné posunutie n doštičiek s posunutím Δ1 pri každej dáva celkové posunutie Δcelk = n Δ1. Typická hrúbka jednej doštičky, či skôr vrstvy, je 80µm. Doštičiek môže byť niekoľko desiatok a tvoria tak teleso akčného člena. Malá hrúbka jednej doštičky je istou výhodou, keďže riadiace napätie môže byť nízke a pritom dosiahnuté elektrické pole môže byť vysoké.

Piezoelektrické akčné členy typu multilayer sú využívané napr. v moderných vstrekovacích systémoch spaľovacích motorov alebo v konštrukciách akčných členov pre letecký priemysel.

Ďalším významným usporiadaním je piezoelektrický akčný člen typu bimorf. Ten využíva ohybové deformácie votknutého nosníka, zložené z dvoch materiálov. Bimorfy vykazujú relatívne veľké posunutia, až desatiny mm.

Iným, skôr neobvyklým spôsobom zväčšenia mechanickej deformácie piezoelektrického akčného člena je použitie hydraulického prevodu. Piezohydraulický akčný člen je zložený z piezokeramického valca (PZT), naplneného nestlačiteľnou kvapalinou. Radiálne elektrické pole valca je vytvorené pomocou elektród, ktoré sú nanesené na vonkajšom a vnútornom povrchu valca. Pri aktivácii piezoelektrického valca dôjde k jeho radiálnej deformácii a kvapalina v objeme valca vytlačí pracovný piest menšieho priemeru z valca. Výsledná sila a mechanické posunutie piestu zodpovedajú hydraulickému prevodu systému. Nevýhodou je pomalšia odozva a technologické problémy spojené s tesnosťou piestu.

Príklady použitia piezoelektrických akčných členov (aktuátorov) s posuvným pohybom

Piezoelektrické akčné členy majú niektoré výnimočné vlastnosti, ktoré sa nedajú dosiahnuť pri klasických akčných členoch. Je to predovšetkým vysoká presnosť nastavenia posunutia (až 0,01 µm), veľmi rýchla odozva na riadiaci signál (napr. 50 µs) a generovaná sila (až 1000 N) pri pomerne malom riadiacom napätí (100 V). Technické parametre, relatívna jednoduchosť a vysoká spoľahlivosť sú dôvody pre početné a špeciálne aplikácie piezoelektrických aktuátorov.

a) Aktívne potlačovanie vibrácií

Cieľom aktívneho potlačovania vibrácií mechanických systémov je zmenšenie amplitúdy vibrácií a potlačenie hluku (zmenšenie akustického tlaku vyžiareného do okolia vibrujúceho telesa). Nežiaduce vibrácie a hluk doprevádzajúci ľudskú činnosť predstavujú významnú ekologickú záťaž. Najčastejšie užívané metódy sú založené na pasívnom tlmení vibrácií a hluku, pri ktorom sa vibrácie a hluk redukujú tým, že sa ich energia pohlcuje a mení na teplo. Moderné prístupy k riešení problému využívajú technologický pokrok v oblasti inteligentných materiálov, výpočtovej techniky a metód riadenia. Ide teda o príklad mechatronického systému s vysokou mierou inteligencie.

Najjednoduchším spôsobom aktívneho potlačovania vibrácií telies je využitie poloaktívneho piezoelektrického akčného člena (aktuátora), namáhaného mechanicky vibrujúcim telesom. Napätie generované piezoelektrickým meničom privádzame na elektrickú záťaž RL, ktorá spolu s kapacitou meniča tvorí ladený obvod. Energia sa v rezistore R mení na teplo.

Aktívne riadenie vibrácií so spätnou väzbou je zrejme najrozšírenejším typom potlačovania vibrácií.

Sústava sa skladá z vibrujúcej dosky m, ktorá má byť utlmená, telesa akcelerometra so seizmickou hmotnosťou mA, obvodu spätnej väzby so zosilovačom a filtrom a z akčného člena (piezoelektrického aktuátora). Elastické vlastnosti uloženia dosky sú modelované pomocou pružiny s konštantou k1. Akcelerometer reaguje na posunutie medzi jeho hmotnosťou mA a doskou, ktorá kmitá v smere osy y. Signál akcelerometra je filtrovaný a spracovaný tak, aby sila vyvodená akčným členom (piezoelektrickým aktuátorom) pôsobila opačným smerom, než je konečné posunutie dosky. Výsledné posunutie dosky je potom takmer konštantné, amplitúda kmitom dube výrazne nižšia. Potlačenie však nie je ideálne. Dôvodom je skutočnosť, že charakteristika senzora nie je plochá (musí byť upravená filtrom). Rovnako zosilenie v obvode spätnej väzby musí byť také, aby akčný člen vyvolal silu presne zodpovedajúcu sile vyvolanej zdrojom kmitov. V praxi je výsledné potlačenie vibrácií asi 10 % pôvodnej amplitúdy v pásme 10-40 Hz. Pretože situáciu ďalej komplikujú vlastné mechanické kmity sústavy je dosiahnutie potlačenia na 1 % považované za nemožné. Riadiaci systém môže byť komplikovaný a obtiažne zrealizovateľný.

Riešením, ktoré odstraňuje nedostatky aktívneho riadenia vibrácií so spätnou väzbou, je sústava s názvom Feed forward control. Vzhľadom na svoju zložitosť a nárokom na riadiacu jednotku nie je však táto sľubná metóda v praxi rozšírená.

Výber vhodnej metódy potlačenia vibrácií a hluku závisí na type zdrojov vibrácií, na intenzite nežiaducich prejavov aj na prostriedkoch, ktoré máme k dispozícii.

S ideou aktívneho tlmenia nežiaducich vibrácií sa môžeme stretnúť v prípadoch, kedy uloženie citlivých prístrojov vyžaduje minimálne vibrácie nosnej dosky, v leteckých konštrukciách (tlmenie motorov listov rotora vrtuľníku) a pod.

b) Miniatúrne polohovacie zariadenia

Polohovacie zariadenia s nano- a mikrometrickými posunmi sú klasicky riešené s použitím spätnej väzby, ktorá je realizovaná pomocou optického alebo kapacitného snímania polohy. S cieľom dosiahnutia požadovanej hodnoty posunutia je signál senzora polohy porovnávaný s požadovanou hodnotou a následne je riadený piezoelektrický akčný člen Niektoré laboratóriá však prichádzajú s myšlienkou zjednodušenia klasického riadenia so spätnou väzbou tým, že sa využije aktívne riadenie elastických vlastností inteligentných (piezoelektrických) materiálov. Táto metóda je založená na súčasnom využití priameho a prevráteného piezoelektrického javu, ktorá výsledne ovplyvňuje elastické vlastnosti piezoelektrika. Pomocou metódy aktívneho riadenia elasticity je možné veľmi efektívne vytvoriť autodetekčný inteligentný aktuátor, ktorý bude eliminovať efekty fluktuácií mechanických stimulov na posunutie aktuátora. Metóda sa dá uplatniť pre riadené potlačenie akustického vlnenia pomocou elastickej membrány s piezoelektrickými vlastnosťami.

c) Riadené obtekanie profilov telies

Zmena profilu časti krídla či natočenia listu rotora vrtuľníka pomocou piezoelektrických akčných členov (aktuátorov) s mechanickým prevodom ovplyvní letové vlastnosti danej fázy letu. Malá deformácia piezoelektrického člena je mechanicky zväčšená a využítá pre dynamické ovplyvnenie prúdenia vzduchu okolo profilu krídla. Turbulentné prúdenie tak môže byť v obmedzenej čati povrchu profilu premenené na laminárne, čím sa zmenia vztlakové pomery a poklesne aerodynamický odpor telesa. Riadené obtekanie profilu krídla tak zlepšuje dynamiku letu v oblasti turbulencií okolitých vzdušných vrstiev. Systém aktívneho riadenia je zložený z niekoľkých desiatok piezoelektrických akčných členov typu multilayer s mechanicky zväčšeným posunutím. Mechanické posunutie Δh piezoelektrického aktuátora spôsobí ohybovú deformáciu pružnej lamely a rotačný pohyb aktívnej lamely s malýv uhlom natočenia. Výsledné mechanické posunutie ΔH na konci aktívnej lamely je v rade 2-3 mm. Aby bolo dosiahnuté dostatočné silové účinky pracuje piezoelektrický akčný člen v polovici mechanického posunutia Δhmax. Aktívne lamely kmitajú kmitočtom až desiatok Hz.

d) Nastavenie polohy snímača hlavy videorekordérov

Poloha snímacej hlavy voči záznamovej stope a presnosť jej nastavenia má vplyv na kvalitu obrazu pri rôznych rýchlostných režimoch prehrávania či záznamu. Použité je v piezoelektrických akčných členoch typu bimorf zložitej konštrukcie (Sony).

e) Zlepšenie jazdného komfortu pomocou inteligentných tlmičov

Inteligentné tlmiče automobilu menia svoju tuhosť v závislosti na charaktere vozovky. Prejazd nerovnosti je monitorovaný piezoelektrickým senzorom uloženým v tlmiči. Akčným členom nastavujúcim ventily v hydraulickom systéme tlmiča je piezoelektrický akčný člen typu multilayer (Toyota).


Vlastnosti piezoelektrického akčného člena (aktuátora) s posuvným pohybom

Piezoelektrický akčný člen je porovnávaný s najrýchlejším konvenčným elektromechanickým akčným členom, ktorým je elektrodynamický prevodník s posuvným pohybom.

Mechanické posunutia piezoelektrického akčného člena v rade nm až µm zodpovedajú riadiacemu elektrickému poľu, sú samozrejme ťažko merateľné, zvlášť, keď vyžadujeme vyšetrenie mechanickej odozvy v širokom teplotnom intervale. Takéto merania sa prevádzajú najčastejšie pomocou laserového interferometra a optického kryostatu, v ktorom je regulovaná teplota.


4.1.3.3.2 Piezoelektrické akčné členy s rotačným pohybom – ultrazvukové motory

Ultrazvukové piezoelektrické motory sú akčné členy s rotačným pohybom s priamou premenou elektrickej energie na mechanickú. Predstavujú moderné riešenia elektrického akčného člena nízkeho výkonu tam, kde sa nedajú, napr. z konštrukčných dôvodov, klasické motory s elektromagnetickou premenou energie úspešne realizovať. Bolo navrhnutých niekoľko riešení piezoelektrických motorov, najčastejšie sa však využíva princíp vytvorenia postupnej elastickej vlny v statore, zhotovenom z piezoelektrického materiálu (keramiky PZT). Stator s tvarom disku je opatrený segmentovo usporiadanými dvojicami elektród. Postupné budenie jednotlivých piezoelektrických elementov dvoma fázovo posunutými signálmi vytvárajú v statore pozdĺžne a priečne elastické vlny, z ktorých interakcií vzniká postupná elastická vlna. Elementárne častice na povrchu statora pritom vykonávajú eliptický pohyb a pôsobia na trecie medzikružia a rotor. Rotor s definovaným prítlakom sa potom pohybuje v smere, ktorý je daný pohybom elastickej vlny.

Piezoelektrický motor sa vyznačuje malými rozmermi, hmotnosťou a malým zotrvačným momentom rotora. To, spolu s princípom premeny energie, spôsobuje veľmi malú časovú odozvu na riadiaci signál. Piezoelektrický motor sa dá navrhnúť aj pre nízke otáčky, takže odpadá prevodovka. Jeho konštrukcia však vyžaduje definované trecie pomery medzi statorom a rotorom, čo ukazuje na nižšiu životnosť. Motor preto nie je určený pre trvalý chod.


4.1.3.3.3 Piezoelektrické rezonátory

Piezoelektrické rezonátory využívajú priamy a obrátený piezoelektrický jav. Rezonátor kmitá mechanickými kmitmi, ktoré sú určené tvarom a rozmermi rezonátora, hustotou a elastickými vlastnosťami použitej piezoelektrickej látky. Kmity sú vybudené slabým harmonickým elektrickým poľom

E = Emsinωt

ktoré vytvoríme malým harmonickým napätím na elektródach rezonátara. Najväčšiu amplitúdu mechanických kmitov dosiahneme vtedy, ak sa mechanická uhlová rýchlosť ωmech číselne rovná kmitočtu iezoelektrického rezonátora. Pretože môže rezonátor ako mechanické teleso s niekoľkými stupňami voľnosti kmitať rôznymi typmi (módmi) kmitov a každý typ kmitov má základné a vyššie harmonické, vykazuje piezoelektrický rezonátor celé spektrum kmitov rôznych amplitúd a kmitočtov. Využívaný je obvykle len jeden rezonančný kmitočet piezoelektrického rezonátora.

Piezoelektrický rezonátor, predstavujúci dnes diskrétnu elektronickú súčiastku neveľkých rozmerov, má najčastejšie tvar kruhovej doštičky, pravouhlej doštičky alebo tyčinky zhotovenej z piezoelektrického monokryštálu či piezoelektrickej keramiky. Kmitajúci rezonátor je zvláštny tým, že má elektrickú impedanciu silne závislú na kmitočte. Pre potreby začlenenia takéhoto prvku do elektronických obvodov oscilátorov, filtrov alebo senzorov bol odvodený elektrický náhradný obvod tvaru dvojpólu.

Prvky Ln, Cn a Rn predstavujú tzv. dynamické prvky elektrického náhradného obvodu, rčujúci sériový rezonančný kmitočet obvodu. Ten je veľmi blízky rezonančnému kmitočtu rezonátora, pri ktorom je imaginárna časť impedancie nulová. Prvky Ln a Cn rešpektujú piezoelektrické a elastické vlastnosti rezonátora, Rn vyjadruje jeho straty. C0 je statická kapacita závislá od permitivity piezoelektrickej látky, ploche elektród a látke medzi nimi.

Piezoelektrické rezonátory majú pre svoje kmitočtové selektívne vlastnosti a stabilný kmitočet uplatnenie v rádioelektronike a vo výpočtovej technike. S/ tiež významné ako senzory precujúce v rezonančnom režime (biosenzory), prípadne ako ultrazvukové prevodníky a perspektívne piezoelektrické transformátory.


4.1.3.3.4 Ultrazvukové výkonové prevodníky

Ultrazvukové výkonové prevodníky sú v podstate piezoelektrické rezonátory kmitajúce na relatívne nízkych kmitočtoch (desiatkach kHz) s veľkou amplitúdou kmitov. Sú využívané vo funkcii vysielača či prijímača ultrazvukového akustického vlnenia a predstavujú podstatnú časť prístrojov pre detekciu vo vodnom prostredí (sonar) alebo diagnostiku biologických tkanív (ultrazvukové lekárske zobrazovače). Usporiadanie ultrazvukového prevodníka je ovplyvnené nutnosťou akustického prispôsobenia prevodníku a prostredia, ktorým sa majú ultrazvukové vlny šíriť.

Zdrojom ultrazvukových kmitov je najčastejšie piezokeramický rezonátor. Použitá piezokeramika PZT má činiteľ akosti Q~80 a pomerne nízku hodnotu Curierovej teploty Tc (Tc = 235-365°C v závislosti od zloženia keramiky). Tc je teplota, pri ktorej prekročení sa nenávratne strácajú piezoelektrické vlastnosti. Istou nevýhodou je vysoký merný akustický odpor pc. Ten je príčinou obtiažneho impedančného prispôsobenia na niektoré priľahlé prostredia, napr. na kvapalinu. Nevhodným prispôsobením sa môže znížiť citlivosť získaná veľkým činiteľom elektromechanickej väzby keramiky. V zásade môže byť ultrazvukový piezokeramický menič zhotovený do tvaru doštičky alebo tvaru valca. Uvažovaná doštička má elektródy v rovine X1X2 a smer polarizácie P povnobežný so smerom budiaceho elektrického poľa E3. Takáto doštička kmitá hrúbkovými kmitmi, ktorých rezonančný kmitočet je daný hrúbkou doštičky h. Kmity vybudia v priľahlom prostredí akustické vlnenie s oblasťami v ktorých dochádza k zvýšeniu tlaku, striedajúcimi sa s oblasťami so zníženým tlakom. Tlak vznikajúci pri šírení ultrazvukovej vlny nazývame akustickým tlakom. Akustický tlak je úmerný mernej akustickej impedancii z a akustickej rýchlosti v:

p = zv

V tomto vzťahu je p harmonicky premenný akustický tlak, kde je amplitúda akustického tlaku a v = V sinωt je akustická rýchlosť s amplitúdou V = ωA, (A je amplitúda výchylky).

Ultrazvukový prevodník využívajúci piezoelektrické prvky môže vykonávať, ako sme predtým naznačili, aj senzorickú funkciu. Môže zachytávať ultrazvukové vlny odrazené od akustických rozhraní, teda rozhraní látok s rozdielnymi akustickými vlastnosťami (akustickými impedanciami) a meniť ich na elektrické signály. Prevodníky či skupina prevodníkov z pravidla pracuje v režime impulzného vysielania a prijímania akustického vlnenia (tlaku). Následne počítačové spracovanie zmesi elektrických signálov a zobrazenie prostredia a ich rozhrania je realizované procesorom systému. Najvýznamnejším uplatnením ultrazvukových výkonných prevodníkov badáme v lekárstve. Ultrazvukové lekárske zobrazovače dnes dokážu vytvoriť na monitore 3D obraz štruktúry orgánov ľudského tela. Pretože ide o neivazívnu a telu neškodnú metódu, je jej dávana v mnohých prípadoch prednosť pred vyšetrením pomocou RTG.


4.1.3.3.5 Piezoelektrický transformátor

Piezoelektrický transformátor mení vstupné napätie na vysoké napätie výstupné. Využíva pritom energetické premeny, založené na princípe dvoch piezoelektrických javov. Transformátor je tvorený piezokeramickou doštičkou s dvoma časťami, líšiacimi sa umiestnením elektród a smerom polarizácie P1 a Pľ.

Harmonické napätie U1 privedené na vstup časti dĺžky L1 vybudí v doštičky kmity s dĺžkou vlny rovnou dĺžke celej doštičky. Na každej z oboch častí transformátora sa objaví polovičná dĺžka vlny. Mechanickým napätím namáhaná časť s dĺžkou L2 mení túto deformáciu na napätie U2. Transformačný pomer závisí na koeficientoch väzby oboch častí k31 a k33, činiteľovi mechanickej akosti Q, pomere dĺžky L2/h, ale aj na elastických koeficientoch oboch častí s33 a s11:

U2/U1 ≈ k31k33Q L2/h

Ide o vynikajúcu ukážku premeny elektrickej energie na mechanickú a opäť na elektrickú.

Transformátor neobsahuje žiadne vinutia a môže byť navrhnutý ako tenká, veľmi kompaktná elektronická súčiastna. Používa sa ako zdroj vysokého napätia displejov laptopov alebo farebných TVP.


4.2 Pneumatické akčné členy


Pneumatické akčné členy prevádzajú tlak na silu alebo výchylku. Podľa pohybu výstupného prvku sa dajú rozdeliť na posuvné, kyvné a rotačné. V oblasti ovládacej techniky je zrejme najpoužívanejším akčným členom dvojpolohový piestový pohon. Jeho prednosťou je veľký zdvih, značná výstupná sila či moment, robustnosť a spoľahlivosť. Tieto pohony pracujú ako dvojčinné alebo jednočinné s vratnou pružinou. Zaujímavé sú pohony bezpiestovnicové, určené pre náročnejšie automatizačné úlohy. Bezpiestovnicový pohon môže mať magnetický prenos sily medzi piestom a vonkajším unášačom, ohybnou piestnicov alebo mechanické spojenie doplnené „zipsovou“ uzávierkou pre aj za piestom. Firma Festo ponúka bezpiestnicové pohony s priemerom piestu 18-40 mm a zdvihom 10-5 000 mm s vedením v guličkových obežných púzdrach s hydraulickým alebo elektrickým tlmením nárazu. Presnosť polohy 0,1 mm/m a pomerne veľkej rýchlosti prestavovania (do 2m/s) sú vhodnými predpokladmi pre uplatnenie bezpiestnicových akčných členov v priemysle. Ich podstatnými výhodami sú krátka dĺžka zástavby(daná konštrukciou bez vysunutej piestnice), výhodné zachytenie radiálnych síl a možnosť vonkajšieho brzdenia.

Polohovacie pohony umožňujú presné nastavenie polohy. Vykonávajú posuvný (translačný) pohyb. Konštrukčne sa vyznačujú priechodnou piestnicou, priemerom piestu 30-42 mm a zdvihom 100.500 mm. Ich vedenie je v guličkových obežných púzdrach, majú tiež elektrický alebo hydraulický tlmič nárazu a vonkajšie analógové, výnimočne digitálne odmeriavanie. Typické časy polohovania krátkeho zdvihu sú v rozmedzí 0,4 s (vodorovne)-0,7 s (zvisle). Prevádzkovým médiom je filtrovaný nemazaný stlačený vzduch s tlakom 4.8 barov. Pohon môže byť zaťažený max. hmotnosťou 45 kg (vodorovne) a 15 kg zvisle.

Priamočiare pohony pre montážnu a manipulačnú techniku s vysokou nosnosťou a zdvihom do 2 000 mm sa byrábajú s vonkajším alebo integrovaným odmeriavaním (Festo).

Pneumatické akčné členy s kývavým pohybom (kývacie akčné členy) majú prevod priamočiareho pohybu na kyvný realizovaný pomocou pastorka a ozubeného hrebeňa, pomocou viacchodnej šrúby a matice (ktorá je výstupným elementom členu), alebo realizovaný tlakom média priamo na ovládaný otočný člen pohonu (krídlový kyvný pneumatický pohon). Krídlový pohon s typickým rozsahom nastavenia uhlu kyvu 0-270°, uhlom kyvu 272° býva vybavený analógovým integrovaným odmeriavaním polohy. Pre minimalizáciu trenia je hriadeľ s kyvným krídlom uložený v guličkových ložiskách. Iným príkladom je dvojčinný pneumatický kyvný pohon s voliteľným uhlom kyvu 90°, 180° a 360°. Pohon je založený na prevode pomocou pastorka a ozubeného hrebeňa. Snímanie polohy je uskutočnené pomocou približovacieho indukčného snímača, tlmenia v koncových polohách je voliteľné. Maximálnou frekvenciou kyvov pri tlaku média 6 barov je 1,2 Hz, maximálny krútiaci moment 9 Nm.

Mnohé úlohy môžu využiť vlastností pneumatickej kyvnej jednotky s chápadlom. Tá predstavuje kombináciu presného paralelného chápadla a kyvného modulu.

Kyvné pohony sú vhodnými ovládacími akčnými členmi pre spracovateľský priemysel aj iné priemyslové aplikácie. Okrem zmienených pneumatických akčných členov sa v automatizačnej technike uplatňuje veľké množstvo pneumaticky ovládaných ventilov. Tlakom vzduchu na vstupe A alebo B pneumatického akčného člena sa otvára alebo zatvára ventil ovládajúci prietok média. Akčný člen má podobu posuvného valcového telesa s kužeľovým kolíkom, ktorý svojim pohybom v ose ventilu prietočné množstvo mení. Iné usporiadanie predstavuje elektricky riadený akčný člen s reversibilným synchónnym motorom, ktorý je spojený prostredníctvom planetovej prevodovky a guličkovej šrúby s ventilom. Motor môže byť odpínaný a chránený tak proti preťaženiu v závislosti na dosiahnutom momente či polohe. Podobnou konštrukciou sa vyznačuje pneumatický akčný člen, aktivovaný nie elektrickým motorom, ale dvojčinným valcom.


4.3. Hydraulické akčné členy

Hydraulické akčné členy sú konštruované ako piestové dvojčinné, proporcionálne či nespojité. Vyznačujú sa vysokým pracovným tlakom (desiatky MPa) a veľkými vyvodzovanými silami či momentmi pri prijateľných dobách prestavenia. Klasickým hydraulickým akčným členom je hydraulický valec, do ktorého vháňa čerpadlo tlakový olej. Hydraulickým prevodom získame veľké vysunutie piestu a vysokej výstupnej sily. Aplikácie známe z dopravnej techniky (sklápanie korby nákladného automobilu, pohyby pracovných nástrojov stavebnej techniky, letecké podvozky a iné). V súčasnej dobe sú parametre výstupného pohybu, ako sú výsledná sila, presnosť nastavenia polohy a rýchlosť jej dosiahnutia, riadené elektro-hydraulickými servopohonmi.

Servopohony môžu byť obyčajne elektrické, pneumatické a elektrohydraulické. Ich úlohou je prevod riadiaceho signálu od riadiacej jednotky na pohyb tak, aby regulačný prvok regulačného člena zaujal polohu zodpovedajúcu riadiacemu signálu. Veľmi rozšírená je automatizačnej technike regulácia ventilov a regulačných klapiek. Pri základných druhoch regulačných členov sa dá najčastejšie stretnúť s pohybom zdvihovým (pri regulačných ventiloch) a kyvným (pri klapkách, guľových ventiloch a ventiloch s otočným kužeľovým kolíkom). Konštrukčne tvoria servopohony spolu s regulačnými regulačný ventil, doplnený z pravidla ďalšími prevodníkmi (pre spätné väzby, signalizáciu stavov a iné).
V obvodoch s pneumatickými či hydraulickými členmi sa ako riadiace prvky uplatňujú elektromagnetické ventily. Sú to akčné členy, ktoré na základe vonkajšieho elektrického signálu ovládajú prívod plynných a kvapalných médií k ďalším prvkom a zariadeniam. Elektromagnetické ventily pracujú dvojpolohovo. Ich kľudový stav môže byť „ventil otvorený” alebo „ventil zavretý”.
4.4 Porovnanie elektromechanických, pneumatických a hydraulických akčných členov
Elektromechanické akčné členy majú mnoho výhod, pre ktoré sú uplatňované aj v elektrohydraulických a elektropneumatických jednotkách. Tie potom predstavujú pokročilé mechatronické systémy s vlastnosťami, ktoré sú lepšie, než majú pôvodné klasické akčné členy. Podstatnými výhodami elektromechanických akčných členov sú:
·jednoduché napájanie akčného člena káblami;
·akčný člen sa dá ľahko riadiť, a to aj veľmi zložitými algorytmami, riadiace procesory sú programovateľné a dostupné;
·jednoduchá komunikácia riadiacej jednotky s nadradeným procesorom pomocou zbernice;
·elektrická energia je čistá;
·závady sa dajú relatívne ľahko diagnostikovať a opraviť;

Je však potrebné uviesť aj niektoré nevýhody:

·zložitejší prevod rotačného pohybu na žiadaný pohyb, menší počet možností, ako získať žiadaný pohyb;
·zložitejšia konštrukcia akčného člena s nízkou výstupnou rýchlosťou a veľkým výstupným momentom
·akčný člen a jeho napájanie vychádzaju drahšie pre prostredie s nebezpečím požiaru

Z elektromechanických akčných členov sú v automatizačnej technike najrozšírenejšie elektro- magnetické ventily, prvky elektrických prístrojov a zariadení a elektrické motory. V oblasti elektrických motorov sa dajú za najvýznamnejšie považovať frekvenčne riadené asynchrónne a synchrónne motory s priamym riadením momentu alebo vektorovým riadením. Tieto členy majú výborné dynamické vlastnosti, vhodný priebeh momentových charakteristík a schopnosť zaujať dostatočne presnú polohu rotora. Konkurujú rovnakosmerným motorom aj tam, kde je požadovaná vysoká presnosť nastavenia polohy, velká zaťažiteľnosť a malé rozmery. Klasické servopohony s rovnakosmernými motormi s permanentnými magnetmi sú do istej miery nahradzované motormi s elektronickou komutáciou. Rozšírenie dosahujú krokové motory. Objavujú sa integrované riešenia, kedy riadiaca jednotka plní funkciu riadenia pohybu aj programovateľného automatu. Takéto riešenie umožňuje nastavovať nielen parametre pohonov, ale programovať aj pohybové úlohy. Existujú aj riešenia s dvomi procesorovými jednotkami CPU. Prvý procesor riadi servopohony a stará sa o ich synchronizáciu, druhý zastává funkciu PLC. Všetky riešenia majú široké možnosti komunikácie (Profibus, CC-link, DeviceNet). K riadiacej jednotke sa dajú pripojiť ako synchrónne, tak asynchrónne motory. Realizovaná je rýchlostná, prúdová a polohová spätná väzba s inkrementálnymi alebo absolútnymi snímačmi, prípadne resolvermi.

Pneumatické akčné členy s priamočiarym pohybom sú v automatizácii veľmi užívaným prvkom, aj keď sa zdá, že ich pozícia slabne obzvlášť v aplikáciách, ktoré vyžadujú presné nastavenie polohy.
Hlavné výhody pneumatických akčných členov sú nasledujúce:
·relatívna jednoduchosť a s tým súvisiace menšie obstarávacie náklady;
·členy môžu pracovať v prostredí so zvýšenou teplotou;

Napriek tomu môžu byť nevýhody závažné:

·z dôvodu stlačiteľnosti vzduchu je obtiažne dosiahnuť presnú požadovanú polohu;
·nedajú sa dosiahnuť veľké sily pri nízkom tlaku vzduchu
·ďalšia odozva na riadiaci signal

Hydraulické akčné členy konkurujú elektromechanickým akčným členom najmä pomerom hmotnosti a výkonu, možnosťou dosiahnutia veľkých silových pomerov, spoľahlivosťou a možnosťou realizovať prenos energie pri priestorovo zložitých mechanizmoch. Ich uplatnenie nájdeme pri dopravných a stavebných strojoch, poľnohospodárskej technike, lisoch, manipulátoroch a robotoch. Hydraulické pohony tiež zaznamenávajú tendenciu integrácie riadiacich funkcií a akčných členov s jednotkou pohonu. Elektronický modul integrovaný do akčného člena (napr. ventilu) spracováva signály snímačov polohy alebo tlaku v spätnej väzbe a môže byť pomocou zbernice Profibus alebo CAN pripojený na nadradenú riadiacu jednotku.

Hlavnými výhodami hydraulických akčných členov sú:

·výborný pomer hmotnosti a výkonu;
·veľká variabilita prevodu rýchlostí a pohybov medzi hydrogenerátorom a hydraulickým motorom;
·schopnosť kombinovať hydraulický prevod s inými druhmi prenosu energie

Ako hlavné nevýhody sú uvádzané komplikácie s olejovým hospodárstvom (nečistoty, nebezpečenstvo požiaru) a relatívne dlhá doba odozvy na riadiaci signál.

S výnimkou piezoelektrických akčných členov sa môžu elektromechanické, pneumatické a hydraulické akčné členy nazvať konvenčnými.

Všeobecne je možné pozorovať vývoj integrovaných akčných členov pracujúcich ako servomechanizmy so schopnosťou komunikácie po zbernici, či bezdrôtovo s nadradeným procesorom.

4.5 Inteligentné mikroelektromechanické systémy (MEMS)

Požiadavky na špecifické funkcie a miniaturizáciu elektromechanických systémov, vrátane ich začlenenia do integrovaných elektronických obvodov viedli k vytvoreniu mikroelektro-mechanických systémov (MEMS) ako čipu. V ceste však stála obtiažna zlúčiteľnosť oboch technológií, tj. technológie piezoelektrických materiálov a kremíkové (Si) technológie integrovaného obvodu. Jednou z mála možností riešenia je nanesenie tenkej piezoelektrickej vrstvy (typicky 1-3 µm PZT), napr. metódou naprašovania (sputering) na Si substrát opatrený izolačnými a ďalšími vrstvami. Tenká PZT vrstva má elektromechanické vlastnosti umožňujúce realizovať na čipe miniaturizované senzory a aktuátory. Okrem oblastí s elektromechanickými vlastnosťami sú na čipe vytvorené číslicové, prípadne analógové obvody s veľkou hustotou integrácie zaisťujúcej signálové operácie, riadenie aktuátorov a senzorov a ďalšie funkcie inteligentného obvodu (vlastná diagnostika, autokalibrácia, komunikácia s nadradeným procesorom a pod.)

Vlastnosti elektromechanickej aktívnej tenkej vrstvy PZT, obzvlášť jej objemová deformácia priloženým elektrickým poľom, sú laboratórne overované dvojlúčovým laserovým interferometrom, ktorý dokáže zmerať objemovú deformáciu v ráde nm a eliminovať pritom vplyv ohybovej deformácie vzorky.

Požadovaná funkcia MEMS musí byť rešpektovaná už pri návrhu integrovaného mikrosystému. Návrh sa prevádza za pomoci rozsiahlych softwérových nástrojov.

Z predchádzajúceho vyplýva, že MEMS je zákaznícky orientovaným multifunkčným mikrosystémom s veľkou budúcnosťou. V súčasnoti sú vyrábané mnohé druhy MEMS. Dostupné sú napr.: MEMS obsahujúce snímače zrýchlenia (ADXL202E, čo je dvojosí snímač s analógovým aj digitálnym výstupom PWM v osi X a Y) a snímače zrýchlenia vo funkcii gyroskopu (ADXRS300, ktorý predstavuje snímač uhlovej rýchlosti v rozsahu ±300º/s). Spolupracujú s mikropočítačom, prípadne s nadradeným počítačom v hierarchickom usporiadaní a sú využiteľné napr. pre snímanie polohy, uhlov naklonenia plošiny, prípadne ako aktivátory airbagov a súčasne napínačov bezpečnostných pásov v automobiloch a pod.

Významné sú aplikácie MEMS v automobilizme, letectve, kozmonautike a vojenskej technike.