Aktüatör Nedir? Aktüatör Çalışma Prensibi

Günlük hayatta sıkça karşılaşılan otomatik kapıların veya zahmetsizce açılan araba kapı kilitlerinin açılma ve kapanma hareketi aktüatörler tarafından gerçekleştirilir. Birçok endüstriyel alanda ve otomasyon sistemlerinde de yoğun şekilde kullanılan aktüatörler nasıl çalışır ve yapıları nasıldır? Detayları yazımızın devamında.

A- A+

13.12.2020 tarihli yazı 13957 kez okunmuştur.

Aktüatörler kontrol sistemlerinin önemli parçasıdır. Sistemin kendisine uyguladığı giriş bilgisini (elektriksel, hidrolik, pnömatik) fiziksel çıkış hareketine dönüştürmeden sorumludur. Temel anlamda, farklı enerji kaynaklarını fiziksel-mekanik hareket çevirir.

Aktüatör kısaca, bir enerjiyi alır ve bir nesneyi hareket ettirmek için kullanır.

►İlginizi Çekebilir: Temel Pnömatik Sistemler-Endüstriyel Otomasyon

Aktüatörler hareket tiplerine göre doğrusal (linear) ve döner (rotary) olmak üzere ikiye ayrılırken; kullanılan enerji kaynaklarına göre elektrikli, hidrolik ve pnömatik olarak temelde üçe ayrılır. Doğrusal aktüatörlerde uygulanan enerji ile doğrusal bir hareket elde edilir. Döner tipli olanlarda ise hareket daireseldir.

Pnömatik ve hidrolik aktüatör sistemlerinin geçmişi II. Dünya Savaşı’na (1938) kadar uzanmaktadır. Xhiter Anckeleman, bir otomobildeki frenlerin mümkün olan en az aşınma ve yıpranma ile maksimum kuvveti uyguladığından emin olmak için yeni bir çözüm bulmak için çalışmıştır. Anckeleman, bu çalışmalar sırasında motor ve fren sistemleri hakkındaki bilgilerini de kullanarak aktüatörleri icat etmiştir.

Elektrikli aktüatörler

Elektrikli aktüatörler adından da anlaşılacağı gibi enerji kaynağı olarak elektriği kullanır. Aktüatörün yapısında entegre olarak AC ya da DC elektrik motoru bulunur. Doğrusal ve döner olarak iki farklı tipi vardır. Doğrusal tipli olanın çalışma prensibi gayet basit olmak üzere şu şekildedir:

AC ya da DC motorun çalışması ile oluşan yüksek hızlı dönme hareketi dişli sistemine (vites kutusu) aktarılır. Dişliler sayesinde yavaşlatılan bu hız aktarma vidasına uygulanır. Aktarma vidası da doğrusal (ileri ve geri) hareketi yapacak olan şaftı hareket ettirir. Kontrol sisteminin motora uyguladığı giriş (gerilim ya da akım) değerine göre ise şaftın ileri ve geri ne kadar mesafe kat edeceği belirlenir. Ayrıca, aktüatörün yapısında bulunan limit anahtarları ile şaftın minimum ve maksimum yapabileceği hareket mesafesini denetlenir.

Doğrusal elektrikli aktüatör

►İlginizi Çekebilir: Sensör Aktüatör Ara Yüzleri

Döner tipli aktüatörde de çalışma mantığı aynıdır. Elektrikli motorun ürettiği dönme hareketi dişli sistemi ile şafta aktarılır ve dairesel yer değiştirme sağlanır. Dönüş derecesi ve miktarı giriş değerini veren kontrol sistemine bağlıdır. Bunun yanında, dönme hareketini sınırlayan dairesel limit anahtarları da döner tipli aktüatörün yapısında mevcuttur. Elektrikli aktüatörler; yiyecek-içecek ürünleri üretim hatlarında, akış kontrol sistemlerinde, tarımsal faaliyetlerde kullanılan araçlarda ve diğer birçok alanda kullanılır.

Hidrolik Aktüatörler

Hidrolik aktüatörlerde enerji kaynağı olarak hidrolik sıvılar kullanılır. Sıvıların sıkıştırılamaz oluşuna dayanarak tasarlanmışlardır. Doğrusal ve döner olarak iki farklı tip vardır. Doğrusal tipli tek taraflı olan aktüatörün çalışma prensibi şu şekildedir:

Yapısında bulunan hidrolik sıvının basıncı, bağlı olduğu kontrol sistemlerinin uyguladığı giriş değerine göre değişir. Basınç değeri arttıkça, sıvı yan tarafındaki pistonu yüzeyini ittirir. Piston yüzeyinin hareketi ile de piston kolu ileri yönlü hareketi gerçekleştirir. Sıvının basıncı azaltıldığında ise piston kolu geri yönlü doğrusal hareket eder.

Tek taraflı doğrusal hidrolik aktüatör

Çift taraflı doğrusal tipte ise; basınçlı sıvının, baş ve son uçta, iki yerde giriş-çıkış noktası bulunur. Baş uçtan uygulanan basınçlı sıvı piston yüzeyi ittirirken, son uçtaki akış kontrol noktasından verilecek basınçlı sıvı piston yüzeyini ters yönde ittirir. İki noktadan uygulanan basınç farkı sonucunda piston kolu ileri veya geri yönde doğrusal hareketini gerçekleştirir.

Çift taraflı doğrusal hidrolik aktüatör

Her iki tipte de hareket mesafesini denetleyen sınır anahtarı bulunur. Ayrıca bazı gelişmiş aktüatörlerde bulunan pozisyon geri besleme denetleyicileri ile daha yüksek doğruluk payı ile hareket sağlanır. Döner tipli hidrolik aktüatörler de sarmal (helical), dişli kollu (rack-pinion) ve kanatlı (vane) olmak üzere üçe ayrılır.

Sarmal tipli hidrolik aktüatörlerde, yapısındaki pistonun doğrusal hareketi ile şaftın dairesel dönüş yapması sağlanır. Pistona hidrolik sıvı basıncı uygulandığında piston kendi ekseni etrafına dönerken doğrusal olarak ilerler. Şaft ile arasındaki sarmal dişli sistemi vasıtasıyla şaftın dairesel hareket etmesini sağlar.

Sarmal (helical) hidrolik aktüatör

Yapısında bulunan pozisyon geri besleme sensörleri ile daha hassas pozisyon alabilmektedir.Hidrolik kaynaklı aktüatörlerin diğer aktüatörlere göre avantajı daha fazla tork üretebilmesi ve daha yüksek basınçlar altında çalışabilmesidir. Dezavantajı ise hidrolik sıvı kaçaklarının çok yaşanmasıdır. Sıvı kaçaklar yüzünden aktüatörün verimliliği ve gücü düşmektedir. Diğer iki döner tipli, dişli kollu (rack-pinion) ve kanatlı (vane) aktüatörü ise pnömatik bölümünde ele alınacak.

Pnömatik Aktüatör

Enerji kaynağı olarak basınçlı havayı kullanan pnömatik aktüatörlerin doğrusal ve döner olmak üzere iki farklı tipi vardır. Doğrusal tip, basınçlı hava girişlerine göre tek taraflı ve çift taraflı olarak ikiye ayrılır. Tek taraflı doğrusal yapıdaki aktüatörde, basınçlı hava tek noktadan pistona doğru verilir. Basınçlı hava pistonu itmeye başladığında yay ile birlikte olan şaft ileri hareket etmeye başlar. Hava geri çekildiğinde ise şaft geri yönde hareket eder.

Çift taraflı doğrusal aktüatörde ise; şaftın yapısında yay bulunmazken, iki adet hava giriş noktası bulunur. Baş ucu tarafındaki girişten basınçlı hava verildiğinde piston ileri yönde, son uç tarafındaki girişten basınçlı hava verildiğinde ise geri yönde ilerler. İki noktanın basınç farkı sonucu ise piston şafta nihai pozisyonu iletir.

Çift şaftlı doğrusal pnömatik aktüatör

Döner tipli pnömatik aktüatörler dişli kollu (rack and pinion) ve kanatlı (vane) olarak iki farklı türdedir. Bu iki tip aktüatör hidrolik sıvı ile de çalışabilir. Yapı olarak farkları bulunmaz sadece kullandıkları enerji çeşidi farklıdır. Tek taraflı dişli kollu tipte, dişli çubuğunun üzerinde dairesel piston bulunur. Basınçlı hava aktüatöre verildiğinde, piston doğrusal hareket ederken, ortada bulunan diğer dairesel dişliyi çevirir ve dönme hareketi meydana gelir. Çift taraflı dişli kollu tipte, çalışma mekanizması tek taraflı ile aynıdır. Tek farkı yapısında iki adet piston bulunmasıdır.

Çift taraflı dişli kollu (rack and pinion) aktüatör

Kanatlı (vane) pnömatik aktüatörün yapısı oldukça basittir. Hava hücresi, şaft ve kanattan meydana gelir. Basınçlı hava kanatın bir tarafından, tek bir noktadan verildiğinde basınç farkı yüzünden kanat hareket eder. Kanata bağlı olarak da şaft aynı yönde hareketini gerçekleştirir.

Kanatlı (vane) aktüatör

Tek etkili kanatlı tipte (single-vane) hava hücresi iki parçaya bölünürken, çift etkili kanatlı tipte (double-vane) hava hücresi dört parçaya bölünür. Bu sayede çift etkili, tek etkiliye göre iki kat tork üretebilir. Pnömatik aktüatörlere uygulanacak hava basıncı ne kadar fazla olursa, çıkış torku da buna bağlı olarak daha fazla olacaktır.

Pnömatik aktüatörler; otomobillerin piston ve ateşleme gibi birçok bölümünde, hava kompresörlerinde, havacılık sanayisinde, paketleme makinesi uygulamasında ve birçok alanda sıkça kullanılır. Özetle; kullanılan enerji kaynaklarına göre yapıları değişkenlik gösteren aktüatörler, kendilerini kontrol eden sistemlerin uygulayacakları giriş değerine göre fiziki çıkış hareketi verirler. Daha keskin, daha doğru ve hassas çıkışlar için birçok sensör ile birlikte çalışırlar.

Aktüatör Seçerken Dikkat Edilmesi Gerekenler

► Öncelikli olarak aktüatör tipi belirlenir.
► Vana sisteminde açma-kapama işlemi için moment belirlenir.
► Seçilen aktüatöre göre, çalışma gereksinimleri (basınç, elektrik beslemesi vb.) belirlenir.
► Çalışma prensipleri (aç/kapa ya da oransal) belirlenir.
► Eğer aç/kapa yapılması isteniyorsa diğer fiziksel gereksinimler sağlanır. Bunlar; ayar valfleri, regülatör, anahtar kutusu vb. olabilir.
► Oransal kontrol için, kullanılacak pozisyonerin tipi belirlenir.
► Manuel kontrol istenilmesi, sistemin çalıştığı ortam, kaynak seçimleri, kontrol parametreleri ve sisteme göre değişen diğer spesifikasyonlar belirlenir.
► Son olarak haberleşme sistemi belirlenir

Kaynak:

► realpars.com
► mdpi.com
► parker.com
► Kinetrol Türkiye