Sygnały z urządzenia sterującego działają na obiekt sterowania bez bieżących pomiarów i korekcji procesu sterowania (rys. 1). W procesie sterowania posuwem stołu maszyny jego ruch jest wynikiem działania napędu. Sygnałem sterującym jest tu napięcie U_M wysterowania silnika w mechanizmie posuwu. Proces ruchu stołu maszyny tworzy obiekt sterowania. Wielkością sterowaną jest przemieszczenie s stołu maszyny. Pojęcie „sterowanie” odnosi się również do całych przyrządów, urządzeń lub maszyn, w których zachodzi proces sterowania. Na schemacie działania układu sterowania za pomocą symboli blokowych i linii działania przedstawia się wzajemne oddziaływania jego poszczególnych elementów składowych. Kierunki oddziaływania oznacza się strzałkami.

Ze względu na postać sygnału rozróżnia się sterowanie analogowe, binarne i cyfrowe.

W sterowaniu analogowym stosowane są sygnały o charakterze ciągłym, będące analogowym odwzorowaniem wielkości występujących w procesie sterowania.

Przykład. Cykliczny ruch stołu maszyny jest sterowany za pomocą krzywki (rys. 2). Wielkością, która ma być sterowana, jest przemieszczenie s stołu maszyny. Jego wartość można wyliczyć, po uwzględnieniu przełożenia przekładni, z danego promienia krzywki. Zmiana promienia krzywki jest analogiczna do zadanych zmian wielkości sterowanej, tzn. przemieszczenia s. Obroty krzywki powodują cykliczne ruchy stołu: do przodu i do tyłu.

Do ważniejszych elementów składowych układów sterowania analogowego należą: krzywki, przekładnie, zawory, silniki, sensory o działaniu ciągłym i wzmacniacze operacyjne.

Przykład. Stół szlifierki powinien przesuwać się cyklicznie w przód i w tył (rys. 1). Przełącznikiem można do silnika doprowadzić dodatnie napięcie, co spowoduje przesuwanie się stołu w prawo. Jeżeli krzywka 1, połączona ze stołem, uruchomi przełącznik, to napięcie wysterowania silnika zmieni się na ujemne i stół będzie się przesuwać w lewo, do chwili, aż krzywka 2 spowoduje przełączenie kierunku ruchu na przeciwny.

Do ważniejszych elementów składowych układów sterowania binarnego należą: przekaźniki, zawory przełączające, diody oraz binarne elektroniczne obwody przełączające.

Przykład. Stół maszyny powinien cyklicznie przesuwać się w przód i w tył. Wartość przemieszczenia jest określona liczbowo. Układ sterowania cyfrowego wytwarza określoną liczbę impulsów powodujących obroty silnika krokowego oraz naprzemiennie impulsy wysterowujące jego obroty w lewo i prawo (rys. 2). Liczbę impulsów, a zatem i wartość przemieszczenia, można ustawić na nastawniku preselekcyjnym (rys. 3). Każdy impuls wywołuje obrót silnika krokowego o jeden krok kątowy (inkrement), co powoduje przesuw stołu o jeden krok przemieszczenia, który jest najmniejszym, możliwym do realizacji przemieszczeniem odpowiadającym najmniejszej wartości nastawy na preselektorze. W zależności od wybranego przełożenia, silnika krokowego i skoku śruby pociągowej krok przemieszczenia wynosi np. 0,1 mm. W odróżnieniu od sterowania analogowego występujące tu wielkości nastawiające i sterujące są nieciągłe.

Do ważniejszych elementów składowych układów sterowania cyfrowego należą: przetworniki sygnałów analogowych na cyfrowe, mikroprocesory, mikrokomputery, pamięci cyfrowe, cyfrowe systemy pomiarowe i sieci cyfrowe.

Na przykład: tokarkę można uruchomić tylko wtedy, gdy jest zamknięta osłona zabezpieczająca i detal jest zamocowany w uchwycie (rys. 1).

Sterowanie kombinacyjne jest sterowaniem binarnym. Układy kombinacyjne projektuje się w oparciu o algebrę dwuwartościową i przedstawia się ich działanie za pomocą równań tej algebry, schematów połączeń, tablic i schematów działania.

W czasowo-sekwencyjnych układach sterowania wykorzystywane są generatory impulsów, zegary taktujące lub przekaźniki czasowe. Prostym przykładem sterowania sekwencyjnego o działaniu zależnym od czasu jest układ automatycznego rozruchu „gwiazda/trójkąt” silnika trójfazowego. Na początku silnik jest uruchamiany w układzie „gwiazda”, po upływie oszacowanego czasu rozruchu (z uwzględnieniem pewnej rezerwy czasowej) następuje przełączenie w układ „trójkąt” i silnik jest gotowy do normalnej pracy (rys. 2). Sterowanie sekwencyjne przedstawia się w postaci schematu działania.

W układach sterowania procesowo-sekwencyjnego przejście do następnego kroku jest powodowane zmianami stanu procesu. W przypadku układu rozruchu silnika trójfazowego potrzebny może być sensor sygnalizujący stan „osiągnięto obroty biegu jałowego”. Po zasygnalizowaniu tego stanu następuje automatyczne przełączenie w układ „trójkąt” (rys. 3). Sterowanie sekwencyjne zależne od procesu przedstawia się w postaci schematów działania lub diagramów przebiegu programu (IEC 1131) lub diagramów przemieszczeń, jeżeli kolejne przełączenie zależy od wartości położenia (przemieszczenia).

Sterowanie procesowo-sekwencyjne jest w zasadzie rozwiązaniem lepszym od sterowania czasowo-sekwencyjnego, ponieważ w przypadku zakłóceń przebieg procesu sterowania zostaje przerwany lub biegnie prawidłowo dalej, ale wolniej. Przykładowo, przy bardzo mocno obciążonym silniku trójfazowym przełączenie „w trójkąt” nastąpi dopiero po osiągnięciu wystarczająco wysokich obrotów.

W układach stykowo-przekaźnikowych przebieg programu zależy od poprowadzenia połączeń przewodowych, tzn. okablowania układu.

Jeżeli nie przewiduje się zmian w programie, to taki układ uważa się za stałoprogramowy, w przeciwnym przypadku za układ programowalny. Przeprogramowanie można na przykład zrealizować przez zmianę położenia wtyków w matrycy diodowej (co jest równoważne zmianie okablowania).

Rozróżniamy regulację stałowartościową i nadążną.

Przykład regulacji stałowartościowej. W piecu hartowniczym należy utrzymać temperaturę na stałym poziomie (rys. 1). Jest to wartość zadana. W układzie regulacji zastosowano pręt tensometryczny, który w zależności od wartości temperatury w piecu wydłuża się lub kurczy i pełni rolę czujnika temperatury, urządzenia regulującego i wykonawczego. Pręt jest za pośrednictwem śruby nastawczej połączony trwale z zasuwą. Śrubą nastawczą można zmieniać położenie zasuwy względem pręta. Jeżeli piec się nagrzewa, to wraz ze wzrostem temperatury pręt tensometryczny się wydłuża i dławi zasuwą dopływ gazu opalającego. Przy spadku temperatury pręt się kurczy i poprzez otwarcie zasuwy zwiększa dopływ gazu, co powoduje ponowny wzrost temperatury. Temperatura w piecu, którą tym urządzeniem utrzymujemy na stałym poziomie, jest wielkością regulowaną. Proces spalania gazu i ogrzewania pieca jest tu obiektem regulacji. Pole otwarcia zasuwy wpływające na ilość dopływającego gazu nazywamy wielkością regulującą (także wielkością nastawczą).

Przykład regulacji nadążnej. Podczas hartowania stali temperatura w piecu hartowniczym powinna wolno wzrastać aż do 700 stopni C i następnie szybko osiągnąć temperaturę hartowania. Temperatura w piecu powinna więc zmieniać się w określony sposób. Wartość zadana temperatury jest zmieniana przy pomocy obracającej się krzywki umieszczonej w osi zespołu pręt tensometryczny–zasuwa (rys. 1). Zarówno zasuwę, jak i pręt wyposażono w rolki obtaczające profil krzywki. Profil krzywki (wielkość zadająca) jest przetwarzany na wartość temperatury (wielkość regulowaną). W położeniu krzywki przedstawionym na rysunku (maksymalna temperatura hartowania) zasuwa (element nastawczy) jest całkowicie otwarta i dopływ gazu jest największy. Temperatura (wielkość regulowana) wzrasta. Wraz ze wzrostem temperatury pręt się wydłuża i następuje przymykanie zasuwy tak, aby nie została przekroczona zadana temperatura hartowania. Takie dopasowanie – regulowanie temperatury ma miejsce dla każdego położenia krzywki.

Układy sterowania mechanicznego zbudowane są z przekładni zębatych, krzywek, dźwigni, sprzęgieł i innych zespołów mechanicznych (rys. 1).

Przykład. Silnik elektryczny obraca wałek napędzający, który poprzez sprzęgło może być połączony z wałkiem napędzanym. Sprzęgło jest elementem wykonawczym układu napędowego, sterowanym przez silnik elektryczny i bęben krzywkowy. Bęben krzywkowy osadzony jest na wałku sterującym, który przez przekładnię redukcyjną jest również napędzany przez silnik elektryczny. Uruchomienie sprzęgła zależy od kształtu rowka w bębnie. Jeżeli rowek w obracającym się bębnie jest nachylony w prawo, to za pośrednictwem dźwigni zostaje włączone sprzęgło i wałek napędzany zaczyna się obracać (start). Jeżeli rowek bębna jest nachylony w lewo, to sprzęgło jest rozłączane i wałek napędzany się zatrzymuje (stop). Kolejność sygnałów „start” i „stop” powtarza się podczas jednego obrotu wałka sterującego i dla tego przypadku jest to właśnie programem układu sterowania.

Całe urządzenie sterujące składa się z wałka sterującego, sprzęgła, bębna krzywkowego, dźwigni i sprężyny. Ruch wałka napędzanego jest tu obiektem sterowania.

Charakterystyczne cechy sterowania mechanicznego można przedstawić w następujący sposób (rys. 2): energia wytwarzana przez silnik elektryczny jest doprowadzona do nastawialnej przekładni, w której liczba, kierunek, czas trwania obrotów (start-stop) mogą być nastawiane przy pomocy sygnałów mechanicznych, pneumatycznych, hydraulicznych lub elektrycznych.

W przekładniach stopniowanych zadawanie sygnałów odbywa się za pomocą sprzęgła, w bezstopniowych – za pomocą specjalnych urządzeń nastawczych. Na wałku napędzanym w nastawialnych przekładniach mamy do dyspozycji sterowaną energię obrotową. Jeżeli jednak obroty trzeba przekształcić w ruch liniowy, jak np. przy posuwie sań obrabiarki, wówczas można to zrealizować np. przekładnią zębatkową.

W większości przypadków moc pobierana na wale wejściowym (napędzającym) przekładni jest stała, co powoduje, że wraz ze zmianą liczby obrotów zmienia się wyjściowy moment obrotowy. Przy stałej mocy moment obrotowy M zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do zmiany liczby obrotów n: M ~ 1/n (rys. 1). Charakterystyka jest hiperbolą. W przekładni bezpoślizgowej, nastawianej bezstopniowo, charakterystyka jest krzywą zamkniętą. Natomiast dla przekładni stopniowanej na wspomnianej charakterystyce hiperbolicznej znajdują się tylko pojedyncze punkty odpowiadające liczbie wybieranych stopni przełożenia.

Przekładnie pasowe do przenoszenia energii wykorzystują koła pasowe i pasy. Przenoszenie energii w przekładniach zębatych odbywa się bezpośrednio przez koła zębate. Kierunek i liczba obrotów w automatycznych przekładniach stopniowanych jest zmieniana przez sprzęgła i hamulce.

Przykład. Za pomocą przekładni z paskami klinowymi można nastawiać (wysterować) dwie wartości obrotów bez konieczności zmiany długości pasków (rys. 2). Zadawanie sygnału zmiany liczby obrotów następuje elektrycznie z wykorzystaniem dwóch sprzęgieł elektromagnetycznych i jednego hamulca. Jeżeli jest włączone sprzęgło 2, to dzięki przenoszeniu napędu przez koło pasowe 4 uzyskuje się wolne obroty. Jednocześnie musi być wyłączone sprzęgło 1, tak aby koło pasowe 3 mogło swobodnie się obracać. Po przełączeniu na wysokie obroty następuje wyłączenie sprzęgła elektromagnetycznego 2. Sprzęgło 1 łączy się z kołem pasowym 3 przyspieszając obroty wałka napędzanego.

Przykład. W stopniowanej przekładni zębatej można uzyskać dwie wartości prędkości obrotowej i dwa kierunki obrotów (rys. 1). Silnik elektryczny napędza dolny wał. Dla uzyskania szybkich obrotów wrzeciona roboczego należy włączyć sprzęgło K₂.

Dla uzyskania wolnych obrotów górny wałek, który odpowiednio do położenia przekładni ma mieć wolniejsze obroty niż wałek dolny, jest z nim połączony przy pomocy sprzęgła K₁, dwóch przekładni łańcuchowych oraz dwóch sprzęgieł tarczowych K₄ i K₃. Chwilę podania mechanicznych sygnałów uruchamiających sprzęgła K₁ i K₂ wyznacza obrót wałka sterującego i kształt prawego bębna krzywkowego. Lewy bęben krzywkowy służy do zmiany kierunku obrotów. Przy obrotach w lewo jest włączone sprzęgło K₄, przy prawych sprzęgło K₃.

Takie, przełączane przy pomocy wałków sterujących i bębnów krzywkowych, stopniowane przekładnie zębate stosuje się np. do napędu wrzecion roboczych w automatach tokarskich. Kształt bębna krzywkowego jest dostosowany do obróbki określonego detalu – jest to rozwiązanie ekonomiczne, ale tylko w przypadku produkcji wielkoseryjnej.

Przekładnie cięgnowe

Są to przekładnie, w których przynajmniej jedno z kół przekładniowych składa się z dwóch stożkowych tarczy. Te tarcze można przesuwać wzdłuż osi wałka i przez to zmieniać obwód koła, po którym biegnie pas klinowy lub stalowy łańcuch. Tym działaniem steruje się liczbą obrotów i momentem obrotowym przekładni (rys. 2).

W przekładniach cięgnowych pracujących na sucho stosuje się przeważnie jako cięgna szerokie paski klinowe, których stosowanie zapewnia szczególnie spokojny i prawie bezpoślizgowy bieg.

Przy dużych siłach ciągnących i przy żądaniu znacznej trwałości przekładni stosuje się stalowe łańcuchy. Łańcuchy pracują w kąpieli olejowej. Dzieli się je odpowiednio do osiąganych prędkości ruchu i przenoszonej mocy na łańcuchy płytkowe i drabinkowo – tulejkowe.

Przekładnie łańcuchowe steruje się zazwyczaj przy pomocy śruby nastawczej i układu dźwigniowego

Obroty w przekładniach cięgnowych z szerokim paskiem zmienia się przez zmianę odległości osi wałków lub przez zmianę położenia części stożkowych tarczy (rys. 1).

Aby utrzymać odpowiedni naciąg pasków klinowych, obie tarcze koła klinowego są ściskane przy pomocy stałej siły sprężyny lub przez mechanizm dociskowy o sile zależnej od momentu obrotowego. Obie części koła klinowego można ręcznie dosuwać lub odsuwać od siebie (rys. 1). Przy napędzanym kole klinowym odpowiedni promień koła i naciąg paska klinowego zapewnia sprężyna dociskowa.

Przesterowanie przekładni cięgnowych następuje zazwyczaj ręcznie, elektrycznie lub przy pomocy siłowników pneumatycznych względnie hydraulicznych. Elektryczne urządzenia nastawcze lub serwonapędy hydrauliczne są wskazane szczególnie w układach regulacji, gdzie przekładnie bezstopniowe są wykorzystywane jako elementy wykonawcze.

Przekładnie cierne

W bezstopniowo nastawialnych przekładniach ciernych moment obrotowy jest przenoszony przez koło cierne i tarczę stożkową (rys. 2). W trakcie przenoszenia obrotów tarcza stożkowa związana z wałkiem napędzającym jest dociskana do koła ciernego. Sterowanie obrotami wałka napędzanego odbywa się przez pionowy przesuw silnika i tarczy stożkowej w stosunku do osi silnika.

Docisk koła ciernego jest każdorazowo dopasowany do obciążenia przekładni momentem obrotowym. Wykonuje się to w celu minimalizacji zużycia elementów ciernych przekładni.

Urządzenie dociskowe składa się z tulei dociskowej i sprężyny. Tuleja dociskowa przesuwana wzdłuż osi wałka wielowypustowego ma kształt podwójnej krzywki, która wchodzi w odpowiednie wybranie części związanej z kołem ciernym. To złącze przenosi moment obrotowy od wałka napędzającego do napędzanego. Po obciążeniu wałka napędzanego momentem obrotowym powierzchnia krzywki wysuwa się ze współpracującego zespołu i ściska sprężynę. Wywołana tym siła sprężyny dociska koło cierne do tarczy stożkowej tym silniej, im większy jest moment obrotowy na wałku napędzanym.

Charakterystyka przekładni ciernej przebiega prawie liniowo. Z powodu występującego poślizgu charakterystykę ogranicza minimalna i maksymalna liczba obrotów (rys. 3).

Elementami tocznymi w nastawialnych przekładniach planetarnych są np. stożkowe tarczki obracające się planetarnie wokół wałka napędzającego (rys. 1). Naciska na nie kołnierz wałka napędzającego oraz dociskany sprężyną, obracający się pierścień dociskowy. Powoduje to ich własny obrót. Aby nie nastąpiło wypchnięcie tarczek stożkowych z pierścienia dociskowego zastosowano po ich obu stronach zewnętrzne pierścienie podporowe (przesuwne osiowo).

Wałki obracających się tarczek stożkowych są łożyskowane w prowadnicach ślizgowych związanych z wałkiem napędzanym i mogą się przesuwać promieniowo. Za pośrednictwem osi tarczek stożkowych moment obrotowy jest przenoszony na wałek napędzany.

Dla zwiększenia obrotów wałka napędzanego należy przesunąć tarcze stożkowe „do środka”, tzn. w kierunku osi obrotów. Wykonuje się to przesuwając osiowo pierścienie zewnętrzne. Stożkowatość tarcz powoduje ich wysuwanie się z pierścieni zewnętrznych i wciskanie się w zacisk kołnierzowy. Efektem jest zmniejszanie się promienia tocznego przekładni, co powoduje, że tarcze stożkowe obracają się szybciej po kołnierzu osi napędzającej zwiększając liczbę obrotów wałka napędzanego.

Jeżeli zmniejszy się siła osiowa na pierścieniach zewnętrznych, to tarcze stożkowe pod wpływem siły sprężyny wysuwają się ponownie na zewnątrz i zmniejszają swoją prędkość obrotową, powodując tym samym obniżenie liczby obrotów wałka napędzanego. Charakterystyka nastawialnej przekładni tocznej jest podobna do charakterystyki przekładni ciernej (rys. 2).

Za pomocą nastawialnych przekładni można mechanicznie zmieniać liczbę obrotów i kierunek wirowania.

Realizacja przemieszczeń liniowych

Przekształcenie ruchu obrotowego w ruch liniowy, konieczne w wielu maszynach roboczych, wymaga zastosowania dodatkowych przekładni. W sterowanych automatycznie obrabiarkach ruch liniowy musi odbywać się bez luzów i z minimalnym tarciem. Śruba toczna spełnia te wymagania (rys. 3). Dzięki kulkom umieszczonym między śrubą i nakrętką występuje w niej tylko tarcie toczne. Przez ściśnięcie elementów przeciętej na dwie części nakrętki można zupełnie wyeliminować luzy w tym zespole.

Przekładnia korbowa składa się z napędzanej korby, łącznika i jarzma. Korba zamocowana do stołu maszyny napędza – za pośrednictwem łącznika – jarzmo. Najprostszą przekładnią korbową jest mechanizm korbowo-wahaczowy (rys. 1).

Podobnie zbudowane są inne przekładnie korbowe. Jeżeli jeden z członów jest elementem przesuwnym to mechanizm nazywa się przegubowym o jednym węźle ślizgowym. Przy dwóch przesuwnych członach mamy do czynienia z mechanizmem przegubowym o dwóch węzłach ślizgowych. Mechanizmy przegubowo-ślizgowe stosuje się przeważnie jako mechanizmy przekładniowe do przekształcania ruchu obrotowego w ruch liniowy, np. w pionowych lub poziomych strugarkach oraz w prasach. Również w silnikach spalinowych ruch liniowy tłoka zostaje przy pomocy mechanizmu przegubowego o jednym węźle ślizgowym zamieniony w ruch obrotowy.

Jeżeli mechanizm przekładni składa się z obracającej się krzywki i zespołu napędzanego o ruchu liniowym to nazywa się go mechanizmem przegubowo-ślizgowym o dwóch ruchach względnych (obrotowym i przesuwnym). Jeżeli za krzywką mamy obrotową dźwignię, to jest to mechanizm krzywkowo-jarzmowy.

Mechanizmy przegubowo-ślizgowe o dwóch ruchach względnych mogą wykonywać przemieszczenia odcinkowo liniowe, o ile przyrost promienia krzywki jest równomierny (spirala Archimedesa). Kształt krzywki zależy od kształtu drogi, jaką musi wykonać napędzany zespół (rys. 2).

Do ustalenia kształtu krzywki dla równomiernego przemieszczenia popychacza rozwija się obwód koła podstawowego. Początek ruchu (skoku) oznacza się na kole przez kąt 0°. Następnie zaznacza się kąt, przy którym ma nastąpić największy skok, np. 240°. Odcinek między 0° i 240° dzieli się na dowolną liczbę równych części, np. na cztery części. Na krzywce, przeciwnie do kierunku obrotu nanosi się, równomiernie podzielone promienie poczynając od 0°. Wyobrażając sobie, że krzywka jest nieruchoma a popychacz obraca się wokół niej, można każdorazowy skok z rozwinięcia koła podstawowego przenieść na jego odpowiednik na krzywce.

Przy mechanizmie krzywkowo-jarzmowym o równomiernym przyroście skoku, metoda postępowania przy wyznaczaniu kształtu krzywki jest podobna (rys. 1). Również i tu zakładamy myślowo, że dźwignia obtacza nieruchomą krzywkę. Promienie, na których oznaczono poprzednio położenia środków rolek, są zastąpione przez łuki o promieniu równym długości ramienia dźwigni. Punkt obrotu ramienia dźwigni porusza się po kole pomocniczym wokół krzywki w odległości od środka krzywki równej ramieniu dźwigni.

Dzieląc całkowity skok i kąt, na którym ma skok nastąpić, na równe części, można na każdym promieniu nanieść, z rozwinięcia, odpowiednią wartość skoku (wg numeracji). Tor środka rolki otrzymuje się łącząc naniesione punkty z zarysem krzywki. Również i tu można nanieść dowolną liczbę zarysów rolki i wyznaczyć kształt krzywki z obwiedni tych zarysów.

Od kształtu krzywki zależy przebieg ruchu popychacza lub dźwigni. Podczas jednego obrotu krzywki zostają w określonej kolejności zrealizowane poszczególne, pojedyncze przemieszczenia (program). W podobny sposób wykorzystuje się krzywki tarczowe i bębnowe do uruchamiania mechanicznych, pneumatycznych, hydraulicznych i elektrycznych zespołów sterujących.

Mechanicznie sterowane automaty tokarskie steruje się przy pomocy tarcz krzywkowych będących zadajnikami sygnałów. Tarcza krzywkowa znajduje się na ogół na wałku sterującym, który wykonuje jeden obrót wokół swojej osi podczas procesu obróbczego pojedynczego detalu (rys. 2). Najważniejsze zadanie wykonuje wówczas krzywka wrzeciennika, od której zależy posuw narzędzia w kierunku obrabianego detalu.

Najbardziej znana przekładnią o przerywanym ruchu jest przekładnia z krzyżem maltańskim (rys. 1).

Przekładnia składa się z obracającej się ze stałą prędkością tarczy i tarczy z krzyżem maltańskim, który w tym przypadku posiada cztery położenia bezruchu (zatrzymania). Na tarczy napędzającej znajduje się rolka, która przy każdym jej obrocie wchodzi w wycięcie krzyża maltańskiego i pociąga ją za sobą o ćwierć obrotu.

Do realizacji pełnego obrotu lub półobrotu z następującym postojem stosuje się przekładnie z kołem wielojarzmowym.

W przekładniach wielojarzmowych duże koło porusza się ze stałą prędkością a małe koło wielojarzmowe jest trzymane w położeniu zablokowanym (rys. 2). Z chwilą gdy rolki koła napędzającego wchodzą we wrąb międzyzębny koła wielojarzmowego, rozpoczyna się jego ruch o jeden obrót. Przez pozostały czas pozostaje on w spoczynku. Poprzez różne przyporządkowanie liczby rolek i zębów można otrzymać różne zależności pomiędzy czasem obrotu a czasem postoju.

W przekładniach o ruchu przerywanym z krzyżującymi się osiami kołem napędzającym jest bęben krzywkowy posiadający na obwodzie żebro o przekroju trapezowym (rys. 3).

Żebro jest umieszczone dokładnie prostopadle do osi obrotowej koła rolkowego i przez to uniemożliwia jego obrót (położenie zaporowe). Przez jedną trzecią obwodu bębna oba żebra rozchodzą się wg zarysu gwintu, tak że na dwóch końcach żeber powstaje miejsce dla przejścia rolki koła napędzającego, co powoduje obrót koła o jedną odległość między rolkami.

Rozróżnia się dwa rodzaje zestyków: zestyk zwierny (zestyk normalnie otwarty: „no”), który po uruchomieniu zamyka obwód prądowy oraz zestyk rozwierny (zestyk normalnie zamknięty: „nz” / „nc”), którego uruchomienie przerywa obwód prądowy.

Łączniki przyciskowe
Łączniki przyciskowe zwane krótko przyciskami, np. przyciski dzwonkowe, działają tylko przez czas naciskania. Połączenie lub rozłączenie odbywa się dzięki
ruchomym elementom, które są przemieszczane ręcznie (rys. 2). Często przyciski mają po kilka zestyków, np. trzy zwierne i trzy rozwierne. Sprężyna ściskana w trakcie przyciskania powoduje powrót zestyków w położenie początkowe po ustaniu nacisku. Przyciski służą także do jednoczesnego włączenia sygnalizatorów świetlnych (lampek). Przycisk z dużą, czerwoną,
w kształcie grzybka główką na żółtym tle oznacza wyłącznik awaryjny.

Łączniki krańcowe, uruchamiane krzywkami i zderzakami, sygnalizują osiągnięcie przez ruchomy zespół maszyny, np. sanie obrabiarki, określonego położenia lub polożenia krańcowego (przy współpracy z ogranicznikiem ruchu). Łączniki krańcowe są wyposażane w zestyk migowy (lącznik migowy, mikrowyłącznik), tak aby nawet przy bardzo powolnym uruchamianiu zwieranie (ewentualnie rozwieranie) zestyków nastąpilo skokowo (rys. 3).

Uruchomienie łącznika krańcowego następuje bądź bezpośrednio przez popychacz z hartowanej stali lub pośrednio przez dźwignię z rolką (rys. 1). Zastosowanie dżwigni zwiększa drogę potrzebną do przełączenia, ale zmniejsza potrzebną do tego siłę. Różnicę drogi pomiędzy punktem włączenia i wyłączenia łącznika określa się jako histerezę przełączania.

Coraz częściej zamiast stykowych łączników krańcowych stosuje się bezstykowe łączniki zbliżeniowe (rys. 2)

Indukcyjne lączniki zbliżeniowe przełączają przy zbliża-
niu się do nich przedmiotów metalowych (tabl. 1). Stosu-
je się je jako łączniki krańcowe (sygnalizatory graniczne)
współpracujące z krzywkami.

Pojemnościowe łączniki zbliżeniowe reagują na różne
materiały oraz na ciecze, dlatego są też przydatne do
kontroli i sterowania stanów napełnienia zbiorników.

Optoelektryczne łączniki zbliżeniowe reagują na świa-
tło odbite. Dla wyeliminowania zakłóceń światłem z ob-
cych żródel stosuje się przeważnie pulsujące światło ła-
serowe lub pulsujące promieniowanie podczerwone.

Łączniki zbliżeniowe ultradźwiękowe wyznaczają odległość do najbliższego przedmiotu z czasu trwania przebiegu echa impulsów dźwiękowych i przełączają, gdy zostanie osiągnięta jej nastawiona wartość.

Wyjścia sygnałowe A i Ā mają przeciwne dzialanie, co umożliwia zarówno włączenie (zestyk zwierny), jak i wyłączenie (zestyk rozwierny) elementu elektrycznego, np. przekaźnika.

Wśród zestyków wyróżnia się zestyki główne, służące np. do włączania silników, i pomocnicze, do sterowania urządzeń sterujących i kontrolnych procesu (rys. 2).

Styczniki mające tylko zestyki pomocnicze nazywamy stycznikami pomocniczymi. Oznaczenia składają się ze symbolu literowego i numeru (rys. 3).

Przekaźnik spełnia w układzie elektrycznym te same zadania co stycznik pomocniczy i służy jako zdalnie uruchamiany łącznik. Różni się od stycznika budową,wielkością i przełączaną mocą.

Zamykanie i otwieranie jest realizowane przez sprężyny stykowe (sprężyny płaskie) (rys. 4). W przekaźniku zwora, łożyskowana na krawędzi, jest przyciągana przez pole magnetyczne cewki. Za pośrednictwem małych popychaczy przemieszczane są sprężyny stykowe. Czas przełączania, liczony od chwili pobudzenia cewki do chwili przełączenia zestyków, wynosi od 1 ms
do 10 ms. Jest on znacznie krótszy od czasu przełączenia stycznika. W zależności od wielkości przekaźnika przełączana moc wynosi od kilku mW do ok. 1 kW.

Przekaźniki z zestykami w gazie ochronnym (kontaktrony) mają wyjątkowo dużą trwałość. Zestyki w tym wykonaniu przekaźnika są umieszczone parami w zamkniętych
szklanych rurkach w próżni lub gazie szlachetnym (rys. 5). Rurka szklana znajduje się w cylindrycznej cewce magnesu. Z chwilą pobudzenia cewki, prąd magnetyzuje zestyki i powoduje ich przełączenie

Przekaźniki czasowe
Bardzo często w układach sterowania pożądane jest opóźnienie czasowe pomiędzy chwilą włączenia przekaźnika a zwarciem zestyków, podobnie potrzebne jest opóźnienie między chwilą wyłączenia przekaźnika
a rozwarciem zestyków.

Przekaźnik mający takie właściwości nazywa się przekaźnikiem czasowym z opóźnieniem włączenia ew. z opóźnieniem wyłączenia (rys. 1).

Opóźnienie czasowe w przekaźnikach jest nastawialne i wynosi od kilku milisekund do kilku sekund. Opóźnienie jest realizowane bądź przez obwód elektryczny, np. przez kondensator każdorazowo ładowany ewentualnie rozładowywany, bądź przez zegar.

Elektroniczne przekaźniki czasowe (rys. 1) zawierają taktownik (generator impulsów) i elektroniczny licznik. Elektroniczne przekaźniki czasowe można prosto i dokładnie nastawiać korzystając z nastawnika cyfrowego z odpowiednim wskażnikiem.

Przełączniki ręczne

Przełączniki ręczne pozostają w pozycji, w której zostały ustawione.

Przełączniki ręczne są przeważnie typu przechylnego, z dwoma położeniami (włącz – wyłącz) lub typu wybierakowego, z kilkoma kombinacjami łączenia (rys. 2 i 3). Podobnie jak przy przyciskach, również i tymi przełącznikami można uruchamiać jednocześnie kilka zestyków (w różnych torach – gałęziach
układu). Takim zespołem można jednocześnie sterować kilka niezależnych obwodów elektrycznych. Uruchomienie łącz w przełączniku wybierakowym odby-
wa się za pośrednictwem krzywek (rys. 3).

Przekaźnik spolaryzowany
Przekażnik spolaryzowany jest elektromagnetycznie uruchamianym przełącznikiem o dwóch stanach łączenia (rys. 4). Zwora porusza się w prawo lub w lewo w zależności od wzbudzenia lewego lub prawego uzwojenia i dzięki działaniu stałych magnesów pozostaje w osłałnio zajętej pozycji – nawet, jeżeli zostaną wylączone uzwojenia.

Przekaźniki skokowe
Przekaźnik skokowy jest elektromagnetycznym przełącznikiem dwu lub wielopołożeniowym (np. ośmiopołożeniowym, rys. 1). Każdy kolejny impuls prądowy powoduje przyciągnięcie zwory i obrót koła zapadkowego o jedno położenie. Obrót koła krzywkowego sprzęgniętego z kołem zapadkowym powoduje, że po każdym impulsie następuje zmiana wysterowania (zmiana stanu łączenia, rys. 1a). Przekaźniki skokowe nazywane są także przekaźnikami impulsowymi. Przedstawiony na rys. 1b przekaźnik podaje kolejno impulsy elektryczny na kolejne zestyki i przyłącza – w tym przypadku steruje ośmioma stanami łączenia. Stosuje się je jako rozdzielacze (wybieraki) skokowe urządzenia o charakterze programowym).

Przełączniki zatrzaskowe

Przełączniki zatrzaskowe służą do zabezpieczania przyrządów i układów elektrycznych.

Podobnie jak przełączniki ręczne pozostają w ostatnio
wybranym położeniu. Do wyłączenia potrzebna jest znacznie mniejsza siła niż do ich włączenia. Przy włączaniu zostaje napięta sprężyna powrotna, a zespół
stykowy jest trzymany w wybranym położeniu przez zapadkę blokującą (zamek przełącznika) (rys. 2). Zwolnienie zapadki może nastąpić po lekkim naciśnięciu przycisku wyłączającego lub wyłączenie może być realizowane samoczynnie za pośrednictwem dodatkowego urządzenia wyłączającego.

Najczęściej stosowane dodatkowe urządzenia wyłączające w przełącznikach zatrzaskowych to: wyłączniki termiczne oraz elektromagnetyczne wyłączniki prądu przeciążenia i wyłączniki podnapięciowe.

W wyłącznikach termicznych prąd (przeciążenia) rozgrzewa bimetaliczną sprężynę która wyginając się powoduje zwolnienie zapadki (rys. 2). Wyłączniki termiczne zabezpieczają zestyki przełączników przy silnikach przed dłuższym przeciążeniem. Przy prądzie przeciążenia bimetal nagrzewa się i wyłącza przełącznik zatrzaskowy. Krótkotrwały prąd przeciążenia, taki jaki występuje np. przy włączeniu silnika, nie powoduje zadziałania zabezpieczenia. Termiczne wyłączniki są nastawiane na wartość prądu znamionowego.

Elektromagnetyczne wyłączniki prądu przeciążenia służą przede wszystkim do szybkiego wyłączania obwodu w przypadku zwarć (rys. 2). Przy około pięciokrotnym wzroście prądu pole magnetyczne cewki wyłącza zapadkę.

Elektromagnetyczne wyłączniki podnapięciowe służą przede wszystkim do kontroli spadków napięcia w sieci. Jeżeli napięcie w sieci obniży się o 30 % do 50 % wartości nominalnej, to zadziała wyłącznik podnapięciowy i wyłączy zasilanie; przy napięciu znacznie niższym od znamionowego nie jest zapewniona bezpieczna praca elektronicznych i elektrycznych układów sterujących.

Główne łączniki układów elektrycznych są na ogół samoczynnymi przełącznikami wyposażonymi w wyłączniki zabezpieczenia przeciążeniowego (prądu przeciążenia) i wyłączniki podnapięciowe (rys. 1).

W obwodzie prądowym wyłącznika podnapięciowego znajdują się na ogół wszystkie wyłączniki awaryjne układu – tak więc każdym przyciskiem można „zdjąć” napięcie z wyłącznika podnapięciowego i przez to zwolnić zapadkę blokującą.

Przedstawianie urządzeń stykowo – przekaźnikowych

W zasadzie elektryczne urządzenia stykowo przekaźnikowe przedstawia się w położeniu niewysterowanym. W przypadkach, gdy jest to niemożliwe, obok symbolu należy umieścić podwójną strzałkę.

Oprócz przełączanych ręcznie lub elektromagnetycznie łączników istnieje wiele innych sposobów przełączania, np. siłą odśrodkową, ciśnieniem lub przyspieszeniem. Łączniki są oznaczane odpowiednimi symbolami.

Odbicie styków
Podczas zwierania zestyku powstaje zawsze zjawisko odbicia sprężyn stykowych (rys. 2), polegające na tym że w bardzo krótkim czasie następuje szereg zwarć i rozwarć sprężyn stykowych. Zjawisko to jest szczególnie szkodliwe, gdy sygnały z łącznika uruchamiają zespoły elektroniczne – np. elektroniczny licznik zliczałby wówczas impulsy właściwe oraz impulsy niechciane powstające na skutek odbić. Należy w takich przypadkach układem elektronicznym zbocznikować krótkotrwale zaniki sygnału.

Łączniki podczas przełączania wywołują odbicia
sprężyn stykowych.

Przepięcia przy wyłączaniu i gaszeniu łuku elektrycznego

Elementy gaszące umieszcza się równolegle do cewek styczników i innych indukcyjnych zespołów elektrycznych. Celem jest uniknięcie zakłóceń w obwodach elektronicznych wywołanych przepięciami rzędu kilku kV (rys. 3). Efektem przepięcia jest powstanie łuku elektrycznego, który powoduje elektromagnetyczne zakłócenia oraz podwyższoną korozję zestyków, a nawet ich topienie się.

Podczas wyłączania zespołów z elementami indukcyjnymi mogą powstać wysokie przepięcia i iskrzenia luku elektrycznego.

Warystorowy element gaszący (rys. 1a) w zakresie nominalnych napięć ma bardzo dużą oporność, natomiast w zakresie przepięć – bardzo małą i tym samym zwiera przepięcia występujące na cewce indukcyjnej podczas jej wyłączania. Element gaszący typu układu RC (rys. 1b) nadaje się szczególnie dla styczników zasilanych napięciem przemiennym. Tłumi on sygnały zakłócające o wysokiej częstotliwości, np. impulsy igłowe powstające przy wyłączaniu zespołów indukcyjnych. Diodowy element gaszący (rys. 1c) stosuje się przy przekaźnikach prądu stałego. Przy włączonej cewce przekaźnika (A1 dodatnie napięcie) dioda nie przewodzi. Po wyłączeniu cewki stycznika powstaje
impuls napięciowy pomiędzy A2 i A1 (A2 dodatnie). To napięcie jest zwierane przez diodę.

Elementy gaszące eliminują zakłócenia elektryczne.

W tabl.1 zestawiono symbole ważniejszych urządzeń i zespołów elektrycznych.

Powtórzenie i utrwalenie

1. Czym różnią się łączniki od przełączników przyciskowych (pod względem działania i symboli)?
2. Co rozumiemy pod pojęciem histereza przełączania?
3. Jakie są zasady działania łączników zbliżeniowych?
4. Proszę narysować symbol stycznika.
5. Co rozumie się pod pojęciem przełącznika zatrzaskowego i jakie spełnia on zadania?
6. Jakie zadania ma przekaźnik podnapięciowy współpracujący z wyłącznikiem głównym?
7. Proszę naszkicować przekaźnik z zestykami w gazie ochronnym (kontaktron).
8. Gdzie stosowane są styczniki, a gdzie przekaźniki?
9. Co to jest zestyk pomocniczy i do czego służy?
10. Proszę narysować symbol przekaźnika czasowego z opóźnieniem włączenia i z opóźnieniem wyłączenia.
11. Jakie szczególne właściwości ma przekaźnik spolaryzowany?
12. Gdzie stosuje się wyłączniki przeciążeniowe?
13. W jaki sposób ogranicza się przepięcia przy wyłączaniu?
14. Proszę podać literowe oznaczenia przewodów w obwodzie prądu trójfazowego.

2.2.2 Rysowanie schematów stykowych układów sterowania elektrycznego

Schematy układów elektrycznych przedstawia się w postaci pełnej (schematy całościowe) i rozłożonej (schematy cząstkowe, drabinkowe), jak również w postaci schematów przeglądowych.

Schematy stykowych układów elektrycznych przedstawiane są w stanie nie wzbudzonym (nie wysterowanym).

Schemat całościowy przedstawia rozwiązanie kompletnego układu sterowania (rys. 1).

Łącznikiem ręcznym S1 włącza się przekaźnik K1, który uruchamia następnie stycznik K10 łączący przewody L1, L2 i L3 silnika M1 do trójfazowej sieci zasilającej. Lampka sygnalizacyjna H1 wyłącznika S1 świeci się, gdy silnik nie jest włączony, i gaśnie po jego włączeniu. To „odwrócenie” sygnału uzyskuje się dzięki zestykom rozwiernym w przekaźniku K1.

Schematy w postaci całościowej rysuje się obecnie tylko w przypadku bardzo prostych układów stykowych, ponieważ przy układach złożonych stają się one zupełnie nieprzejrzyste.

Na schematach w postaci rozłożonej (cząstkowej, także na schematach drabinkowych) każdy elektryczny element lub urządzenie obwodu ma swoją pionową „gałąź” lub „tor prądowy” (rys. 2). Gałęzie prądowe są kolejno numerowane. Zestyki styczników i przekaźników umieszcza się w gałęziach zależnie od realizowanego zadania (funkcji) – zatem na schematach w postaci rozłożonej nie uwzględnia się konstrukcji danego przyrządu, np. związku pomiędzy cewką i zestykami przekaźnika.

Gałęzie układu rysuje się z góry w dół i obok siebie.

Oznaczenia literowe urządzeń elektrycznych podane są w tabl. 1 na poprzedniej stronie. Numeruje się je liczbą stojącą za oznaczeniem literowym.

Schemat przeglądowy (ideowy) jest planem połączeń i planem poglądowym (rys. 3) – wynika z niego, jak są ze sobą połączone poszczególne urządzenia
i grupy urządzeń elektrycznych. Liczbę i przekroje żył umieszcza się nad linią przedstawiającą przewód.

2.2.3 Schematy podstawowych stykowych układów sterowania elektrycznego

W stykowych ukladach elektrycznych przekażniki i styczniki slużą do przekazywania, wzmacniania, zwielokrotniania, odwracania, łączenia sygnalów sterujących (stanów połączeń) w funkcje dwuwartościowe (logiczne) lub zapamiętywania.

Przekazywanie polega na przenoszeniu za pomocą przekażników lub styczników sygnałów przelączających z jednego obwodu w drugi, przy czym te obwody nie są połączone elektrycznie (rys. 1).

Dla zasilania elementów operatorskich malymi napięciami (do 24 V – chodzi tu o bezpieczeństwo obsługi), np. łącznik przyciskowy S1 – stycznik K10 dobrany na napięcie pracy 230 V jest sterowany zestykiem przekaźnika K1, a nie w sposób bezpośredni zestykiem przyłącznika S1. Obwody prądu stalego L+, L- i obwód prądu przemiennego L1, N są elektrycznie rozdzielone. Ewentualne impulsy zakłócające w przewodach L1 i N, dzięki rozdzieleniu obwodów, nie mają wplywu na obwód L+, L-, czyli na znajdujące się tam elektroniczne przyrządy.

Wzmacnianie, zwielokrotnianie, odwracanie.
Przekażnik K1 do przełączenia potrzebuje malej mocy elektrycznej (rys. 1), natomiast jego zestyki mogą przelączać wielokrotnie większe (np. 100 razy) prądy, np. takie, jakie są niezbędne dla uaktywnienia cewki stycznika K10. Z kolei stycznik K10 może sterować jeszcze większymi prądami, potrzebnymi dla uruchomienia silnika. Zatem przekażnikiem lub stycznikiem można wzmacniać moc elektryczną.

Na ogół przekaźniki i styczniki mają kilka zestyków – można zatem przełączać kilka obwodów (gałęzi prądowych), czyli zwielokrotniać sygnały. Łącznikiem przyciskowym S1 można tylko włączyć urządzenie (rys. 1). Lampka sygnalizacyjna H1 powinna jednak świecić się przy niewłączonym silniku (np. podczas postoju maszyny), a przy włączonym silniku zgasnąć. To odwrócenie wartości sygnału osiąga się dzięki zestykom rozwiernym w przekaźniku K1. Przekaźnik służy zatem także jako element odwracający.

Realizacja funkcji dwuwartościowych (logicznych). Przy układzie realizującym funkcję koniunkcji (I) zestyki łączy się szeregowo. Przekaźnik K1 włączy się tylko pod warunkiem, że przełączniki ręczne S1 I S2 są włączone (rys. 2). Tę wzajemną zależność opisuje odpowiednie równanie. Dla układu koniunkcji jest to postać: K1 = S1 ˄ S2. Znak „˄” jest oznaczeniem dla „I”.

W układzie realizującym funkcję alternatywy (LUB) zestyki są łączone równolegle. Przekaźnik K3 zostaje włączony wtedy, gdy włączone są przekaźniki mające zestyki K1 LUB K2 (rys. 3). Zapis funkcji ma postać: K3 = K1 ˅ K2. Znak „˅” jest oznaczeniem dla „LUB”.

Funkcję zaprzeczenia (NIE, funkcję negacji, odwrócenia) realizuje się za pomocą zestyków rozwiernych (rys. 4 ). W zapisie funkcji zaprzeczenie (negację) oznacza się kreską nad oznaczeniem zestyku, np. K2 = S3 ˄ !S4.

Często warunkiem sterowania jest włączenie przekaźnika K1 lub przekaźnika K2, ale nigdy obu jednocześnie, np. włączenie K1 oznacza kierunek obrotów silnika w lewo, a K2 w prawo, czyli przekaźniki muszą być wzajemnie ryglowane (rys. 5).

Ryglowanie (blokada). Blokady (przeciwsobne włączanie) realizuje się na drodze mechanicznej lub elektrycznej. W pierwszym przypadku stosuje się przełącznik z zestykiem zwiernym S1 w jednej gałęzi prądowej oraz zestyk rozwierny w drugiej gałęzi. Gdy zestyk zwierny jest otwarty, to rozwierny jest zamknięty, i odwrotnie. Ryglowanie elektryczne realizowane jest zestykiem rozwiernym K2 w gałęzi przekaźnika K1 i zestykiem zwiernym K1 w gałęzi przekaźnika K2. Jeżeli przekażnik K1 jest wzbudzony, to przerwana jest gałąź przekaźnika K2, i odwrotnie.

Zapamiętanie stanu wysterowania. Stan wysterowania może być zapamiętany (podtrzymany) przez zestyki samopodtrzymujące (rys. 1).

W układzie z samopodtrzymaniem, w gałęzi przekaźnika K1 znajduje się zestyk zwierny K1, a więc zestyk tego samego przekaźnika. Jeżeli krótkotrwale nacisnąć na łącznik przyciskowy (włączający) S1, to zostanie wzbudzony przekaźnik K1 i zestyk zwierny K1 zamyka gałąź równoległą do S1, co powoduje, że przekaźnik pozostaje w stanie wzbudzonym nawet po powrocie przycisku S1 do pozycji wyjściowej. W ten sposób zostaje zapamiętany impuls włączający z łącznika S1. Przez krótkotrwałe uruchomienie łączników wyłączających S2 lub S3 wyłącza się
przekaźnik K1. Zapamiętany stan zostaje skasowany. Łącznik S2 umieszczony przed gałęzią podtrzymującą wyłącza przekaźnik K1, nawet gdy łącznik włączający S1 jest uruchomiony.

Przyciskiem wyłączającym umieszczonym przed gałęzią podtrzymującą zawsze kasuje się stan zapamiętany („przewaga kasowania”).

Jeżeli łącznik wyłączający S3 znajduje się w gałęzi podtrzymującej, to jego uruchomienie powoduje przerwanie obwodu – jednak przekaźnik K1 pozostanie w stanie wzbudzenia, jeżeli jednocześnie jest uruchomiony łącznik włączający S1.

Taki układ z łącznikiem wyłączającym w gałęzi podtrzymującej realizuje pamiętanie „z przewagą zapisu”.

Przyrządy elektryczne włączane i wyłączane łącznikami przyciskowymi (a nie przelącznikami ręcznymi) są na ogół uruchamiane opisowymi powyżej ukladami. Jeżeli dany przyrząd ma być uruchamiany przez kilka oddalonych od siebie tączników przyciskowych znajdujących się np. na różnych tablicach sterowniczych (np. wyłączniki awaryjne), to tączniki przyciskowe wlączające (zestyki zwierne) łączy się równoległe, a lączniki przyciskowe wylączające
(zestyki rozwierne) szeregowo (rys. 2).

Powtórzenie i utrwalenie