3.6 Izbira komponent in potrditev izbranega koncepta preizkuševališča
3.6.5 Izbira pogona
3.6.5.1 Kontrola ločljivosti motorja
𝑃 = 𝑇 ∙ 𝜔 = 𝑇 ∙𝑜 ∙ 2𝜋
60 = 200 ∙200 ∙ 2𝜋
60 = 4,2 kW (3.1)
Ob upoštevanju gonila s prestavnim razmerjem 24 dobimo vrtljaje in moment na motorju pri najzahtevnejših pogojih delovanja.
𝑜𝑚 = 𝑖 ∙ 𝑜 = 24 ∙ 200 = 4800 obr/min (3.2)
𝑇𝑚 =𝑇
𝑖 = 200
24 = 8,33 Nm (3.3)
Glede na zahteve za motor smo izbrali servomotor proizvajalca Nidec, z nazivnimi vrtljaji 3000 vrtljajev na minuto, dosega največ 5000 vrtljajev na minuto, trajnostnim momentom 6,3 Nm in maksimalnim momentom 18,9 Nm. Iz podanih parametrov je razvidno, da bo izbrani motor v primeru najzahtevnejših pogojev deloval izven optimalnega območja delovanja, v tem primeru lahko pričakujemo pregrevanje servomotorja, zato bo preskušanje pri maksimalnih vrtljajih in največji obremenitvi mogoče le v krajših časovnih enotah.
Izbrani motor s primernim krmilnikom sicer zadovoljivo pokriva večino hitrostnega in obremenitvenega spektra preizkuševališča.
3.6.5.1 Kontrola ločljivosti motorja
Izbrani servomotorji za zaznavanje pozicije uporabljajo enkoder s 4096 inkrementi, s točnostjo zaznavanja kota na 1'. Preveriti želimo, da je mogoče motor krmiliti dovolj natančno, da se nihanja kotnega zasuka motorja ne bi poznala na signalu, saj je naš senzor izredno občutljiv na najmanjše kotne zasuke. Maksimalen predviden kotni zasuk na merilnem območju našega senzorja je 0,6º torej se torzijska gred pri 200 Nm deformira za 0,6º. Zahtevana negotovost senzorja je 0,5 Nm, torej morajo biti deformacije zaradi natančnosti krmiljenja servomotorja manjše, da te ne bi vplivale na kakovost meritve.
Najprej izračunamo kotni zasuk na gredi, ki je posledica merilnega pogreška pri krmiljenju servomotorja, enkoder servomotorja ima 4096 inkrementov na vrtljaj. Po posvetu z zastopnikom proizvajalca smo ugotovili, da s PID povratno zanko motorje mogoče krmiliti znotraj dveh do treh pulzov natančno.
𝜃𝑚 = 360°
4096∙ 3 = 0,264° (3.4)
𝜃𝑝𝑜𝑔𝑟 = 𝜃𝑚
𝑖 =0,264°
24 = 0,011° (3.5)
Metodologija raziskave
37 Določimo še občutljivost našega senzorja, oziroma obratno občutljivost, ki nam poda kotni zasuk na Nm.
𝑠 =𝑇𝑚𝑎𝑥
𝜃𝑚𝑎𝑥 = 200
0,6 = 333,333 Nm/° (3.6)
𝑠−1= 0,003°/Nm (3.7)
Ker pa naše preizkuševališče ni absolutno togo, torej kotni zasuk na senzorju ni enak kotnemu zasuku motorjev, moramo ugotoviti za kolikšen delež se deformirajo še druge komponente in gredi. Iz podatkovnih listov lahko odčitamo torzijske togosti za izravnalno sklopko, varnostno sklopko in referenčni senzor.
𝑠𝑖𝑧𝑟 = 191000 Nm/rad = 3333,58 Nm/° (3.8)
𝑠𝑣𝑎𝑟 = 420000 Nm/rad = 7330,38 Nm/° (3.9)
𝑠𝑟𝑒𝑓= 36000 Nm/rad = 628,31 Nm/° (3.10)
Togost povezovalnih gredi lahko izračunamo s pomočjo simulacije v programskem okolju ANSYS, kjer smo gredi obremenili z 1 Nm in opazovali pomik v cilindričnem koordinatnem sistemu. Na delu gredi s premerom 64 mm smo opazili 0,001824 mm pomika. Robni pogoji in rezultat simulacije so razvidni iz slik 3.16 in 3.17.
Metodologija raziskave
38
Slika 3.16: Robni pogoji simulacije
Slika 3.17: simulacija torzijske togosti povezovalnih gredi
Iz pomika na površini lahko izračunamo kotni zasuk oziroma torzijsko podajnost, saj je vrednost momenta normirana.
𝜃𝑔𝑟𝑒𝑑 =𝐿
𝑟 =0,001823
32 = 0,000057 rad = 0,0032° = 0,196′ (3.11)
Metodologija raziskave
39
𝑠𝑔𝑟𝑒𝑑−1 = 0,0032°/Nm (3.12)
Torzijska togost gredi je torej:
𝑠𝑔𝑟𝑒𝑑 = 312,5 Nm/° (3.13)
Sedaj lahko izračunamo celotno podajnost sistema:
𝑠𝑐𝑒𝑙−1 =1
Podajnost torzijske gredi našega senzorja torej predstavlja 36,5 % celotne podajnosti sistema, lahko predpostavimo, da na senzorju zaznamo tudi tolikšen delež kotnega zasuka zaradi nenatančnosti servomotorjev. Izračunamo lahko kakšno vrednost momenta odčitamo na senzorju, zaradi pogreška pri krmiljenju servomotorja.
𝑇𝑝𝑜𝑔𝑟 = 𝑥 ∙ 𝜃𝑝𝑜𝑔𝑟∙ 𝑠 = 0,365 ∙ 0,011 ∙ 333,333 = 1,34 Nm (3.16) Opazimo, da ima že majhen pogrešek pri krmiljenju servomotorja velik vpliv na vrednost izmerjenega signala, težavo lahko odpravimo z zmanjšanjem togosti ostalih veznih elementov, ali dodajanja elementa z majhno torzijsko togostjo in tako zagotovimo bolj mehke prehode ob spreminjanju vrednosti momenta.
Izračunamo, koliko moramo zmanjšati togost sistema, da bo nihanje momenta zaradi kontrole servomotorjev v dopustnih vrednostih.
Podajnost senzorja mora tako predstavljati le 14 % celotne podajnosti sistema.
𝑠𝑐𝑒𝑙′ −1=𝑠−1
𝑥 =0,003
0,136= 0,022°/Nm (3.18)
Dodati moramo element z vzvojno podajnostjo:
𝑥 = 𝑇
𝜃𝑝𝑜𝑔𝑟∙ 𝑠= 0,5
0,011 ∙ 333,333= 0,136 (3.17)
Metodologija raziskave
40
𝑠𝑒𝑙−1= 𝑠𝑐𝑒𝑙′ −1− 𝑠𝑐𝑒𝑙−1 = 0,022 − 0,00823 = 0,014°/Nm (3.19) Za doseganje tako velike podajnosti, bi morali dodati na primer parkljasto sklopko z gumijastimi elementi za prenašanje obremenitve. Po posvetu s prodajalcem servomotorjev smo se odločili, da dodatnega podajnega elementa ne vključimo v zasnovo. Povsem mogoče je, da bo krmiljenje dovolj stabilno že pri trenutni zasnovi, manjše prenihaje sicer lahko pričakujemo pri hitrih spremembah vrtilnega momenta. Dodaten podajni element bi lahko povzročal težave ob zagonu, zmanjševal pa bi tudi odzivnost sistema, zato bo v preizkuševališče vključen, le če bo nujno potreben.
41
4 Rezultati
Končno zasnovo preizkuševališča smo nekoliko spremenili, razlogi so natančneje podani v poglavju Diskusija. Osnovni princip delovanja in večina komponent še vedno ostaja enakih, opustili smo le idejo montaže preizkuševališča na komoro. Na sliki 4.1 in 4.2 lahko vidimo zgradbo preizkuševališča.
Slika 4.1: končni model preizkuševališča
Tako za pogon, kot zavoro, je uporabljen sestav servomotorja moči 1,5 kW in kotnega gonila s prestavnim razmerjem 24. Za zagotavljanje zahtevanega momenta je ključno natančno in sinhrono krmiljenje obeh servomotorjev. Vrtenje obeh motorjev mora biti sinhronizirano,
Rezultati
42
tako se zagotovi konstantne vrtljaje gredi, moment se nastavlja z rahlim faznim zamikom enega motorja proti drugemu.
Ogrodje v tem primeru predstavlja debelejša plošča iz aluminija, vse komponente so nameščene neposredno na ploščo, kar znatno poveča togost in geometrijsko natančnost sestava. Ploščo se lahko naknadno pritrdi na ogrodje, da dobimo samostoječe preizkuševališče.
Za zmanjšanje neželenih vplivov pogona, imamo na obeh straneh izravnalni sklopki, desna sklopka je tudi varnostna in je prednastavljena za odklop pri vrednosti 200 Nm.
Referenčni senzor in preizkušanec sta povezana kar se da togo, zaradi načina montaže referenčnega senzorja pa se nismo mogli izogniti uporabi ležaja med njima. Zaradi trenja v ležaju lahko pride do manjših odstopanj pri izmerkih. Ker so obremenitve in vrtilne hitrosti relativno majhne, je predvidena uporaba odprtih ležajev brez tesnil in občasnim mazanjem z mastjo, na tak način kar se da zmanjšamo trenje ležajev. Dodatno se bo pri natančnejših preskusih pomerilo moment zaradi ležajev pri prostem teku in vrednost upoštevalo pri meritvi.
Pravilno pozicioniranje elektronike senzorja je izvedeno s pomočjo ročne pozicionirne mizice.
Slika 4.2: Prerez končnega modela
Zaradi zasnove preizkuševališča je menjava preizkušanca enostavna, izvedemo jo z aksialnim pomikom ene od gredi. Gred se fiksira s pomočjo puše s hidravličnim mehom, ki omogoča izredno enostavno montažo in demontažo.
Rezultati
43 Preizkušanci se lahko na gredi montirajo z različnimi utornimi grednimi vezmi in enosmernimi sklopkami, odvisno od naročnika, zato je po potrebi predvidena menjava nastavka na levem uležajenju (slika 4.3) in aksialno pomične gredi. Nastavek in gred se lahko izdela naknadno, glede na zahteve potencialnih naročnikov senzorja.
Slika 4.3: Menjava preizkušanca