Momentomierze obrotowe w badaniach układów napędowych urządzeń precyzyjnych

Seria: M E C H A N IK A z. 115 N r kol. 1230

M aciej B O D N IC K I

Instytut K onstrukcji Przyrządów Precyzyjnych i Optycznych P olitechnika W arszaw ska

M O M E N T O M IE R Z E O B R O T O W E

W B A D A N IA C H U K Ł A D Ó W N A P Ę D O W Y C H U R Z Ą D Z E Ń P R E C Y Z Y JN Y C H Streszczenie. Przedstaw iono specyfikę stosow ania m om entom ierzy obrotow ych w b adaniach układów napędow ych urząd zeń precyzyjnych.

Z a p r e z e n to w a n o s tr u k tu r ę ta k ie g o m o m e n to m ie r z a . M ożliw e je s t w ykorzystyw anie sym ulacji k o m p u tero w ej przy o c e n ie p rzy d atn o ści m o m en to m ierza do określonych sytuacji pom iarow ych. Przedstaw iono przykładow y eksperym ent symulacyjny.

R O T A R Y T O R Q U E M E T E R S IN P R E C IS IO N D R IV E SY STE M S’ T E S T IN G

Sum m ary. Specificity o f applying o f rotary to rq u e m e te rs for testing precision drive system s is presen ted . T h e stru ctu re o f ro tary to rq u e m e te r is describ ed . T h e re is the possibility o f using o f co m p u ter sim ulation in suitability o f to rq u e m e te r for actual testing conditions assessm ent. E xam ple o f sim ulation test is p re se n te d .

B P A IllA T E J I B H H E H

3

Fte3iOMe. npexrcrraLBTieHo cneijHclmKy npiiMei-iem-isi Bpeuugi-rejjŁimDC n3Mspirxi=xreil MDieffia b MccnenoBaiHUM rrpKBozzKUDC CHcrreiDB tou- iiulx npHÓopoB.FIoKSisaHO OTpyicTypy 'I VIKOI 'O M3MepnTeiiii.Bo3- mo>kho Hcnonb30BaTb KOMriLiaTepHyio CKMyrraujno rrpH ougHKe rrpn-

r D n H O C T H M 3 M G ? p t 4 ' T G m i I D I I I O I j p i I V I j = J I C - M I I l h l X M O D I I i O ./ J . O i li D .'! D I J I J . H I , I X O M -

T y a u H ii . I lp eflC T aB ne H n p n M e p cHMynauHH.

1. W ST ĘP

Pom iary m o m en tu obrotow ego stanow ią ważny dział diagnostyki układów n a p ę d o ­ wych u rząd zeń techniki precyzyjnej. Specyfika b ad ań pow oduje, że n iezb ę d n e staje się stosow anie specjalnych m etod i ap aratu ry . M ożna przyjąć, że górne zakresy m ierzonych m o m en tó w w ynoszą do ok. 2 N m . M ałe m asowe m o m en ty bezw ładności wirujących części obiektów b a d ań pow odują konieczność uw zględniania wpływu dołączanych przetw orników (w ystępow ania interakcji o biektu i stanow iska badaw czego), zaś pasożytnicze m om enty stra t m ogą być porów nyw alne z m ierzonym i w ielkościam i. P roblem y te stają się szczególnie istotne przy prow adzeniu pom iarów dynamicznych.

28 M .Bodnicki

W w ielu sytuacjach pom iarow ych korzystne (a często n iezb ę d n e) je st użycie m o m en to m ierza obrotow ego, w łączanego w b adany układ w różnych miejscach łań cu c h a funkcyjnego: zespół napędow y - m echanizm napędzany - obciążenie.

2. M O M E N T O M IE R Z E O B R O T O W E

S tru k tu rę m o m en to m ierza obrotow ego przedstaw iono na ry s.l. U rząd zen ie tego typu zaw iera czujnik m o m en tu typu skrętnego. Przetw ornik m echaniczny czujnika (elem en t skrętny) stanow i frag m en t wirującej części m om entom ierza. K ąt skręcenia przetw o rn ik a m echanicznego je st proporcjonalny do m ierzonego m om entu. Sygnał pom iarow y je st generow any przez przetw ornik elektryczny, który m oże być um ieszczony w części w irującej (zachodzi wówczas konieczność transm isji sygnału) lub w części nieruchom ej. Sygnał z przetw ornika elektrycznego podlega przetw orzeniu i w zm ocnieniu. Z e w zględu na przydatność m om entom ierza do zastosow ania w zautom atyzow anych lub skom puteryzow anych system ach pom iarow ych sygnał wyjściowy pow inien być elektrycznym sygnałem analogow ym (napięciow ym ) lub cyfrowym (np. w standardzie T TL ).

M o m en to m ierze obrotow e o zakresach pom iarow ych do 2 N m są produkow ane tylko p rzez nieliczne renom ow ane firmy światowe. U rządzenia te n ależą przew ażnie do jed n eg o z trzech typów [1]:

a) fazoróżnicow ych (cyfrowych) - z sygnałem pow stającym w części stacjonarnej, b) tensom etrycznych - z transm isją sygnału z wałka,

c) indukcyjnych - z transm isją sygnału z wałka.

Zasilanie Sygnał w y j ś c i o w y

Rys. 1. S tru k tu ra m om entom ierza obrotow ego Fig. 1. Structure of rotary to rq u e m eter

3. P R Z Y K Ł A D M O D E L O W A N IA U K Ł A D U N A P Ę D O W E G O Z M O M E N - T O M IE R Z E M O B R O T O W Y M

W łączenie m o m en to m ierza obrotow ego do układu napędow ego pow oduje zm ianę struktury b a d a n e g o obiektu. W przypadku u rządzeń techniki precyzyjnej staje się to szczególnie istotne. Z e w zględu na znaczące w artości m asow ego m om entu bezw ładności zespołów wirujących w większości typów m om entom ierzy (np. w przypadku transm isji sygnału z w ałka za pośrednictw em tran sfo rm ato ró w ) odpow iedni zakres pom iarow y m oże być niew ystarczającym arg u m en tem stanowiącym o przydatności przyrządu.

M eto d ą pozw alającą w stępnie ocenić zasadność zastosow ania określonego m o m en to m ierza do konkretnej sytuacji pom iarow ej m oże być m odelow anie struktury m echanicznej pow stałego układu. Pierwszym etap e m je s t o p racow anie m odelu, n astęp n ie zaś oprogram ow ania umożliw iającego otrzymywanie w wyniku symulacji k o m p u te ro w e j chw ilow ych w artości k ą ta sk rę c e n ia e le m e n tu sk rę tn e g o m o m en to m ierza. P rezentow any przykład dotyczy układu przedstaw ionego na rys. 2 - stosow anego np. w bad an iach m ikrosilników (w yznaczanie m o m en tu obrotow ego rozw ijanego p rz e z m ikrosilnik m eto d ą z zadaw aniem m om entu ham ującego).

Rys. 2. R ozpatryw any układ z m om entom ierzem obrotow ym Fig. 2. A nalysed system w ith rotary to rq u e m eter

M odel zbudow ano zgodnie z zasadą H am iltona (w ariacyjną zasad ą najm niejszego działania [3,5]), skutecznie stosow aną do opisu układów elektrom echanicznych [4].

M odelow any u k ład stanow i system łańcuchowy złożony z elem entów sprężystych. Przy­

ję to założenie, że system składa się z elem entów o p a ram etrach skupionych, tzn. że jest zbudow any z nieodkształcalnych elem entów (brył) charakteryzujących się określonym m asowym m om entem bezw ładności oraz bezm asow ych elem entów sprężystych. T łu m ien ie je st w prow adzane p rzez opory ruchu zależne od prędkości obrotow ych brył. W spółrzędnym i uogólnionym i są położenia kątow e poszczególnych elem entów nieodkształcanych. D alsze uproszczenia dotyczą p roblem ów szczegółowych (p rzed e wszystkim w spółosiowości połączeń u rządzeń i właściwości sprzęgieł) oraz przyjętego m odelu mikrosilnika.

S chem at system u przedstaw iono na rys. 3.

m i k r o s i l n i k momentomierz hamulec Rys. 3. M odel systemu (oznaczenia w tekście)

Fig. 3. M odel o f th e system

30 M .Bodnicki

Przyjęto następ u jące oznaczenia:

' <Ps> <Pmi> <Pm2> *Ph ' położenia kątowe elem entów nieodształcanych względem n ieruchom ego układu odniesienia (w spółrzędne uogólnione);

- K t, K m, K2 - stałe sprężyste bezm asowych elem entów skręcanych (połączenia silnik -m o m e n to m ie rz , e le m e n tu sk rę tn e g o m o m e n to m ie rz a , p o łą c z e n ia m om entom ierz-ham ulec);

- J s, J M1, J M2, J H - zredukow ane m asow e m om enty bezw ładności elem en tó w nieod- kształcanych (części wirujących: silnika, "lewej" i "prawej" strony m om entom ierza, ham ulca);

- M ss = f ( $ s)i M sm1= f($Mi)> ^SM2= f(i*M2)> ^ s h = K $ ii) ■ m om enty strat w ynikające m.in. z pracy łożysk;

- M e - m o m en t "w szczelinie” silnika;

- M h - m o m en t ham ujący ham ulca.

P ro g ram symulacyjny zapisano w języku A M IL. P aram etry i stałe przyjm ow ano na p odstaw ie danych katalogow ych i pom iarów wykonywanych w IK PPiO PW .

W ykorzystując przygotow ane oprogram ow anie prow adzono sym ulacyjne b ad an ia przy zm ienianych cechach konstrukcyjnych m om entom ierza (p rzed e wszystkim różnych sztywnościach elem entów skrętnych i bezw ładnościach zespołów w irujących). Jak o syg­

n a ł z m o m en to m ierza przyjm ow ano iloczyn kąta skręcenia odcinka pom iarow ego i sztywności sk rętn ej odcinka.

N a rys. 4 zam ieszczono przykładow e wyniki eksperym entów sym ulacyjnych - przedstaw iające dw a pom iary w jednakow ych w arunkach (ham ow anie m o m en tem siły o w artości 30 N m m p o czasie 0,2 s od rozpoczęcia rozruchu m ikrosilnika p rąd u stałego typu PBM -40), ale przy zam ienionych stronam i p ołożeniach m om en to m ierza w układzie. Ja k widać, dla zastosow anego m om entom ierza odznaczającego się różnym i m asowym i m o m en tam i bezw ładności "lewej" i "prawej" części w irnika (spotykane w m o m en to m ierzach z transm isją sygnału z części w irującej do stacjo n arn ej), takie przestaw ienie oznacza istotną zm ianę pow stającego sygnału.

4. P O D S U M O W A N IE

W IK P P iO PW p row adzone są prace, których celem je st sp o rząd zen ie wytycznych dla p ro jek tan tó w złożonych systemów diagnostycznych, w których zostaje wykorzystany to r pom iarow y, zaw ierający m om entom ierz obrotowy. Rozw ijane je st oprogram ow anie sym ulacyjne tak, aby uw zględniało pozostałe elem enty struktury pom iarow ej m o m en ­ to m ierza, przetw arzające skręcenie odcinka pom iarow ego (zw łaszcza przetw orniki elektryczne różnych typów).

W ażną częścią prow adzonych prac jest rów nież konstruow anie oryginalnych (o p a ­ tentow anych) optoelektronicznych m om entom ierzy obrotow ych, specjalnie przydatnych do rozpatryw anych zastosow ań. M om entom ierze te charakteryzują się przede wszystkim b a rd z o m ałym masowym m om entem bezw ładności w irnika - ok. 15 gem 2, przy granicy zakresu pom iarow ego dobieranej z przedziału: od 0,05 N m do 2 Nm.

O sta tn ia w ersja - m om en to m ierze O P M /Z - w yposażone są rów nież w w ew nętrzny przetw ornik prędkości obrotow ej w ałka [6].

P o łączen ie p rac teoretycznych i konstrukcyjnych umożliwia wykonywanie licznych eksperym entów z zastosow aniem m om entom ierzy obrotow ych. P row adzone są m.in.:

- b a d a n ia zm ienności m om entu chwilowego drobnom odułow ych przekładni zębatych,

- b a d a n ia właściwości m ikrosilników elektrycznych p rąd u stałego i silników skoko­

wych,

- pom iary m o m en tu serw om echanizm ów napędzanych m ikrosilnikam i.

Moment [ Nmm ]

a)

Moment [Nmm]

b)

T [s]

Rys. 4. W yniki symulacji pom iarów m om entom ierzem o różnych w artościach masowych m o m en to w bezw ładności "lewej" i "prawej" części zespołu w irującego SY G N A Ł = K M(<pM1-<pM2) - sygnał z m om entom ierza, SŸ G 2 - m o m en t w szczelinie"

m ikrosilnika

a ) jmi = 50 gem 2, J M2 = 150 gem2; b) JM1 = 150 gem2, J M2 = 50 gem2

Fig. 4. S im ulation results o f th e m easu rem en ts by to rq u e m e te r w ith different values of m o m en t o f in e rtia "left" and "right" p a rts’ o f th e rotary unit

SY G N A L = K M(<pM1-<pM2) - o u tp u t o f the to rq u e m eter, SY G 2 - "air gap" to rq u e of D C m icrom otor

a) J M1 = 50 gem 2, JM2 = 150 gem2; b ) J M1 = 150 gem2, J M2 = 50 gem2 T [s]

SYQKAL »YO« ---

32 M .Bodnicki

L IT E R A T U R A

[1] B odnicki M.: A pplication o f rotary o ptoelectronic to rq u e m e te r in m echatronic drive system testing procedures. In tern atio n al S em inar "D ynam ical an d S trenght Analysis o f D riving Systems" Svratka, 1993, ss.26-30

[2] B odnicki M.: Sym ulacyjne badania m echatronicznego układu napędow ego zaw ierającego m om entom ierz obrotowy. M ateriały III Sym pozjum "M odelow anie i Sym ulacja Systemów Pomiarowych", Krynica 21-25.09.1993

[3] G utow ski R., Swietlicki W.A.: D ynam ika i drgania układów m echanicznych. PWN, W arszaw a 1986

[4] K arpiński S., M ajewski T.: Z astosow anie symulacji kom puterow ej do b ad an ia dynam iki układu elektrom echanicznego. M ateriały Sym pozjum M E C H A T R O N I- K A ’92, W PW , W arszaw a 1992, ss.122-124

[5] Szklarski L., Jaracz K.: W ybrane zagadnienia dynamiki napędów elektrycznych.

PW N , W arszaw a 1986

[6] O p raco w an ie typoszeregu optoelektronicznych m om entom ierzy nowej generacji.

Spraw ozdanie z realizacji G ran tu KBN nr 8 0386 9101. P raca niepublikow ana, IK P P iO PW . W arszaw a 1993.

R ecenzent: Prof, d r hab. inż. Jan Kosmol W płynęło do R edakcji w grudniu 1993 r.

Abstract

T h e re is a specificity o f m easu rem en t o f to rq u e in precision drive system s testing p ro ced u res. R o tary to rq u e m eters designed for these applications should m eet certain req u irem en ts. T h e stru ctu re o f rotary to rq u e m eter contains: torsion m em ber (m echanical tran sd u cer), electrical tran sd u cer and electronic unit (see Fig. 1) [1].

R otary to rq u e m e te rs ra te d below 2 N m are m anufactured by very few, well renow n com panies in th e w orld. T h ese instrum ents usually belong to o n e of the following th ree types: phase differential (digital), tensom etric and induction type. Since the drive system u n d er th e test will certainly be influenced by the action o f th e rotary to rq u e m eter, actual m easuring configuration of this system m ust be considered. T h e re is the good possibility o f using o f co m p u ter sim ulation in suitability o f to rq u e m e te r for actual testing conditions assessm ent.

P resen ted exam ple applies to drive system shown on Fig 2. M ath em atical m odel considering dynam ic featu res o f the system was developed basing on H am ilto n ’s principle [3,4,5] (see Fig.3). C o m p u ter sim ulation is used to d eterm in e in stantaneous values o f the angle o f twist o f m echanical tran sd u cer installed in the to rq u e m eter [2].

S im ulation tests, in w hich p aram eters o f the m eter transducers a re suitably adjusted, proved im pact o f stru ctu ral features of the to rq u e m eter on the o u tp u t signal. F or exam ple change o f position o f to rq u e m eter, with different values o f m o m en t of

inertia "left" an d "right" p a rts ’ o f the rotary unit, gives change of o u tp u t (see Fig 4).

T h e re s e a rc h w orks on application o f the rotary to rq u e m eters fo r testing precision drives are carried out in IK PPiO PW. New ap p ro ach to m easu rem en t of to rq u e has b e e n cre a te d with new o ptoelectronic to rq u e m e te rs (O P M type), particularly suitable for the applications in question [6], T he evolution of softw are for sim ulation tests covers the o th e r elem ents o f the o u tp u t processing chain w ithin the to rq u e m e te r (specially various types o f electrical transducers).