Piezoaktuátory v systémech aktivního potlačování vibrací strojů

Transkript

1 mechatronické systémy Piezoaktuátory v systémech aktivního potlačování vibrací strojů Jiří TŮMA Spolupráce: Jiří Šimek, Jaromír Škuta, Miroslav Mahdal, Vladimír Starý, Antonín Víteček, Renáta Wagnerová Doktorandi: Radim Klečka, Jaroslav Los, Jaromír Zavadil, Pavel Šuránek Katedra automatizační techniky a řízení, Fakulta strojní, VŠB-TU Ostrava

2 Osobní vize: Přinášet světově unikátní řešení aktivního tlumení vibrací a hluku strojů prostřednictvím aplikace piezoaktuátorů. Příklad hydrodynamického kluzného ložiska Pružnost a tlumení olejového filmu Síla + Kladná zpětná vazba + Pohyb olejového filmu Zesílení závisí na otáčkách Poloha čepu Mechanický systém (mechanické a jiné vazby) Regulátor Elektronická zpětná vazba (v přírodě chybí) Celek tvoří mechatronický systém. 2

3 Typy piezoaktuátorů V literatuře se uvádějí tři typy piezoelektrických aktuátorů Lineární piezoelektrický aktuátor Lineární motory o Inchworm motory (piďalkové) o Stick and slip actuators o Putující ultrazvuková vlna (traveling wave ultrasonic motors) Vetknutý nosník s piezoaktuátorem (piezoelectric benders) 3

4 Lineární piezoelektrický aktuátor Zdvih piezoelektrického aktuátoru L d33nu n ΔL L E3L d 31 t U L ΔL 2 1 U L Vrstvený (stack) piezoaktuátor Laminární piezoaktuátory 4

5 Provedení piezoaktuátorů Stack actuator keramické destičky Tloušťka 0,1 mm V, nízkonapěťová (LVPZ - Low voltage piezo) Tloušťka 1 mm V, nízkonapěťová (HVPZ - High voltage piezo) Maximální protažení je mezi 0,1 až 0,13 %, což znamená, že aktuátor o délce 100 mm má maximální protažení 100 μm. Tyto prvky vykazují hysterezí až 15 %. síla elektrické napětí roste Dvě provedení podle výbavy: Piezoaktuátory jen s napěťovým vstupem Piezoaktuátory s odměřováním protažení (SGSposition sensors) Katalogové hodnoty 0 0 protažení Protažení Síla Maximální elektrické napětí 5

6 Aplikace Patch piezoactuator Aktivní příčky s piezoaktuátorem v příhradové konstrukci U Typ náplast Využití schopnosti vyvodit velkou sílu při malých zdvizích Jednoduchý mechanismus s pákou 6

7 Piezoaktuátory typu P-844 / P-845 od firmy Physical Instrument Outstanding Lifetime Due to PICMA Piezo Ceramic Stacks Travel Range to 90 µm Pushing Forces to 3000 N Pulling Forces to 700 N Sub-Millisecond Response, Sub-Nanometer Resolution Vacuum Version, Optional Water- Resistant Case 7

8 Piezoaktuátory od firmy Noliac Plate benders Ring benders Free stroke [μm] Stacked actuator Typ Diamond 100 vodič 10 1 Single actuator Piezoelectric actuator Output member Blocking force [N] Fixed member Actuator pair Tension member 8

9 Piezoelektrické aktuátory a senzory Typ náplast QuickPack 9

10 Piezomotory 10

11 Inchworm (píďalka) motory 11

12 Stick and slip actuator Základní poloha Setrvačná hmota piezo základna Výchozí poloha 80-Pitch Screw Čelisti Setrvačná hmota Pomalé protažení piezo základna Pomalý zdvih Piezo Setrvačná hmota Rychlá kontrakce piezo základna Δx Rychlý návrat do výchozí polohy 12

13 Piezo actuator drive (PAD) Noliac piezo Pomalé a přesné otáčení od 0 do 60 RPM) Kinematický princip s microtoothing Siemens 13

14 Vysokorychlostní piezoelektrické motory PI M-674 Rod Drive: Integrated High-Speed Piezo Motor Actuator Drive-Component for Integration into Automation & Positioning Systems Flexible Choice of Travel Ranges to Several 100 mm Flexible Choice of Push/Pull Forces to Several 10 N Minimum Incremental Motion to 0.05 µm Velocity to 400 mm/s Self-Locking w/o Head Build Up 14

15 Aplikace piezoaktuátorů Aktivní řízení kluzného ložiska Parametrické tlumení mechanických kmitů 15

16 Y [micrometer] RPM Hlavní nedostatek kluzných ložisek Hydrodynamické kluzné ložisko Sondy přiblížení Otáčky při rozběhu Poloha čepu ložiska Time [s] Čas [s] Nestabilita způsobená olejovým filmem Kroužení čepu v pouzdru v rozsahu ložiskové vůle Pouzdro ložiska Čep ložiska Čas Time [s] [s] X [micrometer] 16

17 Jak lze čelit nestabilitě kluzných ložisek? Cylindrické ložisko je výrobně nenáročné, ale při vysokých otáčkách může dojít v důsledku nestability k nepřípustným vibracím stroje Pasivní ochrana s náročnou úpravou pouzdra ložiska, ovšem jen pro určité provozní podmínky. Pouzdro ložiska Citronový nebo eliptický tvar Čep ložiska Víceploché ložisko Drážky na vnitřním povrchu Naklápěcí segmenty Sondy přiblížení Pouzdro ložiska Aktivní ochrana s jednoduchým plovoucím pouzdrem a elektronickou zpětnou vazbou Čep ložiska Piezoaktuátory 17

18 Provedení aktivně řízeného ložiska Princip aktivně řízeného ložiska spočívá v použití: - plovoucího pouzdra, jehož poloha je nastavitelná podle polohy čepu, resp. hřídele, - elektronické zpětné vazby. Tuhost O-kroužku Pružná spojka Ložiskový domek a hřídel Cylindrické pouzdro a hřídel 18

19 Ovládatelné kluzné ložisko Těsnící O-kroužky Táhlo piezoaktuátoru ve svislém směru Pohyblivé (plovoucí) pouzdro Průměr 30 mm Cylindrické kluzné ložisko Radiální vůle vzorků hřídelí: 20 μm 45 μm 55 μm 80 μm Návrh TECHLAB (Šimek) 19

20 Plovoucí pouzdro ložiska 20

21 Zkušební stav pro testy ložisek TECHLAB design Rozpětí stojanů ložisek 200 mm Průměr hřídele 30 mm Asynchronní motor (400 Hz) 500 W Otáčky motoru do RPM Poloha pouzdra Pouzdro Piezoelectric actuators Zatížení + Poloha čepu Proximity Rotor + probes Amplifier 0 to 100 V 0 to 12 V Controller dspace - + Žádaná poloha 21

22 Detail ložiska 22

23 Stabilizační účinek aktivního řízení Aktivní řízení vypnuto - OFF Náběh otáček ložiska Aktivní řízení zapnuto - ON Náběh otáček ložiska Nestabilita pohybu čepu ložiska Vůle ložiska Vůle ložiska Orbit 23

24 Účinek aktivního řízení na polohování Náběh otáček ložiska Regulátor Ložisko Elektronická zpětná vazba Přesné polohování vypnuto - OFF Přesné polohování zapnuto - ON K P t const K t K 1 t P P 0 0 cos mm mm Přesná kuličková ložiska (Deep groove ball bearings) SKF s vůlí (Radial internal clearance C2) pro průměr 30 mm mají radiální vůli v rozsahu od 1 do 11 mikrometrů. Maximální otáčky ložiska typu 206-SFFC jsou jen 7,5 až 13 tisíc otáček za minutu. 24

25 Ztráty třením v kluzných ložiscích Ztráta třením u dvojice kluzných ložisek při 7000 otáčkách za minutu a vypnutém aktivním řízení je 66 W. V případě, že aktivní řízení vibrací je zapnuto, pak je ztráta třením jen 48 W. Aktivní řízení vibrací zamezením nestability pohybu čepu ložiska snižuje výkonovou ztrátu, která vzniká v důsledku rozkmitání hřídele, o 27%. 25

26 Rozměrově a cenově úsporné ložisko Piezoaktuátory, které jsou integrovány přímo do ložiskového tělesa, představují více nákladově efektivnější konstrukci a kompaktnější provedení pro průmyslové aplikace než je tomu u ložisek znázorněných v úvodu prezentace. Montážní rozměry modernizovaných ložisek s integrovanými piezoaktuátory jsou také mnohem menší než ložiska zkušebního stavu. Integrované piezoaktuátory vyvozují pouze tlakové síly, takže síly v opačném směru je třeba vyvíjet pružnými elementy uvnitř ložiskového tělesa. Za posledních 5 let poklesla cena piezoaktuátorů z 70 na 5 tisíc Kč. 26

27 Detail ložiska 27

28 Výhody nové technologie pro kluzná ložiska Aktivní tlumení vibrací potlačuje nestabilitu způsobenou olejovým filmem U kluzných ložisek bez aktivního řízení se po překročení určitých otáček stroj rozvibruje vlivem nestability Aktivně řízené kluzné ložisko může řízeně polohovat hřídel s přesností do deseti mikrometrů. Aktivně řízené ložisko má menší ztráty třením oproti stavu nestability. Pouzdro ložiska je výrobně jednoduché. Funkční vzorek aktivně řízeného ložiska, který byl vyvinut v rámci projektu Pre-seed aktivity VŠB TUO, je světově první plně funkční řešení, které otvírá nové možnosti pro konstrukci vysokorychlostních rotorů. 28

29 Aplikační oblasti Vysokorychlostní rotory (obráběcí stroje, brusky, apod.) Odstředivky Uložení setrvačníků pro ukládání kinetické energie Příklad Beacon Power Flywheel Storage Array v Stephentown, New York Srovnání nízkootáčkového setrvačníku s životností 20 let a olověné baterie VRLA s životností 4 roky. Po analýze životního cyklu podle Federal Energy Management Program (USA) jsou současné náklady $ pro baterie a $ pro setrvačníky, což znamená 60% úspor. 29

30 Použití piezoaktuátorů k aktivnímu tlumení vibrací nosníků Příklad využití Sklíčidlo Obrobek Pracovní nůž Nožový držák 30

31 Parametrická rezonance Časově proměnná tuhost K n 0 1 K 1 2 cos t Linear time-invariant (LTI) system, 0 jsou parametry Problém stability? 0 31

32 Umístění patch piezoaktuátoru Efekt různého umístění patch piezoaktuátoru Model vetknutého nosníku v Simulinku Zpětná vazba Alternativní umístění piezoaktuátoru 32

33 Kompenzace náhodné budící síly na volném konci nosníku Frekvenční spektrum budící síly na odezvu na volném konci nosníkur f 0 f 2 f 1 Rozštěpení rezonančního vrcholu na dva dílčí vrcholy 33

34 Děkuji za pozornost 34