Piezoaktuátory v systémech aktivního potlačování vibrací strojů

Podobné dokumenty
Piezoaktuátory. J. Tůma VŠB Technická univerzita Ostrava. Workshop Perspektivní projekty vývoje řídicích a senzorických technologií 2012

Tuhost mechanických částí. Předepnuté a nepředepnuté spojení. Celková tuhosti kinematické vazby motor-šroub-suport.

A TEST STAND FOR RESEARCH IN JOURNAL BEARING ACTIVE CONTROL

ROVINNÉ BRUSKY. Řada AHR

Konstrukční zásady návrhu polohových servopohonů

VERTIKÁLNÍ SOUSTRUHY SÉRIE VLC

Obchodní akademie, Hotelová škola a Střední odborná škola, Turnov, Zborovská 519, příspěvková organizace,

Fakulta strojního inženýrství. Tribologie - Semestrální práce.

2. BUDIČE. Experimentální metody přednáška 2 Budiče

SPM od A do Z. pozadí metody SPM. SPM od A do Z. Copyright SPM Instrument

Rezonance teorie a praxe Ing. Jan Blata, Ph.D.

Snižování hlukové emise moderní automobilové převodovky

Rotující soustavy, měření kritických otáček, typické projevy dynamiky rotorů.

Zvyšování kvality výuky technických oborů

UNIVERZÁLNÍ CNC A KONVENČNÍ FRÉZKY

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/

43A111 Návrh řízení podvozku vozidla pomocí lineárního elektrického pohonu.

Uložení a dynamika rotorů turbodmychadel

Zásady regulace - proudová, rychlostní, polohová smyčka

Číslo materiálu: VY_52_INOVACE_TEK_1089

Regulační pohony. Radomír MENDŘICKÝ. Regulační pohony

Univerzální CNC a konvenční frézky

Odměřovací systémy. Odměřování přímé a nepřímé, přírůstkové a absolutní.

CNC soustruhy SF... STANDARDNÍ PŘÍSLUŠENSTVÍ STROJE VOLITELNÉ PŘÍSLUŠENSTVÍ STROJE SF 43 CNC

Dimenzování pohonů. Parametry a vztahy používané při návrhu servopohonů.

ACTIVE VIBRATION CONTROL OF JOURNAL BEARING WITH THE USE OF PIEZOACTUATORS

Position Part number Název Name Převodovka kompletní Gearbox assembly Ložisko Bearing Pojistný kroužek Retainer

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek až , Roztoky -

TMV 850 / TMV 1050 CNC vertikální obráběcí centrum

Snižování hlukové emise moderní automobilové převodovky. Prezentace: Pojednání ke státní doktorské zkoušce Ing. Milan Klapka

Position Part number Název Name Převodovka kompletní Gearbox assembly Ložisko Bearing Pojistka Retainer ring 4

Profil Typ Popis Rozsah teplot ( C) Vodicí pás z tvrzené polyesterové tkaniny. Vynikající parametry únosnosti. Profil Typ Popis Rozsah teplot ( C)

doc. Dr. Ing. Elias TOMEH

Hlavní parametry mající zásadní vliv na přesnost řízení a kvalitu pohonu

HLC série. horizontální soustruhy

1 ÚVOD 14 2 KDEZAČÍT SE SPOLEHLIVOSTÍASYNCHRONNÍCH ELEKTROMOTORŮ 16 3 BEZDEMONTÁŽNÍ TECHNICKÁDIAGNOSTIKA 17

Aktuátory typ MHG Aktuátory typ HG Aktuátory typ HG Aktuátory typ MHG Aktuátory typ HG200K 551. Aktuátory typ HG200S 553

ZÁKLADNÍ INFORMACE. NC nebo konvenční horizontální soustruh série HL s délkou až mm, točným průměrem nad ložem až 3500 mm.

Pohony. Petr Žabka Šimon Kovář

Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku. Hlavní cíl balíčku. Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období

DYNAMIC BLUE RAY a.s., All rights reserved

4. SENZORY S INDUKČNOST NOSTÍ. μ dμ. L ds S. L l L N. dl + Typické použití a rozdělení senzorů

Position Part number Název Name 1 B Šroub M8x30 Screw M8x Vodítko rukojeti Handle guide bracket Stojan řidítek

P EHLED PNEUMATICK CH PRVKÒ

Regulátor tlaku G1/8, NW 2,5. Katalogový list CZ 241

Stavba a provoz strojů

VERTIKÁLNÍ OBRÁBECÍ CENTRA

Pohonné systémy OS. 1.Technické principy 2.Hlavní pohonný systém

PROMI MIX chemická míchadla PROMI MIX- Produktová prezentace PM

Position Part number Název Name Silenblok Rubber foot Kolo Wheel Osa kola Axle Filtr Filter 22

Dodávka systému pro pokročilé řízení pohybu a pětiosé obrábění pro projekt NTIS

Některé případy specifického chování rotorů 1. Některé případy specifického chování rotorů nestabilita provozu

Ate Bosch Ferodo TRW Lucas

NTN-SNR / lineární technika

Porovnání a popis vlastností dvou typů kleštin lineárního dávkovače

Diagnostika rotorů v kluzných ložiskách 1

NESTABILITA ROTORU V KLUZNÝCH LOŽISKÁCH A MOŽNOSTI JEJÍHO POTLAČENÍ

LAMELOVÁ ČERPADLA V3/25

SIMOTICS GP/SD. Standardní nízkonapěťové trojfázové asynchronní motory nakrátko dle IEC. TIA leden 2017

Position Part number Název Name Šroub M8x25 Screw M8x Vodítko rukojeti Handle guide block Stojan řídítek Handle

CNC SOUSTRUHY ROVNÉ LOŽE. Řada R

Projekt: Inovace oboru Mechatronik pro Zlínský kraj Registrační číslo: CZ.1.07/1.1.08/ HŘÍDELE A ČEPY

Ama Porter. Ponorná kalová čerpadla. Oblasti použití. Označení. Provozní data. Typ čerpadla. Materiál. Těsnění hřídele. Pohon. Nátěr.

Maturitní témata ze stavby a provozu strojů školní rok 2015/2016 obor M/01 Strojírenství

On-line datový list. i10-m0233 Lock i10 Lock BLOKOVACÍ ZAŘÍZENÍ S JIŠTĚNÍM

OKRUHY K MATURITNÍ ZKOUŠCE - STROJNICTVÍ

On-line datový list. i15-em0123 Lock i15 Lock BLOKOVACÍ ZAŘÍZENÍ S JIŠTĚNÍM

VC-608/ VC-610/711 CNC vertikální obráběcí centrum

ELEKTRICKÉ STROJE - POHONY

Fortschritt E 302. náhradní díly pro mačkač. (E 301) 4,00 kg

On-line datový list. i14-m0213 Lock i14 Lock BLOKOVACÍ ZAŘÍZENÍ S JIŠTĚNÍM

SUSEN CNC obráběcí centrum na ozářená zkušební tělesa

CNC soustruh CKE 6156Z /1500

iglidur H2 Nízká cena iglidur H2 Může být použit pod vodou Cenově výhodné Vysoká chemická odolnost Pro vysoké teploty

Strojní pásová pila INDIVIDUAL DGH

Stabilizátory (pérování)

VĚTRNÉ ELEKTRÁRNY Tomáš Kostka

On-line datový list PFT-FRB010SF2OSSALSSZ PFT UNIVERZÁLNÍ TLAKOVÝ SNÍMAČ

PRODUKTOVÉ NOVINKY DÍLENSKÉ POTŘEBY I / Erodování systémem R. Objednejte ihned v našem online katalogu! UPÍNACÍ TECHNIKA

CNC soustružnická centra se šikmým ložem

INŽENÝRSKÉ SLUŽBY V OBLASTI ROTAČNÍCH STROJŮ

PŘÍLOHA A. ÚSTAV VÝKONOVÉ ELEKTROTECHNIKY A ELEKTRONIKY Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií 72 Vysoké učení technické v Brně

VY_32_INOVACE_C 07 17

ČERPADLA S BOČNÍM KANÁLEM SAMONASÁVACÍ

Řešení pro pohonnou jednotku

4xØ vybaveny termopojistkou. Vinutí je v tropikalizační úpravě s izolací třídy F. Ložiska mají tukovou náplň na dobu životnosti. Krytí IP54.

Principy navrhování stavebních konstrukcí

Univerzální CNC soustruhy řady SU

Axiální kuličková ložiska

On-line datový list. FLOWSIC150 Carflow MĚŘÍCÍ PŘÍSTROJE PRŮTOKU

Vysoce elastické spojky

Position Part number Název Name 1 DY Šroub nože Blade bolt 2 DY Podložka šroubu nože Blade bolt washer 3 H4025 Žací nůž Blade 5

Správna voľba sústavy chladenia / Turbocor. Alexej Hyža, innogy Solutions s.r.o.

Přehled produktových řad. OL1 Přesné vedení v dráze v plném spektru SENZORY PRO MĚŘENÍ VZDÁLENOSTI

Studium přechodových p v mazacích ch filmech vysokorychlostní barevnou kamerou

VÝVOJ ŘÍDICÍCH ALGORITMŮ HYDRAULICKÝCH POHONŮ S VYUŽITÍM SIGNÁLOVÉHO PROCESORU DSPACE

Pojednání ke státní doktorské zkoušce. Vliv topografie třecích povrchů na funkci kluzných ložisek

Position Part number Název Name 2 H Čerpadlo kompletní Pump assembly 4 H Bowden plynu Throttle cable 5 H Páčka plynu Throttle

Pozice Objednací číslo Název Name Ks 1 KC214A-01 Spodní madlo Lower handle 1 2 M-06 Matice M6 Flange nut M6 6 3 SV-06*35 Šroub vratový M6x35 Carriage

KONTAKT Řízení motorů pomocí frekvenčních měničů. Autor: Bc. Pavel Elkner Vedoucí: Ing. Jindřich Fuka

Transkript:

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

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

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

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

Provedení piezoaktuátorů Stack actuator keramické destičky Tloušťka 0,1 mm.. 100 V, nízkonapěťová (LVPZ - Low voltage piezo) Tloušťka 1 mm.. 1000 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

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

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

Piezoaktuátory od firmy Noliac Plate benders Ring benders Free stroke [μm] 10000 1000 Stacked actuator Typ Diamond 100 vodič 10 1 Single actuator Piezoelectric actuator Output member 0.1 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 Blocking force [N] Fixed member Actuator pair Tension member 8

Piezoelektrické aktuátory a senzory Typ náplast QuickPack 9

Piezomotory 10

Inchworm (píďalka) motory 11

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

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

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

Aplikace piezoaktuátorů Aktivní řízení kluzného ložiska Parametrické tlumení mechanických kmitů 15

Y [micrometer] RPM Hlavní nedostatek kluzných ložisek Hydrodynamické kluzné ložisko Sondy přiblížení Otáčky při rozběhu Poloha čepu ložiska -100-150 800 600 400 200 0 0 5 10 15 20 25 Time [s] Čas [s] Nestabilita způsobená olejovým filmem Kroužení čepu v pouzdru v rozsahu ložiskové vůle Pouzdro ložiska Čep ložiska -200-250 -100-300 0 5 10 15 20 25-300 -250-200-150 Čas Time [s] [s] X [micrometer] 16

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

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

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

Plovoucí pouzdro ložiska 20

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 23.000 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

Detail ložiska 22

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

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 0.007 mm 0.008 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

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

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

Detail ložiska 27

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

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 248.129 $ pro baterie a 105.572 $ pro setrvačníky, což znamená 60% úspor. 29

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

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

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

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

Děkuji za pozornost http://homel.vsb.cz/~tum52 34