Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování
KONSTRUOVÁNÍ STROJŮ mechanismy Přednáška 12
Obsah Servomechanismy a krokové motory
• Elektrický servomotor • Krokový servomotor • Hydraulický servomotor Gyroskopy
• Moment hybnosti tělesa k ose rotace • Aplikace setrvačníkových gyroskopů • Inerciální navigační systémy (INS) • Elektronické gyroskopy
Servomechanismy a krokové motory
Škoda Fabia WRC
Přednáška 12 – Servomechanismy a krokové motory
Servomechanismus Posilovač manuálního ovládání – pouze doplňuje • Dělení dle funkce – brzd, řízení atd. • Pracovní medium – podtlakové, hydraulické, pneumatické, elektrické
Podstata servomechanismu – joystick, „by wire“ Pro zvýšení komfortu obsluhy moderních soustrojí je nahrazováno manuální nastavování polohy ovládacího nebo pracovního prvku externí silou – tzv. servomechanismem, servopohonem. Z důvodu vysokého nároku na přesnost nastavení je většinou nezbytný zpětnovazebně řízený regulační obvod.
Dělení servomechanismů • Typ pracovního media– hydraulické, pneumatické, parní, elektrické • Typ pohybu – rotace, translace (matice, hřeben, táhlo, lineární motor) • Typ zpětné vazby – žádná, potenciometr, pulzní (encoder), rozkladač (selsyn)
Přednáška 12 – Servomechanismy a krokové motory
Vývoj brzdného systému osobního automobilu hydraulický brzdný systém
podtlakový posilovač
hydraulický systém ABS, ESP …
brake by wire
http://www.carbibles.com
Přednáška 12 – Servomechanismy a krokové motory
Elektrický servomotor Servomotor zkráceně servo je motor, u kterého lze nastavit pomocí regulátoru přesnou polohu natočení osy. Nejpoužívanější jsou synchronní motory s permanentními magnety na rotoru a třífázovým vinutím ve statoru. Motory lze několikanásobně momentově přetížit a proto jsou vhodné i pro dynamicky náročné úlohy.
Mitsubishi Electric Product Lines/Servos-E-0001-tri-20/11/03
Přednáška 12 – Servomechanismy a krokové motory
Krokový servomotor Potřebu pohonu, který umí přesně nastavit svoji polohu a tuto polohu i přes působící síly udržet, splňují krokové motory (stepper motor). Proud procházející cívkou statoru vytvoří magnetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru. Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které otáčí rotorem. Krokový motor s 200 kroky na otáčku (1.8 stupně na krok)
http://robotika.cz/articles/steppers/cs
Přednáška 12 – Servomechanismy a krokové motory
Hydraulický servomotor Hydraulické servopohony mají výhodu ve schopnosti vyvinout velké síly při malých rozměrech. Nevýhodou je vyšší potřeba údržby a závislost na rozvodu tlakového média. Hydraulické pohony spotřebovávají energii i když nevykonávají pohyb, protože musí udržovat provozní tlak média. (převodovka Škoda Fabia WRC – cca 10kW!)
Přímočarý hydromotor
Rotační hydromotor www.automa.cz
Přednáška 12 – Servomechanismy a krokové motory
Selfsynchron Selfsynchron (zkráceně selsyn) je speciální točivý elektrický stroj k souhlasnému přenosu otáčivého pohybu prostřednictvím elektrického vedení. Na rotoru je budící vinutí, které je napájené z jednofázové střídavé sítě a slouží k vybuzení magnetického obvodu. Na statoru je trojfázové synchronizační vinutí.
Základní zapojení selsynové dvojice
http://www.sps-cl.cz
Přednáška 12 – Servomechanismy a krokové motory
Gyroskopy
http://de.wikipedia.org Přednáška 12 – Gyroskopy
Moment hybnosti tělesa k ose rotace Řada veličin pro posuvný pohyb má své „partnerské protějšky“ vztahující se k pohybu otáčivému. Také hybnost má jako svůj protějšek veličinu, která má pro popis otáčivého pohybu analogický význam jako hybnost pro pohyb posuvný. Je jí moment hybnosti. Posuvný pohyb v daném směru r F • Síla r p • Hybnost r r p = m ⋅ v • Hybnost r r d p = F ⋅ dt • Věta o hybnosti Otáčivý pohyb kolem pevné osy r r M = r×F • Moment síly r r L = r× p • Moment hybnosti r r L = I ⋅ ω • Moment hybnosti r r d L = M ⋅ dt • Věta o momentu hybnosti Levitace gyroskopu
Holliday,D.,Resnick,R.,Walker,J.: Fyzika Přednáška 12 – Gyroskopy
Historie použití gyroskopu Účinek gyroskopu byl objeven v 1817 J. Bohnenbergerem. Experimenty s interakcí gyroskopického jevu a rotace zeměkoule prováděl v 1852 L. Foucault. Pokusy byly neúspěšné, protože tření limitovalo každý pokus na 8 až 10 minut, což byl příliš krátký čas pro pozorování interakce. Gerolamo Cardano (1501-1576) italský matematik, filosof, astronom vynálezce křížového závěsu • • • • • • • • • • • • • •
1817 J. Bohnenberger (Německo) popsal gyroskopický jev 1831 W. R. Johnson z (USA) předváděl pokusy s tzv. „Rotaskopem“ 1836 E. Sang (Skotsko) experimentoval se zařízením podobným gyroskopu 1852 J. L. Foucault (1826-64) jako první použil pojem gyroskop 1852-1968 Nová demonstrace gyroskopu při tzv. „levitaci“ 1898 M. Obry prodal patent gyroskopu zbrojovce Whitehead Torpedo Works 1904 H. Anschütz-Kaempfe patentoval lodní gyrokompas 1906 O. Schlick uskutečnil gyrostabilizační experimenty na torpedovce Sea-bar 1908 H. Anschütz-Kaempfe vyvinul první funkční lodní gyrokompas 1909 E. A. Sperry vyvinul letecký autopilot s použitím gyroskopu 1911 E. A. Sperry zahájil prodej gyrokompasů v USA a později v Británii 1915 Sperry Company instalovala lodní gyroskopickou stabilizaci kolébání 1916 Anschütz Company zkompletovala první lodní autopilot 1916 První použití umělého horizontu v letadle http://www.gyroscopes.org
http://cs.wikipedia.org
Přednáška 12 – Gyroskopy
Uplatnění gyroskopů Mechanické setrvačníkové gyroskopy byly dříve používány výhradně k navigaci a stabilizaci. Moderní gyra v podobě integrovaných obvodů obsahují mimo samotný snímač i celou škálu vyhodnocovacích obvodů. Díky tomu lze gyroskopy použít i v běžných praktických aplikacích.
• Detekce a měření rotačního pohybu • Stabilizační jízdní systémy automobilů • Zpřesňování pozice systémů GPS • Stabilizace obrazu a předmětů • Zjišťování změny polohy, detekce pohybu • Měření setrvačnosti • Měření náklonu • Detekce převrácení, např. automobilu • Navádění a řízení raket, letadel, robotů
Přednáška 12 – Gyroskopy
Aplikace setrvačníkových gyroskopů Gyrokompas • Pracovní otáčky 20 000 až 50 000 RPM • Odchylka od opravdového severu je max. 0.5° r r r F = 2 ⋅ m ⋅ω × v • Coriolisova síla: • Doba ustálení polohy do 100 minut
Umělý horizont • Uvnitř „plovoucí“ koule je setrvačník se svislou osou • Stabilizační systém vyrovnává chyby způsobené třením závěsu dostatečně pomalu, aby nebyl citlivý na okamžité manévry letadla
• Stabilizace je prováděna na pneumatickém principu • Dlouhodobý průměr působících sil má směr gravitační síly http://cs.wikipedia.org Přednáška 12 – Gyroskopy
Inerciální navigační systémy (INS) Systémy jsou založeny na zákonu o zachování hybnosti. V inerciálních navigačních systémech se využívá senzorů, které nepřetržitě sledují vnější působení na systém. Akcelerometry měří zrychlení vzhledem k inerciální soustavě a měřiče úhlové rychlosti měří rychlost otáčivého pohybu.
Inerciální měřiče úhlových rychlostí: • Mechanická setrvačníková gyra – elektrický pohon, speciální ložiska, cardanův závěs • Vibrační piezoelektrická gyra – velmi malá, malá spotřeba energie, citlivost až 0.1 °/h • Optické gyroskopy – bez pohyblivých dílů, roboty, citlivost až 0.001 °/h Suomela, J.: Gyros Přednáška 12 – Gyroskopy
Elektronické gyroskopy Mikroelektromechanické systémy (MEMS) je technologie používaná pro výrobu malých integrovaných systémů, které kombinují mechanické a elektrické součásti. Vyrábějí se stejnými metodami litografie, jako se vyrábějí IO a mohou měřit od několika mikrometrů do několika milimetrů.
Ladičkové gyroskopy • Ramena ladičky jsou rozechvívána (cívky, piezostrikce) • Při rotaci ladičky dojde k působení Coriolisovy síly • Vyvolané torzní vibrace jsou úměrné úhlové rychlosti • Možné tvary pružných elementů: struny, tyče, válce Přednáška 12 – Gyroskopy
MEMS gyroskopy ADXRS xxx Gyroskopy jsou určené pro měření úhlové rychlosti v jednotkách stupňů/sekundu (°/s). Gyroskopy, vyráběné jako integrované MEMS obvody pracující na principu Coriolisovy síly a umí měřit pouze v jednom směru – kolmém na plochu chipu.
•
Základ tvoří struktura upevněná v rámu, která vlivem vlastní mechanické rezonance kmitá v uvedeném směru - kolmém na směr otáčení. Přitom vzniká Coriolisova síla úměrná úhlové rychlosti otáčení, která stlačí vnější pružiny rámu a způsobí vzájemný posuv měřících plošek, fungujících jako elektrody kondenzátorů. www.analog.com Přednáška 12 – Gyroskopy
Optický měřič úhlové rychlosti Princip optických měřičů úhlových rychlostí spočívá na rozdílné době oběhu dvou paprsků putujících uzavřenou smyčkou v opačných směrech, kde smyčka tvoří rovinu kolmou na osu rotace. Jelikož je rychlost světla konstantní pak je doba oběhu smyčky těchto paprsků různá. Tento jev se nazývá Sagnacův efekt. Poprvé byly použity v inerciálních navigačních systémech Boeingu 757 a 767.
Vláknový optický gyroskop letecká navigace – velmi malý citlivost 0.01 °/h
Rozdělení dle fyzikálního principu:
• • • • •
Aktivní optický rezonátor Pasivní optický rezonátor Vláknový optický interferometer s otevřenou smyčkou
Suomela, J.: Gyros
Vláknový optický interferometer s uzavřenou smyčkou Vláknový optický rezonátor Přednáška 12 – Gyroskopy
INS datalogger MBox Přístroj snímá dynamické parametry z jedoucího vozidla. Jsou použity tři jednoosé akcelerometry ADXL105 s rozsahem ± 5g a tři snímače úhlové rychlosti byly typu Murata ENC-03J. Převodník s mikroprocesorem ADUC812 je od firmy Analog Devices. Záznam monitorovaných signálů na paměťové médium typu CompactFlash.
Přednáška 12 – Gyroskopy
