Rekomendasi aktuator untuk gerakan berosilasi objek 6 kg

Saya memiliki pertanyaan umum tanpa banyak parameter khusus, tetapi saya berharap seseorang akan dapat mengarahkan saya ke arah yang benar - setidaknya aktuator apa yang paling sesuai dengan tujuan saya.

Saya mengerjakan proyek di mana saya akan memindahkan objek 6 kg dengan cara berosilasi ke atas dan ke bawah, dari idealnya sekitar 0,1 Hz hingga 20 Hz pada waktu yang berbeda. Maks vertikal yang saya harapkan sekitar 30 cm atau lebih. Saya akan mengendalikan kecepatan dengan mikrokontroler melalui serial. Ini akan ideal untuk memiliki kontrol rentang gerak vertikal, meskipun ini tidak perlu jika terbukti terlalu sulit. Idealnya itu juga akan dapat mengerem dengan cepat.

Saya tidak begitu yakin bagaimana cara melakukannya - pikiran pertama saya adalah servo, tetapi saya berasumsi bahwa akan sulit untuk membuatnya bergerak naik dan turun secepat yang saya inginkan, dan mungkin torsi startup akan menjadi masalah pada stroke. Kalau tidak akan ideal karena saya bisa mengendalikan sudut, dan karenanya rentang vertikal. Mungkin ada servo torsi yang sangat cepat dan tinggi yang dapat menangani ini?

Saya kemudian berpikir untuk menggunakan motor mesin jahit industri dengan kopling untuk memvariasikan kecepatan, tetapi semua ini tampaknya menggunakan kopling mekanis yang akan memberatkan untuk dikendalikan (harus menggunakan motor terpisah untuk mengubah kecepatan melalui tuas) . Juga, saya harus mengubah rotasi menjadi gerakan linier, dan saya lebih suka menghindari membuat bagian yang lebih kompleks jika memungkinkan.

Saya juga memikirkan aktuator linier, tetapi ini tampaknya agak lambat, dan pneumatik terlalu tepat.

Adakah yang tahu jenis aktuator apa yang digunakan? Saya sadar saya sedikit tidak jelas dalam penggunaan saya - ini adalah proyek seni sehingga ada beberapa fleksibilitas tentang bagaimana hasilnya, selain dari parameter umum yang saya sebutkan. Setiap saran akan dihargai.

motors

— Rem Dav Nan
sumber

Saya pikir Anda perlu memeriksa kembali persyaratan Anda. Apakah Anda menyadari bahwa perpindahan 30cm pada 20Hz menghasilkan akselerasi lebih dari 240 g? Dengan massa 6kg, itu sedikit lebih dari 14kN tanpa mempertimbangkan bagian bergerak fixture itu sendiri.

— DLS3141

Seberapa cepat Anda perlu untuk mencapai frekuensi operasional yang diberikan, dan apakah Anda perlu mengontrol ukuran (panjang) dari osilasi terlepas dari frekuensi? Biasanya suatu sistem lebih mudah dikendarai dengan driver resonansi dan pegas atau pengendali energi resonansi serupa yang menghubungkan driver ke massa.

— Carl Witthoft

Carl - Idealnya itu independen, tapi saya bisa melihat bagaimana itu akan menyulitkan banyak hal. Saya memang berpikir untuk menggunakan pegas, tetapi seperti yang saya pahami, pegas akan memiliki frekuensi yang tetap. Jika turun ke sana, saya lebih suka memiliki frekuensi variabel dengan amplitudo tetap.

— Rem Dav Nan

DLS3141 - terima kasih atas komentar Anda, itu membantu. Saya bisa melihat itu akan menjadi kekuatan besar untuk disulap. saya akan dengan senang hati meminimalkan perpindahan vertikal dan menurunkan frekuensi tinggi sampai batas tertentu untuk memiliki sistem yang lebih mudah dikelola. Sayangnya benda tersebut memiliki berat yang tetap.

— Rem Dav Nan

5Hz sebenarnya cukup cepat , terutama jika Anda ingin bergerak 6kg jarak 30cm. Instalasi seni seperti apa ini nantinya?

— Chuck

Jawaban:

Posisi vertikal adalah:

y = A \sin (ω t)

$y = A \sin{(\omega t)}$

Jika frekuensi Anda 20Hz, frekuensi sudut Anda adalah , atau 125,66 rad / s. $2\pi f$

Jika gerakan vertikal maks Anda adalah 30cm, maka Anda bisa mengatakan itu 15cm +/- 15cm, jadi amplitudo Anda adalah 15cm = 0,15m.

Sekarang posisi Anda diberikan oleh:

y = 0.15 * \sin (125.66 t)

$y = 0.15 * \sin{(125.66 t)} \\$

Jadi, turunan pertama, kecepatan Anda diberikan oleh (aturan rantai):

\begin{matrix} d y / d t = & 0.15 * (\cos (125.66 t) * 125.66) \\ d y / d t = & 18.85 \cos (125.66 t) \end{matrix}

$\array{ dy/dt = & 0.15* (\cos{(125.66 t)} * 125.66) \\ dy/dt = & 18.85 \cos{(125.66 t)}}$

Jadi, turunan kedua, lakukan aturan rantai lagi:

\begin{matrix} d^{2} y / d t^{2} = & 18.85 * (- \sin (125.66 t) * 125.66) \\ d^{2} y / d t^{2} = & - 2368.6 \sin (125.66 t) \end{matrix}

$\array{ d^2y/dt^2 = & 18.85 * (-\sin{(125.66t)} * 125.66) \\ d^2y/dt^2 = &-2368.6 \sin{(125.66t)}}$

Garis di atas adalah turunan posisi kedua, alias akselerasi. Sebagai , dan nilai maksimum , ini memberi Anda akselerasi puncak . Jika percepatan gravitasi adalah (itu), maka Anda sedang melihat percepatan puncak . $F = ma$ $-\sin{(\mbox{stuff})} = 1$ $2368.6 m/s^2$ $9.81 m/s^2$ $2368.6/9.81 = 241\mbox{g's}$

Kembali ke definisi dari akselerasi puncak Anda, Anda melihat kekuatan , atau 14.211 Newton, atau 3.194 lbf. $m/s^2$ $F = (2368.6 m/s^2)(6kg)$

Sekarang, jika Anda tertarik pada kekuatan yang diperlukan untuk melakukan ini, itu memaksa kali kecepatan. Karena Anda mendapatkan kekuatan puncak saat kecepatan nol dan sebaliknya, mari kita gandakan persamaan bersama dan bekerja dari sana, karena kekuatan puncak akan terjadi di suatu tempat di antara kekuatan puncak dan kecepatan puncak. Dan lagi, karena ini adalah sinus dan kosinus, kita dapat menghilangkan yang negatif karena ini adalah nilai absolut yang kita perhatikan:

\begin{matrix} P = & F * (d y / d t) \\ P = & (6 * 2368.6 \sin (125.66 t) N) (18.85 \cos (125.66 t) m / s) \end{matrix}

$\array{ P = & F*(dy/dt) \\ P = & (6*2368.6 \sin{(125.66t)} N)(18.85 \cos{(125.66 t)} m/s) \\ }$

$\sin{(2\theta)} = 2\cos{\theta}\sin{\theta}$

\begin{matrix} P = & 267, 894 \sin (125.66 t) \cos (125.66 t) \\ P = & 133, 947 \sin (2 * (125.66 t) (N m / s) \end{matrix}

$\array{ P = & 267,894 \sin{(125.66t)}\cos{(125.66t)} \\ P = & 133,947 \sin{(2 * (125.66 t)} (Nm/s)\\ }$

$\sin{(\mbox{stuff})} = 1$ $P = 133,947 Nm/s$

P = 134 kW

$\boxed{P = 134 \mbox{kW}}\\$

$P_p = V_p * I_p$ $P_{\mbox{rms}} = \frac{V_p}{\sqrt{2}}\frac{I_p}{\sqrt{2}}$ $P_{\mbox{rms}} = P_p/2$

Jadi, gunakan rute ini, jika layanan listrik rumah Anda 120VAC, maka Anda melihat gambar:

I = P / V = (134, 000 / 2) / 120 I = 558 A

$I = P/V = (134,000/2)/120\\ I = 558A$

Untuk menempatkan ini ke dalam perspektif, rumah Anda mungkin memiliki "layanan 100 amp", yang berarti bahwa jika Anda menambahkan semua sirkuit di rumah Anda bersama-sama Anda hanya bisa mendapatkan 100A digabungkan - Anda mencoba untuk menarik semua daya yang tersedia untuk satu blok. Pemecah di rumah Anda mungkin diberi nilai masing-masing 15A, jadi ini akan membuat sirkuit jauh sebelum Anda mendekati apa yang Anda minta. Juga motor akan terbakar. Dan koplingnya.

--SUNTING--

$P = Fv$ $P = mav$ $P = av$

Bagaimanapun, jika Anda menurunkan frekuensi Anda dari 20Hz ke 5Hz, maka kebutuhan daya Anda turun dari 67kW, atau 90HP - tentang kekuatan output sedan kelas ekonomi, ke 1kW, atau sekitar 1,4HP. Ini akan membuat Anda menggambar tentang 8.7A di 120VAC, yang sepenuhnya dalam bidang kemungkinan untuk implementasi aktual.

Sekarang, dengan seperangkat spesifikasi yang masuk akal, Anda dapat pergi berburu untuk aktuator yang berlaku. Pada titik ini, "pertanyaan umum Anda tanpa banyak parameter khusus" terlalu samar untuk memberikan banyak panduan di luar beberapa kategori luas. Misalnya, saya harap Anda telah mempertimbangkan bagaimana hal-hal berikut berperan dalam keputusan Anda:

Biaya
Akurasi posisi
Kompleksitas
Kebisingan

Itulah hal-hal yang akan saya pertimbangkan, kira-kira dalam urutan prioritas itu. Setelah Anda menetapkan anggaran untuk apa yang Anda (dan tidak) rela habiskan, maka itu akan menyingkirkan banyak aktuator. Selain itu, keakuratan posisi Anda kemudian harus memastikan kesepakatan. Anda bilang Anda tidak ingin menggunakan pneumatik karena "mereka terlalu tidak tepat", tetapi Anda belum menyatakan seberapa tepat posisi yang Anda inginkan.

Saya sebenarnya telah menggunakan pengontrol ini sebelumnya untuk beberapa kontrol posisi yang relatif baik, tetapi pengontrol itu sekitar $ 900, dan Anda masih perlu membeli silinder (mungkin sekitar $ 100) dan kompresor udara yang cocok (mungkin $ 150 - $ 200), dan selang dan perlengkapan pneumatik.

Anda bisa menggunakan hidrolika, tetapi itu membutuhkan unit daya hidrolik (~ $ 400), pengatur posisi (~ $ 100), dan kemudian silinder (~ $ 100) dan selang hidrolik dan alat kelengkapan, yang kemungkinan akan jauh lebih banyak lebih mahal dari selang pneumatik dan perlengkapan pneumatik.

Anda bisa menggunakan aktuator linier listrik, tetapi biasanya lebih lambat. Pada 5Hz, untuk pukulan +/- 15cm, Anda sedang melihat kecepatan tertinggi 4,7 m / s. Aktuator linier "kecepatan tinggi" ini bergerak pada 4,5 inci per detik, atau sekitar 0,11m / detik, yang akan sesuai dengan frekuensi sekitar 0,1Hz untuk Anda - satu siklus setiap sepuluh detik, bukan lima siklus setiap detik.

Semua hal di atas adalah aktuator linier. Anda dapat pergi dengan motor (mungkin akan menjadi pilihan saya), tetapi seperti yang Anda sebutkan ini akan memerlukan sistem cam / tuas / engkol untuk mengubah gerakan putar menjadi gerak linier. Motor listrik dengan nilai 1,5HP atau 1kW seharusnya cukup mudah ditemukan, saya kira sekitar $ 150 atau lebih, tetapi Anda masih memerlukan pengontrol motor, yang dapat dengan mudah menjalankan $ 250- $ 500, dan kemudian, jika Anda Peduli posisi, Anda akan memerlukan posisi encoder untuk motor.

Semuanya menjadi sangat mahal dengan cepat, yang saya tahu adalah jawaban yang membuat frustrasi, tapi itu rekayasa.

Jadi, untuk rekap: pertama, tetapkan anggaran. Seperti dalam kebanyakan hal, ini harus secara signifikan mempersempit ruang lingkup apa yang layak untuk Anda.

— Membuang
sumber

Terima kasih atas jawaban menerangkan Chuck. Saya benar-benar tidak tahu itu akan sangat dekat mustahil untuk dilakukan - jika tidak ada yang lain, saya memiliki pemahaman yang lebih baik tentang apa yang akan menganalisis proses. Saya pada 240v tapi jelas itu tidak akan membantu :)

— Rem Dav Nan

@RemDavNan - Ini bukan proses yang sangat sulit, tetapi sebagian besar rekayasa tidak. Itu semua hanya mengetahui persamaan mana yang berlaku untuk masalah yang mana. Saya akan berkomentar bahwa frekuensi adalah pembunuh untuk Anda. Saya sedang menggunakan ponsel saya saat ini sehingga saya tidak akan menjalankan angka, tetapi jika Anda bisa mendapatkan frekuensi dari 20Hz ke 2Hz maka urutan pengurangan magnitudo dapat memangkas daya Anda sebesar 1.000 - dari 22kW ke 22W, yang sangat masuk akal. Daya sebanding dengan kecepatan potong dadu.

— Chuck

Terima kasih Chuck - Saya pasti dapat mengurangi frekuensi tinggi ini - 20hz hanya kisaran atas yang diinginkan. Saya juga dapat mengurangi amplitudo - ini adalah proyek seni dan bukan proyek rekayasa sehingga ada cukup banyak ruang gerak. Adakah rekomendasi untuk tipe atau mekanisme motor, atau apakah cukup banyak dengan torsi yang tepat?

— Rem Dav Nan

Terima kasih lagi Chuck - semuanya sangat membantu. memang, semua aktuator linier yang saya lihat cukup lambat, meskipun itu akan menjadi solusi yang mudah. Tapi saya condong ke arah penggunaan motor. Pengontrol posisi pneumatik itu sangat keren :) Dan tampaknya sangat tepat. Padahal $ 900 pasti di atas batas saya untuk saat ini. Komentar saya sebelumnya tentang presisi didasarkan pada silinder bi directional standar tanpa controller. Saya sebenarnya sudah menggunakan inverter / drive variabel sebelumnya untuk proyek orang lain, jadi saya pikir saya bisa mengelolanya dengan motor. Seperti yang Anda katakan, anggarkan dulu. Saran suara.

— Rem Dav Nan

Untuk frekuensi yang lebih rendah, pengaturan termudah yang dapat saya pikirkan adalah motor (terhubung melalui drive frekuensi variabel ) ke objek, melalui gearbox untuk mengurangi frekuensi (PKS umum akan meninggalkan motor Anda antara 0-60 Hz). Ini kemudian mengubah engkol besar . Hubungkan ujung bawah objek Anda melalui pegas ke tanah untuk memastikan stabilitas.

Selama roda Anda berdiameter 30cm, objek Anda akan mengganti 30cm tetap yang sama setiap kali. Kotak roda gigi akan memastikan Anda memiliki kekuatan yang cukup untuk mengangkat objek 6 kg dengan meningkatkan torsi. Berdasarkan analisis Dinamis Chuck pada 2 Hz, Anda harus dapat memiliki (6kg * g + 142 N) * 15 cm = 30 N * m torsi. Motor khas Anda akan memiliki cara kurang dari ini. Tapi, gearbox Anda harus menjadi peredam 30: 1 untuk membuat objek Anda berosilasi pada 2 Hz. Dalam hal ini, Anda hanya perlu 1 N * m. Sebuah pemasok terpercaya motor memiliki motor 1/3 hp yang dapat menangani beban ini dengan mudah. Saya juga merekomendasikan berinvestasi di roda gila untuk memastikan semuanya berjalan lancar.

— Menandai
sumber

τ_{net} = I α

$\tau_{\mbox{net}} = I\alpha$

τ_{net}

$\tau_{\mbox{net}}$

I

$I$

α

$\alpha$

Poin bagus - saya akan mengedit untuk kejelasan.

— Markus

Mengerti, ini informasi yang sangat berguna. Metode umum sangat masuk akal bagi saya, dengan menggunakan pengurangan gigi dan engkol. Yang saya agak kabur adalah bagaimana semua itu cocok bersama - misalnya, apakah ada ukuran standar untuk engkol, roda gila, dan komponen mekanis yang memungkinkan Anda untuk memasangnya di poros motor, atau apakah mereka harus dibuat khusus?

— Rem Dav Nan

Saya akan mulai di Grainger - mereka memiliki beberapa bagian yang tersedia untuk beberapa barang lain yang mereka jual (daripada mencoba membuka gergaji mesin pemotong rumput tua atau untuk mendapatkan crankshaft mereka). Masalah sebenarnya dengan poros engkol adalah bantalannya. Anda membutuhkan mereka untuk tetap dilumasi selama operasi, dan pekerjaan cat yang buruk pada mereka akan membuat semuanya mati. Namun, jika Anda hanya berencana untuk melakukan ini selama beberapa hari, setiap toko las tua dapat membuat permukaan yang cukup halus sehingga mesin tidak akan mati selama operasi yang singkat.

— Markus