Weryfikacja pomiarowa charakterystyk statycznych i dynamicznych
Transkrypt
Weryfikacja pomiarowa charakterystyk statycznych i dynamicznych
XII International PhD Workshop OWD 2010, 23–26 October 2010 Weryfikacja pomiarowa charakterystyk statycznych i dynamicznych belek tensometrycznych Measurement Verification of Static and Dynamic Characteristic of Force Transducers Marcin Szczygieł, Tomasz Trawiński, Silesian University of Technology (09.05.2006, prof. Krzysztof Kluszczyński, Politechnika Śląska) Abstract 1. Wiadomości wstępne In the article the results of verifying measurements of designed and manufactured force transducers where presented. The force transducers are used for indirect torque measurement of so-called Voice Coil Motor used in hard disk drives as fundamental driving torque for head positioning system. In reference [1] and [2] the general conception of measuring torque stand is presented. In this article the calculated and measured steady state and dynamic state characteristic are compared. In chapter 2 the measuring stand for force transducer investigation is presented as well the measurement results. In tab.1 the comparison between measured and simulated deformation v. displacement of single force transducer is presented. In tab.2 the comparison between measured and simulated deformation v. displacement of dual force transducer is presented. W obecnych czasach obserwujemy bardzo intensywny rozwój prac mających na celu zwiększanie pojemności pamięci masowych. Wzrost pojemności dysków twardych HDD jest związany z możliwością uzyskania powierzchniowej gęstości zapisu danych do 400 Gb/in2 w produktach komercyjnych. Uzyskanie tak dużej gęstości zapisu i odczytu danych wiąże się z koniecznością bardzo dokładnego pozycjonowania aktuatora głowic, który jest napędzany silnikiem VCM. Silnik VCM (Voice Coil Motor) jest głównym elementem napędowym aktuatora głowic zapisująco / odczytujących w dysku twardym (Rys. 1). Pomiar wartości momentu wytwarzanego przez silnik VCM jest bardzo trudny ze względu na dwa podstawowe aspekty. Po pierwsze w silnikach VCM wartość wytwarzanego momentu zależy nie tylko od zmian wartości prądu zasilającego ale również od zmian kąta wychylenia ramienia aktuatora głowic. Po drugie wartości momentów generowanych przez silnik są rzędu mili niutonometrów. W ramach prac związanych z realizacją projektu badawczego NN510 355 137 zostało zaprojektowane specjalne stanowisko do pomiaru momentu w silnikach VCM. W celu pośredniego pomiaru momentu wykorzystano zaprojektowane przez autorów przetworniki tensometryczne [1, 2] (Rys. 4), które stanowią równocześnie układ mocowania silnika do podstawy stanowiska pomiarowego (Rys. 2, 3). Do konstrukcji stanowiska do pomiaru momentu silników VCM, zaprojektowano i wykonano trzy komplety belek tensometrycznych, tzn. trzy belki dla układu wykorzystującego jeden przetwornik siły tzw. układ pojedynczy i sześć belek dla układu Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań pomiarowych, tensometrycznych przetworników siły, wykorzystanych na stanowisku do pomiaru momentu wytwarzanego przez silnik VCM (Voice Coil Motor). W pracach [1, 2] przedstawiono koncepcję układu pomiarowego momentu w silniku VCM i wyniki badań symulacyjnych. W niniejszym artykule przedstawiono weryfikację pomiarową charakterystyk statycznych i dynamicznych belek tensometrycznych zaprojektowanych na podstawie badań symulacyjnych. W rozdziale 2 przedstawiono wyniki badań pomiarowych dwóch wariantów zaprojektowanych belek tensometrycznych. 231 pomiarowego wykorzystującego dwa przetworniki siły tzw. układ podwójny. 2. Wyznaczanie charakterystyk statycznych i dynamicznych belek tensometrycznych W celu weryfikacji charakterystyk statycznych FL=f(x) (FL – siła obciążenia, x - przemieszczenie ) przeprowadzono pomiar odkształcenia belek tensometrycznych dla dwóch wariantów. W pierwszym wariancie przebadano belki tzw. układu pojedynczego (wykorzystującego w systemie pomiarowym momentu jeden przetwornik siły). Na rysunku 5 przedstawiono stanowisko badawcze do pomiaru odkształcenia belek. Stanowisko pomiarowe składa się z podstawy, do której mocowane są belki tensometryczne i głowicy laserowej LK – G32, firmy Keyence do pomiaru przemieszczenia. W trakcie serii pomiarowej belkę obciążano masami m1=0-150 g. Równocześnie przeprowadzono badania symulacyjne (Rys.6). Obliczenia symulacyjne przeprowadzono w programie COMSOL, przy wykorzystaniu modułu Structural Mechanics. W przypadku wyznaczenia charakterystyki statycznej FL=f(x) Rys.1. Aktuator systemu pozycjonowania głowic: 1) jarzmo stojana z magnesami trwałymi, 2) ramię aktuatora (E-block), 3) system zawieszenia głowic, 4) ślizgacze, 5) talerze dysku. Fig.1. Actuator of the heads positioning system in HDD: 1) yoke with permanent magnet, 2) actuators arm so-called E-block, 3) heads suspension system, 4) sliders, 5) the disk plates. Głównym celem prowadzonej analizy porównawczej jest weryfikacja charakterystyk statycznych i dynamicznych dla wykonanych przetworników tensometrycznych siły uzyskanych na podstawie obliczeń polowych z charakterystykami uzyskanymi pomiarowo. a) Rys.5. Widok stanowiska do pomiaru odkształceń belek tensometrycznych: 1) kontroler głowicy laserowej, 2) głowica laserowa LK - G32, 3) belka tensometryczna. b) Rys.3. Widok stanowiska pomiarowego: a) z układem pojedynczym, b) z układem podwójnym: 1) zaprojektowane belki tensometryczne, 2) masa zastępcza silnika VCM, 3) podstawa. Fig.5. View of test bench for measurement of the deformation of force transducers: 1) laser controller, 2) laser head, 3) especially designed force transducer. Fig.3. General view of dual measurement system a) single system, b) dual system: 1) especially designed force transducers, 2) equivalent mean mass of VCM motor, 3)base. Rys.6. Przykładowy wynik badań symulacyjnych dla belki układu pojedynczego, przy obciążeniu FL=1.128 N. Rys.4. Zaprojektowane belki tensometryczne: 1) układu pojedynczego, 2) układu podwójnego. Fig.6. Exemplary result of simulation analysis for force transducer of single system under load force FL=1.128 N. Fig.4. Designed force transducers: 1) single system, 2) dual system. 232 W tabeli 1 zestawiono wyniki badań pomiarowych i symulacyjnych dla belek układu pojedynczego. Wyniki te przedstawiają ugięcia belek pod wpływem obciążenia działającego zgodnie z kierunkiem obciążeń występujących podczas ich normalnej pracy. Ponadto w obliczeniach symulacyjnych uwzględniono obciążenie grawitacyjne. Tab.1. Ugięcia belek tensomet rycznych (uk ład pojedynczy) w funkcji przyłożonego obciążenia Defor mation o f forc e tra nsdu cers (single s yst em) versus load forc e masa m1 siła FL g 0 5 10 15 50 55 60 65 100 105 110 115 150 N 0,000 0,049 0,098 0,147 0,491 0,540 0,589 0,638 0,981 1,030 1,079 1,128 1,472 belka1 1 ugięcie belka1 belka1 2 3 µm 0,0 6,7 11,0 17,2 58,7 – – 85,3 130,5 – – 154,3 196,5 µm 2,3 5,0 9,5 15,4 60,9 67,4 73,6 80,7 126,7 138,9 148,0 155,9 – µm 0,7 6,1 11,4 19,0 62,3 67,3 73,4 85,0 128,7 134,5 143,8 149,3 – Rys.7. Charakterystyki ugięcia belek - układ pojedynczy. Fig.7. Load force versus deformation curve of single system force transducers. belka1 symulowana µm 3,7 7,1 10,4 18,8 50,9 71,2 77,0 82,9 124,0 129,9 135,7 141,6 182,8 Współczynniki sztywności badanych przetworników siły obliczono na podstawie zależności. k= FL x (1) Na rysunku 7 przedstawiono ugięcia trzech belek tensometrycznych wraz z belką symulowaną (dla tzw. układu pojedynczego) pod wpływem przyłożonych sił. Dane otrzymane z pomiarów zostały aproksymowane linią prostą (dla prostej aproksymującej wymuszono jej przecięcie się w zerach z osiami rzędnych i odciętych). Dla trzech uzyskanych serii wyników stwierdzono niewielkie odchylenie pomiędzy współczynnikami kierunkowymi prostych aproksymujących sięgające 1,3 %. Stąd można stwierdzić, że belki tensometryczne (przygotowane do pracy w tzw. układzie pojedynczym) mają współczynniki sztywności (w płaszczyźnie równoległej do ruchu uzwojenia twornika silnika VCM) ) sobie równe i wynoszą kx-y,i = 0,0075 N/µm. W tabeli 2 zestawiono wyniki badań pomiarowych i symulacyjnych dla belek układu podwójnego. Tak jak poprzednio przedstawiono ugięcia działające zgodnie z wymaganym kierunkiem. Na rysunku 8 przedstawiono ugięcia sześciu belek tensometrycznych wraz z belką symulowaną (dla tzw. układu podwójnego) pod wpływem przyłożonych sił. Dane otrzymane z pomiarów zostały aproksymowane liniami prostymi (dla prostej aproksymującej wymuszono jej przecięcie się w zerach z osiami rzędnych i odciętych). Dla trzech uzyskanych serii wyników stwierdzono niewielkie odchylenie pomiędzy współczynnikami kierunkowymi prostych aproksymujących sięgające 5,6 %. Stąd można stwierdzić, że belki tensometryczne (przygotowane do pracy w tzw. układzie pojedynczym) mają współczynnik sztywności (w płaszczyźnie równoległej do ruchu uzwojenia twornika silnika VCM) praktycznie sobie równe i wynoszą kx-y,i = 0,0016 N/µm. Ponadto dla belek układu podwójnego wykonano test impulsowy celem którego, było zbadanie charakterystyki częstotliwościowej – drgań własnych odbywających się w płaszczyźnie normalnej pracy układu pomiarowego. Wyniki porównawcze z testu impulsowego i z symulacji przedstawiono na rysunku 9. Rys.8. Charakterystyki ugięcia belek - układ podwójny. Fig.8. Load force versus deformation curve of dual system force transducers. 233 Tab.2. Ugięcia belek tensomet rycznych (uk ład podwójny) w fun kcj i przyłożonego obciążenia Defor mation o f forc e tra nsdu cers (dual s yst em) vers us load force masa m1 siła FL g 0 5 10 15 50 55 60 65 100 105 N 0 0,049 0,098 0,147 0,491 0,540 0,589 0,638 0,981 1,030 belka2 1 µm 3,6 26,4 56,4 85,9 295,6 326,4 357,8 388,6 602,3 657,7 belka2 2 µm 1,6 30,8 63 91,3 304,2 331,1 361,4 391,5 604,5 – belka2 3 µm 1,2 27 57,5 87,1 301,7 333,2 364,2 398,1 624,3 – ugięcie belka2 belka2 4 5 µm µm 6,6 0 27,4 31,7 57,1 61,6 86,9 92,4 297,6 307,2 328,2 337,4 357 368,4 387,9 399,3 599,6 618,3 – – belka2 6 µm 9,6 44,2 73,6 103,8 315,3 344,2 375,2 405,1 609,6 – belka2 symulowana µm 3,0 33,8 64,5 95,3 311,2 341,9 372,7 403,4 618,7 649,5 milimetra. Przy tak niewielkiej skali przedstawione różnice w odkształceniu belek są dopuszczalne przez autorów. Przedstawione na rysunku 9 charakterystyki częstotliwościowe również potwierdzają zgodność badań symulacyjnych i pomiarowych. W najbliższej przyszłości autorzy planują montaż silników VCM na stanowisku pomiarowym i rozpoczęcie badań dotyczących pomiaru momentu. a) Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2009 - 2011 jako projekt badawczy N N510 355137. Literatura 1. Szczygieł Marcin, Trawiński Tomasz, Pilch Zbigniew: Conception of the Test Bench for Measure of Torque Generated by Rotary Voice Coil Motor - RVCM, Journal of Kones, XLIX Sympozjon Modelowanie w Mechanice, Wisła 2010 (w druku) 2. Szczygieł Marcin, Trawiński Tomasz: Prototyping of Measurement Torque System for Voice Coil Motors Using Field Method, Przegląd Elektrotechniczny, SAEM'2010 The Third Symposium on Applied Electromagnetics May 30−June 2, 2010, Ptuj, Slovenia (w druku) b) Rys.9. Charakterystyki częstotliwościowe. Pierwsza częstotliwość drgań własnych a) z symulacji 155 Hz, b) z pomiaru 153 Hz. Fig.9. Amplitude of vibration versus frequency curve. First resonance frequency a) simulation 155 Hz, b) measurement 153 Hz. 3. Podsumowanie Analizując wyniki charakterystyk statycznych prezentowanych na rysunkach 7 i 8 można stwierdzić, że badania symulacyjne są zgodne z wynikami badań pomiarowych. Zaprojektowane belki wykonano zgodnie z zaleceniami z materiału Al-6, w obliczeniach symulacyjnych wykorzystano aluminium z biblioteki programu COMSOL Al6063. Widoczne na charakterystykach rozbieżności mogą być wynikiem niewielkich różnic materiałowych jak i dokładnością wykonania. Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, że zaprojektowane przetworniki służą do pomiaru sił rzędu kilku niutonów i wykonanie ich musi być z dokładnością do setnych części Adres służbowy Autorów: Mgr inż. Marcin Szczygieł Dr inż. Tomasz Trawiński Politechnika Śląska, Katedra Mechatroniki ul. Akademicka 10A 44-100 Gliwice tel. (032) 237 27 08, fax (032) 237 27 09 email: [email protected], [email protected]. 234