Weryfikacja pomiarowa charakterystyk statycznych i dynamicznych

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