6kg 개체의 요동 동작을위한 액추에이터 권장 사항


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많은 구체적인 매개 변수없이 일반적인 질문이 있지만 누군가가 올바른 방향으로 나를 가리킬 수 있기를 바랍니다. 적어도 내 액추에이터가 내 용도에 가장 적합합니다.

저는 제가 6kg의 물체를 진동 방식으로 위아래로 움직이는 프로젝트에서 일하고 있습니다. 다른 시간대에 이상적으로 약 0.1Hz에서 20Hz까지입니다. 최대 수직 운동은 30cm 정도가 되길 바랍니다. 나는 시리얼을 통해 마이크로 컨트롤러로 속도를 제어 할 것이다. 수직 운동 범위를 약간 제어하는 ​​것이 이상적이지만, 너무 어려울 경우에는 필요하지 않습니다. 이상적으로는 신속하게 브레이크를 밟을 수도 있습니다.

나는 이것에 대해 어떻게 해야할지 잘 모르겠다. 나의 첫 번째 생각은 서보였다. 그러나 내가 원했던 것처럼 빠르게 움직이기는 어려울 것이라고 생각했다. 아마도 시동 토크는 상향 스트로크에 문제가 있습니다. 그렇지 않으면 각도와 수직 범위를 제어 할 수 있으므로 이상적입니다. 아마도 이것을 처리 할 수있는 매우 빠르고 높은 토크 서보가 있습니까?

나는 속도를 바꾸기 위해 클러치가 달린 산업 재봉틀 모터를 사용하려고 생각했지만,이 모든 것들은 제어하기에 부담이되는 기계적 클러치를 사용하는 것처럼 보인다. (레버를 통해 속도를 바꾸기 위해 별도의 모터를 사용해야 할 것이다) . 또한 회전을 직선 운동으로 변환해야하며 가능하면 더 복잡한 부품을 만드는 것을 피합니다.

선형 액추에이터에 대해서도 생각해 보았습니다. 그러나 이것들은 다소 느린 것처럼 보이고 공압은 너무 부정확합니다.

어떤 종류의 액츄에이터를 사용할 것입니까? 나는 내 사용법에서 약간 모호하다는 것을 알고있다 - 이것은 예술 프로젝트이다. 그래서 내가 언급 한 일반적인 매개 변수 이외에 그것이 어떻게 나오는지에 대한 유연성이있다. 어떤 제안이라도 인정 될 것입니다.


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귀하의 요구 사항을 다시 검토해야한다고 생각합니다. 20Hz에서 30cm의 변위로 인해 240g 이상의 가속이 발생한다는 것을 알고 계십니까? 6kg 질량의 경우 고정 장치 자체의 움직이는 부분을 고려하지 않고 14kN을 약간 넘습니다.
DLS3141

주어진 작동 주파수에 얼마나 빨리 도달해야합니까? 주파수와 관계없이 진동의 크기 (길이)를 제어해야합니까? 일반적으로 시스템은 공진 드라이버와 스프링 또는 유사한 공진 에너지 핸들러를 사용하여 드라이버를 질량에 연결하는 것이 더 쉽습니다.
Carl Witthoft

Carl - 이상적으로는 독립적 일 것입니다. 그러나 그것이 어떻게 복잡하게되는지를 알 수 있습니다. 나는 봄을 사용하는 것을 생각했다. 그러나 내가 이해할 때, 봄은 고정 된 주파수를 가질 것이다. 그것이 내려 오면, 나는 오히려 고정 진폭으로 가변 주파수를 가질 것입니다.
Rem Dav Nan

DLS3141 - 귀하의 의견을 보내 주셔서 감사합니다. 나는 이것이 큰 생각을 불러 일으킬 수 있음을 알 수있다. 나는 수직 편위를 최소화하고 고주파를 어느 정도 조절하여보다 관리하기 쉬운 시스템을 갖추게되어 기쁠 것입니다. 불행하게도 물체는 고정 된 무게를 가지고 있습니다.
Rem Dav Nan

5Hz는 실제로 매우 빠릅니다. 특히 30cm의 거리에서 6kg 이동하려는 경우에 유용합니다. 어떤 종류의 예술 설치가 될 것입니까?
Chuck

답변:


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수직 위치 : $$ y = A \ sin {(\ ωt)} $$

주파수가 20Hz 인 경우 각 주파수는 $ 2 \ pi $ 또는 125.66 rad / s입니다.

최대 수직 동작이 30cm 인 경우 15cm +/- 15cm라고 말할 수 있으므로 진폭은 15cm = 0.15m입니다.

이제 당신의 위치는 다음에 의해 주어집니다 : $$ y = 0.15 * \ sin {(125.66 t)} \\ $$

따라서 1 차 미분, 속도는 (체인 규칙)에 의해 주어집니다. $$ \정렬{ dy / dt = & amp; 0.15 * (\ cos {(125.66t)} * 125.66) \\ dy / dt = & amp; 18.85 \ cos {(125.66 t)}} $$

따라서 2 차 미분 체인 규칙을 다시 수행하십시오. $$ \정렬{ d ^ 2y / dt ^ 2 = & amp; 18.85 * (- \ sin {(125.66t)} * 125.66) \\ d ^ 2y / dt ^ 2 = -2368.6 \ sin {(125.66t)}} $$

위의 줄은 위치의 2 차 미분, a.k.a. 가속도입니다. $ F = ma $와 $ - sin {(\ mbox {stuff})} = 1 $의 최대 값으로 $ 2368.6 m / s ^ 2 $의 최대 가속도를 제공합니다. 중력 가속도가 $ 9.81 m / s ^ 2 $라면 가속도는 $ 2368.6 / 9.81 = 241 \ mbox {g} $입니다.

피크 가속도의 $ m / s ^ 2 $ 정의로 돌아 가면, $ F = (2368.6 m / s ^ 2) (6kg) $, 또는 14,211 뉴턴 또는 3,194 lbf의 힘이 있습니다.

자, 당신이 이것을 할 필요가있는 힘에 관심이 있다면 그것은 강제 속도입니다. 속도가 제로 일 때 최고 힘을 얻고 그 반대도 마찬가지이기 때문에 최대 힘이 최고 속도와 최고 속도 사이 어딘가에서 발생하기 때문에 방정식을 함께 곱하여 거기에서 작업 해 봅시다. 그리고 다시, 사인과 코사인이므로, 우리가 염려하는 절대 값이기 때문에 음수를 버릴 수 있습니다 :

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

다시 배열하고 이중 각 공식을 사용하십시오. $ \ sin {(2 \ theta)} = 2 \ cos {\ theta} \ sin {\ theta} $ :

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

그리고 다시 여기에서 $ \ sin {(\ mbox {stuff})} = 1 $의 최고 값이므로 필요한 피크 전력은 $ P = 133,947 Nm / s $입니다.

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

최대 전력을 $ P_p = V_p * I_p $로 생각하면 RMS 전력은 $ P _ {\ mbox {rms}} = \ frac {V_p} {\ sqrt {2}} \ frac {I_p} {\ sqrt {2}} $ 또는 $ P _ {\ mbox {rms}} = P_p / 2 $입니다.

그래서,이 길로 가면 가정용 전기 서비스가 120VAC이면 그림을 볼 수 있습니다.

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

이것을 원근감있게 가정하면 가정에는 아마 "100 amp 서비스"가 있습니다. 즉, 집안에있는 모든 회로를 함께 추가하면 100A 만 얻을 수 있습니다. 즉, 블록에 사용 가능한 모든 전력을 사용하려고합니다. 집에있는 차단기는 아마도 각각 15A로 평가 될 것이기 때문에 요청한 것에 근접하기 전에 회로를 잘 날려 버릴 것입니다. 또한 모터가 타 버릴 수도 있습니다. 그리고 클러치.

--편집하다--

내 컴퓨터로 돌아와서, 위의 방정식으로 스프레드 시트를 설정하여 몇 가지 시나리오를 실행했습니다. 이런 식으로 수학 오류를 발견했습니다. 저는 전력 방정식 $ P = Fv $ 나 $ P = mav $에서 질량을 없앴습니다. 내가 계산 한 것은 단지 $ P = av $인데, 이는 틀 렸습니다. 그것은 숫자로이 수치를 6으로 떨어 뜨 렸습니다. 그렇기 때문에 120VAC에서 93A를 그리는 줄 알았는데 실제로 558A를 그렸습니다.

어쨌든 주파수를 20Hz에서 5Hz로 낮추면 전력 요구량이 67kW 또는 90HP (이코노미 클래스 세단의 출력 전력, 1kW 또는 약 1.4HP)로 떨어집니다. 그러면 120VAC에서 약 8.7A의 전류가 흐르게되는데, 실제로는 실제로 구현할 가능성이 있습니다.

합리적인 사양으로 이제는 해당 액추에이터에 대한 사냥을 할 수 있습니다. 이 시점에서, 많은 구체적인 매개 변수가없는 "일반적인 질문"은 너무 모호하여 일부 광범위한 범주를 넘어 많은 지침을 제공하지 않습니다. 예를 들어, 다음과 같은 방법으로 귀하의 의사 결정을 고려해 보시기 바랍니다.

  1. 비용
  2. 위치 정확도
  3. 복잡성
  4. 소음

그것들은 대략 내가 고려하는 것들이다. 일단 당신이 지출하고자하는 (그리고 기꺼이하지 않는) 예산을 정하면, 그것은 많은 액추에이터를 제거해야합니다. 그 이상으로, 당신의 위치 정확성은 거래를 봉인해야합니다. 당신은 "너무 부정확"하기 때문에 공압을 사용하기를 원하지 않는다고 말했지만, 포지셔닝이 얼마나 정확한지 명시하지 않았습니다.

나는 실제로 사용했다. 이 컨트롤러 전에는 비교적 미세한 위치 제어를하기 전에 컨트롤러가 약 $ 900이고 실린더 (아마 약 $ 100)와 적절한 공기 압축기 (아마 $ 150 - $ 200) 및 공압 호스와 피팅을 구입해야합니다.

유압 장치를 사용할 수는 있지만 수력 장치 (~ 400 달러), 위치 조정기 (~ 100 달러), 실린더 (~ 100 달러) 및 유압 호스 및 부속품이 필요합니다. 공압 호스 및 공기압 피팅보다 비쌉니다.

전기식 선형 액추에이터를 사용할 수는 있지만 대개 속도가 느립니다. 5Hz에서 +/- 15cm 스트로크의 경우 최고 속도 4.7m / s를 보입니다. 이 "고속"선형 액추에이터 초당 4.5 인치 또는 약 0.11m / s로 이동합니다. 이는 매초 5 사이클 대신 10 초마다 한 사이클 씩 약 0.1Hz의 주파수에 해당합니다.

위의 모든 것은 선형 액추에이터입니다. 당신은 모터 (아마도 나의 선택 일 것입니다)와 함께 갈 수 있지만 언급했듯이 이것은 회전 운동을 직선 운동으로 변환하기 위해 캠 / 레버 / 크랭크 시스템이 필요합니다. 1.5HP 또는 1kW로 평가 된 전동기는 찾기가 쉽지만 약 150 달러 정도는 될 것입니다. 그러나 모터 컨트롤러가 필요합니다. 모터 컨트롤러가 필요합니다. 모터 컨트롤러는 $ 250 - \ $ 500이며, 모터의 위치 엔코더가 필요합니다.

모든 것이 꽤 빨리 꽤 비싸지 만, 나는 좌절감을 느낀 답이지만 엔지니어링입니다.

따라서 요약하면 다음과 같습니다. 먼저 예산을 설정하십시오. 대부분의 경우와 마찬가지로, 이것은 당신에게 가능한 범위를 상당히 줄여야합니다.


조명 척 해줘서 고마워 척. 나는 그렇게 할 수 없다는 것을 거의 몰랐다. 그렇지 않다면 나는 그 과정을 분석하는 것에 대해 더 잘 이해하고있다. 나는 240v에 있지만 분명히 도움이되지 않을거야 :)
Rem Dav Nan

@RemDavNan - 굉장히 어려운 과정은 아니지만 대부분의 엔지니어링은 그렇지 않습니다. 모든 방정식이 어떤 문제에 적용되는지 아는 것입니다. 그 빈도가 당신을위한 킬러라고 언급 할 것입니다. 저는 전화를 사용하고 있기 때문에 숫자를 입력하지는 않겠지 만, 20Hz에서 2Hz로 주파수를 얻을 수 있다면, 그 크기를 줄이면 전력이 1,000에서 22kW로 줄어들 수 있습니다. 매우 합리적입니다. 전력은 속도를 세 제곱에 비례합니다.
Chuck

고맙습니다. Chuck - 저는이 높은 주파수를 확실히 줄일 수 있습니다 - 20hz는 원하는 상단 범위였습니다. 나는 또한 진폭을 줄일 수 있습니다 - 이것은 예술 프로젝트이고 엔지니어링 프로젝트가 아니므로 상당한 양의 흔들림 공간이 있습니다. 모터 유형이나 메커니즘에 대한 권장 사항은 무엇입니까?
Rem Dav Nan

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Chuck에게 다시 한 번 감사드립니다 - 모두 도움이됩니다. 실제로, 내가 본 선형 액추에이터는 모두 아주 느리지 만 쉬운 솔루션이 될 것입니다. 그러나 나는 모터의 사용에 기대고있다. 그 공압 위치 컨트롤러는 매우 차갑습니다 :) 그리고 매우 정확한 것 같습니다. $ 900는 당분간은 제 한도를 넘습니다. 이전에 정밀도에 대한 의견은 컨트롤러가없는 표준 양방향 실린더를 기반으로했습니다. 나는 실제로 다른 사람의 프로젝트를 위해 인버터 / 변수 드라이브를 사용 했으므로 모터로 관리 할 수 ​​있다고 생각합니다. 말하자면, 먼저 예산을 책정하십시오. 건전한 조언.
Rem Dav Nan

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낮은 주파수의 경우, 내가 생각할 수있는 가장 쉬운 설정은 ( 가변 주파수 드라이브 )를 사용하여 주파수를 줄이기 위해 기어 박스를 통해 (일반적인 VFD는 0-60 Hz 사이에서 모터를 떠납니다). 그러면 큰 값으로 바뀝니다. 크랭크 . 안정성을 보장하기 위해 스프링을 통해 물체의 하단 끝을 바닥에 연결하십시오.

바퀴가 지름 30cm 인 한, 매회 30cm 간격으로 물체가 고정됩니다. 기어 박스는 토크를 증가시켜 6kg의 물체를 들어 올릴 수있는 충분한 힘이 있는지 확인합니다. Chuck의 2 Hz에서의 동적 해석을 기반으로, (6kg * g + 142 N) * 15 cm = 30 N * m의 토크를 가질 수 있어야합니다. 전형적인 모터는 이보다 작을 것입니다. 그러나 기어 박스는 30Hz의 감속기로 2Hz에서 진동하십시오. 이 경우 1 N * m 만 필요합니다. 에이 신뢰할 수있는 모터 공급 업체 이 로딩을 쉽게 처리 할 수있는 1/3 마력의 모터를 갖추고 있습니다. 나는 또한에 투자하는 것이 좋습니다. 대형 플라이휠 일이 원활하게 진행되도록 보장합니다.


휠 지름이 30cm 인 경우, 하중에 의해 생성되는 최대 정적 토크는 무게 (6kg * 9.81m / s2)에 반지름 , 15cm. 또한 모터 출력이 필요한 정적 토크 인 경우 시스템은 정적 인 상태가됩니다. 즉, $ \ tau _ {\ mbox {net}} $는 순 토크, $ I $는 관성 모멘트, $ \ alpha $ 각가속도입니다. 모터 토크가 정적 토크와 같으면 순 토크는 0이므로 가속도 역시 0입니다.
Chuck

좋은 지적 - 명확성을 위해 편집하겠습니다.
Mark

알았어, 이건 정말 유용한 정보 야. 일반적인 방법은 기어 감속 및 크랭크를 사용하여 나에게 완벽하게 이해됩니다. 제가 모호한 점은 모두가 어떻게 맞는지입니다 - 예를 들어 크랭크, 플라이휠 및 모터 샤프트에 장착 할 수있는 기계 부품의 표준 크기가 있습니까? 아니면 맞춤형으로 만들어야합니까?
Rem Dav Nan

나는 Grainger에서 시작할 것입니다. 그들은 판매하는 다른 재료 (예 : 오래된 전기 톱이나 잔디 깎는 기계를 열어 크랭크 샤프트를 만드는 것) 대신 사용할 수있는 부품이 있습니다. 크랭크 샤프트의 실제 문제는 베어링입니다. 운전 중에 윤활제를 바르면 안된다 그러나 며칠 동안이 계획을 진행할 계획이라면 오래된 용접 점에서는 기계가 작동 불능으로 죽지 않을 정도로 부드러운 표면을 만들 수 있습니다.
Mark
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