Anturien testauskäsittelijän servomoottorien mitoitus

Abstract

Opinnäytetyön tarkoituksena oli mitoittaa anturien testauskäsittelijän servomoottorit siten, että laitteella voitaisiin simuloida ihmiskehon liikkeistä syntyviä kulmakiihtyvyyksiä. Mitoituksen lähtöarvot saatiin Toni Mäkilän opinnäytetyön (opinnäytetyön valmistumisvuosi 2017) tuloksista.

Laskennassa käytettiin lähinnä dynamiikan pyörimisliikkeeseen liittyvää teoriaa, ja tarkasteltavia asioita ja ilmiöitä olivat kappaleen ja massapisteen hitausmomentti, kiihtyvän massan aiheuttama vääntömomentti, laakerikitka, ja gyroskooppinen prekessio. Työssä tarkasteltiin useamman pyörimisakselin yhtäaikaisia kiihtyvyyksiä. Apuna käytettiin SolidWorks- ja Mathcad-ohjelmistoja.

Laskelmia tehdessä havaittiin, että toisella akselilla kiihtyvä epäkeskeinen massa voi aiheuttaa merkittävän lisäyksen vääntömomenttiin tarkasteltavalle akselille. Moottorien mitoituksessa käytettiin tällaisten tilanteiden ääritapauksia luotettavan suorituskyvyn takaamiseksi. Laakerikitkasta johtuva pyörimisvastusmomentti todettiin hyvin pieneksi suhteessa moottoreilta vaadittuun vääntömomenttiin, mutta se otettiin silti laskuissa huomioon.

Työn tuloksena kävi ilmi, että laitteeseen esivalituista moottoreista kaksi oli alimitoitettuja. Laitteen jatkokehityksessä moottorit vaihdettiin korkeamman vääntömomentin malliin.

Purpose of this thesis was to select servo motors for sensor testing device. Device should be able to simulate same angular accelerations that human body can generate. Values of angular acceleration came from another thesis by Toni Mäkilä (2017). Main focus was in dynamics of rotational movement. The most important physical phenomenon in this study were inertia of body and mass point, torque by accelerating off-axis mass point, bearing friction and gyroscopic precession. Calculations took account multiple axis simultaneous acceleration. SolidWorks and Mathcad programs were used as assistance.

Calculations showed, that accelerating mass on another axis can produce significant torque on primary axis being observed. Calculations for maximum torque needed from the motors were made from extreme situations, when total torque from all three-axis combined was highest on given situation. This way reliable performance of motors was assured. Friction moment from rolling bearing friction was calculated and found to be a very small fraction of total torque required from motors. Still the effect of friction was taken into account in final calculations.

As a result of this work, it was found that two out of three motors were underpowered. Motors were changed to more powerful model of same type in further development of the device.