Evaluation of linear force actuators in a pin-on-disc test rig application

• Main Author: RUPNIEWSKI, JAKUB JAN
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) 2020
• Subjects: Engineering and Technology; Teknik och teknologier
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-286015

This thesis presents an evaluation and comparison of two linear actuators that can be used as load application actuators in a pin-on-disc tribological test rig. The first actuator is a DC-motor with an external ball screw, and the second actuator is a voice coil. The actuators are required to follow the reference force profile which corresponds to the thread contact force during a screw tightening process. In order to compare the two actuators, a Simulink model of the pin-on-disc test rig was created to be used as an experimental environment. The controllers for each actuator were designed using the same design method. Further, a set of 27 experiments was performed in Simulink with different reference force profiles, model parameters and possible disturbances. The results of each experiment were evaluated using Mean Square Error metrics and then compared between the actuators. For all the performed simulations the voice coil shows superior performance compared with the DC-motor and a ball screw. Based on these results, the choice was made to use the voice coil in the pin-on-disc test rig design for investigating the friction variation during a tightening process. The simulations showed a high importance of disc waviness on force variation. Friction occurring in linear actuators is a main concern in accurate performance of reference force profile tracking, and hence the actuators shall be carefully designed and chosen to minimize friction. The developed simulation model shall be validated in the future to prove that the results of the thesis agree with reality. Once the model is validated, it can be used to try different controller architectures and find the one that fits best the reference force profile tracking application. === Examensarbetet utvärderar och jämför två linjära manöverdon för att applicera en last på en stiftmot-skiva tribologitestrigg. Det första manöverdonet är en DC-motor med en kulskruv. Det andra manöverdonet är en talspole. Manöverdonen behöver följa kraftprofilsreferensen som motsvarar kontaktfriktionen i gängorna vid en skruvdragning. En Simulink modell av en stiftmot- skiva testrigg skapades för att jämföra manöverdonen. Styrenheterna för båda manöverdonen designades med samma designmetod. 27 experiment genomfördes i Simulink med varierande kraftreferenser, modellparametrar och störningar. Resultaten av alla experiment utvärderades med det kvadratiska medelvärdet för att jämföra de två manöverdonen. Talspolen var överlägsen DC-motorn med kulskruven i alla experiment. Talspolen användes därför i stiftmot-skiva testriggen för att undersöka friktionsvariationen under en skruvdragning. Simuleringarna visade en stor betydelse av skivvåg på kraftvariation. Friktion som förekommer i linjära ställdon är en viktig fråga vid korrekt prestanda för referenskraftprofilspårning, och därför ska ställdonen utformas noggrant och väljas för att minimera friktionen. Den utvecklade simuleringsmodellen ska valideras i framtiden för att bevisa att avhandlingens resultat överensstämmer med verkligheten. När modellen väl har validerats kan den användas för att prova olika styrenhetsarkitekturer och hitta den som passar bäst i referensstyrningsprofilens spårningsapplikation.