Design of System Ensuring Defined Cable Tension under Dynamic Load

Murali Prasath Balu

Master's thesis

Abstract:

This thesis deals with designing a mechanical system that ensures defined cable tension under dynamic load conditions. In the current situation, the machine uses two servo motors to ensure proper tension and the wire position. The primary aim is to propose an alternate mechanical system that uses one less servo motor than the current situation at the same time, ensuring proper cable tension on the wire during operation. Multiple ideas were proposed based on the storage of potential energy, and on analysis, two are mainly considered. The primary constraint is the mechanical system's compactness as it is to be accommodated inside a box where the servo motor exists in the current situation. One variant uses a constant torque torsional spring which is coupled to the primary shaft. The second variant is a gravitational potential energy system using a mass connected to the primary shaft by using pulleys. Simulations and measurements are performed for the wire and the two variants. For simulations, mathematical model using lumped parameters are created and compiled in MATLAB. Measurements such as identification of natural frequencies, stiffness, damping of the wire and measurements on the variants under dynamic load conditions were done to verify the simulation results. A significant amount of data has been collected from the simulation and measurements. The torsional spring system's mathematical model shows desirable performance, but it is not suitable for this specific application, so it is not tested. The mathematical model and the experiments of the gravitational potential system show similar and desirable performance compared with the current situation. The new proposed variant can significantly reduce the cost of the machine. The system can also operate at different speeds and ensure constant tension at the same time. When the constant tension can be achieved on the wire, it means the wire will have no or minimal vibration, which is desirable.

Abstract:

Tato práce se zabývá návrhem mechanického systému, který zajišťuje definované napětí lanka při dynamickém zatížení. V současné situaci stroj využívá dva servomotory k zajištění správného napětí a polohy lanka. Primárním cílem je navrhnout alternativní mechanický systém, který používá o jeden servomotor méně, než je současná situace a současně zajišťuje správné napětí lanka během provozu. Bylo navrženo několik řešení založených na uchování potenciální energie a na základě analýzy jsou zvažovány dva hlavní systémy. Primárním omezením je kompaktnost mechanického systému, protože má být umístěn uvnitř skříně, kde se v současné situaci nachází servomotor. Jedna varianta používá torzní pružinu s konstantním momentem, která je spojena s primárním hřídelem. Druhou variantou je systém gravitační potenciální energie využívající hmotu připojenou k primární hřídeli pomocí kladek. Simulace a měření jsou provedeny pro lanko a pro dvě varianty. Pro simulace je v MATLABu vytvořen a zkompilován matematický model využívající soustředěné parametry. K ověření výsledků simulace byla provedena měření, jako je identifikace vlastních frekvencí, tuhosti, tlumení lanka a měření variant při dynamickém zatížení. Ze simulace a měření bylo shromážděno značné množství dat. Matematický model systému torzních pružin vykazuje požadovaný výkon, ale není vhodný pro tuto konkrétní aplikaci, takže není testován. Matematický model a experimenty systému gravitační potenciální energie vykazují ve srovnání se současnou situací podobné vhodné chování. Nová navrhovaná varianta může výrazně snížit náklady na stroj. Systém může také pracovat při různých rychlostech a současně zajistit konstantní napětí. Dosažení stálého napětí na lanku vede k tomu, že lanko bude mít minimální vibrace, nebo nebude vibrovat vůbec, což je žádoucí.

Keywords

konstantní napětí, potenciální energie, dynamické zatížení, vibrace, náklady, kompaktnost

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 1. 2021

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Petr Žabka, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechanical Engineering

Master programme / field:
Mechanical Engineering / Machines and Equipment Design