Serwomechanizmy część I


Serwomechanizmy - podstawy teorii

Serwomechanizmy potocznie zwane serwami stanowią po odbiorniku główny element wyposażenia każdego modelu zdalnie sterowanego. Ich zadaniem w potocznym tego słowa znaczeniu jest zamiana sygnałów sterujących na odpowiedni ruch powierzchni sterowych, czy też innych elementów ruchomych. W modelach latających będą to wszelkie stery typu lotki, klapy, hamulce, otwierane luki podwozia, samo podwozie. W modelach śmigłowców serwa odpowiedzialne są za sterowanie głowicą, wirnikiem ogonowym. W modelach pływających uruchamiają ster, windę szotową, w samochodach układ kierowniczy itd. Na przestrzeni lat praktycznie ugruntował się w modelarstwie jeden typ serwa oparty o obrotową tarczę. Fotografia 1.
 
Generalnie serwo stanowi mechanizm składający się z kilku elementów, obudowy, silnika prądu stałego, potencjometru, przekładni i elektronicznego układu sterującego. Zadaniem układu jest dokładne określenie położenia wału silnika, jego synchronizacja. Elementem rozpoznającym położenie samego wału jest sprzężony z nim potencjometr obrotowy. Samo ustawienie wału w odpowiedniej pozycji zależne jest w głównej mierze od długości podanego impulsu sterującego. Sygnał sterujący podawany na serwomechanizm poprzez odbiornik próbkowany jest co 20 ms..
 
 
Foto.1
Źródło: archiwum Tomasz Motyl "Motylasty"
 
Natomiast wbudowany w serwomechanizm generator pracuje z zadaną częstotliwością 50 Hz, co wymusza podawanie co 20 ms sygnału o odpowiedniej długości. Pozycja neutralna (środkowa) serwomechanizmu ustawiana jest standardowo impulsem o szerokości 1,5 ms. Obrót wału w którąkolwiek ze stron wyznaczony jest poprzez różnicę długości sygnału od położenia neutralnego. W większości zakres impulsu wynosi 1 do 2 ms , impuls o długości 1,25 ms to skrajne lewe położenie, a impuls 1,75 to położenie skrajne przeciwległe.
 
Elementy serwomechanizmu 
Foto. 2
Źródło: archiwum Tomasz Motyl "Motylasty"
 
Teoria ta tyczy głównie popularnych serwomechanizmów analogowych, w przypadku nowszych konstrukcji i serwomechanizmów cyfrowych (digital) częstotliwość próbkowania jest wyższa, co powoduje większą precyzję tych urządzeń w zakresie małych wychyleń, ich znacznie szybsze pozycjonowanie. Okupione to jednak jest dużo większym poborem prądu przez te mechanizmy.Serwomechanizmy cyfrowe posiadają też większa siłę trzymania (holding power) i jest ona około 3 razy większa od momentu obrotowego. Serwomechanizm cyfrowy o sile np. 6 kg/cm, posiada siłę trzymania w granicach 18kg/cm. W serwomechanizmach analogowych siła trzymania praktycznie jest zbliżona do momentu obrotowego serwomechanizmu.
 

Serwomechanizmy – charakterystyka danych i podział

Serwomechanizmy dzielimy ze względu na różne kryteria takie jak:
- typ serwomechanizmu (analogowe, cyfrowe),
- wielkość serwomechanizmu,
- siła serwomechanizmu,
- szybkość serwomechanizmu,
- rodzaj przekładni serwomechanizmu,
- specyfika zastosowania serwomechanizmu.
 
Jako, że artykuł ten kierowany jest głównie do początkujących adeptów modelarstwa RC, skupić chciałbym się na najważniejszych aspektach podziału czy też odpowiedniego doboru serw, dlatego też pominę w swych dywagacjach szczegóły techniczne tyczące serwomechanizmów cyfrowych opisując w głównej mierze serwa analogowe.
 
Wielkość serwomechanizmu deprymowana jest samym modelem w jakim serwomechanizm ma być zastosowany, a raczej jego ciężarem, wielkością. Interesują nas głównie na początku naszej kariery popularne serwa wielkości mikro i standard.
Na fotografii 3 i 4 widzimy różnice wymiarów tych serwomechanizmów.
 
Duży i mały serwomechanizm  Serwomechanizmy w różnych rozmiarach
Foto. 3                                                                              Foto. 4
Źródło: archiwum Tomasz Motyl "Motylasty"
 
Na fotografii 3 serwo Hitec HS-55 w porównaniu z serwem o standardowych wymiarach Hitec HS-300.
Fotografia 4 pokazuje różnice w wielkościach różnych serw, gdzie od lewej mamy serwo Hitec HS-55, obok niego serwo TowerPro SG-91R, następnie TowerPro MG-16R i w końcu Hitec HS-300.
Kryterium doboru serwa, jak już wspomniałem jest wielkość i waga modelu, i tak HS-55 znajdzie zastosowanie w lekkich modelach depronowych, modelach halowych, modelach klasy Park Flyer. Serw tych w wymienionych klasach modeli możemy używać do obsługi sterów wysokości, kierunku, lotek.
Tower Pro SG-90 trochę większe i zarazem cięższe serwo do zastosowania w większych modelach, doskonale sprawdza się jako serwo wysokości, kierunku i lotek w modelach klasy Easy Glider, Easy Star i wielu innych. Może też służyć jako serwo przepustnicy gazu w modelach o napędzie spalinowym. MG-16R – serwo średniej wielkości, zastosowanie w modelach cięższych od Easy Glidera, z racji płaskiego kształtu obudowy doskonale sprawdza się do zabudowy w skrzydłach jako serwo lotek. Wreszcie HS-300 tradycyjne serwo normalnej wielkości stosowane w modelach o napędzie spalinowym o rozpiętości około 2 metrów służące do napędu wszystkich powierzchni sterowych.
 

Siła serwomechanizmu

Kryterium to określa nam do jakich zastosowań możemy danego serwomechanizmu użyć.
Siła ta to nic innego jak wartość momentu obrotowego generowana na dźwigni serwa o długości 10 mm. Podawana jest zazwyczaj w kg na centymetr. Czyli jeśli w specyfikacji serwa mamy podane 3 kg/cm to znaczy, że na dźwigni serwa o długości 1 cm serwo to pokona opór 3 kg. Serwo powinno udźwignąć na orczyku ciężar trzech kilogramów. W wielkim uproszczeniu, czym większe serwo, tym większa przez to serwo generowana siła. Oczywiście o sile serwa nie decyduje tylko jego wielkość, ale jakość i moc użytego silnika, jakość i materiał z jakiego wykonane są przekładnie, sposób łożyskowania i producent. Wagowo i wielkościowo prawie takie same serwa generują różne siły, często serwo średniej wielkości, ale podrzędnego producenta typu no-name jest znacznie słabsze od mniejszego serwa HS-55.
 

Szybkość serwomechanizmu

Parametr ten mówi nam jak szybko serwo obraca nieobciążonym orczykiem o kąt 60 stopni. Szybsze serwo to lepsze serwo, często też i droższe. O ile szybkość w przypadku serwa sterującego przepustnicą silnika spalinowego nie jest aż tak ważna, o tyle szybkość serwa w przypadku sterowania sterem wysokości lub lotkami może czasami zadecydować o być albo nie być modelu. Najszybsze serwa używane są do sterowania tylnym wirnikiem śmigłowca, oczywiście w połączeniu z żyroskopem, do sterowania głowicami modeli śmigłowców, sterowania modeli akrobacyjnych klasy F3A. W tych przypadkach zazwyczaj używane są jak najwyższej klasy serwomechanizmy cyfrowe. W zastosowaniu amatorskim serwa o szybkości 0,17-0,20 s/60 stopni są w zupełności wystarczające.
 

Rodzaje przekładni serwomechanizmów

Elementem generującym siłę serwa jest jego silnik i przekładnia. Sama przekładnia to układ bardzo precyzyjny i zarazem delikatny w swej budowie. Jej budowa uzależniona jest od użytych materiałów i tak w tańszych i popularnych serwomechanizmach zazwyczaj wałki łożyskowane są na tulejkach, natomiast zębatki przekładni wykonane są z plastiku. Głównie nylon, teflon i jego pochodne. W serwomechanizmach mocniejszych zębatki przekładni wykonane są z materiałów kompozytowych, karbonitowych lub metalowych, a samo łożyskowanie oparte jest o łożyska kulkowe.
Gro mechanizmów to mechanizmy hybrydowe, gdzie główne elementy przekładni są metalowe lub węglowe, a reszta zębatek jest nylonowa.
Sposób budowy przekładni zazwyczaj określony jest w nazwie samego serwomechanizmu.

M,S – przekładnia metalowa
C - przekładania węglowa
H – serwo o dużej obciążalności
B – serwo łożyskowane

Jednak oznaczenia te nie są czasami miarodajne i zależne są od producenta, przykładem jest serwo TowerPro SG90, gdzie litera S w nazwie sugeruje przekładnie metalową (steel) a wcale tak nie jest.
Parametry samego serwa w znacznej mierze uzależnione są od podanego napięcia zasilania. Podstawowe zasilanie to 4,8 V, czyli pakiet czteroogniwowy typu NiXX ( NiCd, NiMh ), jednak większość serw potrafi pracować z napięciem 6 V.
Specyfikacja techniczna każdego serwa mówi nam wyraźnie pod jakimi napięciami dane serwo pracuje, jaka jest jego szybkość, jego moc, maksymalny kąt wychyłu dźwigni sterującej itd.
 
Przykładowa specyfikacja serwa SG-92R firmy Tower Pro
- przekładnia - włókno węglowe
- wymiary 23 x 27 x 12
- waga z przewodami 12 g
- napięcie pracy 4,8 V
- zakres temperatur pracy 0-55 stopni C.
- moment 2,5 kg
- szybkość 0,1 sek./60 stopni przy napięciu 4,8 V
 
Opisane powyżej serwomechanizmy są serwami tradycyjnymi. Prócz tego w praktyce modelarskiej spotykamy serwa dedykowane do określonych zadań. W związku z powyższym zadanie te niejako definiują budowę serwomechanizmów, ich wymiary i wiele innych cech.

Przykładowy serwomechanizm
Foto. 5
Źródło: archiwum Tomasz Motyl "Motylasty"

Serwomechanizm firmy Turnigy TGY-225

Cechą tego serwomechanizmu jest jego kształt, głównym zastosowaniem zaś jest montaż w skrzydłach modeli szybowców, motoszybowców itd.
Charakteryzuje się on bardzo niską – płaską obudową.
Serwo to posiada trzy uchwyty montażowe rozmieszczone tak, by jego montaż w płacie był maksymalnie uproszczony, a dostęp do śrub montażowych bezproblemowy.
 
Serwomechanizm Turnigy TGY-225 
Foto. 6
Źródło: archiwum Tomasz Motyl "Motylasty"

Serwomechanizm ultra lekki

Jest to serwomechanizm firmy Dymond D1.5
Serwo to stosowane jest głównie w modelach halowych, oraz modelach o napędzie gumowym z racji swej bardzo małej wagi.
Waga tego serwa wraz z przewodami to zaledwie 1,5 g
Moment w granicach 0,2 kg/cm
Prędkość serwa 0,12 s
Inną cechą charakterystyczną jest inny od tradycyjnych wtyk serwa . W tym serwie stosowany jest wtyk klasy mikro JST. Serwo to też nie posiada tradycyjnej tarczy. Ramię serwa pracuje w ruchu posuwistym, a nie obrotowym.
 

Serwomechanizm typu JUMBO

Uwidoczniony na fotografii 7.
Typ mechanizmu stosowany w dużych i ciężkich modelach. Serwa takowe charakteryzują się obudową o większych wymiarach, dużym ciężarem w granicach 160-200 g.
Obudowy mechanizmów JUMBO zazwyczaj wykonywane są z aluminium.
Serwa te też zazwyczaj przystosowane są do zasilania wyższym napięciem. Przykładem takiego mechanizmu jest serwo firmy SAVOX 0236 MG.
Moment tego serwa w zależności od zasilania to 20 - 30 kg/
 
Serwa Jumbo 
Foto. 7
Źródło: archiwum Tomasz Motyl "Motylasty"
 

Serwomechanizm żeglarski typu winda szotowa

stosowany w modelach jachtów regatowych klasy F5E.
Przykładem jest serwo firmy HITEC HS 785HB.
Cechy tych serwomechanizmów to duży moment w granicach 10-15 kg, większe wymiary i ciężar w granicach 100 gram.
Prędkość serwa mniejsza niż w serwach tradycyjnych.
 
Serwomechanizm żeglarski - winda szotowa 
Foto.8
Źródło: archiwum Tomasz Motyl "Motylasty"
 

Kontrola pracy serwomechanizmu

Pisząc o serwomechanizmach warto też wspomnieć o urządzeniu służącym do kontroli ich pracy.
Z pomocą tego przyrządu jesteśmy w stanie sprawdzić kondycje serwomechanizmu, zakres kątowy wychyleń, prędkość serwa, jakość przekładni i wiele innych.
Urządzenie to jest o tyle uniwersalne, że możemy też nim wysterować regulatory napędowe obrotów silników elektrycznych zarówno szczotkowych, jak i bez szczotkowych.
 
W praktyce modelarza jest to jedno z podstawowych urządzeń kontrolno-pomiarowych.
Z jednej strony testera wpinamy zasilanie, z drugiej serwomechanizm lub regulator i bez problemu kontrolujemy sposób pracy tych urządzeń.

Mechanizm kontrolujący działanie modelarskiego serwo 
Foto.9
Źródło: archiwum Tomasz Motyl "Motylasty" 
 
Całą gamę serwomechanizmów różnych firm, typów i zastosowań znajdziecie Państwo w naszym sklepie pod adresem: www.modelmotor.pl/category/aparatury-rc-wyposazenie-rc-serwa-rc
 
 
W następnej części poradnika o sposobach montażu serwomechanizmów w modelach latających.


październik  2014,  Tomasz Motyl "Motylasty", Zdjęcia: archiwum własne