Hovedprosjekt. for: Ingeniørutdanningen. Tittel: Banestyrt 2-akse hydraulisk robot. Oppdragsgiver: HiA v Morten Ottestad

Transkript

1 Hovedprosjekt for: Ingeniørutdanningen Fakultet for teknologi, Grimstad HØGSKOLEN I AGDER Tittel: Banestyrt 2-akse hydraulisk robot Prosjektnr.: HPR/MD-009/2007 Fagområde: Mekatronikk Antall sider: 81 Tilgjenglighet: Åpen Oppdragsgiver: HiA v Morten Ottestad Forfatter(e): Gruppe 9: Morten Skeie Andreas N Malme Dominic Fiane Dato: Veileder(e): Morten Ottestad Emneord: HIL Hia Mekatronikk Stikkord: ComapctRio, hydraulikk, styresystem, regulering Telefon: Grooseveien 36, N-4876 Grimstad Telefaks:

2 Forord: Dette er rapporten til hovedprosjektet hydraulisk 2-akse banestyrt testjigg. Dette er et prosjekt som er blitt gitt fra HIA. Oppgaven er skrevet av Morten Skeie, Andreas N Malme og Dominic Fiane. Den er skrevet ved Høyskolen i Agder, Teknologisk avdeling Grimstad i perioden 8.mars- 28.mai. Bakgrunn for oppgaven er at det i forbindelse med oppstart av masterstudie i mekatronikk skal kunne tilbyes givende labboppgaver. Det skulle med grunnlag i dette utvikles en hydraulisk testjigg som skulle da kunne brukes i denne labbsammenheng. Takk til: Veileder Morten Ottestad som har hjulpet oss når det har vært behov og kommet med mange gode råd og gitt oss verdifull hjelp. Eiken mek. verksted som har lånt oss maskiner og utstyr og hjulpet til med maskinering. ASI Automatikk A/S i Drammen for gratis lager og oppfølging Labbpersonell Eivind Johansen, Roy Folgerød og Thorstein Wroldsen som har hjulpet oss med maskinering, bestilling av deler og kommet med mange gode innspill. Til slutt vil vi takke alle som har hatt tro på at prosjektet kunne gjennomføres og som har støttet oss. Morten Skeie Andreas N Malme Dominic Fiane HPR-009 Side 2 av 81

3 Sammendrag Denne rapporten dokumenterer hovedprosjektsoppgaven hydraulisk 2-akse banestyrt testjigg. Selve oppgaven går ut på å redesigne, modifisere, programmere og fredigstille den hydrauliske jiggen. Rapporten inneholder dokumentasjon av alt det mekaniske arbeidet, samt en fullstendig oversikt over det elektriske med tilhørende koblingsdiagrammer og tegninger. Den inneholder også en enkel matematisk og dynamisk beskrivelse av enkelte deler som ble stilt av oppdragsgiver. Videre er programmering og alle programmer tilknyttet prosjektet beskrevet og dokumentert. Det er også laget en liten innledning til hvordan komme i gang med programmering i Labview med Crio som applikasjon. Jiggen er ferdig montert og kalibrert. Den er testkjørt med alle forskjellige programmoduler med meget tilfresstillende resultater. HPR-009 Side 3 av 81

4 Innholdsfortegnelse 1 Innledning Prosjektrapportens Organisering Språk Layout Vedlegg Referanser Arbeidstegninger Figurer og tabeller Oppgaven Mål Hvem rapporten henvender seg til Oppgavetekst Omfang Begrensninger Kravspesifikasjoner Uklarheter Organisasjon Bakgrunnsteori CompactRIO Enkoder (inkrementell) Potensiometer Sylindere Slanger Koplinger Rør Servoventiler Beregninger og teori Dynamikk Ventildynamikk Invers kinematikk Hastigheter Det Mekaniske Igus Lager Festing av knekkbom Enkoder og potensiometerfester Koblingsboks Monteringsbenk og tavle Nødstoppen Flushing av oljesystem Teststang Endestoppbrytere Kalibrering/referansekjøring Det elektriske Din skinne oversikt Elektriske komponenter Servoventiler Enkodere Endestoppbrytere HPR-009 Side 4 av 81

5 6 Ytelser og spesifikasjoner Arbeidsområde Regulering Posisjonsmålinger Programmering av CompactRIO Sette opp et Real-time Project Bruk av Shared variable Lage nye variabler Variabler brukt i vårt prosjekt: FPGA program Real-Time Program Program maler Program mal for posisjonering med 1 DOF Program mal for posisjonering med 2 DOF Program mal for banestyring med 2 DOF Sub vi er Invers kinematikk.vi hpg to xy cord 2.vi Interpolering.vi Programmer brukt av gruppa Oppsumering Status Konklusjon Erfaringer Litteraturliste Vedlegg HPR-009 Side 5 av 81

6 1 Innledning Denne rapporten vil inneholde arbeidet med hovedprosjektet 2-akse banestyrt hydraulisk testjigg. 1.1 Prosjektrapportens Organisering Denne rapporten vil være organisert som en vanlig teknisk rapport. Den vil følge de retningslinjer gitt fra høyskolen. Videre vil det være innslag og ideer hentet fra rapporten [1]. Den vil videre følge vanlige normer for rapporter Språk Rapporten inneholder en del tekniske ord og forklaringer. Det er derfor forventet at leser av rapporten innehar en viss teknisk forståelse. Rapporten er skrevet med så enkelt språk som mulig og det er brukt så få engelske ord som mulig. Videre er det en fordel at leseren har kjennskap til Solid Works samt kjennskap til grunnleggende fysiske fenomen, mekanikk og elektronikk Layout Vi bruker skrifttype Times New Roman størrelse 12 og halvannen linjeavstand. Så har det videre blitt brukt titler i logisk rekkefølge. Innholdsfortegnelsen er lagt opp på slik at man skal kunne følge hver enkelt del aktivitet for seg selv. Det er brukt sidetall for praktiske hensyn, og nummerering av hvert underkapittel slik at leser kan lett finne igjen ønsket området. Forsiden er laget etter malen for prosjektrapporter ved Hia Vedlegg Alle vedlegg er nummeret i en liste og plassert bakerst i rapporten. Ved referering til vedlegg i rapporten vil dette bli gjort ved bruk av nr. Vedleggene er som regel ofte enten datablad eller andre tekniske dokumenter. Det er derfor ikke noen standard form på disse. Vi gjør også oppmerksom på at en del av disse vil være på engelsk. HPR-009 Side 6 av 81

7 1.1.4 Referanser Alle referanser er merket med individuelle nr. Ved å finne frem til tilsvarende tall i referanselisten bakerst i rapporten kan man så finne frem til det dokumentet det refereres til Arbeidstegninger I og med at Solid Works er brukt for å modellere opp alle deler foreligger også alle tegningene på denne form. Tegninger er fullstendige og merket med nr og navn. Disse vil ligge som vedlegg bak i rapporten Figurer og tabeller Alle figurer, tabeller, illustrasjoner og bilder vil være nummeret. Henvisninger til disse vil da bli gjort ved bruk av disse numrene i rapporten. Om disse er hentet fra eksterne kilder vil de i tillegg ha et referansenummer. Det vil også bli gitt forklaringer der det er nødvendig. HPR-009 Side 7 av 81

8 1.2 Oppgaven Mål Målet med oppgaven er å få vist og brukt en del av kunnskapen vi har tilegnet oss gjennom studietiden. Den skal videre gi en dypere innsikt og kunnskap om valgt emne og teori. Vi skal også få erfare hvordan det er å jobbe med prosjektbaserte oppgaver som er så virkelighetsnære som mulig. Den konkrete oppgaven er å ferdigstille og fullføre den hydrauliske jiggen slik at den er klar for labbruk. Vi håper det ferdige produktet vil være et grunnlag for lærerike og spennende labboppgaver Hvem rapporten henvender seg til Denne rapporten henvender seg til prosjektgruppen, veiledere, oppdragsgiver og medstudenter. HPR-009 Side 8 av 81

9 1.2.3 Oppgavetekst Utvikling av multifunksjons hydraulisk servojigg Studenter: D. Fiane, A. Malme, M. Skeie Oppgavens bakgrunn: Høgskolen i Agder har med utgangspunkt i den regional industriprofil valgt å satse på heavy duty motion control som tema i sitt mastergrads studium. Det er derfor viktig at HiA kan tilby interessante og givende lab oppgaver innen dette feltet. Vi ønsker oss derfor en hydraulisk testjigg der det kan kjøres lab oppgaver med varierende vanskelighetsgrad. Oppgavens mål: Den eksisterende 2 DOF testjigg skal videreutvikles. Det skal utvikles en dynamisk modell for jiggen. Det skal utvikles matematiske modeller som gir sammenhengen mellom aktuator koordinater og endepunktets koordinater i et kartesisk koordinatsystem og omvent. Det skal utvikles en metode for kalibrering av roboten. Testjiggens posisjonsnøyaktighet skal identifiseres. Styring av testjigg skal skje ved bruk av CompactRIO Real-Time Kontroller med sanntids operativsystem for å sikre deterministisk kontroll. Det skal utvikles programmaler for fire forskjellige modus. Det skal utvikles og implementeres programmal for posisjoneringssystem med 1 DOF med varierende massetreghetsmoment Det skal utvikles og implementeres programmal for posisjonsfølgesystem med 1 DOF med varierende massetreghetsmoment og oversenter bevegelse Det skal utvikles og implementeres programmal for posisjoneringssystem med 2 DOF Det skal utvikles og implementeres programmal for banestyring Omfang Da vi valgte oppgaven ble vi fort klar over at dette var en utfordrende oppgave som krevde innsats og arbeid, men at arbeidsmengden var overkommelig. Rapporten skal inneholde videreutvikling av jiggen mekanisk med arbeidstegninger og dokumentasjon for alle modifikasjoner som er gjort. Dette gjelder også elektriske komponenter og kretser. HPR-009 Side 9 av 81

10 Videre omfatter den mye programmering som er gjort i labview. Dette er begrenset til de programmene vi skulle lage. Den omfatter også endel bakgrunnsteori om de forskjellige komponentene og diverse utregninger Begrensninger For det første begynte vi med noe som allerede var laget etter visse spesifikasjoner og krav. Det kreves en del tid og arbeid for å sette seg inn i tidligere arbeid og få en forståelse for hvordan oppgaven er tenkt løst og hva som manglet. Vi er også bundet opp i grunndesignen slik at all modifikasjon må bygges rundt denne. Videre er prosjektet begrenset ved at vi har et konkret mål å nå Kravspesifikasjoner I og med at vi hadde som oppgave å videreutvikle eksisterende jigg ble det ikke stilt noen nye kravspesifikasjoner. Vi har derfor tatt utgangspunkt i de foregående spesifikasjonene Uklarheter I oppgaveteksten står det følgende Det skal utvikles matematiske modeller som gir sammenhengen mellom aktuator koordinater og endepunktets koordinater i et kartesisk koordinatsystem og omvent. Vi har tolket det som at vi skal beskrive den kinematikken som ligger til grunn for systemet. Det står også Det skal utvikles en metode for kalibrering av roboten. Med dette tolker vi at roboten skal ha mulighet for å nullstilles slik at man har en utgangsposisjon den kan kjøres til som er kjent. Punktet, Det skal utvikles en dynamisk modell for jiggen har vi tolket som at det skal vises hvordan dynamikken for sylinder og servoventil fungerer HPR-009 Side 10 av 81

11 1.3 Organisasjon Oppgaven er gitt av Høyskolen i Agder og tildelt prosjektgruppen Dominic Fiane, Morten Skeie og Andreas Nødtvedt Malme. Videre omfatter prosjektet veileder Morten Ottestad samt lab personell. Oppdragsgiver: Høyskolen i Agder Fakultetet for teknologi Studieretning Mekatronikk V/ Kjell G Robbersmyr/Morten Ottestad Serviceboks Grimstad Veileder: Morten Ottestad Tlf: Mail: morten.ottestad@hia.no Prosjektgruppen: Dominic Fiane Tybakken Færvik Tlf: Mail: dominic.fiane@gmail.com Morten Skeie Solhøga Grimstad Tlf: Mail: moskeie@gmail.com Andreas Nødtvedt Malme Løvås 1, Televeien Grimstad Tlf: Mail: a_malme@hotmail.com HPR-009 Side 11 av 81

12 2 Bakgrunnsteori I de følgende underkapitelene følger teori og beskrivelser av alle de forksjellige komponentene som er brukt i dette prosjektet. 2.1 CompactRIO (Compact reconfigurable I/O) Compact rio er en programmerbar I/O modul fra National instruments. Denne modulen brukes til industrielle prosessstyringer. Fordelen med denne modulen er at den har en kjerne som er enkel å programmere ved hjelp av labview. Den har en såkalt FPGA (fieldprogrammable gate array) chip, men man slipper unna tunge programmeringsspråk VHDL. Man kan da enkelt programmere dette i labview, og labview kompilerer det til VHDL kode. Denne chipen funker slik at man skriver programmet i labveiw, kompilerer det på PC-en og laster det ned på compactrioen. Dette programmet kompileres til logiske kretser som blir tegnet inn på chipen. Man slipper dermed unna med utvikling av avansert hardware og man kan enkelt endre på ting som ikke fungerer. Dette kan kutte store utviklingskostnader og kutte ned utviklingstiden betraktelig. En annen ting med systemet er at det er utrolig raskt, med opptil 25ns oppdateringsfrekvens. Dermed kan en få veldig kjappe systemer noe som ikke er oppnåelig med direkte styring gjennom en PC, da denne har for mange delte ressurser. FPGA Enheten fungerer slik at den konfigurerbare FPGA chipen ligger i chassiet og utgjør hjertet av enheten. Her er det veldig kjapp oppdatering og her er den mest tids kritiske koden ligger. Man konfigurerer denne ut i fra hvilke I/O enheter og hvilke porter man skal lese/skrive til. Man kan også legge inn enkle matematiske funksjoner, PID regulering og en håndfull andre funksjoner inn i FPGA. HPR-009 Side 12 av 81

13 Figur 1 Realtime controller Real time controlleren kommuniserer med fpga og får inn signalene fra I/O enhetene. For å sikre deterministisk kontroll brukes det noe som heter shared variable og gjennom disse kommuniserer vi med en host. (dette er forklart nærmere i kapittel 7.4) I/O enhetene Kobles til chassiset i slottene. I/O enhetene velges etter behov med analoge eller digitale inn eller ut moduler. Her er det mye å velge mellom og NI har en tabell der en kan velge enheter med de spesifikasjonene du trenger. Her er skolens compactrio system: Chasiss og FPGA: NI-9101 Real time controller: NI crio-9002 HPR-009 Side 13 av 81

14 I/O modulene: NI-9411 Digita Input modul NI-9474 Digital output modul NI-9215 Analog input modul NI-9263 Analog output modul 2.2 Enkoder (inkrementell) En inkrementell enkoder består av en sirkulær skive med lysåpninger. Vi kan sammenligne det med en kam som er bøyd. Den slipper igjennom lys med mellomrom. Denne skiven ligger i en lesegaffel. Lesegaffelen består av en optisk sender på den ene siden og en mottaker på den andre siden. Når kodeskiven kommer i en posisjon der det oppstår en lysåpning vil det bli opprettet optisk kontakt og transistoren vil lede og utgang gå høy. Når kodeskiven flytter seg vil lysåpningen bli brutt og utgangen gå lav. Vi vil da få en puls for hver lysåpning. Her ser man ett godt eksempel på hvordan en enkoder kan være bygget opp. Denne har riktignok langt mindre oppløsning og er mye enklere enn de vi bruker, men prinsippet er det samme. Som man ser her er det fysiske hull i skiven. Ofte er disse byttet ut med svarte streker på en transparent skive. Bilde 1, [1] Ved å telle antall pulser samtidig med at vi vet oppløsningen kan vi finne frem til hastighet. Problemet med den inkrementelle posisjonsmåleren er at vi ikke kan registrere hvilken vei den roterer. Det problemet kan vi løse ved å innføre en lesegaffel til, eller to integrert lesegafler satt sammen. Vi får da ut to sett med pulser fra enkoderne, ett fra kanal A og ett fra kanal B. Sensor A og B må plasseres med en halv spalteavstand for at det skal bli riktig. Vi bruker A og B på den måten at vi ser på hvem av kanalene som leder den andre. Det vil si at HPR-009 Side 14 av 81

15 vi ser hvilken tilstand B har når A har stigende flanke. Vi har to tilstander, medurs og moturs. Under ser man bittmønsteret for de to. Figur 2,[4] Figur 3,[4] En måte å få til det vi har beskrevet kan gjennomføres ved bruke av en krets som består av en D-vippe, XOR krets og en binær opp/ned teller. D-vippa vil sette det som står på D inngangen over til Q utgangen når CL inngangen har en stigende flanke. Vi ser at Q er koplet til U/D inngangen på telleren. Det som skjer da er at når Q er 1 eller 0 vil telleren telle enten oppover eller nedover. Figur 4,[4] Xor kretsen virker slik at den gir endring på ut signal når det er forandring på en av inngangene. Denne kretsen vil vi enkelt kunne simulere i labview og slipper dermed en fysisk krets. En posisjon vil bli representert av det binære tallet n, som er n*δl/2 fra en utgangsposisjon. Binærtallet på den digitale utgangen vil angi vinkel posisjon til skiva. HPR-009 Side 15 av 81

16 På en del enkodere har man også noe som kalles indeksering. Dette er en ekstra bittlinje som gir ut en puls pr. omdreining. Vi kan ved hjelp av denne registrerer antall omdreininger. Det finnes indeks funksjon på de enkoderne vi skal bruke, men pga av at vi kun har ca 60 graders vinkelutslag vil det ikke være nødvendig å bruke denne funksjonen. Enkodere blir brukt på jiggen vår for å oppnå pålitelige målesignaler som har stor grad av nøyaktighet. De blir brukt på både underliggende og overliggende arm. De er festet ved hjelp av braketter som vist på tegning. Det er sørget for at enkoderne står støtt og stabilt slik at eventuell slark ikke skal kunne forstyrre signalet. Enkoderen vi bruker i toppen er en Eltra EH 53A enkoder. Denne har 1024 impulser pr omdreining. Ved bruk av xor-krets og telling på både stigende og synkende flanke vil antall impulser komme opp til 4096 impulser pr omdreining. Vi kan dermed måle vinkel endringer på 0,087 grader. Maksimal rpm er oppgitt til å være 6000 rpm og power supply på 5V. Enkoderen som blir brukt i bunnen er en Hengsler RI58-O. Denne har 1000 pulser pr omdreining og supply spenningen er på 10 volt. Oppløsningen på denne enkoderen er 0,09 grader. Får å få ut riktig tall må vi bruke pull-up motstander når vi kobler til enkoderne. Grunnen til dette er at spenningene som kommer ut fra enkoderne er for lave. Ved da å bruke pull-up motstander vil vi greie og registrerer de. For full produktspesifikasjon og detaljtegninger henviser vi til vedlegg 5 og 6. HPR-009 Side 16 av 81

17 2.3 Potensiometer Potensiometer er en del av den resistive typen sensorer. Det vil altså si at det er en sensor som forandrer resistivitet med hensyn på hvilken posisjon den er i. Ofte er de laget slik at jo lenger man går, altså jo større x, jo større motsand vil man få. De potensiometrene vi bruker i dette prosjektet er vinkelmålere. Potensiometer som endrer resistans etter vinkel. Da vil vinkelen være sammenhengen mellom antall viklinger og posisjon til slepekontakten. Potensiometeret består av en slepekontakt og en rundt bane den glir på. Banen kan enten være trådviklet eller en massiv ring. Slepekontakten glir så over dette materialet og det blir ført spenning igjennom. Spenningen går inn, så gjennom hele banen og så ut igjen til jord. Eo vil være midtuttaket der lesespenningen kommer ut, altså der slepekontakten er. Vi kan da lese hvor langt slepekontakten har kommet ved å se hvor høy spenning vi får ut i forhold til spenning sendt inn og total spenning. Vi bruker bourns og visha potensiometer i dette prosjektet. Bourns Dette potensiometeret har resistans fra 1KΩ til 100KΩ med toleranse på ± 10%, en effektiv elektrisk vinkel på 340 med toleranse på ± 3%. Det har en oppløsning på 1000 fordelt på 340 grader. Vi kan dermed måle en vinkelendring på 0,34. Vishay Disse har motsandsspenn på 1K-100K ± 10%. Den effektive graden er på 340 grader ± 3 grader. Potensiometrene i vår applikasjon vil primært bli brukt som posisjonsmålere ved manuell kjøring ved bruk av servoforsterkerene. HPR-009 Side 17 av 81

18 2.4 Sylindere Servi: Den nederste sylinderen er en dobbeltvirkende sylinder levert av Servi. At den er dobbeltvirkende vil si at den både kan skyve og trekke. Den har bestillingsnummer: NH30- SD-40/20 X 300-S-(TV). Sylinderen har et stempel på Ø40mm, en stempelstang på Ø20mm og har en slaglengde på 300mm. Den tåler et maks trykk på 250 bar. For å regne ut hvor mye kraft sylinder kan gi har vi trykk ganger areal. Vi har følgende: P = 250*10 5 = 25MPa A * = m 2 1 = π 0,02 0, A * = m = π (0,02 0,01 ) 0, F = P A 31415N 1 * 1 = F = P A 23561, 75N 2 * 2 = 2 2 Det vil si at denne sylinderen har en maks skyvekraft på N og en maks trekk-kraft på 23561,75 N. Faroil: Sylinder oppe er også en dobbeltvirkende sylinder. Denne sylinderen har samme diameter på stempel og stempelstang som Servi sylinderen og tåler også 250 bar. Det eneste som er forskjellig er slaglengden som her er 100mm. Det vil si at denne har samme skyv og dra kraft som Servi sylinder. 2.5 Slanger Slangene som er brukt er kjøpt hos Tess på stoa i Arendal og er av typen DIN SN. Slangene har innvendig diameter på 3/8 og tåler et arbeidstrykk på 330 bar. De har et sprengningstrykk på 1320 bar og krever en bøynings radius på minimum 130mm. Slangene måtte byttes ut med litt lengre slanger. Dette fordi bøyingsradiusen på slagene som sto ikke tilfredsstilte overnevnte kravene. HPR-009 Side 18 av 81

19 2.6 Koplinger Koplingene som er brukt er fra GSHydro og er kjøpt av tess. Disse er av typen 12L(light duty) og tåler et nominelt trykk på 250 bar. Det er også brukt 12S (heavy duty) ved noen koplingspunkter der disse tåler et trykk på 630 bar som er helt unødvendig i vårt system. Det er også brukt en del 90 graders fittings som tåler trykk på 250 bar. 2.7 Rør Rørene er også fra GSHydro (Part Nr: 12X2AISI316L) og er i størrelsen 12X2.0mm. De er laget i rustfritt stål og kan kaldbøyes. Disse tåler arbeidstrykk på 426 bar og har et sprengningstrykk på 1590bar. HPR-009 Side 19 av 81

20 2.8 Servoventiler En servoventil er en ventil som kan ta imot et lite signal på inngangen, og omgjør dette signalet til ett større utgangssignal som en forsterker. Dette systemet har de fleste brukt i forbindelse med bil og styringen. (servostyring) Jiggen har to servoventiler av typen Moog D631 serien, disse er både magnet og manuell styrte. Servoventilene er noen av de mest primære komponentene på hele jiggen, der de omgjør elektroniske signaler fra styreenhet til hydrauliske signaler. Moog ventilene som vi bruker, er i hydraulik verden regnet for å være noe av det beste som er på markedet. Dette kommer av at ventilene er robuste, presise og veldig raske, de kan for eksempel forandre flowretning opptil 100 ganger i sekundet. Magnet aktuatoren blir brukt når ventilen skal styres av CompactRio. Virkemåten er at strøm signal driver magnet motoren, som skrur eller flytter en plate i retningen til en av to dyser. Den dysen platen går mot blir noe strupet og dette øker motstanden, samtidig som den motsatte siden får større avstand til dysen og får mindre motstand, som gir en trykkforskjell. Denne trykkforskjellen beveger sleiden i ønsket retning. Når denne sleiden blir flyttet så vil den åpne for den ene utgangen, lukke for den andre og åpningen er alt ettersom hvor mye olje en vil åpne for. Men når den åpner ut for en retning, så må den åpne tilsvarende i inn retningen så oljen tilført og returnert er lik. Den manuelle funksjonen på ventilen er en bryter som er koblet direkte inn på momentmotoren. Denne typen servo ventil kan brukes som en 3/2 ventil til for eksempel åpne systemer, men er primært konstruert som en 4/2 ventil til lukkede systemer som vi jobber med. Ventilene er beregnet for å arbeide mellom 15 til 210 bar trykk, men kan også arbeide med trykk oppimot 315 bar hvor åpningen er avtagende. Flowen avhenger av faktorer som elektriske kommando signaler og trykktap over ventilen, så væskemengden for et bestemt ventil trykk kan regnes ut på følgende måte. HPR-009 Side 20 av 81

21 Q=Qn P/ Pn Der Q=kalkulert væskestrømm i Liter pr min Qn= målt væskestrøm i liter pr min P=aktuelt trykkfall over ventil i bar Pn=målt trykkfall over ventilen i bar (moog general technical data) Figur 5,[5] HPR-009 Side 21 av 81

22 Figur 6,[5] HPR-009 Side 22 av 81

23 3 Beregninger og teori 3.1 Dynamikk Om vi ser på hver sylinder, har vi to 1.ordens system med tilbakekopling. H () s = T K () s + 1 er standard funksjonen for et første ordens system der K er forsterkning og T er tidskonstant. Vi kan se på systemet som et massedemper system der sylinder virker som en demper. Under er det vist et helt enkelt blokk diagram som illustrerer hvordan slike systemer blir seende ut. Figur 7, [2] I og med at ventilene er så raske vil de ha minimal innvirkning på systemet, derfor kan vi se bort ifra de her og beskrive de under et eget punkt. Vi har også sett bort ifra aktuatordynamikken. Under følger en utledning og forklaring av den situasjon vi har. I og med at vi har to forskjellige sylindere, og kan ha mange forksjellige sitasjoner er det utarbeidet et generelt likningssett. Her kan vi alt etter sette inn hva slags variabler vi har til en hver tid og finne ønsket verdi med tanke på den spesielle situasjonen. Skal vi for eksempel regne på topp sylinder setter vi inn volumer for den osv. Under kan man se en illustrasjon på hvordan systemet ser ut, og hvilke verdier som betyr hva. HPR-009 Side 23 av 81

24 Figur 8, [6] Figur 9,[6] Over kan vi se en sylinder som styrer en masse eller last frem og tilbake. I vårt tilfelle vil da massen være arm, bom og last. Lasten vil forandre seg avhengig av hvilken posisjon vi er i. Det første vi gjør er å sette opp en massebalanse for kammer 1. Vi tar hensyn til at væsken er kompressibel. Massebalansen blir da: d ρ V V dt V (1) = & ρ + ρ & = ρ q ρ q l HPR-009 Side 24 av 81

25 Så bruker vi videre sammenhengen mellom tetthet og trykk i kompressible væsker. & ρ β (2) ρ = p& Vi setter så dette inn i vår første likning (1) og deler på ρ 1. Da får vi følgende: V β 1 &ρ & 1 (3) + = q q V 1 l Her kan vi si at : V V V AL 2 (4) = + = Ax + V k l1 Som gir: (5) & 1 = Ax& V Vi setter inn i likning (3) og får da: Al Ax + + l1 2 (6) * &ρ + = q q β V 1 Ax& 1 l Dette er resultatet av massebalansen for kammer 1 med tilførselsledning. Vi kan kalle det volumbalansen. Helt likt vil vi få for kammer 2, altså: Al Ax V + l 2 2 (7) * &ρ = q + q β 2 Ax& 2 l Nå har vi kommet frem til to massebalanser, en for hvert kammer med respektive tilførselsledninger. Vi vil imidlertid ha 1, dette fordi det er mer hensiktsmessig. Utledingen av HPR-009 Side 25 av 81

26 1-kammer modellen er basert på en beregning av den gjennomsnittlige ventilstrømmen q v gjennom servoventilene. (8) q + 1 q q = 2 v 2 Vi setter så inn for q og q som kommer fra de to massebalanselikningene for kammer og kammer 2, (6) og (8). Vi får da dette: (9) q v = Al Ax * β β 2β 2β ( ) ( ) V l1 p p p p p V l 2 & + * & + & + * & * p& + + q & 2 Ax& l Dette kan vi forkorte og forenkle ved å innføre noen nye variabler. Når sylinderen blir styrt av en servoventil vil følgende gjelde: (10) p p = p = konst p + p = s & 1 & 2 Lasttrykket er gitt ved: (11) = p p = p p p l 1 2 p& l & & 1 2 Vi antar at volumet i tilførselsledninger er det samme, hvilket gir et totalvolum: ( 12) V V V 2 = lt = der V l 1 l 2 lt er det totale volumet i tilførselsledingene. Videre antar vi det er en liten klaring mellom stempel og sylinder slik at vi får en liten lekkasje mellom kamrene. Vi antar at det er en lineær sammenhengen mellom lekkasjen og trykkeforskjellen og får da uttrykket: q K ( ) p p = * der K er lekkasjekoeffisienten. lekk lekk lekk 1 2 HPR-009 Side 26 av 81

27 Ved å sette inn vil vi få den endelige likning med hensyn på volumstrøm: V 4β t (13) q = * p + & + l p v & l Ax K l ;her er V A L = + t V lt For å finne sammenhengen mellom (14) F = m a eller da q v A p = l m & x og lastens posisjon setter vi opp en kraftbalanse: Vi kan da til slutt sette opp et blokk diagram., q v = q L K 1 = K lekk Figur 10, [7] Vi har nå utledet likningene vi trenger for å se på noen dynamiske egenskaper. Som sagt har vi sett bort ifra ventilkraeristikk og aktuatordynamikk. Vi vil nå sette inn noen verdier og sette opp likningen for en gitt situasjon. Situasjonen vi da ser for oss er nedre sylinder med full last, øvre feste for bom. Vi bruker likning (13): q v V t 4β p& l Ax = * + & + K l p l 2,53m 0,5m π V = + t π A =π * 0,2m = 0, 12566m p l = F A l 2 ( * 0,2m * 0,4m ) = 0, m 2 HPR-009 Side 27 av 81

28 1363N 0,12566m 10846N m p = = l 2 2 Satt inn får vi da følgende likning: q v 0 2 3,06868m * p + 0,12566m * N l x β m = & 2 * K l der bulkmodul β er oppgitt i databladet. Denne verdien varierer avhengig av oljetype man bruker. K l er ikke oppgitt for våre ventiler, så dette er noe man må finne ut ved testing Ventildynamikk I figur 11 kan vi se en prinsipiell skisse av servoventilen. Bokstavene representerer utganger og innganger. A og B er mot sylinder mens P og T er supply og tank. Figur 11,[8] Vi ser på ventilen som at det går en volumstrøm igjennom, altså den gjennomsnittlige strømmen q l gitt likningen: som vi definerte over. Sammenhengen mellom volumstrøm og sleideposisjon er HPR-009 Side 28 av 81

29 q v = K q x * x v * p v I figur 12 kan det sees et enkelt og illustrativt blokk diagram for ventilen. Figur 12,[7] Videre kan vi lese de dynamiske egenskapene direkte ut ifra databladet. I figur 13 kan man se hvordan ventilen vil oppføre seg under forskjellige situasjoner. Vi har da en high response valve. Figur 13,[8] HPR-009 Side 29 av 81

30 3.2 Invers kinematikk Problemet med en toarmet jigg er at den ikke er lett å styre i rette linjer i x-y koordinater. Da begge armene roterer om hvert sitt senter, må det være samspill mellom armene for at det skal være mulig å bevege seg horisontalt eller vertikalt. For å beregne ønsket posisjon må vi se på samspillet mellom lengdene på armene og den polare vinkelen til armene. Figur 14 Her har vi to armer med lengde L1 og L2. Og de samsvarende vinklene er Φ1 og Φ2 Kinematikken til systemet her er som følgende: For å finne koordinatene til tippen på L2 går vi frem med cosinus og sinus verdiene til L1 og L2 ved gitte vinkler Φ1 og Φ2. Vi finner x og y verdiene ved følgende ligninger: X = L1 * cos Φ1 + L2 * cos Φ2 Y= L1 * sin Φ1 + L2 * sin Φ2 HPR-009 Side 30 av 81

31 Ved invers kinematikk gjør en motsatt ved at en ved gitte x og y verdier finner de tilhørende vinklene Φ1 og Φ2 for å nå det gitte punkt. Dette gjøres ved å bruke trigonometriske formler og regler. Følgende grunnformler er brukt: Pytagoras formel: Cosinus formel: 2 2 a = b + a 2 = b 2 c + c 2 2 2b cos A 2 2 sin φ + cos φ = 1 2 B = x + φ = y 2 a tan 2, ( y x) ( L sinφ, L + φ ) ψ = a tan 2 L cos 2 cosφ = 2 x y L 2L L L 2 2 Figur 15 Sin φ2 = ± cos φ = φ ψ φ2 φ = 2 L Arc cos L1 B 2L B 2 2 I vår oppgave er det begrensning på bevegelighet, men ved alle verdier for x-y er det to 2 løsninger på å nå samme punkt. Dette kan forklares med ligning Sin φ2 = ± 1 cos φ2. Der ± foran rot-tegnet beskriver de to løsningene. De to løsningene er albue ut eller albue inn, dette er ikke noe å tenke på for vår del da vi kun kan bruke en løsning, albue ut. Ved hjelp av disse ligningene får vi ved innsetting av lengder på armene og ønsket x og y verdi ut to vinkler, Φ1 og Φ2. HPR-009 Side 31 av 81

32 Ved hjelp av dette geometriske likningssettet er det ingen sak for et program som Labview å finne kontinuerlige vinkelsett ved gitte x og y verdier. Invers kinematikk er helt nødvendig for å få systemer som dette med flere ledd til å nå forhåndsgitte posisjoner. Denne metoden blir brukt til avanserte robotarmer med mange flere frihetsgrader enn det vi har her. 3.3 Hastigheter Får å finne jiggens hastighet begynte vi med å ta noen målinger. Det gjorde vi ved å kjøre jiggen i maks fart i begge retninger for samtidig å lese av volumstrømmen på aggregatet. (med jiggens hastighet mener vi bommen sin hastighet bestemt av flow i sylinder). Det var ingen laster påsatt under disse målingene. Det vi så, ifølge aggregatets målinger, var at volumstrømmen var 21 l/min ved nedoverkjøring og 15 l/min ved oppoverkjøring. Dette ved full ventil åpning og med et trykk på 150 bar. Beregningene er også gjort når sylinder er festet i toppfeste på bom. Om man skal regne på nedre feste bruker man akkurat samme fremgangsmåte, men bytter om verdier der de trengs. Ved å regne dette om til kubikkmeter per sekund får vi: 3 q ned 0,00035m s = og 3 q = opp 0,00025m s Når vi har volumstrømmen og vet arealet av stempelet kan vi finne farten V. Arealet vi bruker ved nedoverkjøring er stempelareal, mens ved oppoverkjøring bruker vi stempelareal men tar bort det areal stempelstang utgjør. Vi får da: q * 2 = A V A1 π * 0, 02 m A =π 0, 01 2 = * 2 m Hastighetene V og ned V opp blir da: HPR-009 Side 32 av 81

33 0,00035m s V = = ned 2 0, 28 0, m 3 m s 3 0,00025 m s V = = opp 0, 265 A 1 A2 m s Siden radius er den samme på begge sylindere vil vi få samme hastighet ut. Det vil da si at vi vil ha tilsvarende hastighet opp om alle ting som for eksempel ventil gjennomstrømning er den samme. HPR-009 Side 33 av 81

34 4 Det Mekaniske I dette kapittelet vil vi dokumentere, beskrive og legge frem alt av det mekaniske arbeid som er blitt utført på jiggen. 4.1 Igus Lager Siden dette systemet har lav toleranse i forhold til slark, bestemte vi oss tidlig for å bruke en eller annen type lager for knekkbom. Det vi kom fem til som var det beste alternativ var en type lager fra IGUS. De lager en type plastikkforinger som har veldig lange molekyler og dermed er veldig slitesterke. Disse lagrene trenger heller ikke smøring som gjør dem veldig vedlikeholdsvennlige. Den typen som passet best for oss er Iglidur G. Disse er såkalt allround performer som typisk brukes i systemer med lav til middels hastighet, middels belastning og middels temperatur. Lagrene er vibrasjonsdempende og demper vibrasjoner 150 ganger mer enn stål. Lagrene tåler et maks statisk overflatetrykk på 80 Mpa og en overflate fart på 1 m/s. De tåler en konstant temperatur mellom -40 og 130 grader men kan ved korte perioder utsettes for høyere temperatur. Friksjonskoeffisient ved tørr kjøring er typisk 0,08. Lagrene presses inn i et hull med H7 toleranse og bruker bolt med toleranse h9. Figur 16,[3] Figur 17,[3] Vi fikk gjennom ASI Automatikk A/S i Drammen en prøve på 6 stk lager av typen GFM (vedlegg nr 10) som ble brukt til jiggen. HPR-009 Side 34 av 81

35 4.2 Festing av knekkbom For å få festet IGUS lagrene skikkelig valgte vi å sveise inn to boss i hovedbommen. Siden det er brukt firkant rør med 4mm vegg ville dette ikke vært nok hold for lagrene. For å finne en løsning på dette dreiet vi to boss på 30mm, boret tilsvarende hull i bom og sveiset inn bossene i bommen. Bossene ble så maskinert opp til 23mm H7 og lagrene ble presset inn. Det ble brukt 4 stk lager i hovedbommen, to i hvert boss. Vi måtte også få inn lager i knekkbom, men her er det sveist på 10mm plater på begge sider slik at det ble ansett som nok hold for lagrene. Hullet var 20mm fra før så disse ble bare maskinert opp til 23mm H7 etter Igus spesifikasjon. Det ble her brukt 2 stk lager, et på hver side. I figur 18 og 19 er det illustrert hvordan dette ble gjort og seende ut. Figur 19 Figur 18 HPR-009 Side 35 av 81

36 4.3 Enkoder og potensiometerfester Vi hadde en liten utfordring med tanke på festing av enkoder og potensiometer. Den gamle løsningen gav ikke nødvendig nøyaktighet eller stabilitet, så en ny løsning måtte til. Det som var vrient å få til, var å finne et fast punkt å måle mot som lå i senter av rotasjonsaksen. Vi måtte også ha låsing på bolten slik at de ikke kunne komme til å gli ut under kjøring. Det som først slo oss var å lage en tilsvarende løsning som vi har i bunnen, lage to akslinger som skrus inn i bolten, men usikkerhet ved låsing av bolt ble til at vi forkastet dette. Vi kom så opp med en ide om å lage en brakett med en aksling på, som er vist på figur 21. Ved å gjøre det slik løste vi to problem i et, både det å få fast punkt i rotasjonsaksen og låsing av bolt. For å få festet enkoder og potensiometer bøyde vi til to vinkler som vi sveiset på knekkbommen. Det ble så boret hull som lå helt i senter av rotasjonsaksen. Vi festet så enkoder og potensiometer på knekkbommen.. Det vil da fungere slik at når systemet roterer vil da også potensiometer og enkoder rotere mens akslingene står i ro. Vi måtte også lage disse to akslingene som skulle bli festet på hovedbom. Dette systemet krever en god del nøyaktighet, det kreves at alt treffer i samme senter. For å få dette til skikkelig ble alle hull og deler maskinert med CNC maskin. Figur 20 Figur 21 HPR-009 Side 36 av 81

37 4.4 Koblingsboks Vi bestemte oss etter hvert som vi koblet opp ledninger, delefiltere og de andre elektriske komponentene til jiggen, for å sette sammen en boks hvor vi kunne montere alt i.. Boksen ble satt sammen av sponplater som er letter å bruke en stål og som også er isolerende. Så ble den malt hvit. Lokket ble kuttet ut i pleksiglass og hengslet til sponboksen. I lokket monterte vi også en nødstopp bryteren. Det er gummi under kretsene slik at elektrisk støy ikke skal påvirke kretsene. Bilde 22 HPR-009 Side 37 av 81

38 4.5 Monteringsbenk og tavle Etter å ha funnet ut at jiggen ristet voldsomt under kjøring fant vi ut at vi var nødt til å komme opp med en bedre løsning på hvordan den skulle festes. Etter konsultasjon med labb personellet fant vi frem til en stor ståletralle som stammet fra et gammelt hovedprosjekt. Det bestod av et hydraulisk aggregat montert på en stor stålramme med hjul. Denne var i grunn perfekt til vårt formål, dette på grunn av størrelsen og fordi den virker stabil. Det er også god plass slik at vi enkelt kan monterer koblinger for det elektriske og eventuelt andre ting av interesse. Den har også et rom under der man kan legge utstyr tilhørende jiggen. Vi rensket så rammen får deler og unødvendige ting. Deretter boltet vi den fast. Vi monterte tilslutt en tavle som vi kunne skrive på for å vise banekjøringen. Under følger et bilde av hvordan det hele ble seende ut. Bilde 23 HPR-009 Side 38 av 81

39 4.6 Nødstoppen På koblingsboksen har vi koblet opp en nødstopp for sikkerhetsmessige årsaker. Bryteren er plassert hvor den lett blir sett, oppe på koblingsboksen. Nødstoppbryteren kutter +12V og - 12V som går til strømstyringen for ventilene. Siden nødstoppbryteren kun bryter en krets når den blir trykket inn, vil den bare stoppe en retning. For å løse dette problemet satt vi inn et dobbelt relee slik at den kutter både + og samtidig. Releet er styrt av nødstoppbryteren. Dette i tur gjør att spolen inne i releet mister sitt magnetiske felt, og bryteren som spolen holdt i på posisjon går nå i av posisjon. Dette kutter da +12V og -12V og dermed stopper ventilene. Det eneste problemet med å koble nødstoppen på denne måten er at når strømmen blir kuttet, så fungerer ikke reguleringen til ventilene. Hovedbommen vil da sige. Dette er imidlertid ikke så farlig fordi den siger kun med vekten av sin egen arm. Et annet alternativ var å koble nødstoppbryteren via softwaren, men da er problemet at en er nødt til å ha et program for at bryteren skal fungere. Vi følte at dette var et dårlig alternativ med tanke på at man da er avhengig av programmet og om at noe da skulle skje, så kan man ikke stoppe jiggen. Nødstoppbryteren er meget viktig å ha, spesielt når en programmerer slik at man kan unngå farlige situasjoner. 4.7 Flushing av oljesystem Siden vi måtte demontere og bytte ut en del slanger og rør, var det fare for at en del partikler var kommet inn i oljesystemet. MOOG ventilene vi bruker tåler så å si ingen partikler i olja, dermed måtte vi rense/flushe systemet. For å få til dette måtte vi demontere ventilen og sette på spesielt maskinerte plater som guider oljen i et kretsløp rett til tank. Det vil si at vi fjernet selve ventilen, men lot den delen som utgangene sto på stå igjen. Oljen vil da passere igjennom uten hindring. De platene som vi brukte til dette måtte vi designe selv etter tegninger av ventilen som vi fant fra MOOG sin hjemmeside. Platene ble maskinert i CNC maskin her på skolen av Roy Werner Folgerø. Vi brukte o-ringer i sporene for å holde det tett. HPR-009 Side 39 av 81

40 Bilde 24 Etter vi hadde montert Flusheplatene måtte vi koble vekk sylindrene for at oljen kunne sirkulere. Vi monterte inn hann-hann kobling som vi kjøpte på TESS, i stedet for sylindrene. Ifølge spesifikasjonene til MOOG, skulle vi flushe systemet helt til all oljen hadde gått gjennom systemet fra mellom ganger. Det er viktig at man flusher lenge for å være sikker på at alle partikler og alt støv er fjernet fra systemet. 4.8 Teststang I enden av jiggen har vi sveiset på et firkantrør som står 90 grader på resten av jiggen. Videre så lagt vi et firkantrør til i X retning, som står 90 grader på røret i Y retning. Ideen bak disse stengene er at vi da her to baner å kjøre jiggen etter for å sjekke nøyaktighet og måle avvik. De er også meget nyttige når det kommer til å demonstrere jiggen. Videre er det også mulig å feste en tavle på stanga slik at vi kan bruke jiggen til å tegne forskjellige objekter. Dette gir også en meget god ide om hvor nøyaktig regulatorene i jiggen er. HPR-009 Side 40 av 81

41 4.9 Endestoppbrytere For sikkerhetsmessige grunner har vi valgt å bruke endestoppbrytere i enden av hver retningsbane på jiggen. Dette er for å stoppe bevegelsen i fra å nå bunn av sylinder og for å unngå kollisjon. Vi har bruket 4 av disse bryterne, en for hver retning for de to armene. Endebryterene er relativt billige og vi ble enige om at vi ikke skulle bruke mye tid og resurser på å lage disse. Vi kunne brukt en bryter pr arm slik det var fra før, men vi kom frem til at dette ville blitt vanskelig å kalibrere og få nøyaktige referanseverdier. Ved den nedre armen har vi laget to spacer slik at bommen treffer bryterne i de forskjellige festepunktene. Disse kan fjernes lett, og er nødvendig fordi bommen har to festepunkter for nedre sylinder. Dette resulterer i en vinkelforskjell mellom bom og bord. Bryterne er seriekoblet. Dette er gjort fordi Crio ikke har nok digitale innganger Kalibrering/referansekjøring Endebryterene er i tillegg til en sikkerhetsanretning laget for at vi skal kunne få kalibrert jiggen. Om vi skal bruke endebryterene til referansepunkt, det vil si at når en starter opp jiggen med program, så vil programmet kjøre armene ut til endestoppbryterne som da vil bli aktivert. De er da ved et kjent punkt og en kjent vinkel. Tellerne til enkoderne vil da resets til denne kjente vinkelen. På denne måten vil vi ha et referansepunkt å kalibrere mot. HPR-009 Side 41 av 81

42 5 Det elektriske 5.1 Din skinne oversikt Nr Funksjon ut Farge ut Funksjon inn Farge Inn Signal ut 1 Jord Svart Jord Svart GRD 2 Usuply Rød Usuply Rød +5V 3 Usuply Gul Usuply Gul +12V 4 Usuply Blå Usuply Blå -12V 5 Styresignal til Mørk Signal fra Hvit m/ brun strek ventil lilla CompactRio 6 Styresignal til Brun Signal fra Brun ventil CompactRio 7 Enkoder signal (oppe) Mørk Blå Signal fra CompactRio Blå Digital (0 og +5V) 8 Enkoder signal (oppe) Blå Signal fra CompactRio Hvit m/ blå stripe Digital (0 og +5V) 9 Enkoder signal (nede) Svart Signal fra CompactRio Grønn Digital (0 og +5V) 10 Enkoder signal (nede) Svart Signal fra CompactRio Hvit m/ grønn stripe Digital (0 og +5V) 11 Endestopp signal 2X Gul Signal fra Hvit m/ oransje 0,5 ma (Oppe) 12 Endestopp signal (nede) 13 Potensiometer signal (oppe) 14 Potensiometer signal (nede) 15 (Tom) 16 Strømstyring ventil 2X Oranje Brun Grønn CompactRio Signal fra CompactRio Grønn Ventil A signal port A 17 Ventil A signal port B 18 Ventil A signal port C 19 Strømstyring Rød Ventil A signal ventil port D 20 Strømstyring Grønn Ventil B signal ventil port A 21 Ventil B signal port B 22 Ventil B signal port C 23 Strømstyring Rød Ventil B signal ventil port D Får fullt koblingsskjema se vedlegg 1 stripe Oranje Grønn Hvit Tegn: Svart 3x prikk Svart Rød Grønn Hvit Tegn: svart 3x prikk svart Rød 0,5 ma Analog Analog +/-50mA +/-50mA +/-50mA +/-50mA +/-50mA +/-50mA +/-50mA +/-50mA HPR-009 Side 42 av 81

43 5.2 Elektriske komponenter Servoventiler Når vi skulle kjøre servoventilene måtte vi ha en spenning til strøm omformer. Dette siden vi ut fra compact rio har ± 10V og at denne ikke kan levere ± 50mA som servoventilene krever. For å løse dette kan en i utgangspunktet bruke en enkel krets som ser følgende ut: Uinn fra compactrio varierer fra ±10V. OP-amp regelen sier da at samme spenningen som ligger på pluss inngang også må ligge på minus inngang. For å få ± 50mA gjennom ventilen til jord må vi bestemme hva R må være. U U = RI = R I 10V = 200Ω 0,05A Figur 25 Problemet med denne kretsen er at OP-ampen bare kan gi 20mA strøm dermed kan ikke denne brukes direkte. Kretsen som brukes til å styre solenoidene er en mer avansert krets som bruker samme prinsipp, men ved hjelp av to transistorer og to op-amper får vi en krets som kan gi strømmen vi behøver. Den første op-ampen er for å kunne justere nullpunket, dette er viktig med tanke på at når den er null styrespenning skal det være null strøm gjennom kretsen. Den andre op-ampen er den som styrer transistorene, den styrer hvor mye disse skal åpne etter hvor stor styre spenning det går inn på pinne 5 (se tegning). For å justere inn kretsen brukte vi en 47Ω motstand som skulle simulere Ventilen (ventilen har 56Ω motstand). Vi brukte Labview til å justere styrespenningen som går inn på P5 (se tegning), og målte spenningen mellom P2 og P1. P2 = (47Ω + 62,9Ω) *0,05A = 5, 5V 62,9Ω P2 P1 = 5,5V * = 5,5V 3,15V = 2, 35V (62,9Ω + 47Ω) Nullpunktet ble også justert slik at vi ved ingen styrespenning fikk null ut. HPR-009 Side 43 av 81

44 Figur Enkodere Eltra Da vi koblet til eltra enkoderen merket vi fort at denne ikke telte slik som den skulle. Det som viste seg å være feilen var at det logiske høy signalet var for svakt for å kunne registreres i compactrio. Vi måtte da legge inn to Pull-up motstander på 10KΩ. Disse blir da koblet inn mellom 5V og enkoder utgangen. Disse fungerer slik at når kanal A (S1 på tegning) er lav vil denne være koblet til jord det vil også inngangen til compactrio være. Når kanal A (S1 på tegning) er høy vil den være koblet til 5V gjennom motstanden og den vil være høy inn til kanal A går høy igjen. Figur 27 HPR-009 Side 44 av 81

45 Hengstler Det som var med enkoderen fra Hengstler var at denne trengte mellom 10-30V supply spenning og dette er for mye spenning for CompactRIO. Vi måtte pga dette bruke en enkel krets bestående av to 10KΩ motstander og to dioder. Figur 28 Enkoderen har supply spenning på 12V dermed vil det ut fra Kanal A og B være 0 eller 12V. Denne kretsen fungerer slik at når Kanal A er høy vil det stå 12V i sperreretning på dioden og ingen strøm vil gå gjennom den. Dermed er Kanal a koblet til 5V gjennom motstanden altså er denne høy. Når Kanal A er lav er denne koblet til jord dette tvinger Kanal a også til å være jord altså er også Kanal a Lav. Vi fikk etter hvert problemer med denne kretsen ved at lav signalet ikke gikk helt til null volt. Dette var pga at ut fra enkoder når denne var lav var 0,6V, i tillegg legger det seg ca 0,6V over dioden. Dermed var lav spenningen 1,2V og dette er helt i grenseland hva I/O kortet vil registrer som lav/høy. I spesifikasjonene er 0-0,8V karakterisert som lav mens 2-24V er karakterisert som høy. Dermed ligger denne spenningen midt i dødsonen. Det som skjedde var at telleren på programmet telte helt av seg selv til tider, antagelig pga støy som vippet spenningen mellom høy og lav. HPR-009 Side 45 av 81

46 For å fikse dette ble vi nødt til å lage en ny krets bestående av to transistorer(irf3415) og to motstander på 10KΩ. Kretsen ble seende slik ut: Denne funker slik at når kanal A INN er lav vil kanal A UT være 5V og høy. Når Kanal A INN er høy vil denne åpne transistoren slik at Kanal A UT er koblet til jord altså lav Figur Endestoppbrytere På utgangene fra endestoppbrytere måtte vi også ha 10KΩ motstander slik at ikke det ble kortsluttning i CompactRIO. Dermed vil det kun gå 0,5mA i kretsen. HPR-009 Side 46 av 81

47 6 Ytelser og spesifikasjoner 6.1 Arbeidsområde X= 327,93mm Y= 1299,92mm X= -1094,02mm Y= 779,32mm X= -40,64mm Y= 806,81mm X= 0mm Y= 0mm X= -767,12mm Y= 253,20mm Figur 30 Her er det kalkulert ut hvilke områder som er innenfor rekkevidde ved enden av knekkbom. Der det hvite representerer arbeidsområdet. HPR-009 Side 47 av 81

48 6.2 Regulering Når vi har et oppsett med tilbakemelding som vi har nå, vil reguleringen spille en stor rolle for hvordan systemet vil oppføre seg under kjøring. Ved å forandre settpunkt kan vi se hvordan systemet reagerer på ulike innputs. Det vi har brukt er sprang i form av nye settpunkt for posisjon. Verdiene vi da får fra enkoderne er da det vi kaller prosessvariablene. Disse verdiene sammenlignes da med satt verdi (settpunkt), og systemet vil prøve å kompensere for det avviket som oppstår. Det er hvordan denne kompenseringen skjer vi her mener med regulering. Denne kompenseringen kan vi tune ved hjelp av reguleringsteknikker. Om vi vil ha et veldig kjapt system, eller et veldig nøyaktig med lite oversving, kan man prøve seg frem til ved å stille på de forskjellige funksjonene i regulatoren. Det finnes egne teknikker på hvordan man kan finne disse verdiene ved regning, men disse er ikke brukt her. Vi kan stille inn alle reguleringsverdier på frontpanelet på host som vist I figur 31. Figur 31 I vårt system er det brukt en ren P(proporsjonal) regulator sammen med en PID (proporsjonal, integral, derivasjon). Den rene P reguleringen skjer i programmet, og er ikke vist på frontpanelet. Grunnen til at vi har en ren P regulator i tillegg til PID`n er at det ikke er plass til mer enn et 16-bits tall i arrayene i labview. I og med at vi kan bruke et tall som er høyere enn dette, må vi da forsterke signalet med en P etter PID`en. Vi får da i praksis et forsterket signal inn i forsterkeren. P(proporsjonal) ganger rett og slett avviket med den innsatte verdi for P. Reguleringen er nå satt opp med høy P verdi, liten I samt liten D. Grunnen til dette oppsettet er for det første at systemet er såpass nøyaktig at vi ikke trenger å bruke i-regulering for å HPR-009 Side 48 av 81

49 fjerne feilmargin. Det var også problem å finne en I verdi som gav et stabilt system. D leddet er heller ikke i bruk sånn det er satt op nå, og det er fordi det rett og slett ikke gav så mye utslag. Så derfor endte vi opp med en helt ordinær P regulering som da er forsterket to ganger. Jiggen oppfører seg forskjellig med forskjellig trykk og er dermed litt vanskelig å stille inn og krever litt tuning ved forskjellig kjøring. Under kan man se responsen til systemet ved sprang på 100, ved 150 bars trykk. Vi fant at følgende verdier fungerte best på begge sylindere P = I = 0 D = 0 Nedre sylinder Sprangrespons Posisjon Serie1 Serie Tid, 0,1s Figur 32 HPR-009 Side 49 av 81