Wielokryterialna optymalizacja konstrukcji i sterowania wyrzutni elektromagnetycznej w zastosowaniu do liniowego napędu narzędzia roboczego

Transkrypt

1 Politechnika Koszalińska Instytut Mechatroniki, Nanotechnologii i Techniki Próżniowej Autoreferat rozprawy doktorskiej mgr inż. Paweł Piskur Wielokryterialna optymalizacja konstrukcji i sterowania wyrzutni elektromagnetycznej w zastosowaniu do liniowego napędu narzędzia roboczego Promotor: Prof. dr hab. inż. Wojciech Tarnowski Koszalin, 2010

2 Publikacja współfinansowana przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Społecznego i Budżetu Państwa, Poddziałanie Programu Operacyjnego Kapitał Ludzki w ramach projektu Inwestycja w wiedzę motorem rozwoju innowacyjności w regionie. Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego (75%) oraz środków budżetu państwa (25%) w ramach Zintegrowanego Programu Operacyjnego Rozwoju Regionalnego. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy promotorski N pt. Wielokryterialna optymalizacja konstrukcji i sterowania wyrzutni elektromagnetycznej w zastosowaniu do wysokowydajnego, bezprzekładniowego, liniowego napędu narzędzia roboczego. 2

3 SPIS TREŚCI 1. Wstęp Zakres badań Cele naukowe i utylitarne Hipotezy pracy Analiza wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego Optymalizacja wielokryterialna Przykład zastosowania badanego napędu Wnioski w zakresie metodyki modelowania Wnioski w zakresie optymalizacji Wnioski w zakresie zastosowań Kierunki dalszych badań Wykaz publikacji z udziałem autora

4 1. Wstęp W technice powszechnie występuje zadanie wymuszenia roboczego ruchu liniowego, np. w procesach technologicznych takich jak: łączenie na zimno blach, nitowanie, dziurkowanie, znakowanie, przestrzeliwanie, zgrzewanie punktowe, i inne. Dotychczas stosowane napędy liniowe hydrauliczne i pneumatyczne wymagają drogich układów zasilających, a napędy elektromechaniczne zawierają silnik obrotowy oraz kosztowne w wykonaniu przekładnie mechaniczne (śrubowe, ślimakowe, pasowe, zębate, itp.). Podstawową zaletą przetworników elektromechanicznych do bezpośredniej realizacji ruchu liniowego jest eliminacja mechanizmów przekładniowych oraz sprzęgających. Dzięki temu upraszcza się struktura układu, wzrasta jego sztywność, eliminowane są luzy i podatność na uszkodzenia elementów pośredniczących. Zasada działania wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego polega na przetwarzaniu energii elektrycznej w energię magnetyczną, a następnie w energię mechaniczną. Istnieje wiele różnych konstrukcji układów wykonawczych ruchu liniowego: począwszy od elektromagnesów nurnikowych po rozwiązania analogiczne do silników elektrycznych ruchu obrotowego. Szczególnie dużą popularnością ośrodków naukowych i badawczych cieszą się dwie konstrukcje wyrzutni elektromagnetycznych (ang. railgun i coilgun). Pierwsza z konstrukcji (ang. railgun) zbudowana jest z dwóch równoległych zasilanych napięciem szynach, pomiędzy którymi porusza się pocisk wykonany z materiału przewodzącego prąd. Wadą tej konstrukcji jest potrzeba zasilania szyn prądem rzędu tysięcy amperów, oraz powstająca na styku szyn i pocisku erozja elektryczna. Druga z wymienionych konstrukcji (ang. coilgun) zbudowana jest z szeregu cewek i poruszającego się wzdłuż osi symetrii cewek rdzenia wykonanego z ferromagnetyku, magnesów trwałych lub cewek. O aktualności i randze zagadnienia może świadczyć konferencja na temat wyrzutni elektromagnetycznych zorganizowana w 2007 roku w Waszyngtonie, której uczestnikami mogli być tylko obywatele Stanów Zjednoczonych Ameryki Północnej z poświadczeniem bezpieczeństwa do klauzury tajne. Opracowania wyrzutni elektromagnetycznych ukierunkowane są głównie na zastosowania militarne, w których optymalizacja kosztów produkcji i eksploatacji ustępuje często efektom doraźnym wynikających z uzyskanych rezultatów. 4

5 2. Zakres badań W niniejszej pracy analizie poddano wyrzutnię elektromagnetyczną ruchu liniowego zbudowaną z szeregu cewek i poruszającego się ruchem liniowym ferromagnetycznego rdzenia (Rys. 1). Wybór podyktowany został możliwościami technologicznymi uczelni, potrzebami regionalnego przemysłu, a także przeznaczenia opracowywanej wyrzutni elektromagnetycznej. Taki typ konstrukcji nie wymaga źródeł zasilania wielkiej mocy, które z powodu trudności w realizacji, a także kosztów wykonania są mało atrakcyjne dla przemysłu. ferromagnetyk (połączony z narzędziem roboczym) uzwojenia cewek u1(t) u2(t) u3(t) u4(t) Rys. 1 Schemat budowy wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego W literaturze światowej jak i krajowej nie występuje dynamiczny model komputerowy wyrzutni elektromagnetycznej z ruchomym ferromagnetycznym rdzeniem, przydatny do celów optymalizacji. Nie ma również opracowanego algorytmu doboru optymalnych parametrów konstrukcji i sterowania dla danego cyklu roboczego wyrzutni elektromagnetycznej z ruchomym ferromagnetycznym rdzeniem. Podjęte zostały próby nad poprawą sprawności energetycznej, która to powodowała małe jak dotychczas upowszechnienie i wykorzystanie tego typu wyrzutni elektromagnetycznej w przemyśle. W tym celu opracowany został model matematyczny i symulacyjny uwzględniający zjawiska elektroniczne, elektryczne, magnetyczne i mechaniczne. Na stanowisku laboratoryjnym przeprowadzono weryfikację modelu zarówno w zakresie rozkładu pola magnetycznego jak również w zakresie dynamiki obiektu. Za cel optymalizacji przyjęto znalezienie optymalnych wartości dużej liczby zmiennych decyzyjnych i jednocześnie funkcji sterowań przy wielu nieliniowych ograniczeniach. Należało zatem zaimplementować odpowiednio skuteczny algorytm optymalizacji oraz umożliwić wymianę danych pomiędzy dynamicznym modem symulacyjnym a programem optymalizacyjnym. 5

6 Algorytm optymalizacji konstrukcji i sterowania wyrzutni elektromagnetycznej został przedstawiony na przykładzie napędu dla konkretnego procesu technologicznego, jakim jest łączenie elementów konstrukcji (głównie metalowych) za pomocą stempla i matrycy. Ferromagnetyczne narzędzie robocze musi spełniać wymogi dotyczące precyzji wykonania, sztywności, trwałości jak również wytrzymałości na zderzenia z łączonymi materiałami. Założono, że cała konstrukcja wraz z układem zasilania powinna spełniać wymogi konkurencyjności w zakresie kosztów wykonania i eksploatacji, a także sprawności energetycznej w porównaniu do innych napędów liniowych stosowanych w przemyśle. W pracy przyjęto, że przedstawiony model dynamiczny oraz algorytm optymalizacji powinien mieć możliwość wyznaczania optymalnych ze względu na sprawność i masę (lub inne kryteria) parametrów wyrzutni elektromagnetycznej przy znanych wymaganiach dotyczących cyklu roboczego. 3. Cele naukowe i utylitarne Celem naukowym pracy jest propozycja metodyki projektowania liniowego napędu elektromagnetycznego, a w szczególności: 1) opracowanie modelu matematycznego i symulacyjnego celem określenia: a. optymalnych parametrów konstrukcji (są to odległości pomiędzy cewkami, kształt i wymiary cewek oraz kształt i wymiary ferromagnetycznego rdzenia); b. optymalnego sterowania prądowego (są to wartość i szybkość zmian natężenia prądu w cewkach oraz czasy zasilania poszczególnych cewek); ze względu na sprawność energetyczną układu, energię kinetyczną narzędzia roboczego oraz masę urządzenia; 2) opracowanie algorytmu polioptymalizacji konstrukcji wyrzutni elektromagnetycznej dla zadanej energii kinetycznej cyklu roboczego, ze względu na sprawność i masę napędu (lub inne kryteria). Celem utylitarnym badań jest opracowanie sposobu projektowania wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego o wysokiej sprawności energetycznej. Jako przykład zastosowania proponowanej metodyki przeprowadzona została analiza wykorzystania elektromagnetycznej wyrzutni ruchu liniowego do łączenia blach na zimno za pomocą stempla i odpowiednio ukształtowanej matrycy. Zaprojektowanie, wykonanie i pomyślne próby napędu i narzędzia, uznano za weryfikację i potwierdzenie osiągnięcia celów. 6

7 Innowacyjność pracy wynika z utworzenia jednego wspólnego modelu zjawisk mechanicznych, elektronicznych, elektrycznych i magnetycznych dla układu o stałych rozłożonych. Zaproponowana koncepcja metody optymalizacji wielokryterialnej pozwoli na prototypowanie konstrukcji i algorytmu sterowania elektromagnetycznych urządzeń ruchu liniowego, od których wymagana jest duża energia kinetyczna narzędzia roboczego na krótkich odcinkach ruchu. 4. Hipotezy pracy W pracy podjęto próbę poprawy sprawności zdefiniowanej jako stosunek energii kinetycznej elementu wykonawczego na wyjściu układu do energii elektrycznej dostarczanej do obiektu, przy minimalnej masie urządzenia (elementu wykonawczego i układu zasilania). Hipotezy pracy: Jeżeli znane są wymagania użytkowe (tzn. opis i charakterystyka procesu, który ma być realizowany przez napęd np.: napęd narzędzia roboczego) to można zaprojektować optymalną konstrukcję i optymalny algorytm sterowania elektromagnetyczną wyrzutnią ruchu liniowego, ze względu na sprawność energetyczną oraz masę urządzenia, lub inne kryteria polioptymalizacji. Jeśli znana jest konstrukcja elektromagnetycznej wyrzutni ruchu liniowego, to można utworzyć jej łączny model wystarczająco dokładny w praktyce konstrukcyjnej, uwzględniający zjawiska mechaniczne, elektroniczne, elektryczne i magnetyczne dla układu o stałych rozłożonych, przydatny do celów optymalizacji konstrukcji i sterowania. W celu uzasadnienia hipotez pracy sformułowano następujący plan pracy: opracowanie modelu matematycznego i symulacyjnego; analiza parametrów układu z wykorzystaniem wybranego pakietu MES; weryfikacja modelu symulacyjnego o stałych rozłożonych; weryfikacja dynamiki modelu symulacyjnego; optymalizacja konstrukcji i sterowania; wybór procesu technologicznego do testowania metodyki projektowania; budowa stanowiska laboratoryjnego dla wybranego procesu technologicznego; weryfikacja eksperymentalna wyznaczonych symulacyjnie parametrów optymalnych obiektu. 7

8 5. Analiza wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego Model matematyczny i komputerowy elektromagnetycznej wyrzutni ruchu liniowego opracowany został z wykorzystaniem trzech metod: - metody reluktancyjnej, w której dyskretyzacji podlegają wszystkie zmienne niezależne; - metody energetycznej (równań Eulera - Lagrange a), w której dwie zmienne niezależne (położenie ferromagnetycznego rdzenia i czas) pozostają ciągłe; - metody elementów skończonych (MES), w której zmienne niezależne przestrzenne są zdyskretyzowane, a czas jest ciągły. Dla każdej z powyższych metod modele symulacyjne zostały zweryfikowane eksperymentalnie. Do procesu optymalizacji wybrany został model opracowany metodą elementów skończonych, który zaimplementowany w programie COMSOL Multiphysics uwzględniał wszystkie istotne zjawiska fizyczne: zjawiska elektroniczne w układzie zasilania, zjawiska elektromagnetyczne oraz mechaniczne. Graficzny schemat wzajemnego sprzężenia się kilku rodzajów zjawisk przedstawiony został na rysunku 2. część mechaniczna: - położenie i prędkość ferromagnetyka; - siły bezwładności i tarcia; - masa rdzenia roboczego; - masa całego układu; część magnetyczna: - siła elektromagnetyczna; - krzywa magnesowania ferromagnetyka (statyczna i dynamiczna); - rozkład pola magnetycznego w ferromagnetycznych częściach obwodu; - rozkład pola magnetycznego w szczelinach powietrznych; część elektryczna: - rezystancja uzwojeń cewki; - indukcyjność cewki (statyczna i dynamiczna); - charakterystyki pracy układu zasilania; - prądy wirowe; - siła elektromotoryczna samoindukcji; Rys. 2 Schemat wzajemnego sprzężenia się rodzajów zjawisk W modelu MES porównane zostały dwie metody wyznaczania siły elektromagnetycznej oddziaływującej na ferromagnetyczny rdzeń: metodę prac wirtualnych i metodę tensora naprężeń. Przeanalizowane zostały trzy metody generowania siatki MES dla poruszającego się pod wpływem pola magnetycznego ferromagnetycznego rdzenia: metodę Lagrange a - 8

9 Eulera (ALE, ang. arbitrary Lagrangian-Eulerian) (Rys. 3), uproszczoną metodę Lagrange a - Eulera (AALE, ang. assembly arbitrary Lagrangian-Eulerian) oraz metodę Eulera. Dokonano analizy dokładności oraz czasu obliczeń wszystkich trzech metod dla trójkątnych i prostokątnych elementów skończonych. obszar nieruchomej siatki z r obszar ruchomej siatki (zagęszczanie) ferromagnetyk t=0.001[s] t=0.01[s] t=0.02[s] t=0.033[s] t=0.04[s] Rys. 3 Dyskretyzacja metodą Lagrange a- Eulera wyrzutni elektromagnetycznej w układzie (r, z) z ruchomą siatką MES w obszarze ruchu ferromagnetyka Opracowany model wyrzutni elektromagnetycznej został zweryfikowany dwuetapowo: a. W pierwszym etapie przeprowadzono weryfikację rozkładu pola magnetycznego w przestrzeni dla układu nieustalonego. Pomiary przeprowadzono w Laboratorium Wielkich Mocy w Instytucie Półprzewodników w Wilnie na Litwie. b. W drugim etapie na zbudowanym stanowisku laboratoryjnym w Zakładzie Napędów i Sterowań Politechniki Koszalińskiej przeprowadzono weryfikacje dynamiki obiektu (zmianę położenia ferromagnetycznego rdzenia w funkcji prądu zasilania i czasu). obszar ruchomej siatki (rozciąganie) cewki linie pola magnetycznego 9

10 Start Oscyloskop Generator Układ zasilania 1,2,3,4 - czujniki magnetorezystancyjne a) b) Rys. 4 Schemat (a) oraz zdjęcie (b) stanowiska laboratoryjnego do pomiaru pola magnetycznego w cewce Legenda do rysunku: 1, 2, 3, 4 cewki; 5 ferromagnetyczny rdzeń; 6 ogranicznik ruchu; 7 elektroniczne układy zasilania; 8 czujnik położenia typu indukcyjnego; 9 multimetry prądowe; 10 karta wejść z przetwornikami A/C; 11 karta wyjść z przetwornikami C/A; 12 komputer czasu rzeczywistego dspace; 13 komputer klasy PC Rys. 5 Zdjęcie stanowiska laboratoryjnego 2 6. Optymalizacja wielokryterialna Mając zweryfikowany model symulacyjny przeprowadzona została optymalizacja konstrukcji metodą przeglądu zupełnego oraz optymalizacja wielokryterialna konstrukcji i sterowania z wykorzystaniem algorytmów genetycznych. Zastosowano dwa środowiska programowe Matlab i COMSOL Multiphysics, pomiędzy którymi zorganizowano programowo dwukierunkowy przesył danych (Rys. 6). Wygenerowany w programie Matlab wektor zmiennych decyzyjnych przesyłany był do programu COMSOL Multiphysics, w którym z wykorzystaniem metody elementów skończonych wyznaczane były szukane wartości: natężenia pola magnetycznego, siły elektromagnetycznej oddziaływującej na ruchomy ferromagnetyk, prądów indukowanych w cewkach, straty cieplne w cewce oraz straty cieplne od prądów wirowych indukowanych 1 2 Laboratorium Wielkich Mocy, Instytut Półprzewodników, Wilno, Litwa Zakład Napędów i Sterowań, Politechnika Koszalińska 10

11 w ferromagnetycznym rdzeniu. Wewnątrz Matlaba obliczane były wartości masy całego urządzenia w funkcji zmiennych decyzyjnych geometrycznych. MATLAB COMSOL Multiphysics Program Optymalizacyjny zmienne decyzyjne wyznaczenie funkcji celu modelu wyrzutni elektromagnetycznej wartości wyznaczone na podstawie modelu dynamicznego Metoda Elementów Skończonych Rys. 6 Schemat blokowy wymiany danych pomiędzy programami Czas wyznaczenia 5 zmiennych decyzyjnych ze zbioru 50 elementowego w 100 iteracjach równy był około 14 godzin, natomiast czas wyznaczenia 20 zmiennych decyzyjnych ze zbioru 100 elementowego w 500 iteracjach równy był około 212 godzin (dla komputera klasy PC z czterordzeniowym procesorem Intel i7 860 o czasie taktowania 2.8 GHz, 8MB pamięci cache oraz wielowątkowego algorytmu obliczeń na słowie 64 bitowym). Czas obliczeń można skrócić przez zastosowanie komputera o większej mocy obliczeniowej. Wykonano model laboratoryjny wyrzutni elektromagnetycznej wraz z torem pomiarowym (Rys. 5). Głównym elementem toru pomiarowego był komputer czasu rzeczywistego firmy dspace o częstotliwości taktowania karty wejściowej i wyjściowej f = 1 khz. Wykorzystano bezinwazyjne czujniki do pomiaru natężenia prądu w cewkach oraz czujniki typu potencjometrycznego i typu indukcyjnego do pomiaru zmiany położenia oraz do pośredniego wyznaczenia prędkości ferromagnetycznego narzędzia roboczego w czasie. Otrzymane symulacyjnie optymalne parametry konstrukcji i sterowania zostały zweryfikowane (Rys. 7) na zbudowanym stanowisku laboratoryjnym. polozenie [cm],prad [A], predkosc [m/s] i 1,2 *10 [A] i 3 *10[A] z [cm] v [m/s] czas [s] Rys. 7 Wynik eksperymentu weryfikacyjnego dla trzy-cewkowej wyrzutni elektromagnetycznej 11

12 7. Przykład zastosowania badanego napędu Opracowana metodyka projektowania optymalnej wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego sprawdzona została na przykładzie procesu technologicznego łączenia metalowych elementów konstrukcji metodą przetłaczania na zimno. a) b) d) c) Rys. 8 Łączenie elementów metalowych w procesie formowania na zimno z wykorzystaniem matrycy i stempla: a), c), d) zdjęcie modelu laboratoryjnego, b) schemat narzędzi roboczych (1-stempel, 2, 3 - łączone metale, 4 - matryca) Nitowanie bezotworowe za pomocą opracowanej wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego odbywało się z prędkością 15 m/s. Wynik eksperymentalnego połączenia metali przedstawiony został na rysunku 9. a) b) c) d) Rys. 9 Połączenie pomiędzy dwoma arkuszami stali nierdzewnej: a) widok od strony stempla, b) widok od strony matrycy, c), d) przekrój połączenia pomiędzy aluminium i miedzią: c) widok od strony stempla, d) widok od strony matrycy. 8. Wnioski w zakresie metodyki modelowania 1) Metoda reluktancyjna nie uwzględnia dynamiki obiektu a rozpatrywanie wyrzutni jako obiektu o stałych skupionych ogranicza zbiór zmiennych decyzyjnych procesu 12

13 optymalizacji. Metoda reluktancyjna może być stosowana tylko do wstępnego oszacowania parametrów modelu wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego. 2) Metoda energetyczna uwzględnia dynamikę obiektu, jednak konieczna jest identyfikacja kilku współczynników równań modelu matematycznego, co uniemożliwia przeprowadzenie jednocześnie optymalizacji konstrukcji i sterowania. 3) Spośród dostępnych autorowi programów MES-owskich wybrany został program COMSOL Multiphysics ze względu na jednoczesne rozwiązywanie dowolnej ilości powiązanych równań różniczkowych cząstkowych (PDE), najnowocześniejszy zestaw solwerów iteracyjnych przeznaczonych do rozwiązywania nieliniowych problemów zmiennych w czasie, możliwość modelowania elektronicznego układu zasilania (w języku SPICE) oraz możliwość dwukierunkowego przesyłu danych do Matlab a. 4) Czworokątna siatka MES (dla generowania siatki metodami Lagrange a-eulera) w obszarze ruchomego ferromagnetyka powoduje skrócenie czasu obliczeń. W obszarze nieruchomym lepsza jest siatka trójkątna, która w porównaniu do czworokątnej posiada mniej stopni swobody, a przez to mniejsza liczbę równań potrzebnych do wyznaczenia rozkładu pola magnetycznego. 5) Spośród zastosowanych metod generacji siatki MES najmniej czasochłonna obliczeniowo jest metoda Eulera, która w całym obszarze analizowanego obiektu charakteryzuje się stałą w czasie siatką dyskretyzacji a poruszający się ferromagnetyk modelowany jest jako ciało quasi-płynne. W obszarze ruchu ferromagnetyka równe wymiary elementów skończonych zapobiegają niemonotonicznym zmianom energii potencjalnej pola magnetycznego. Zastosowanie metody Eulera skraca kilkakrotnie czas obliczeń w porównaniu do metod Lagrange a-eulera, przy zachowaniu żądanej dokładności obliczeń. 6) Wykorzystanie programu SPICE do modelowania elektronicznego układu zasilania umożliwia analizę wpływu charakterystyki pracy układu zasilania na parametry wyrzutni już na etapie modelowania bez konieczności budowania prototypów lub zakupu drogich układów zasilających z regulowanymi charakterystykami pracy. 7) Zbudowany model symulacyjny wyrzutni elektromagnetycznej pozwala na szczegółową analizę wpływu parametrów obwodu elektronicznego, elektrycznego, 13

14 magnetycznego oraz mechanicznego na sprawność energetyczną wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego. 8) Potwierdzona eksperymentalnie dokładność modelu symulacyjnego umożliwia przeprowadzenie optymalizacji konstrukcji i sterowania w szerokim zakresie ważności modelu. 9. Wnioski w zakresie optymalizacji 1) Wybór optymalnej konstrukcji i sterowania elektromagnetycznej wyrzutni ruchu liniowego jest procesem skomplikowanym i trudnym do wykonania bez zastosowania specjalistycznego oprogramowania wspomagającego proces generowania zmiennych decyzyjnych oraz obliczenia wartości funkcji celu. 2) Metoda przeglądu zupełnego jest mało efektywna do wyboru optymalnej konstrukcji wyrzutni elektromagnetycznej. Metoda przeglądu zupełnego może być wykorzystana do określenia zakresu zmienności lub wartości początkowych zmiennych decyzyjnych. 3) Ze względu na silną nieliniowość obiektu oraz nieliniową, nieróżniczkowalną i nieciągłą funkcję celu oraz dużą liczbę zmiennych decyzyjnych wybrana została metoda algorytmów genetycznych do wyboru optymalnej konstrukcji i sterowania ze względu na przyjęte kryteria optymalizacji. 4) Pomimo iż zastosowana metoda algorytmów genetyczny wymaga wielokrotnego wyznaczania funkcji celu każdej populacji zmiennych decyzyjnych moc obliczeniowa współczesnych komputerów jest wystarczająca do wyznaczenia minimum globalnego w rozsądnym czasie. 5) Metoda algorytmów genetycznych może być z powodzeniem stosowana do wielokryterialnej optymalizacji wyrzutni elektromagnetycznej ruchu liniowego oraz podobnych konstrukcyjnie przetworników elektromagnetycznych. 6) Sygnał prądowy o przebiegu prostokątnym jest korzystniejszy z punktu widzenia sprawności energetycznej wyrzutni dla małych prądów (poniżej 5 A). Wymagany jest jednak specjalny zasilacz ze stabilizacją wartości natężenia prądu dla odbiornika indukcyjnego (cewki). Dla prądów sięgających wartości 50 A korzystniejszy jest przebieg harmoniczny. 14

15 7) Wykorzystanie tranzystora z serii BT151 oraz sieci V Hz umożliwia redukcję kosztów budowy układu zasilania. Sygnał o przebiegu harmonicznym ogranicza indukowanie się zgodnie z regułą Lenz a przeciw-napięcia w sąsiedniej cewce oraz eliminuje konieczność stosowania diody rozładowującej, zabezpieczającej przed wysokimi przeciw-napięciami powstającymi dla dużej wartości gradientu pola magnetycznego. 10. Wnioski w zakresie zastosowań 1) Wykonanie elektromagnetycznej wyrzutni ruchu liniowego wymaga precyzyjnego oprzyrządowania związanego nie tylko z obróbką mechaniczną ale również z budową układu zasilania oraz toru pomiarowego. Dlatego autor musiał pokonać wiele trudności natury technicznej. 2) Na uwagę zasługuje innowacyjny proces technologiczny łączenia metalowych elementów konstrukcji. Sam proces i zjawiska zachodzące w łączonych metalach dla prędkości narzędzia roboczego większego od 150 mm/s nie jest znany i jego analiza nie była celem pracy. 3) Wybrane środowisko programowe (COSMOL Multiphysics) umożliwia zamodelowanie zachodzących w łączonych metalach procesów podczas przetłaczania narzędziem roboczym. Możliwa jest wtedy modyfikacja funkcji celu o kolejne kryterium związane z wytrzymałością wykonanego połączenia. 11. Kierunki dalszych badań W zakresie doboru optymalnych parametrów konstrukcji i sterowania możliwe jest wykorzystanie innych algorytmów ewolucyjnych i porównanie efektywności ich działania. Należy również przeprowadzić analizę wpływu liczby iteracji i liczebności populacji na zbieżność algorytmu genetycznego. W dalszym etapie badań utylitarnych planowana jest optymalizacja kształtów narzędzi roboczych do łączenia metalowych elementów konstrukcji i opracowanie metody doboru narzędzi roboczych w zależności od właściwości plastycznych i wymiarów łączonych materiałów. Rozpoczęta została współpraca z Katedrą Mechaniki Technicznej i Wytrzymałości Materiałów Politechniki Koszalińskiej nad symulacją procesu przetłaczania z dużą prędkością narzędzia roboczego. Prowadzone badania mają na celu określenie wpływu prędkości narzędzia roboczego na parametry wykonywanych połączeń metalowych elementów konstrukcji. 15

16 12. Wykaz publikacji z udziałem autora Piskur P., Tarnowski W., Just K.: Definition of Optimization Problem for Electromagnetic Linear Actuator, COMSOL Conference 2009, października 2009, Mediolan, Włochy, Materiały Konferencyjne, Piskur P., Tarnowski W., Just K.: Model of the electromagnetic linear actuator for optimization purposes, 23 th European Conference on Modelling and Simulation, s , Hiszpania, Piskur P., Tarnowski W.: Modelowanie urządzeń mechatronicznych z uwzględnieniem nieliniowości elementów obiektu, Doktoranci Gospodarce, Sarbinowo, Materiały Konferencyjne, grudnia Piskur P., Tarnowski W.: Poly-optimization of coil in electromagnetic linear actuator, 7 th International conference MECHATRONICS 2007, Warszawa, Materiały Konferencyjne, września 2007r. Gosiewski Z., Falkowski K., Piskur P.: Zastosowanie tablic Halbacha w maszynach elektrycznych ruchu liniowego i obrotowego, Zeszyty naukowe Politechniki Białostockiej 13/2006, s.: 25-41, Białystok Gosiewski Z., Falkowski K., Piskur P.: Elektromechaniczne napędy liniowe, Konferencja PIAP, Warszawa, Materiały Konferencyjne, 6 kwietnia 2005r. Piskur P.: Model laboratoryjny silnika liniowego reluktancyjnego X Seminarium Koła Naukowego Studentów Mechatroników: Wybrane Problemy Mechatroniki, Warszawa, Materiały Konferencyjne, 15 maja 2004r. Piskur P.: Design of linear stepping reluctance motor Student s scientific conference CERC 2003, Bukareszt, Materiały Konferencyjne, maja 2003r. Piskur P.: Projekt liniowego silnika reluktancyjnego IX Seminarium Koła Naukowego Studentów Mechatroników: Wybrane Problemy Mechatroniki, Materiały Konferencyjne, Warszawa 20 maja 2003r. Piskur P.: Projekt skokowego silnika liniowego reluktancyjnego VI Sympozjum Naukowe: Sterowanie i Monitorowanie Układów Przemysłowych, Lublin, Materiały Konferencyjne, 9 10 maja 2003r. 16