Model procesu projektowania urządzeń mechatronicznych cz. 2

Transkrypt

1 Jakub Wierciak Model procesu projektowania cz. 2 Człowiek- najlepsza inwestycja Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Analiza funkcji systemu (Wierciak 2007) 1. Określenie potrzeb użytkownika - struktura systemu, interfejsy 2. Analiza funkcji systemu - wykaz układów wykonawczych i pomiarowych wraz z wymaganiami technicznymi 3. Analiza wymagań technicznych - propozycje technicznych rozwiązań poszczególnych układów 4. Opracowanie podsystemów urządzenia: mechanicznego, elektronicznego i programowego - dokumentacje techniczne 5. Nadzór nad wykonaniem prototypu - poprawki konstrukcyjne 6. Uruchamianie prototypu - modyfikacje systemu

3 Analiza funkcji głównej

4 Sterowany proces techniczny Metodyka projektowania Funkcja główna układy wykonawcze i pomiarowe (Gawrysiak 1997) Komunikacja z innymi urządzeniami Układy pomiarowe Urządzenia do wyprowadzania informacji Urządzenia do wprowadzania informacji Układy wykonawcze Komunikacja z innymi urządzeniami

5 Metody opisu funkcji systemów (Gawrysiak 1997)

6 Analiza funkcji głównej urządzenia (Wierciak 2007) Układy wykonawcze Układy pomiarowe

7 Przykładowy algorytm badawczy (wyznaczanie charakterystyki rozruchowej) (Lisicki, Wierciak 2005) Zwiększenie siły obciążenia Wysłanie pakietu impulsów Sprawdzenie stabilności ruchu Ruch stabilny Sprawdzenie kryterium dokładności Zmniejszenie częstotliwości taktowania Ruch niestabilny Kryterium spełnione Kryterium niespełnione Zarejestrowanie punktu charakterystyki Zwiększenie częstotliwości taktowania

8 Przykładowy algorytm badawczy (wyzn. charakterystyk pozycjonowania) (Lisicki, Wierciak, Czerwiec 2005) Obciążenie siłownika Wysłanie pakietu impulsów taktujących Pomiar przemieszczenia popychacza Wyznaczenie i zarejestrowanie wartości błędu Sprawdzenie położenia popychacza Zakres osiągnięty Zakres nie osiągnięty Wyznaczenie błędu maksymalnego

9 Wyniki etapu 2 wykaz układów wykon. i pomiarowych wraz z wymaganiami (Wierciak 2007) Układy wykonawcze 1. Układ sterowania siłownika (max. prąd 4,6 A, f max = 5 khz) 2. Układ obciążania siłownika (0 2 kn) Układy pomiarowe 1. Siły obciążającej (0 2 kn) 2. Przemieszczenia popychacza (0 100 mm, błąd < 1μm) 3. Detekcji synchronizmu (definicja)

10 Sterowanie okien wykaz układów wykonawczych i pomiarowych (Wierciak 2007) Układy wykonawcze 1. Otwieranie okna 2. Uchylanie okna 3. Rozszczelnianie Układy pomiarowe 1. Położenie skrzydła 2. Prędkość i kierunek wiatru 3. Temperatura zewnętrzna 4. Hałas na zewnątrz 5. Różnica ciśnień na zewnątrz i wewnątrz 6. Obecność przeszkód

11 Funkcji główna stanowiska do kontroli poduszek powietrznych - przypomnienie (Subdysiak 2009)

12 Analiza funkcji schemat blokowy funkcjonalny (Subdysiak 2009)

13 Funkcja główna chód po płaskiej poziomej powierzchni (Whittle 1996)

14 Płaszczyzna strzałkowa Płaszczyzna czołowa Metodyka projektowania Płaszczyzny przekroju ciała człowieka (Pons 2008) Płaszczyzna poprzeczna

15 Chód po płaskiej poziomej powierzchni - kinematyka miednicy (Syczewska 2010) Płaszczyzna strzałkowa Płaszczyzna czołowa Płaszczyzna poprzeczna

16 Chód po płaskiej poziomej powierzchni - kinematyka stawu biodrowego (Syczewska 2010) Płaszczyzna strzałkowa Płaszczyzna czołowa Płaszczyzna poprzeczna

17 Chód po płaskiej poziomej powierzchni - kinematyka stawu kolanowego (Syczewska 2010) Płaszczyzna strzałkowa Płaszczyzna czołowa

18 Struktura mechaniczna narządu ruchu człowieka (Szykiedans 2010) Miednica 3 stopnie swobody Staw biodrowy 3 stopnie swobody Staw kolanowy 3 stopnie swobody Staw skokowy 3 stopnie swobody Stopa 2 stopnie swobody

19 Wykaz układów wykonawczych urządzenia do wspomagania chodu propozycja (ECO-V 2010) 1. Układ realizacji ruchu stawu biodrowego w płaszczyźnie strzałkowej 2. Układ realizacji ruchu stawu kolanowego w płaszczyźnie strzałkowej 3. Układ realizacji ruchu stawu skokowego w płaszczyźnie strzałkowej

20 Wymagania funkcjonalne profil ruchu siłownika stawu kolanowego ECO-V 2010

21 Przegląd rozwiązań technicznych (Wierciak 2007) 1. Określenie potrzeb użytkownika - struktura systemu, interfejsy 2. Analiza funkcji systemu - wykaz układów wykonawczych i pomiarowych wraz z wymaganiami technicznymi 3. Analiza wymagań technicznych - propozycje technicznych rozwiązań poszczególnych układów 4. Opracowanie podsystemów urządzenia: mechanicznego, elektronicznego i programowego - dokumentacje techniczne 5. Nadzór nad wykonaniem prototypu - poprawki konstrukcyjne 6. Uruchamianie prototypu - modyfikacje systemu

22 Opracowanie układów wykonawczych i pomiarowych

23 Podstawowe struktury układów wykonawczych (Isermann 2005) AE Energia pomocnicza Element wykonawczy (mechanizm) U i U 1 U 2 U 3 U 4 Sygnał nastawczy Przetwornik sygnału Przetwornik aktywny (napęd) Energia siłownika Przetwornik ruchu Energia siłownika Przedmiot procesu lub przepływ energii Sterowany przepływ Źródło

24 Podstawowe struktury układów wykonawczych Metodyka projektowania (Isermann 2005) R1 R2 Sterownik położenia Sterownik główny AE Element wykonawczy (mechanizm) Energia pomocnicza Ui Sygnał nastawczy Przetwornik sygnału U1 U2 Przetwornik aktywny (napęd) Energia siłownika U4r U4 U3 Energia nastawcza Przetwornik ruchu Przedmiot procesu lub przepływ energii Sterowany przepływ Źródło

25 Stopnie integracji sensorów (Heimann, Gerth, Popp 2001)

26 Schemat układu obciążającego (Wierciak, Szykiedans 2004) Płyta górna Silnik obciążający Cięgno Popychacz Przetwornik siły Badany siłownik Stolik liniowy Płyta dolna

27 Układ obciążania badanego silnika (Rawski, Wierciak 2005) Zadana wartość siły F E F U F Przelicznik Przetwornik C/A Moduł izolujący ADAM V U F Napęd NR 160 Popychacz siłownika F Mechanizm rolkowo -cięgnowy M F Silnik obciążający I F Sterownik silnika 24 V Akumulatory Instrukcja (zał / wył) Wyjście (DO) Układ izolujący Wyłącznik Ładowarka - oprogramowanie 12 V - moduł sterująco-pomiarowy - układy elektroniczne - układy elektromechaniczne - badany obiekt (siłownik)

28 Układ sterowania siłownika (Wierciak 2004) Częstotliwość taktowania Instrukcje sterownika Napięcia sterujące Liczbowa wartość siły Program sterujący Port RS 232 Sterownik API DM-224i Badany siłownik Przemieszczenie popychacza 32 V DC Zasilacz ZN200-L

29 Układ pomiaru siły obciążającej (Wierciak, Szykiedans 2004) - oprogramowanie - moduł sterująco-pomiarowy ADVANTECH PCL 812 PG Układ obciążający Przetwornik siły KT 1500 K Popychacz siłownika - układy elektroniczne - układy elektromechaniczne - badany obiekt (siłownik) Mostek tensometryczny ADAM 3016 Przetwornik A/D Algorytm pomiaru

30 Układ pomiaru przemieszczeń popychacza (Wierciak 2004) Śruba siłownika Czujnik przemieszczenia MT-101K Kabel specjalny Karta licznika IK-220 Algorytm pomiaru - oprogramowanie - moduł sterująco-pomiarowy - układy elektroniczne - układy elektromechaniczne - badany obiekt (siłownik)

31 Opracowanie dokumentacji konstrukcyjnej (Wierciak 2007) 1. Opracowanie założeń użytkowych - funkcja główna, struktura systemu, interfejsy 2. Analiza funkcji głównej urządzenia - wykaz układów wykonawczych i pomiarowych wraz z wymaganiami technicznymi 3. Opracowanie układów wykonawczych i pomiarowych - propozycje technicznych rozwiązań poszczególnych układów 4. Opracowanie podsystemów urządzenia: mechanicznego, elektronicznego i programowego - dokumentacje techniczne 5. Nadzór nad wykonaniem prototypu - poprawki konstrukcyjne 6. Uruchamianie prototypu - modyfikacje systemu

32 Opracowanie podsystemów

33 Konstruowanie (Gawrysiak 1997)

34 Stanowisko badawcze (Wierciak, Rawski, Szykiedans, Lisicki 2005)

35 Wyniki etapu 4 dokumentacje techniczne podsystemów (podsystem mechaniczny) (Wierciak 2007)

36 Wyniki etapu 4 dokumentacje techniczne podsystemów (podsystem elektroniczny) (Rawski, Wierciak 2005)

37 Wyniki etapu 4 dokumentacje techniczne podsystemów (oprogramowanie) (Lisicki, Wierciak 2005) Praca z istniejącymi danymi Inicjalizacja programu Gromadzenie nowych danych Formularz główny Formularz wyboru pliku Formularz ustawienia parametrów pomiaru Algorytm pomiarowy Otwarcie pliku Utworzenie zestawienia Utworzenie raportu Zapisanie wyników - blok kodu programu bez możliwości ingerencji użytkownika Utworzenie karty pliku - blok interakcji z użytkownikiem - blok sterująco-pomiarowy Formularz główny

38 Opracowanie podsystemów (podsystem mechaniczny) (Subdysiak 2009)

39 Opracowanie podsystemów widok urządzenia (Subdysiak 2009)

40 Wykonanie prototypu (Wierciak 2007) 1. Opracowanie założeń użytkowych - funkcja główna, struktura systemu, interfejsy 2. Analiza funkcji głównej urządzenia - wykaz układów wykonawczych i pomiarowych wraz z wymaganiami technicznymi 3. Opracowanie układów wykonawczych i pomiarowych - propozycje technicznych rozwiązań poszczególnych układów 4. Opracowanie podsystemów urządzenia: mechanicznego, elektronicznego i programowego - dokumentacje techniczne 5. Nadzór nad wykonaniem prototypu - poprawki konstrukcyjne 6. Uruchamianie prototypu - modyfikacje systemu

41 Wykonanie prototypu

42 Wybrane podzespoły elektromechaniczne (Szykiedans, Wierciak 2005)

43 Wykonanie podsystemu mechanicznego (Wierciak, Szykiedans 2005) Przetwornik siły Badany siłownik Przetwornik przemieszczenia Silnik obciążający Cięgno

44 Wykonanie podsystemu elektronicznego (Wierciak, Rawski 2005)

45 Wybrane elementy interfejsu użytkownika (Lisicki, Wierciak 2005)

46 Wyniki etapu 5 prototyp urządzenia przykład (Wierciak 2007)

47 Uruchomienie prototypu (Wierciak 2007) 1. Określenie potrzeb użytkownika - struktura systemu, interfejsy 2. Analiza funkcji systemu - wykaz torów wykonawczych (sterujących) i pomiarowych wraz z wymaganiami technicznymi 3. Analiza wymagań technicznych - propozycje technicznych rozwiązań poszczególnych torów 4. Opracowanie podsystemów urządzenia: mechanicznego, elektronicznego i programowego - dokumentacje techniczne 5. Nadzór nad wykonaniem prototypu - poprawki konstrukcyjne 6. Uruchamianie prototypu - modyfikacje systemu

48 Uruchomienie prototypu

49 Siłownik LA34C2xN6x1,0 zamontowany w stanowisku badawczym (Szykiedans, Wierciak 2005)

50 Siła obciążenia F [N] Metodyka projektowania Graniczne charakterystyki rozruchu siłownika LA34C2xN6x1,0 (Lisicki, Wierciak 2005) Graniczna charakterystyka rozruchu siłownika LA34C2xN6x1, Prędkość popychacza v [mm/s] Serie1 Serie2

51 Siła obciążenia F [N] Metodyka projektowania Graniczne charakterystyki pracy siłownika LA34C2xN6x1,0 (Lisicki, Wierciak 2005) 1400 Charakterystyki graniczne siłownika LA34C2xN6x1, Serie1 Serie Prędkość popychacza v [mm/s]

52 Algorytm projektowania (Wierciak 2007) 1. Określenie potrzeb użytkownika - struktura systemu, interfejsy 2. Analiza funkcji systemu - wykaz układów wykonawczych i pomiarowych wraz z wymaganiami technicznymi 3. Analiza wymagań technicznych - propozycje technicznych rozwiązań poszczególnych układów 4. Opracowanie podsystemów urządzenia: mechanicznego, elektronicznego i programowego - dokumentacje techniczne 5. Nadzór nad wykonaniem prototypu - poprawki konstrukcyjne 6. Uruchamianie prototypu - modyfikacje systemu

53 Wyniki etapu 6 wybrane udoskonalenia systemu (Wierciak 2007) 1. Dodatkowe układy wykrywania krańcowych położeń popychacza 2. Dodatkowy mechanizm powiększający siłę obciążającą 3. Nowy algorytm detekcji utraty synchronizmu przez siłownik 4. Nowy algorytm pomiarowy zmniejszający ilość ciepła wydzielającego się w silniku obciążającym

54 Wybrane udoskonalenia systemu - układy wykrywania położeń krańcowych (Wierciak 2007)

55 Wybrane udoskonalenia systemu - mechanizm zwiększający siłę obciążającą (M. Igielski 2007) Do badanego siłownika Dodatkowy bloczek Cięgno Rolka Do silnika obciążającego

56 Wybrane udoskonalenia systemu - algorytm detekcji utraty synchronizmu (Lisicki 2005) x=f(t), v=f(t), a=f(t) położenie x [mm] prędkość v [mm/s] przyspieszenie a [mm/s^2] ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4, czas t [s]

57 Wybrane udoskonalenia systemu - nowy algorytm pomiarowy (Lisicki 2005) I próba II próba III próba IV próba V próba Algorytm zmodyfikowany F max /2 F szukane F max Algorytm pierwotny

58 Wybrane udoskonalenia systemu - synergia układów pomiarowych (Lisicki, Wierciak 2005) Jeden układ służący zarówno do pomiaru przemieszczenia popychacza, jak i detekcji synchronizmu ruchu siłownika (zamiast dwóch). x=f(t), v=f(t), a=f(t) 40 położenie x [mm] prędkość v [mm/s] 30 przyspieszenie a [mm/s^2] ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4, czas t [s]

59 System do otwierania okien (Wierciak 2007) Siłowniki Przetworniki Panel Pilot Okno

60 Synergiczne efekty projektu studenckiego (Wierciak 2007) 1. Jeden układ do pomiaru położenia skrzydła okna (zamiast trzech) 2. Ten sam układ wykonawczy zarówno do otwierania, jak i uchylania okna 3. Jeden układ pomiaru siły i kierunku wiatru dla całego budynku

61 Sterowany proces Metodyka projektowania System mechatroniczny podsumowanie projektu (Gawrysiak 1997, Wierciak 2007) Ekran monitora Lampki Urządzenia do wyprowadzania danych Komunikacja z innymi urządzeniami Układy pomiarowe Siła obciążająca Przemieszczenie liniowe Położenia krańcowe Sterownik Urządzenia do wprowadzania danych Klawiatura Mysz Komunikacja z innymi urządzeniami Układy wykonawcze Sterowanie siłownika Zadawanie siły

62 Publikacje (Wierciak 2008) 1. Wierciak J.: Remarks on designing mechatronic devices. 6th Polish- German Mechatronic Workshop Smart System Integration, , Ilmenau, Germany, on CD 2. Wierciak J.: Model of process of designing mechatronic devices proposal. Materiały XII Sympozjum Podstawowe Problemy Energoelektroniki, Elektromechaniki i Mechatroniki, Wisła, 9-12 grudnia 2007, Archiwum Konferencji PTETiS vol. 24/2007, pp Wierciak J., An algorithm for designing mechatronic systems. Design methods for industrial practice, Rohatyński R. (Ed.). Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra 2008, s

63 Podsumowanie (Wierciak 2011) 1. Dalsze prace systematyzujące i uściślające 2. Sprawdzenie algorytmu przy okazji prowadzenia własnych projektów i prac dyplomowych 3. Wszystko już było?

64 Konstruowanie precyzyjnych (ZKUP 196 )

65 Założenia konstrukcyjne (ZKUP 196 )