Raport de activitate Etapa II

In cadrul Etapei a II-a a proiectului SISTEM DE POZITIONARE STABILIZAT GIROSCOPIC DESTINAT ECHIPARII MIJLOACELOR MOBILE TERESTRE SI AERIENE - SIOSTAG s-au obtinut următoarele rezultate în conformitate cu prevederile din planul de realizare a proiectului.

Realizare “Documentatie in revizie initiala Bloc Citire Senzori si Comanda (BCSC)” Executie “2 bucati BCSC” Realizare “Documentatie software in revizie initiala pentru controlul BCSC”

Partenerul Universitatea Politehnica Bucureşti a realizat o documentaţie în revizie iniţială pentru “Blocul de citire senzori şi comandă” –BCSC (blocul giroscopic) şi a executat 2 astfel de produse împreună cu specialiştii firmei coordonatoare de proiect Electro Optic Components SRL (EOC). In cadrul EOC s-au realizat reperele mecanice in conformitate cu documentatia realizata. Documentaţia şi blocurile au fost preluate de EOC în vederea testării performanţelor de stabilizare. In cadrul EOC documentatia Blocului de citire senzori a primit codul de produs 10.55-01.00. Elementul cheie al acestor blocuri îl constituie giroscopul tip MEMS model ADIS161 36/37 de la Analog Devices. Mai jos sunt prezentate cele 2 blocuri realizate.

In revizia initiala (PBG V5) pentru executia BCSC a fost folosit giroscopul ADIS16137 de la Analog Devices. Microcontrolerul placii de comanda si control BCSC contine aplicatia software in revizie initiala realizata de UPB. In comparatie cu giroscopul optic DSP3000 si cu giroscopul folosit la versiunea anterioara de bloc giroscopic (PBG V4), giroscopul curent are urmatorii parametrii:

ADIS16137 DSP3000 ADXRS453

Viteza unghiulara maxima

±1000°/sec ±375°/sec ±400°/sec

Stabilitate ±2.8°/ora ±1°/ora - Repetabilitate ±0.15°/sec ±0.0056°/sec (±20°/ora) ±0.4°/sec Densitate de zgomot 12.852°/ora/√Hz

0.00357°/sec/√Hz 4°/ora/√Hz 0.00111°/sec/√Hz

54°/ora/√Hz 0.015°/sec/√Hz

Latime de banda 380Hz 400Hz 77.5Hz Un avantaj foarte semnificativ fata de ADXRS453 este faptul ca ADIS16137 are implementate filtre digitale interne, deci viteza unghiulara poate fi folosita direct fara procesare suplimentara la nivelul microcontrollerului care gestioneaza giroscopul. Versiunea anterioara de bloc giroscopic utiliza si un accelerometru folosit impreuna cu un filtru Kalman sau un filtru Complementar. In versiunea curenta, am pastrat accelerometrul dar am renuntat la filtrele folosite – acestea, desi elimina drift-ul giroscopului pe termen lung, afecteaza negativ timpul de raspuns al sistemului. Acum accelerometrul este folosit pentru a calcula orientarea blocului, aceasta informatie fiind transmisa separat de unghiul giroscopului catre drive-urile de motoare. Pe un interval de 10 secunde, driftul giroscoapelor arata astfel:

ADXRS453

DSP3000

ADIS16137

Se poate observa ca ADIS16137 este mult mai putin afectat de zgomot decat ADXRS453. Totusi, pe un interval de timp mai mare, se poate observa ca DSP3000 este mult mai stabil.

DSP3000

ADIS16137

DSP3000 are un drift perfect liniar, pe cand ADIS16137 isi schimba in timp offsetul fata de zero al vitezei unghiulare, astfel ducand la un unghi ce variaza in mod neliniar. Pe un interval de timp si mai mare, neliniaritatea unghiului este si mai pronuntata:

Pentru a rezolva problema driftului, am implementat un sistem extern de compensare a driftului: se observa variatia unghiului pe un interval de timp foarte mare (de ordinul zecilor de secunde), daca aceasta se incadreaza in anumite limite, se considera ca platforma este stationara si se calculeaza deriva platformei, aplicand apoi corectiile necesare in calculele agloritmului de stabilizare la nivelul drive-urilor de motoare.

Realizare „Documentatie in revizie initiala pentru Drive Motor BLDC” Executie “2 bucati Drive Motor BLDC” Realizare “Documentatie software in revizie initiala pentru controlul drive-ului motor BLDC”

Motoarele de curent continuu fara perii(BLDC), sunt unul dintre tipurile de motoare care câştigă rapid popularitate. Motoare BLDC sunt utilizate în diferite domenii, cum ar fi zona automotive, aerospatiala, medicala, echipamente de automatizare industrială şi instrumentaţie. După cum sugerează şi numele, motoare BLDC nu folosesc perii de comutaţie, in schimb comutarea campurilor se face electronic. Motoare BLDC au multe avantaje faţă de cele cu perii de curent continuu.

Câteva dintre acestea sunt: • un raport mai bun viteza/ cuplu• răspuns dinamic crescut• randament ridicat• timp de operare mare• funcţionarea silenţioasă• domeniu crescut de vitezeIn plus, cuplul raportat la dimensiunea motorului este mai mare, ceea ce face util în aplicaţii unde spaţiul şi greutatea sunt factori esentiali. Pentru a putea regla viteza rotorului, viteza acestuia trebuie măsurată sau cel puţin estimată. Există mai multe metode de măsurare a poziţiei şi / sau a vitezei rotorului unui motor.

1. Traductoare pentru măsurarea vitezei / poziţiei rotorului unui motor (maşină electrică)

1.1 Tahogeneratorul Pentru măsurarea vitezei de rotaţie a rotorului se poate utiliza un tahogenerator. Tensiunea de ieşire a tahogeneratorului este proporţională cu viteza, deoarece este de fapt o maşină de curent continuu de dimensiuni mai mici excitată de un magnet permanent.

Ieşirea tahogeneratoarelor este de regulă de câţiva volţi la 1000 rot / min, şi are şi o componentă perturbatoare de riplu datorită numărului limitat de poli ai maşinii de cc. Semnalul de ieşire al tahogeneratorului este de obicei o tensiune de tip analogic şi astfel este un semnal sensibil la zgomotul prezent în procesul de măsurare. În plus, la o viteză constantă, tensiunea de ieşire variază în funcţie de temperatură în special ca urmare a caracteristicilor magnetului permanent. Datorită deficienţelor prezentate, precizia reglării vitezei folosind tahogeneratorul este limitată, iar precizia reglării vitezei este de obicei 0,1% din viteza nominală în întreaga gamă de temperaturi de funcţionare.

Chiar dacă are unele neajunsuri, tahogeneratorul este încă folosit în multe sisteme simple de reglare a vitezei datorită unor avantaje ale sale, cum ar fi simplitatea, robusteţea mecanică şi posibilitatea de măsurare directă a vitezei fără a fi necesară prelucrarea semnalelor.

1.2 Encoderul Pentru a măsura viteza sau poziţia rotorului se utilizează pe scară largă encoderul (codificatorul) digital. Acesta generează un tren de impulsuri a căror frecvenţă este cu mare exactitate proporţională cu viteza. Encoderele pot fi clasificate ca fiind de tip incremental, unde impulsul corespunde poziţiei relative a rotorului şi de tip absolut, unde impulsul corespunde poziţiei absolute a rotorului. Acesta se utilizează la controlul unui motor sincron, unde unghiul absolut al rotorului este esenţial în procesul de reglaj.

Cu toate avantajele encoderelor absolute, odată cu dezvoltarea tehnicilor de control al motoarelor electrice, encoderele incrementale cu mai multe impulsuri auxiliare sunt din ce în ce mai utilizate pentru controlul maşinilor sincrone în aplicaţii industriale în special datorită costului mai redus al acestora. De exemplu, pentru controlul motorului de cc. sau a motorului cu inducţie, unde poziţia absolută nu are nici o semnificaţie pentru reglarea vitezei, encoderele incrementale sunt utilizate aproape în toate cazurile.

Encoderele de tip incremental pot fi clasificate în funcţie de principiile de funcţionare ca fiind de tip magnetic şi de tip optic. Numărul maxim de impulsuri per rotaţie (PPR) al encoderului de tip magnetic este de obicei mai mic decât cel al encoderului de tip optic, dar encoderul de tip magnetic este mai rezistent la condiţiile de mediu şi are un preţ mai mic. Prin urmare, encoderul magnetic este de obicei folosit pentru:

(a) aplicaţii de tip tracţiune atunci când mediul de lucru este agresiv (b) aparate electrocasnice, în care costul reprezintă o preocupare majoră.

Encoderul optic, este totuşi cel mai utilizat pe scară largă pentru controlul vitezei la nivel de înaltă performanţă. Din punct de vedere al controlului, diferenţa dintre cele două tipuri de encodere este doar numărul de impulsuri pe rotaţie (revoluţie), iar conceptele de control pot fi aplicate sistemului de control al vitezei cu orice tip de encoder.

Fig. 1 Configuraţie principială a unui encoder optic. După cum se arată în figura 1, indiferent de tipul absolut sau incremental, codificatorul optic este alcătuit dintr-o diodă electro-luminiscentă (LED), o lentilă condensor, un disc rotativ cu fante, un receptor de lumină care este de obicei un dispozitiv semiconductor fotosensibil de tip fototranzistor şi o parte electronică pentru a procesa semnalul de la ieşirea fototranzistorului. Impulsul de la encoder este generat de o ieşire diferenţială pentru o mai bună imunitate la zgomot. În figura 2 a) este ilustrat aranjamentul fantelor pentru un encoder absolut de tip cod Gray pe 4 biţi şi în Fig. 2b) se prezintă fantele pentru codificatorul incremental, care generează nu numai pulsurile incrementale "A" şi B, dar şi unele impulsuri auxiliare, cum ar fi un impuls index, "Z" precum şi impulsurile "U", "V" şi "W" care ajută la determinarea poziţiei absolute a rotorului.

În timp ce encoderul absolut identifică poziţia rotorului prin semnalul digital (biţi), encoderul incremental furnizează de obicei două seturi de trenuri de impulsuri numite pulsuri "A" şi "B". Faza trenului de impulsuri "A" este înaintea celei pentru impulsurile "B" atunci când direcţia de rotaţie este cea pozitivă. În encoderul incremental poziţia relativă a rotorului poate fi estimată prin contorizarea (acumularea) impulsurilor. De obicei, encoderele incrementale furnizează un impuls "Z", care este un impuls de tip index care este generat odată pe rotaţie într-o anumită poziţie a rotorului. Prin numărarea numărului de impulsuri "A" sau "B" după impulsul "Z", poziţia absolută poate fi identificată după ce a fost identificat pulsul "Z". Înainte de impulsul "Z", poziţia absolută nu poate fi identificată. Pentru a rezolva această problemă, se generează impulsurile "U", "V" şi "W", care sunt impulsurile cu un factor de umplere de 50% faza fiecărui tren de impulsuri fiind decalată faţă de cealaltă cu 120°. Prin urmare, poziţia absolută a rotorului poate fi identificată cu precizie de ±30°. În majoritatea aplicaţiilor industriale se pot utiliza encodere incrementale cu mai puţin de 8192 PPR; dar pentru controlul vitezei şi poziţiei unor sisteme cu o dinamică mare şi foarte precise se utilizează encodere cu un număr mai mare de impulsuri, fiind disponibile cu 223PPR. O valoare aşa mare a PPR este de obicei obţinută prin interpolarea bazată pe prelucrarea digitală a semnalelor câtorva mii de semnale PPR. Prin utilizarea acestui encoder cu număr mare de pulsuri PPR, chiar şi la viteze mai mici de câteva rot/min, este posibilă o bandă de reglaj a vitezei de câteva mii rad/s.

(a) (b)

Fig. 2. Structura fantelor pentru encodere optice (a) Encoder optic de tip absolut pe patru biţi. (b)

Encoder incremental. 1.3 Resolverul Resolverul este un tip de motor sincron cu reluctanţă, unde reluctanţa este dependentă de poziţia rotorului. Resolverul are de obicei trei seturi de înfăşurări, aşa cum se arată în figura 3.

Fig. 3 Principiul de funcţionare al unui resolver. schemă de principiu pentru un resolver cu doi

poli. Una este utilizată ca semnal de excitaţie alimentată de la o sursă sinusoidală de curent alternativ cu tensiune constantă. Alte două înfăşurări sunt utilizate pentru a detecta poziţia rotorului, fiecare înfăşurare este decalată spaţial cu 90 faţă de cealaltă. Din tensiunea generată de cele două înfăşurări poate fi identificată poziţia absolută a rotorului. Structura rotorului şi a statorului este prezentată în figura 3. Numărul de poli ai resolverului poate fi orice număr par, dar în Fig. 3 este reprezentat un resolver cu doi poli pentru simplificare. În figura 4 sunt prezentate semnalele de ieşire în funcţie de poziţia rotorului iar în figura 6, este prezentat aspectul unui resolver. Dacă semnalul de tip tensiune din relaţia (1) este aplicat între bornele de intrare R1 şi R2, atunci tensiunea de ieşire poate fi descrisă ca (2).

tEV RR sin21 (1)

rSS PPtKEV cossin31 (2)

rSS PPtKEV sinsin42 unde K este raportul dintre numărul de spire dintre înfăşurările de intrare şi de ieşire, iar PP este numărul de perechi de poli ai resolverului, care este jumătate din numărul de poli. Numărul de perechi de poli PP ai resolverului trebuie ales potrivit cu numărul de perechi de poli ai motorului electric.

Fig. 4 Tensiunea de excitaţie şi tensiunile de ieşire în funcţie de poziţia rotorului.

Multe resolvere actuale sunt de tipul tipuri brushless -fără perii (aşa cum se vede în Fig. 5) unde, în loc să se utilizeze perii şi inele colectoare de contact prin alunecare, excitaţia rotorului este de tip transformator cuplat la înfăşurarea rotorului. Resolverele de acest tip sunt foarte fiabile şi pot fi utilizate în cele mai pretenţioase aplicaţii.

După cum se vede din relaţia (2), tensiunile de ieşire includ informaţia referitoare la poziţia rotorului şi prin demodularea celor două tensiuni de ieşire se poate măsura poziţia absolută. Deoarece structura resolverului este aceeaşi cu cea a maşinii de reluctanţă, resolverul este rezistent la solicitările mecanice şi poate fi adaptat la un mediu agresiv. Prin urmare, este utilizat pe scară largă ca senzor de poziţie al motoarelor electrice pentru autovehicule cum ar fi un vehicul hibrid sau electric. Împreună cu resolverul, convertorul resolver-digital (RDC) poate furniza poziţia şi viteza rotorului direct în format digital. Resolverul are multe avantaje, totuşi, deoarece rezoluţia de determinare a poziţiei este destul de mică în comparaţie cu encoder-ul optic, utilizarea pe scară largă a resolver-ului la sisteme de reglaj al vitezei de înaltă performanţă este limitată.

Fig. 5. Aspectul unui resolver.

In cadrul centrului UPB-CETTI s-a realizat o Documentatie in revizie initiala pentru Drive motor BLDC si 2 bucati drive motor BLDC. La finalul etapei de proiectare, au fost generate, din cadrul proiectului electronic generat prin metode CAD, următoarele fisiere: fisierul erorilor electrice de proiectare, DRC (Design Rules Check), fisierul de componente pentru aprovizionare, BOM (Bill of Materials), fisierul de localizare a componentelor electronice în aria de proiectare si în cadrul bibliotecilor, CR (Cross Reference) si fisierul tuturor arborilor de interconectare (net-urilor), atât de semnal, cât si de referintă (masă si alimentare), cu specificarea numelor asociate. Figura 6 prezintă circuitul imprimat al drive-ului de motor BLDC dezvoltat în cadrul UPB-CETTI cu care s-au realizat cele 2 bucati Drive motor BLDC. Microcontrolerul de pe placa de comanda a drive-ului contine Aplicatia software in revizie initiala a drive-ului dezvoltata tot in cadrul UPB-CETTI.

Fig. 6. Circuitul imprimat al driver-ului de motoare BLDC.

Realizare “Documentatie Testor BCSC” Executie “Testor BCSC”

In cadrul EOC s-a eleborat documentatia testorului Blocului de Citire Senzori si Comanda (BCSC) care a primit codul de produs T10.55-01.00. Pe baza acastei documentatii a fost realizat acest testor cu care s-a facut testarea celor 2 blocuri BCSC. La fel ca in varianta anterioara, blocul giroscopic are doua interfete seriale de tip RS232. Una de viteza mare prin care este transmisa valoarea unghiului masurat cu o rata de 1kHz. A doua seriala este folosita pentru configurarea giroscopului si de asemenea pentru transmia valorilor unghiului masurat si a orientarii calculate via accelerometru, dar cu o frecventa mult mai mica (intre 1Hz si 10Hz).

Testorul BCSC permite atat testarea blocului independent cat si in sistem. Schema testare independenta

In modul de testare independent, blocul giroscopic trebuie alimentat separat folosind cablul testor. Cele doua interfete RS232 se conecteaza la un PC in mod direct sau prin convertoare RS232 la USB. Schema testare in sistem

In modul de testare in sistem, cablul testor pentru interceptare este folosit pentru a asculta comunicatia dintre giroscop si sistem. In plus, se poate comuta comanda serialei RS232 pe interfata secundara intre sistem si PC pentru a permite configurarea giroscopului in sistem. Testorul BCSC este compus dintr-o aplicatie software instalata pe un laptop si cablurile de legatura (alimentare si transmisii seriale). Software-ul testorului BCSC

Interfetele primare si secundare au fiecare un soft separat de testare. Testorul pentru interfata principala a blocului giroscopului a ramas intr-o structura aemanatoare versiunii anterioare. Acesta citeste datele de la giroscop in format selectabil: rata unghiulara in grade pe secunda, increment in grade sau pozitie absoluta (calculat prin integrare). Mai este disponibila si o comanda de setare a pozitiei de zero. Testorul deseneaza in timp real un grafic al marimii citite si in acelasi timp inregistreaza citrile intr-un fisier.

Din cauza vitezei foarte mare de citire, datele sunt scrise imediate ce sunt primite. Pentru a putea fi procesate mai usor, testorul are si o functionalitate de extragere a datelor unghiulare din pachetele inregistrate. Acestea sunt apoi slavate in format binar, reprezentare cu virgula mobila. Testorul pentru interfata secundara a blocului giroscopic este mai complex – prin aceasta interfata se poate face configurarea blocului si se poate citi informatia legata de orientarea acestuia (pitch, roll).

Testorul afiseaza informatiile legate de orientarea blocului giroscopic (pitch, roll, si unghiul axei principale). Se pot configura urmatoarele functionalitati ale blocului giroscopului

sensul unghiului giroscopic masurat orientarea axelor accelerometrului respectiv coeficientii filtrului trece jos pe fiecare axa a

accelerometrului rata de transmisie a pachetului de date legate de orientare (intre 1Hz si 10Hz) se poate selecta daca giroscopul echipat este un ADIS16137 sau ADIS16136 (cele doua

sunt aproape identice, difera viteza unghiulara maxima) Testorul permite accesarea directa a registrilor giroscopului ADIS16137. Astfel se pot configura filtrele interne ale ADIS16137 sau se pot citi/scrie alti parametrii ai giroscopului. O alta functionalitate importanta a testorului, este plotarea unui grafic al unghiului in timp real, si inregistrarea acestuia intr-un fisier pentru procesare ulterioara.

Fata de testorul pentru interfata seriala principala, acesta citeste si inregistreaza datele cu o frecventa mult mai mica (intre 1Hz si 10Hz) – astfel este mai adecvat pentru inregistrari pe intervale mari de timp. Inregistrarea de date pe intervale de timp de ordinul zecilor de minute cu o frecventa de 1kHz poate duce la fisiere cu marimi de ordinul gigabitilor. In consecinta procesarea acestora necesita mai multe resurse si este mai inceata.

Documentatie “Testor Drive Motor” Executie “Testor Drive Motor” In cadrul EOC s-a eleborat documentatia Testor Drive Motor care a primit codul de produs T10.55-02.00. Pe baza acastei documentatii a fost realizat acest testor cu care s-a facut testarea celor 2 drive-uri realizate de partenerul la proiect Universitatea Politehnica Bucuresti. Schema de principiu a testorului este cea de mai jos. Testorul BCSC este compus dintr-o aplicatie software instalata pe un laptop si cablurile de legatura (alimentare si transmisii seriale).

Pentru a testa drive-urile de motor in sistem, trebuie mai intai comutat sistemul in modul de mentenanta, dupa care se poate conecta softul de testare drive.

Softul permite calibrarea parametrilor drive-ului, si programarea algoritmelor de control (si stabilizare) ale drive-ului. De asemenea, se pot monitoriza in timp real diverse variabile de stare a drive-ului si se pot efectua diverse proceduri de diagnoza a problemelor. Din cauza ca se lucreaza cu motoare de cuplu mare, in timpul testarii drive-urilor trebuie avut in vedere faptul ca o configuratie incorecta poate duce la functionarea incorecta a motoarelor. La randul ei, functionarea eronata a motoarelor, poate duce la defectarea sistemului sau accidentarea obiectelor si persoanelor situate prea aproape de sistem.

Realizare “Documentatie Testor Sistem” Executie “Testor Sistem” 1 Prezentare generala Testorul de sistem a fost proiectat si realizat in vederea testarii capabilitatii de stabilizare a platformelor pan&tilt stabilizate pentru aplicatii terestre navale sau aeriene. EOC a realizat documentatia codificata cu codul T10.55-03.00, pe baza careia s-a realizat produsul. Acesta a fost instalat in laboratorul de testari al firmei. Ca solutie tehnica s-a ales un sistem tip hexapod care asigura miscarea controlata a platformei pe 6 axe de libertate (miscari de translatie si de rotatie pe axele XY si Z). Sistemul este compus din urmatoarele elemente in conformitate cu schema din Figura 1:

Hexapod

Cabinet electric

Cabluri

Cutie de comanda la distanta

Computer de control

Software-ul “SYM_Motion”

2. Hexapodul si cabinetul electric

2.1 Hexapodul Simulatorul de miscare prevazut cu sase grade de libertate este bazat pe principiul platformei Stewart, cunoscuta si sub denumirea Hexapod. Este compus dintr-o platforma fixa si una mobila, interconectate prin sase actuatori. Aceasta structura face posibila miscarea platformei mobile urmarind cele sase grade de libertate, cu un centru de rotatie configurabil prin software.

2.2 Cabinetul electric Hexapodul este controlat de un cabinet electric, ce include un controller de miscare cu servo-directii integrate, surse electrice si protectii associate. Actuatorii sunt controlati de controllerul de miscare ce asigura fiecaruia dintre ei controlul pozitiei de inchidere a buclei de control. Computerul de control contine software-ul “SYM_Motion” care comunica cu controllerul de miscare prin intermediul unei legaturi Ethernet. O sursa de alimentare este necesara pentru a porni cabinetul electric (a se vedea sectiunea 4.2.4 pentru mai multe detalii). Software-ul de control este dezvoltat de firma SYMETRIE. Acest program realizeaza transformarile necesare dintre deplasarile operationale comandate de utilizator (urmand cele sase grade de libertate) si lungimea actuatorilor.

3. SPECIFICATII HEXAPOD 3.1 Performante motrice Specificatiile motrice ale hexapodului se regasesc in Tabel 1:

Tabel 1: Specificatii motrice hexapod Grad de libertate Deplasari

Axa per axa (1)(2) Viteza (3) Accelerare (3)

TX ± 250mm ± 800 mm/s ± 10m/s² TY ± 250mm ± 800 mm/s ± 10m/s² TZ ± 200mm ± 300mm/s ± 6m/s² RX ± 25° ± 50°/s ± 1000°/s² RY ± 25° ± 50°/s ± 1000°/s² RZ ± 30° ± 50°/s ± 1000°/s²

(1) Deplasarile sunt date cu un centru de rotatie definit la centrul platformei superioare. (2) Deplasarile unei singure axe, restul axelor functionand la jumatate din cursa maxima. (3) Performantele vitezei si acceleratiei functie de caracteristicile incarcaturii, mai exact de greutate, locatia centrului gravitational si momentele de inertie. Tabelul 1 prezinta performantele maximale ale sistemului. 3.2 Incarcarea Hexapodul este proiectat sa miste o incarcatura de 300 kg cu un centru gravitational pozitionat in centru platformei. O placa cu orificii filetate este prevazuta pentru montarea platformei de testat(a se vedea 4.1.2). O incarcatura care depaseste greutatea maxima poate reduce semnificativ performantele motrice ale hexapodului. Elementele electrice si mecanice ale simulatorului de miscare, pot fi avariate in cazul nerespectarii acestei limite de greutate. 3.3 Conditii de operare

Temperaturi Umiditate Functionare Depozitare Functionare Depozitare

Hexapod 0°C la 40°C -25°C la 70°C IP 65 pentru partea electrica

Trebuie asigurata protectie la

conditiile de mediu Cabinet electric 0°C la 40°C -25°C la 70°C 10% la 90% non-

condensare 5% la 95% non-

condensare Cutie comanda la

distanta 0°C la 40°C -25°C la 70°C 10% la 90% non-

condensare 5% la 95% non-

condensare Computer control 0°C la 35°C -40°C la 65°C 10% la 90% non-

condensare 5% la 95% non-

condensare Daca sistemul a fost depozitat la temperaturi in afara gamei din tabel, se recomanda o perioada de aclimatizare de aproximativ 2 ore, inainte de punerea in functiune.

3.4 Greutate fara incarcatura Greutatea totala a hexapodului este 120 kg, excluzand cablurile. Greutatea cabinetului electric este de 120 kg. 3.5 Nivelul de sunet Nivelul maxim de presiune al sunetului este sub 70dBA in timpul miscarii, cu dinamica moderata. 3.6 Dimensiuni totale Dimensiunile specificate sunt date pentru hexapodul asezat in pozitie centrala in conformitate cu cotele din Figura 4.

Iesirea pentru cablurile hexapodului este localizata pe cadrul platformei fixe, urmand directia coordonatei minus X. 3.7 Sistemul de coordonate masina Hexapodul permite miscarea platformei mobile in domeniul sistemului de coordonate masina (limitele fizice maxime de miscare). Cand hexapodul afiseaza pozitia {X=0, Y=O, Z=0, Rx=0, Ry=0, Rz=0}, sistemul de coordonate al hexapodului seteaza platforma superioara dupa cum urmeaza:

Origine: centrul placii deplasat cu 135 mm de la gaura ø8 H7 in directia axei X

Axa Z: perpendiculara pe suprafata superioara a platformei mobile, directionata spre exteriorul sistemului

Axa X: directia este data de cele 2 gauri ø8 H7 de pe directia axaei X.

Axele de coordonare ale masinii sunt gravate pe platforma fixa. Numerotarea actuatorilor este prezentata in Figura 5. Numerotarea aceasta trebuie respectata strict in momentul conectarii cablurilor hexapodului. Aceeasi numerotare este folosita de software-ul de control SYM_Motion. 4. PREZENTAREA COMPONENTELOR DE SISTEM Aceasta sectiune prezinta diferitele componente mecanice, electrice si de control ale hexapodului. Componentele mecanice au fost executate in atelierul mecanic al firmei Electro Optic Components SRL folosind masini de strunjit si frezat tip CNC. Materialele folosite au fost de cea mai buna calitate precum aliaje de aluminiu Al 6082, elemente de imbinare combinate cu insertii de tip helicoil pentru a asigura un montaj ferm si rezistent in timp. 4.1 Elementele mecanice Elementele mecanice ce intra in componenta simulatorului de miscare sunt: 4.1.1 Platforma fixa Aceasta platforma reprezinta cadrul de suport al hexapodului. Acest ansamblu mecanic este format din trei placi fabricate din aluminiu negru-anodizat si trei traverse patrate, fixate de placi prin 2 suruburi. O piesa prelucrata este montata pe una din traverse pentru a prinde cablurile. Aceasta platforma este prezentata in Figura 6.

4.1.2 Platforma mobila Aceasta platforma reprezinta cadrul pe care este asezata sarcina. Design-ul include gauri filetate si alte gauri cu scopul de a fixa sarcina (platforma) in siguranta. Partea mecanica este fabricata din aluminiu negru-anodizat.

4.1.3 Actuatori electro-mecanici Actuatorii hexapodului au fost special achizitionati si constau in niste cilindrii electro-mecanici de mare precizie. Acestia sunt compusi in principal din suruburi de mare precizie cu bila, rulmenti, suporti motor, curele si roti de transmisie. Miscarea este produsa de un motor fara perii, montat de-a lungul corpului cilindrului. Rotatia motorului este transformata in translatie cu ajutorul surubului cu bila. Acesta din urma este pus in miscare folosindu-se o curea de distributie. Encoderele absolute tip multitur, localizate pe motoare, controleaza pozitia actuatorului. Caracteristicile tehnice ale actuatorului sunt trecute in Tabelul 2.

Tabel 2: Caracteristici actuatori Cursa 425 mm Efort maxim transmisibil 5200 N (dinamic), 8600 N (static) Asamblare motor In paralel Sectiune 65 x 65 mm Material Aluminiu anodizat extrudat Surub cu bila Ø 16 mm / inaltime 10 mm Greutate 6 kg fara motor

4.1.4 Racorduri universale Hexapodul prezinta 12 racorduri universale, reprezentand interfata mecanica dintre actuatori si cele doua platforme (fixa si mobila). Acestea sunt elemente esentiale care asigura miscari fluente si de mare precizie, cu grad mare de rigidizare. Deplasarile unghiulare sunt calculate in scopul indeplinirii nevoilor specifice. Racordurile sunt prezentate in Figura 9

Racordurile universale sunt acoperite de protectii de plastic pentru a evita riscul de “ciupire”. Inlaturarea acestor protectii poate fi periculoasa pentru utilizator. 4.2 ELEMENTE ELECTRICE Elementele electrice care intra in componenta simulatorului de miscare sunt: 4.2.1 Motoarele fara perii Simulatorul de miscare este echipat cu sase motoare fara perii de inalta performanta dinamica. Aceste motoare, prevazute cu magneti cu neodim, sunt special adaptate pentru aplicatii care necesita putere mare si acuratete in miscari. Un encoder absolut multitur furnizeaza pozitia actuatorului fara niciun fel de miscare de initializare (de intoarcere). O frana de siguranta este montata pe fiecare motor in scopul garantarii unei pozitii de oprire in siguranta.

4.2.2 Cabluri Cablurile incluse in sistem se impart in doua categorii:

Cabluri situate intre hexapod si cabinetul electric: 6 metri lungime

- Sase cabluri codificatoare (verzi)

- Sase cabluri de servo-motor (orange)

- Un cablu de impamantare (galben/verde)

Cabluri situate intre cabinetul electric si computerul de control

- Un cablu catre cutia de comanda la distanta (gri): 6 metri lungime

- Un cablu Ethernet RJ45 (gri): 10 metri lungime

Toate cablurile necesare, care conecteaza hexapodul sau comunica cu cabinetul electric, ies din spatele acestuia din urma. Nici un conector extern nu este montat pe cabinetul electric, cu exceptia cablurilor de impamantare si Ethernet. Cablurile cu conectori sunt prezenti doar pe laterala hexapodului. 4.2.3 Controller de miscare cu servodrive-uri integrate Controllerul de miscare este echipamentul care se ocupa cu controlul miscarii simulatorului si cu alimentarea cu curent al servo-motoarelor. Controllerul de miscare este de tip Power Brick AC de la firma Delta Tau. Acest model combina inteligenta si capabilitatile controllerului de miscare cu cea mai noua tehnologie de comanda bazata pe drive-uri realizate in tehnologie IGBT intr-un singur si compact servo drive inteligent in 6 axe. Specificatiile sistemului sunt:

Intrare AC in 3 faze 90 la 240 VAC,

Comunicatie Ethernet,

Controller scalabil automat,

Controlul cuplului, vitezei si pozitiei,

Buffer rotativ pentru programe de miscare mari,

Transformari cinetice directe si inverse,

Protectie completa: supra-tensiune, sub-tensiune, supra incalzire radiator si IGBT, scurt-circuit, supra curent, detectarea de pierderi pe faza de intrare, derivatie scurta / detectare supra curent.

Servo amplificator integrat cu 6 axe, ce livreaza 5 Amp pe axa (varf maxim 8 Amp)

Amprenta mica, spatiu economisit.

Controlerul este prezentat in Figura 11

Controllerul de miscare permite simulatorului de miscare sa fie operat cu usurinta fara sa fie necesare calcule complexe. Realizeaza transformarea de coordonate dintre pozitiile hexapodului si lungimea actuatorilor. Aceasta unitate este integrata in cabinetul electric si comunica cu software-ul de control “SYM_Motion” prin intermediul unei conexiuni Ethernet. 4.2.4 Cabinetul electric Cabinetul electric integreaza controllerul de miscare cu servo-directii integrate, surse de curent si protectii corespunzatoare. Acest cabinet electric este o cutie tip rack standard de 19 inch latime. Dimensiunile totale ale echipamentului sunt prezentate in Tabelul 3

Tabel 3: Dimensiuni cabinet electric Inaltime H = 1050 mm (inclusiv roti) Latime L = 550 mm

Adancime P = 600 mm Sistemul este echipat cu un releu de siguranta. Acesta este un circuit simplu ce consta din contacte operate de catre doua butoane de oprire in caz de urgenta plasate in serie: unul pe cabinetul electric si celalalt pe cutia de comanda la distanta. Sistemul nu poate porni daca acest circuit nu este complet inchis, adica ambele butoane trebuie sa fie libere. Daca se apasa un buton de oprire de urgenta in timpul miscarii hexapodului, imediat se va activa frana de urgenta pe servo-motoare. Hexapodul se va opri brusc in pozitia curenta. Cuplele sunt inchise iar sursa de curent dispare de pe servo-motoare dupa o intarziere de 0.5 secunde. Acest fapt permite software-ului sa incetineasca axele cat mai rapid posibil. Dupa ce are loc o oprire de urgenta se fac urmatoarele verificari:

Se inspecteaza simulatorul de miscare pentru a va asigura ca nu s-a avariat nimic

Se elibereaza butonul de oprire de urgenta

Se reporneste sursa de curent pentru servo-motoare, apasand butonul albastru Start de pe cutia de comanda la distanta.

Se va muta masina pe pozitia “zero” pentru a verifica buna functionare a sistemului. Comenzile si indicatorii de pe partea frontala a cabinetului sunt urmatorii:

Intrerupatorul de circuit;

Indicatorul Power On: cand lumina alba este aprinsa, cabinetul electric este alimentat;

Indicatorul Start: cand lumina albastra este aprinsa, servo-motoarele sunt alimentate;

Butonul Stop: opreste alimentarea servo-motoarelor, dupa ce hexapodul a fost oprit intr-un mod lent;

Butonul de oprire de urgenta;

Pornirea echipamentului se realizeaza utilizand intrerupatorul de circuit principal. Lumina alba a indicatorului Power On clipeste in timpul fazei de initializare a controllerului si va ramane aprinsa in momentul in care alimentarea este pornita deplin.

Pe partea din spate, contorul “ora” afiseaza durata de functionare a masinii (alimentarea servo-motoarelor). Unitatea de racire si filtrare realizeaza un flux de aer de aproximatix 100m³/h si este alimentata la 24-Vdc.

4.2.5 Specificatii aditionale I/O (intrare-iesire) Cabinetul electric integreaza patru iesiri digitale printr-un conector D-Sub tata cu 9 pini. Aceste iesiri pot fi folosite pentru a sincroniza unele echipamente auxiliare. Iesirile sunt generate de controllerul Delta Tau si sunt conectate prin relee de interfata. Acestea din urma previn daunele produse asupra controllerului in cazul cablarii gresite. O iesire denumita “in position”, este programata sa aiba un nivel care sa se potriveasca cu starea “in position” a hexapodului. Nivelul celorlalte iesiri denumite “Trigger#1”, “Trigger#2”, “Trigger#3”, pot fi programate de utilizator in timpul miscarii. Semnalul trece la voltajul de referinta atunci cand trigger-ul este activat. Toate iesirile sunt legate la conectorul D-Sub, asa cum este ilustrat in Figura 14. In plus, Tabelul 4 prezinta un exemplu de conexiune.

Figura 14: Ouput trigger/Releu interfata

Tabel 4: Output trigger/client DE-9 Exemplu de conexiuni

Pin Atribut 1 Semnal de iesire “In position” 2 Sursa de iesire “In position” (5VDC la 48VDC) 3 Semnal de iesire “Trigger #3” 4 Sursa de iesire “Trigger #3” (5VDC la 48 VDC) 5 Semnal de iesire “Trigger #2” 6 Sursa de iesire “Trigger #2” (5VDC la 48 VDC) 7 Semnal de iesire “Trigger #1” 8 Sursa de iesire “Trigger #1” (5VDC la 48 VDC) 9 Rezerva

Deasemenea, cabinetul electric integreaza doua intrari DC 24V printr-un conector D-sub mama (DE-9F). Prima intrare denumita “Trigger de miscare”, poate fi folosita pentru a porni traiectoria de start incarcata. A doua intrare denumita “Trigger de achizitie”, poate fi folosit pentru a stoca/trimite o achizitie de functionare curenta. In ceea ce priveste iesirile, releele de interfata (PLC-OSC- 24DC/ 48DC/100/SEN – 2966773 fabricate de Phoenix Contact) sunt folosite pentru a controla intrarile eliminand orice risc de avariere asupra controller-ului de miscare. Toate intrarile sunt legate la conectorul D-Sub, asa cum este ilustrat in Figura 15: Trigger de intrare/ Releu interfata. In plus, Tabelul 5 prezinta un exemplu de conexiune.

Figura 15: Input trigger/Releu interfata

Tabel 5: Trigger de intrare/client DE-9 Exemplu de conexiuni

Pin Atribut 1 Comanda trigger de miscare (24 VDC) 2 Referinta trigger de miscare (0 VDC) 3 Comanda trigger de achizitie (24 VDC) 4 Referinta trigger de achizitie (0 VDC) 5 Sursa 0 VDC (GND) 6 Sursa 24 VDC 7 Rezerva 8 Rezerva 9 Rezerva

4.3 Elemente de control 4.3.1 Informatii privind conexiunea Ethernet Computere externe pot comunica cu controller-ul hexapodului utilizand urmatoarele numere de porturi si adresa IP:

Tabel 6: Informatii privind conexiunea la controller Adresa IP controller hexapod 192.168.16.215

Subnet mask controller hexapod 255.255.255.0 Numar port reception server ERTT TCP 61557

Numar port UDP state feedback broadcasting server 61558 API TCP server* 61559

*Caracteristica optionala. Optiunile software sunt listate si prezentate in Software User Manual. 4.3.2 Computerul de control Simulatorul de miscare necesita un computer de control pentru a fi operat. Sistemul de operare utilizat este Microsoft Windows 7.

4.3.3 Softul SYM_Motion Comanda hexapodului este facuta prin interfata software-ului SYM_Motion instalat in computerul de control. Acest soft permite controlul si programarea miscarii efectuata de catre hexapod. O interfata grafica utilizator (GUI) ergonomica si intuitive, dezvoltata cu LabVIEW de la National Instruments, permite controlul facil. Softul de control evalueaza miscarile comandate de utilizator in functie de limitarile de sistem cum ar fi miscarile actuatorilor, vitezele si accceleratiile maxime, cuplul maxim, unghiurile racordurilor universale, cerintele de putere, etc. Daca una sau mai multe limite sunt depasite, hexapodul nu va fi pus in miscare iar softul va indica parametrii care sunt in afara limitelor.

4.3.4 Cutia de comanda la distanta Sistemul este livrat cu o cutie de comanda de la distanta. Aceasta unitate este necesara pentru operarea in bune conditii a sistemului. Cutia de comanda integreaza patru comenzi/indicatori prezentati mai jos:

O lumina alba Power On care indica alimentarea cu energie a sistemului. Lumina clipeste in timpul pornirii controller-ului.

Un buton Start care porneste servo-motoarele. Lumina albastra se va aprinde in momentul in care servo-motoarele sunt alimentate cu energie.

Un buton Stop care opreste intr-un mod lin hexapodul si opreste alimentarea cu energie a servo-motoarelor

Un buton pentru oprirea de urgenta.

Cele patru comenzi/indicatori sunt identici cu cei situati pe partea frontala a cabinetului electric, cu exceptia Power on de pe cabinetul electric care devine butonul de Start de pe cutia de comanda la distanta.

Din motive de siguranta, cutia de control de la distanta este pozitionata in aproprierea computerului de control. Operatorul trebuie sa fie in stare sa apese rapid butonul de oprire de urgenta. Testorul de sistem a fost montat in laboratorul de testari al SC Electro Optic Components SRL si s-a facut deja testarea unei variante de platforma stabilizata in 2 axe. Testorul este prezentat in Figura 19.

Figura 19 Testorul instalat in laboratorul de testari cu o platforma model experimental

Bibliografie

1. Seung-Ki Sul, Control of Electric Machine Drive Systems, IEEE, Wiley 20112. www.garnet.it/, Accessed Nov. 20173. Ciprian Ionescu, Tehnici CAD de realizare a modulelor electronice, 274 p., 2013, ISBN 978-

606-551-042-5, ISBN 978-606-13-1670-0, Editura Cavallioti, Bucureşti, Editura PIM Iaşi.4. Codreanu N. D., „Metode avansate de investigaţie a structurilor PCB”, Editura Cavallioti,

Bucureşti, 263 p., 2009, ISBN 978-973-7622-89-1;5. Jin Y., Wang Z., Chen J., „Introduction to Microsystem Packaging Technology”, CRC Press,

Boca Raton, 218 p., 2011, ISBN 978-143981910-4;6. Harper C. A., „Electronic packaging and interconnection handbook”, McGraw-Hill, 2000;7. Capture and PSpice”, Newnes/Elsevier, Oxford, 329 p., 2012, ISBN 978-0-08-097095-0;8. Coombs C. F., Jr., „Printed circuits handbook” – ediţia a VI-a, McGraw Hill Professional,

1000 p., 2007, ISBN 978-0071510790;9. Svasta P., Codreanu N. D. ş. a., “Proiectarea asistată de calculator a modulelor electronice”,

Editura Tehnică, Bucureşti, 1998;10. J. Lau, C.P.Wong, J. L. Prince, W. Nakayama, „Electronic Packaging – Design, Materials,

Process and Reliability”, McGraw-Hill, 1998;11. Rohsenow W. M., Hartnett J. P., Cho Y. I., „Handbook of heat transfer”, McGraw-Hill, 1998;12. Johnson H., Graham M., „High-speed digital design, a handbook of black magic”, Prentice

Hall PTR, New Jersey, 1993;13. P. Svasta, V. Golumbeanu, C. Ionescu, A. Vasile, Rezistoare, Editura Cavallioti, 2010..14. 2. P. Svasta, V. Golumbeanu, Componente electronice pasive – Condensatoare, UPB, Editura

Cavallioti 2009.