Technical Design Document (TDD) Project: MoMi. Bedrijf: Robo Construction & Co.

Transcriptie

1 Technical Design Document (TDD) Project: MoMi Bedrijf:. Te evalueren: 20 november 2013 Opleiding Mechatronica Enschede, 18 november 2013 Versie 2.0 Gemaakt door: Klas: EMT2A Groep: 4 Thomas Cox Robin Rulof Huub Velthuis Rick Borghuis

2 Technisch design document Project MoMi pagina 1 Afkortingen Afkorting omschrijving BoM Bill of Materials (lijst van materialen) DoF Degree(s) of Freedom (vrijheidsgraden) NA Not Applicable (niet van toepassing) PCB Printed Circuit Board (printplaat) Spec s Specificaties PSD Program Structure Diagram (overzicht van software) TCD Technical Construction Dossier (technisch constructie dossier) TPD Technical Product Dossier (Technisch Product Dossier) FDD Functional Design Document (Funtioneel Design Document) MoMi Motorized Middel I/O Inputs/Outputs Woordenlijst Term Functioneel Design Document Technisch Design Document Technisch Product Document Exploded view Referenties Definitie In het FDD is alle informatie dat betrekking heeft op de uiteindelijke concept keuze te vinden. In het TDD bevindt zich alle informatie dat betrekking heeft op het design van de MoMi. In het TPD bevinden zich alle specificaties die nodig zijn om de MoMi te produceren. 3D weergave van de MoMi nummer auteur(s) Titel [1] Systeem benodigdheden [2] Functioneel design

3 Technisch design document Project MoMi pagina 2 Inhoudsopgave 1 Introductie Overzicht van het document Technisch constructie dossier (TCD) Systeem Technisch blok diagram Mechanisch Berekening kracht en bevestiging Berekening doorbuiging Berekeningen van Elektrische en elektronische componenten Software Flowcharts / PSD / state diagrammen van de software blokken Initialisatie Manueel Demo stand Rust stand Reset Technisch Product Dossier (TPD) Mechanisch D SolidWorks model structuur Mechanische TPD Mechanisch BoM Elektrisch en elektronisch I/O Lijst Elektrische BoM Software Productie Externe interfaces Mechanische interfaces Andere projecten Afstandsbediening Elektrische interfaces Software interfaces Bijlage 1: Mechanisch en Elektronische BOM Bijlage 2: Assembly Bijlage 3: Exploded view Bijlage 4: constructie tekeningen Bijlage 5: Lasaanduidingen... 29

4 Technisch design document Project MoMi pagina 3 1 Introductie Voor dit project moet er een product worden ontwikkeld voor het bewegen van de middel van een mannequin. De naam van het project is MoMi, Dit staat voor Motorized Middel. Het product dat ontwikkelt wordt dient te voldoen aan de volgende voorwaarden: De sagittale beweging roteert om de x-as. frontale beweging roteert om de y-as. 1.1 Overzicht van het document In het TDD wordt het eerdere gekozen concept uit het FDD gedetailleerder uitgewerkt. Het uitwerken van het gekozen concept gebeurt in drie hoofdstukken. Per hoofdstuk zijn diverse paragrafen die een bepaald deel van het ontwerp specifiëren (bijv. mechanisch, elektrisch, software). De drie hoofstukken die in dit document voorkomen zijn hieronder weergegeven en worden daarna toegelicht. - Hoofdstuk 2: Technisch constructie dossier (TCD) - Hoofdstuk 3: Technisch product dossier (TPD) - Hoofdstuk 4: Externe interfaces In hoofdstuk 2 wordt het ontwerp en de realisatie van het product toegelicht. Dit gebeurt onder andere door middel van berekeningen voor zowel mechanische als elektrische ontwerpen. Ook zal er worden toegelicht hoe de software werkt. In hoofdstuk 3 worden de documenten weergegeven die nodig zijn voor de producten en de productie van het systeem. In dit hoofdstuk worden onder andere de tekeningen en de bestellijsten van de componenten weergegeven. Tot slot is er hoofdstuk 4. In dit hoofdstuk zullen de interfaces van het product worden besproken, zoals knoppen en schakelaars. Hierbij kun je denken aan soorten connectoren en de locatie van aansluitingen bijvoorbeeld.

5 Technisch design document Project MoMi pagina 4 2 Technisch constructie dossier (TCD) In dit hoofdstuk bevindt zich alle informatie over het design en de realisatie van het project. Er kunnen verwijzingen in staan naar een ander hoofdstuk. 2.1 Systeem In deze paragraaf bevindt zich de opbouw van het systeem, zowel mechanisch als elektrisch Technisch blok diagram In figuur 1 is een overzicht te zien van de onderdelen die gebuikt worden in het product. Tevens is er te zien hoe deze onderdelen met elkaar verbonden zijn. Bovenframe (Het bovenlichaam zit hier aan bevestigd) Bevestigingspunt 1 Hoofdstang Bevestigingspunt 2 Cardan Koppelstuk Onderframe (Het onderlichaam zit hier op gemonteerd) Cardan koppelstukken Manuele besturing Buiscilinder 1 Buiscilinder 2 Drukknop 1 = à 24 V Drukknop 2 = ß H-Brug Drukknop 3 = Mbed (microcontroller) Noodstop Dtukknop 4 = Blauwe lijn = Mechanisch Rode lijn = Elektronisch Voeding (24V/5V) Figuur 1: Technisch blok diagram

6 Technisch design document Project MoMi pagina 5 Mechanisch Bovenframe Het boven frame dient als fundament voor de projectgroepen die met de armen en het hoofd bezig zijn. Vanuit die frame kunnen de projectgroepen verder bouwen. Onderframe Op het onder frame worden 2 bevestigingspunten gemaakt, om vervolgens gekoppeld te worden aan de benen en de grondplaat. Hoofdstang De hoofdstang dient als ruggengraat van de mannequin. De beweging van de ruggengraat wordt doormiddel van 2 motoren tot stand gebracht. De motoren worden doormiddel van een enkelvoudig scharnier bevestigd aan de hoofdstang. Cardankoppelstuk De cardankoppelstukken zorgen er voor dat de beweging over de x-as en y-as mogelijk is. Deze cardankoppelstukken worden aan de 2 motoren en aan de ruggengraat bevestigd. Elektrisch Lineaire motor De Lineaire motoren zorgen ervoor dat de mannequin voorover en opzij kan buigen. De lineaire motoren zitten tussen de hoofdstand en het onder frame bevestigd. Doormiddel van een cardan koppeling en een enkele scharnier. Drukknoppen Om de MoMi te testen is er een interface nodig. Deze interface is voorzien van druk knoppen, waardoor de MoMi manueel getest kan worden. Noodstop De noodstop zorgt ervoor dat er bij een onverwachte storing de spanning onderbroken kan worden. Mbed (microcontroller) Om de MoMi aan te sturen hebben we een microcontroller nodig met de benodigde software. Deze software wordt geschreven in de programmeertaal c++ Versterker De versterker zorgt ervoor dat de lineaire motor de benodigde spanning geleverd krijgen.

7 Technisch design document Project MoMi pagina Mechanisch In deze paragraaf wordt de kracht, doorbuiging en de bevestiging van de lineaire motoren berekend Berekening kracht en bevestiging Hieronder staan de specificaties van de motor van de frontale beweging. In figuur 2 zijn de bijbehorende berekeningen te zien. Figuur 1: frontale beweging (berekening)

8 Technisch design document Project MoMi pagina 7 Totaal moment: 100 * 0,35 = 35 Nm F1 * 0,25 = 35 Nm F1 =140 Nm Draaipunt De kracht van 100N is verplaatst over de as, dit leidt tot een hogere kracht op een kleinere arm. Het totaalmoment moet hiermee gelijk blijven. De kracht (F1) komt dan op 140N uit. Lengte L1 heeft 145 N te verduren.

9 Technisch design document Project MoMi pagina 8 Hieronder staan de specificaties van de motor voor de sagittale beweging. In figuur 3 zijn de bijbehorende berekeningen te zien. De sagittale beweging wordt bewerkstelligd met de lineaire motor DLA A-100-POT- IP65. Deze werkt op een spanning van 24 Volt en een maximale stroom van 1.8 Ampère. De lengte van de motor is: - ingeschoven: 246 mm - uitgeschoven: 346 mm De motor bezit een vertragingskast van 10:1 Hij levert 250N bij een maximale snelheid van 25mm/s. De statische belasting mag maximaal 2300N bedragen. De totale lengte is 298 mm, in verband met de lengte van de cardan koppeling (37 mm) en het koppelstuk (15 mm). Figuur 2: Sagittale beweging (berekening) Het project MoMi maakt geen gebruik van een dynamisch moment. Een dynamisch moment houdt in dat er een motor een roterende beweging bewerkstelligd. Bij de MoMi worden er 2 cilinders gebruikt die aangestuurd worden door een lineaire motor, deze motoren maken van een rotatie een translatie door middel van een spindel. Hierdoor is het uitrekenen van een dynamisch moment niet van toepassing.

10 Technisch design document Project MoMi pagina Berekening doorbuiging De volgende berekening is gemaakt om het onderframe op doorbuiging te berekenen. Hiervoor is het kokerprofiel, wat het meest verwijderd is van het draaipunt, gekozen. De twee oplegpunten zijn een versimpelde weergave van de bevestiging van het frame aan de buitenkant van de mannequin. Deze wordt met een bout verbonden, zodat het een geheel is met de romp. Het totale gewicht van de constructie zorgt voor een doorbuiging in de balk. De totale kracht op de balk is 140 N (verticaal). Dit zorgt voor een doorbuiging in de balk. In figuur 3 is een schematische voorstelling van de situatie te zien. F = 140 N A = 55 mm B = 185 mm A B Figuur 2: schematische voorstelling doorbuiging

11 Technisch design document Project MoMi pagina 10 Het massatraagheidsmoment (I) is vanwege de vreemde vorm van het kokerprofiel bepaald/berekend in SolidWorks. Zie figuur 4 voor een visuele weergave van het bepalen van het massatraagheidsmoment. Figuur 3: Het massatraagheidsmoment bepalen De formule voor doorbuiging F = 300 N A = 55 mm I = kgm² E = B = 185 mm Doorbuiging Het gekozen kokerprofiel zal maar mm doorbuigen. Het kokerprofiel is geschikt om de verticale krachten van het systeem op te vangen.

12 Technisch design document Project MoMi pagina Berekeningen van Elektrische en elektronische componenten Motor voor de frontale beweging De volgende berekening is gemaakt om de juiste motor te kunnen kiezen voor de frontale beweging. De beweging bestaat uit het hellen vanaf -10 tot +50 graden. Voor deze beweging kan een lineaire motor van Conrad (Transmotec) worden gebruikt. De geschikte vertraging is 1:10. Met deze vertraging is een snelheid van 25 mm/s haalbaar. De motor levert een kracht van 250 Newton. De te leveren kracht moet minstens 145 Newton zijn. In verband met een veiligheidsmarge voldoet deze motor zeer goed. Motor voor de sagittale beweging De volgende berekening is gemaakt om de juiste motor te kiezen voor de sagittale beweging. De beweging moet van -30 tot 30 graden rechts geheld worden. Dit gaat om de hoeken Alfa en Bèta in figuur 2, paragraaf Voor deze beweging kan een lineaire motor van het merk Linak worden gebruikt. De geschikte motor heeft een spindelspoed van 2 mm. Met deze vertraging is een snelheid van 12 mm/s haalbaar. De motor levert een kracht van 350 Newton. De te leveren kracht moet minstens 140 Newton zijn. Samen met een veiligheidsmarge voldoet deze motor zeer goed. Versterker De volgende berekening is gemaakt om de juiste versterker te kiezen. De versterker moet zowel een 24 volt/1.8 ampère signaal als een 24 volt/2.2 ampère signaal kunnen versterken. De versterker kan een signaal van tussen de zes en vijftig volt uitsturen. Het ampèrage mag maximaal 3.0 ampère piekstroom of 2.5 ampère continu bedragen. De warmtedissipatie van deze versterker is maximaal 25 watt. De solarbotics L298 voldoet aan deze eisen. Deze versterker kan een dubbel signaal versterken.

13 Technisch design document Project MoMi pagina 12 Voeding De volgende berekening is gemaakt om een geschikte voeding te kiezen. Voor de voeding van het volledige systeem zijn diverse spanningen nodig. De essentiële spanningen zijn vijf en vierentwintig volt. Aangezien er geen ingebouwde voeding bij hoeft te komen, staat deze niet aangegeven. Er wordt berekend welk vermogen de voeding minstens moet kunnen leveren. Deze waarde wordt bepaald door de vermogens van bovenstaande componenten op te tellen. Ook zal er een schatting zijn van overige componenten, zoals leds, welke niet te verwaarlozen zijn. In het totaalvermogen zijn geen piekspanningen meegenomen. Het vermogen van de overige componenten is een schatting. Het minimale vermogen dat nodig is voor het systeem bedraagt daarom 150 watt.

14 Technisch design document Project MoMi pagina Software In deze paragraaf bevindt zich de flowchart met een duidelijke omschrijving Flowcharts / PSD / state diagrammen van de software blokken. Start Main Bios Manueel Reset? Drie standen schakelaar (S1) Rust stand RAM-ROM Test S00 S01 S02 S03 Demo stand Systeem opstarten Initialisatie Motor richting Self test Vast profiel S00 à X-as S01 ß X-as S02 à Y-as S03 ß Y-as Potmeter Linak en Tansmotec (motoren) test Figuur 4: Flowchart software Initialisatie Als het systeem aangezet wordt, wordt de initialisatie fase eerst doorlopen. Het systeem begint met het doorlopen van de BIOS (Basic Input Output System). Hier worden de input en output poorten juist geprogrammeerd. Vervolgens wordt het RAM en ROM geheugen van de MBed controller getest. Hierna wordt het systeem opgestart met het draaiende besturingssysteem. Vervolgens worden de potmeter en de motoren gecontroleerd en er wordt een test uitgevoerd om te bekijken of het normaal functioneert. Als laatste wordt het systeem in de beginstand gezet. Zie figuur 6 voor een blokdiagram van de initialisatiefase.

15 Technisch design document Project MoMi pagina Manueel Als de manuele stand van de software geactiveerd is, kan de middel door de afstandsbediening worden bestuurd. In de software wordt de lus heel snel achter elkaar uitgevoerd. Elke keer wordt er eerst gekeken welke schakelaars er geactiveerd zijn. Aan de hand van de stand van de schakelaar worden de motoren aangestuurd. Hiermee wordt de middel bestuurd Demo stand Als de schakelaar in de demo stand staat wordt er een voorgeprogrammeerd bewegingsprogramma herhaald. De motoren worden aangestuurd en de waarde van de potmeter zal worden bijgehouden. Als de waarde van de potmeter gelijk is aan de controle waarde zal de richting van de motoren omdraaien. Daarna zullen de motoren naar de andere kant transleren tot de ingevoerde stand. Als beide waardes zijn behaald zal de middel weer teruggaan naar de neutrale stand. Na het teruggaan naar de neutrale stand zal de cyclus opnieuw beginnen Rust stand In de rust stand zal er geen beweging worden toegepast. In de software zal er geen signaal naar de motoren worden gestuurd. De schakelaar wordt wel constant bekeken, zodat er gedetecteerd kan worden of er een andere stand wordt ingesteld Reset Als de resetknop wordt ingedrukt zal de middel van de mannequin terug gaan naar de neutrale stand. De software zal de cyclus niet constant herhalen. Het verder gaan in de software zal verder gaan na het voltooien van het resetten.

16 Technisch design document Project MoMi pagina 15 3 Technisch Product Dossier (TPD) Deze hoofdstuk definieert alle documenten die nodig zijn om het product te produceren. 3.1 Mechanisch In deze paragraaf bevinden zich de mechanische aspecten voor het maken van het systeem D SolidWorks model structuur Ons systeem is getekend in SolidWorks. Hier zijn losse onderdelen (parts) in gemaakt en vervolgens zijn deze geassembleerd tot een totale constructie. Zie figuur 6 voor het totale systeem. Voor een duidelijke weergave staan er verschillende aanzichten in bijlage 2, figuur 12, 13 en 14. Figuur 5: totale constructie Voor het totale systeem is ook een exploded view gemaakt met de bijbehorende stuklijst. In deze stuklijst zijn de namen van het product, de aantallen van het product en een korte beschrijving van het product te vinden. Hiernaast wordt genoemd of het een koopdeel of een maakdeel is. Zowel een afbeelding van het totale systeem als de exploded view met stuklijst zijn te vinden in bijlage 3, onder figuur 15.

17 Technisch design document Project MoMi pagina Mechanische TPD In de stuklijst is er vernoemd wat de koop en maakdelen zijn. Voor de maakdelen zijn er constructietekeningen gemaakt die gebruikt gaan worden in de werkplaats. De onderdelen worden geproduceerd in de werkplaats van hogeschool Saxion te Enschede. De constructietekeningen zijn te vinden in bijlage 4, onder figuur 16 en 17. Om het frame te produceren moet er gelast worden. om dit te realiseren wordt er gebruik gemaakt van de lastechniek TIG en MIG/MAG. In bijlage 5, figuur 18 is te zien waar de lassen zich bevinden Mechanisch BoM De mechanische BoM is te vinden in bijlage 1, onder figuur 9 en 10. Omdat de afbeelding niet past, is het in twee delen opgesplitst.

18 Technisch design document Project MoMi pagina Elektrisch en elektronisch Voor de bedrading van het systeem is er een elektrisch schema gemaakt. In dit schema zijn alle in- en uitgangen te vinden (zie figuur 7). De bijbehorende functie voor elke poort is te vinden in paragraaf (I/O lijst). Figuur 6: elektrisch schema

19 Technisch design document Project MoMi pagina I/O Lijst In tabel 1 zijn de in- en uitgangen te vinden. De poorten zijn terug te vinden in figuur 7 van paragraaf 3.2. I/O lijst Mbed LPC1768 Poort Ingang/uitgang Soort poort Functie van poort 1 Input Constant Voeding Microcontroller 2 Input Constant Voeding Microcontroller 5 Input Digitaal Schakelaar 1 6 Input Digitaal Schakelaar 2 7 Input Digitaal Schakelaar 3 8 Input Digitaal Schakelaar 4 9 Input Digitaal Schakelaar 5 10 Input Digitaal 3-standenschakelaar (pin1) 11 Input Digitaal 3-standenschakelaar (pin2) 12 Input Digitaal 3-standenschakelaar (pin3) 15 Input Analoog Potmeter motor 1 16 Input Analoog Potmeter motor 2 21 Output PWM Snelheid motor 1 22 Output PWM Snelheid motor 2 25 Output Digitaal I1 (richting motor 1) 26 Output Digitaal I2 (richting motor 1) 29 Output Digitaal I3 (richting motor 2) 30 Output Digitaal I4 (richting motor 2) Tabel 1: I/O lijst Elektrische BoM De Elektrische BoM is te vinden in bijlage 1, onder figuur 9 en 10. Omdat de afbeelding niet past, is het in twee delen opgesplitst.

20 Technisch design document Project MoMi pagina Software De software wordt in de volgende periode (kwartiel 2.2) geschreven. Het programma wordt geschreven in C Productie Deze paragraaf is bij dit project niet van toepassing, omdat er geen serie- of massaproductie plaatsvindt. Er wordt maar een product geassembleerd.

21 Technisch design document Project MoMi pagina 20 4 Externe interfaces Deze paragraaf bevat alle externe interfaces die aan de MoMi worden bevestigd. 4.1 Mechanische interfaces In deze paragraaf zijn de mechanische interfaces te vinden. Voor dit project zijn er twee soorten mechanische interfaces, namelijk: - De samenwerking met andere projecten. - De afstandsbediening Andere projecten De groepen die zich bezighouden met de armen en het hoofd, monteren de onderdelen op een plateau. Dit moet overeenkomen met onze maten, zodat er geen motoren in de montageomgeving van de MoMi bevinden. Er is overlegd hoe het fundament van de mannequin opgebouwd wordt. Dit fundament moet zo worden afgestemd dat de bevestiging overeenkomt met het middel van de mannequin. De bevestiging van de twee buizen, die door de benen van de mannequin lopen, zullen bevestigd worden aan het onderframe door middel van een bout/moer verbinding Afstandsbediening Aangezien het systeem ook manueel bestuurd moet worden, is een afstandsbediening nodig. In figuur 8 is er een mechanisch concept van de afstandsbediening te zien. Figuur 7: afstandsbediening

22 Technisch design document Project MoMi pagina Elektrische interfaces Het systeem dient in een demostand te kunnen werken, maar daarnaast moet er ook een handmatige bediening aanwezig zijn om de mannequin te kunnen besturen. Voor deze handmatige besturing dient er een afstandsbediening gemaakt te worden, welke drukknoppen bezit. Met deze drukknoppen kan elke beweging gemaakt kan worden. Zie figuur 9 voor een schematische weergave van deze afstandsbediening. Schakelaar: Handmatig/Demo/rust Led 1 Led 2 Led 3 Figuur 8: Schematische weergave afstandsbediening 4.3 Software interfaces Er is geen software interface nodig. De software communicatie tussen de afstandsbediening (manueel) en het systeem is al vermeld in paragraaf figuur 5.