Minor Machines in Motion

Transcriptie

1 Minor Machines in Motion Techniek Ontwerpen van snelle en nauwkeurige machines

2 Inhoud 04 Introductie 07 Deelnemende bedrijven 08 Lesprogramma 14 Samenvattingen MiM projecten 14 Modular Loader: Failure Analysis & Redesign Proposal 15 Heidenhain: Indirect vs. Indirect meten 16 MasterFormer 17 Inpakstation 18 Solar wafer lifting mechanism 20 Artikelen van studenten 21 De opmars van engineering software 26 Veilige samenwerking tussen mens en robot in werkomgeving 2 Minor Machines in Motion 3

3 Introductie Raymond: Absoluut de juiste keuzeminor! Minor Machines in Motion In de minor Machines in Motion draait het om het ontwerpen van snelle en nauwkeurige machines. Mechanisch worden er hoge eisen gesteld aan het ontwerp en toleranties. En even belangrijk is Motion Control, kort gezegd het regelen van motoren in servosystemen. Snelle en nauwkeurige machines zijn onmisbaar in de productie van moderne, high-tech producten en apparaten. Denk bijvoorbeeld aan machines voor toepassing in de sectoren solar, food, automotive, medical, semiconductor (chipfabricage) etcetera. Dergelijke machines worden wel aangeduid als high tech low volume : technisch hoogstaande machines die in kleine series worden geproduceerd. Bij het ontwerpen van zulke snelle en nauwkeurige machines werk je nauw samen met mensen uit andere vakgebieden (mechanisch, elektrisch, besturing) en vaak ook met toeleveranciers. Daarnaast moet je inzicht hebben in de samenhang van het machineontwerp met het productieproces dat op de machine gaat plaatsvinden. Uiteraard heb je creativiteit nodig om goede oplossingen te bedenken voor complexe ontwerpproblemen. In de praktijk omvat het ontwerpen van snelle en nauwkeurige machines vaak het hele traject van initiatieffase tot en met het realiseren van een prototype. Dit betekent niet alleen het pakket van eisen en wensen opstellen en het ontwerp bedenken, maar vaak ook het voorbereiden en begeleiden van realisatie en testen. In de minor Machines in Motion werk je aan een project dat (meestal) afkomstig is uit een bedrijf. Naast theorievakken en practica, volg je gastcolleges die door bedrijven worden verzorgd. Hierin worden specifieke onderwerpen behandeld die van belang zijn bij het ontwerpen van snelle en nauwkeurige machines. Daarnaast geven gastcolleges en bedrijfsbezoeken een beeld van de beroepspraktijk. 4 Minor Machines in Motion 5

4 Deelnemende bedrijven Sjors: Dynamisch gedrag 1&2 zeer interessante vakken. Zeer leuk project, goede aansluiting op lesstof en uitdagend. Marel Townsend Further Processing (Boxmeer) Marel Meat Processing (Oss) Mars Nederland (Veghel) HEIDENHAIN Nederland (Ede) Roth & Rau (Eindhoven) Assembléon (Eindhoven) Vanderlande (Veghel) Jentjens (Veghel) GEA Food Solutions (Weert) KMWE (Eindhoven) Lenze Nederland ( s-hertogenbosch) B&R (Breda) Rexroth (Eindhoven) Vekoma Rides Manufacturing (Vlodrop) VDL ETG (Eindhoven) Blueprint Automation (Woerden) Ammeraal Beltech (Heerhugowaard) VDL Steelweld (Breda) WWA (Best) Benier ( s-hertogenbosch) ABB (Etten-Leur) Kranendonk (Tiel) Lectoraat Mechatronica, Avans Hogeschool Breda 6 Minor Machines in Motion 7

5 Dirk: Tijdens deze minor zie je zeer veel bedrijven (bijna elke week één!). Dit is een zeer leerzame minor, omdat je later lastiger bij bedrijven binnenkomt. Daarnaast worden er veel vakken gegeven die goed aansluiten bij het project. Lesprogramma Minorproject Studenten werken in groepen van 3 tot 5 personen aan een project dat (meestal) afkomstig is van een bedrijf. Elke groep heeft een eigen project. Het project wordt grotendeels bij Avans Hogeschool uitgevoerd, zodat studenten kunnen deelnemen aan lessen en practica. Wel brengen studenten enkele bezoeken aan het bedrijf voor informatie uitwisseling en afstemming. Aan het eind van elk blok wonen studenten de presentaties van de andere projectgroepen bij (voor bredere beeldvorming en van elkaar leren). Het doel van het project is vaardigheid verkrijgen/vergroten in het doen van een groot project, waarbij gebruik gemaakt wordt van methodisch ontwerpen en projectmatig werken. Ook is het project bij voorkeur multidisciplinair (Werktuigbouwkunde en Industriele automatisering in 1 team). Het project omvat alle fasen van probleemdefinitie tot en met detailontwerp en, indien mogelijk, realisatie van een proof of concept of prototype. Wat betreft doorlooptijd (20 weken) is het project vergelijkbaar met het latere afstudeerproject. Companies in Motion Tijdens de lesweken maken we elke week kennis met minimaal één bedrijf. Soms komt het bedrijf bij ons langs, maar meestal gaan we naar het bedrijf toe. Doelstelling is steeds om inzicht te verschaffen in de bedrijfstak, de bedrijfsprocessen, het werkveld van de afgestudeerde engineer en toekomstige ontwikkelingen. Een bedrijfsbezoek omvat doorgaans een rondleiding door de productie en de assemblage. Vaak komt daarbij een bezoek aan meet- en/of testfaciliteiten en een cleanroom. De bedrijven richten zich alle op het ontwerp en de bouw van snelle en nauwkeurige machines, de focus in onze minor. Snel en nauwkeurig zijn natuurlijk relatieve begrippen (zie figuur). Dit maakt, dat we een grote verscheidenheid aan bedrijven tegenkomen bij Machines in Motion. De studenten waarderen Companies in Motion met name, omdat daarbij inzicht wordt verkregen in de beroepspraktijk. De student krijgt daarbij een goed beeld van het scala aan mogelijkheden om af te studeren en uiteraard ook van de ideaal passende baan met het diploma op zak. De bedrijven steken niet onder stoelen of banken dat ze zeer geïnteresseerd zijn in studenten die de minor Machines in Motion hebben gevolgd! Ook communicatie met de contactpersoon van het bedrijf voor informatie uitwisseling en afstemming draagt bij aan verbreding en vormt tevens een voorbereiding op het latere afstudeerproject en de beroepspraktijk. Vanaf pagina 14 in dit boekje worden de projecten beschreven, die studenten Machines in Motion (MiM) hebben uitgevoerd in het studiejaar Minor Machines in Motion 9

6 Dynamisch gedrag van servoaangedreven machines 1 De ontwerper van snelle machines ziet zich voor de taak gesteld mechanismen in te zetten, die een goede werking en betrouwbaarheid van de machine garanderen bij de vereiste productiecapaciteit. Een goede werking en betrouwbaarheid betekenen dat het systeem met een voorspelbare nauwkeurigheid moet functioneren. In deze cursus maakt de student kennis met de factoren, die de nauwkeurigheid van het mechanisme beïnvloeden. Naast het kunnen bepalen van de te bereiken onnauwkeurigheid leert de student ook inschatten welke praktijkmaatregelen moeten worden genomen om het mechanisme te verbeteren. Denk daarbij aan het vergroten van de productiecapaciteit of het verminderen van de storingskans. Deze inschatting kan worden gedaan aan de hand van een model van het mechanisme. Dat model bestaat uit massa s, veren en overbrengingen. De student leert in deze cursus het model op te stellen, en vervolgens dat model om te zetten naar een vereenvoudigd model met slechts één massa en één veer. Vanuit het vereenvoudigd model kan dan de onnauwkeurigheid van het mechanisme worden voorspeld. Het dynamisch gedrag van een mechanisme kan zo worden geanalyseerd op één of twee A4-tjes, dus zonder dat uitgebreide wiskundige berekeningen of computersimulaties moeten worden gemaakt. Deze cursus wordt ondersteund door enkele practica. Motion Control Motion Control staat voor beheersen van beweging. Een aandrijving brengt een machine in beweging, die kan worden beheerst met behulp van een besturing. Bij motion control komen aandrijf- en besturingstechniek samen. De hightech machinebouwer ziet zich voor de taak gesteld aandrijf- en besturingstechniek in te zetten, die het best in staat is om de vereiste productkwaliteit te realiseren tegen de laagste kostprijs. In deze cursus maakt de student kennis met een pallet aan mogelijkheden die motion control kan bieden om tot een afgewogen conceptontwerp te kunnen komen. Rob: Leuke minor, als je houdt van bewegende machines. Hiervan zit de minor vol en dat trekt mij zeer aan. Gezien de snelle ontwikkelingen op dit terrein is gekozen voor nauwe samenwerking met enkele motion control bedrijven, zodat de student kan werken met de laatste stand der techniek. Meerdere motion control cases worden geanalyseerd en doorgenomen met specialisten van motion control bedrijven. Daarbij wordt gebruik gemaakt van testopstellingen met servoaandrijvingen. Middels verslagen en presentaties wisselen studenten de opgedane kennis onderling uit. 10 Minor Machines in Motion 11

7 Dynamisch gedrag van servoaangedreven machines 2 Het ontwikkelen van servosystemen is in hoge mate een multidisciplinaire aangelegenheid. Regeltechnici, software-engineers, elektrotechnici en werktuigbouwers werken daarbij samen. Het is dan ook van groot belang, dat deze disciplines over gemeenschappelijke begrippen beschikken. Het doel van deze cursus is dan ook om enkele van deze begrippen uit te werken en de relevantie daarvan bij het ontwerp van elektromechanische servosystemen te laten zien. De student raakt vertrouwd met het conceptontwerp van elektromechanische servosystemen. Bij het inleidende vak Dynamisch gedrag van servoaangedreven machines 1 is een tool-box aangereikt om het dynamisch gedrag van mechanismen te analyseren. Ton: Met deze minor zie je veel bedrijven. Verder is het vak Dynamisch gedrag van servoaandrijvingen erg interessant. Bij Dynamisch gedrag van servoaangedreven machines 2 breiden we deze tool-box verder uit. We gaan daarbij in op de aandrijving van het mechanisme middels een elektromechanisch servo-systeem. Het dynamisch gedrag van een servoaangedreven machine kan zo worden geanalyseerd op enkele A4-tjes, dus zonder dat uitgebreide wiskundige berekeningen of computersimulaties moeten worden gemaakt. Deze cursus wordt ondersteund door enkele practica. Robottoepassingen Bij het automatiseren van menselijke arbeid worden industriële robots steeds vaker toegepast. In de minor Machines in Motion besteden we daarom aandacht aan de mogelijkheden en de beperkingen bij de toepassing van industriële robots en tools. Studenten werken een case uit en maken kennis met enkele bedrijven, die hun sporen op het gebied van robotintegratie hebben verdiend. Constructieprincipes De constructeur van snelle en nauwkeurige machines ziet zich voor de taak gesteld ontwerpkeuzes te maken die de vereiste prestaties garanderen bij een acceptabele kostprijs. Bij deze ontwerpvraagstukken wordt onder meer nagedacht over: het bereiken van een zo hoog mogelijke stijfheid, zonder de massa van de bewegende delen te verhogen het minimaliseren van (de invloeden van) wrijving en speling de repeterende maakbaarheid van de constructie het beperken van invloeden van buitenaf op de constructie, zoals veranderingen in de omgevingstemperatuur, of een niet-stabiele ondergrond. het voorkomen van overbepaaldheid In deze cursus maken we kennis met beschreven constructieprincipes, die we gaan aanvullen met de ervaringen van constructeurs in bedrijven (best practices). Door dat in de komende studiejaren te blijven doen, bouwen we een kennisbank op, die ten dienste komt van toekomstige studenten en ook de beroepspraktijk. Uiteraard is het de bedoeling, dat de student leert deze principes toe te passen. Daarbij speelt het minorproject een belangrijke rol: daar kunnen de verkregen inzichten direct worden toegepast in het ontwerp. De student zal vervolgens na de minor, bij het afstuderen en later ook in de beroepspraktijk blijvend moeten werken aan zijn of haar ontwerpvaardigheden, en zodoende zich verder ontwikkelen op dit gebied. De verkregen inzichten bij dit vak helpen de student om daarbij een goede start te maken. Kennisbank in aanbouw: Website MiM Constructieprincipes Bij het ontwerpen van succesvolle Machines in Motion is het nauwkeurig bewegen en positioneren van groot belang. Uit de analyse van het dynamisch gedrag, dat de student in andere vakken leert, volgen de gewenste eigenschappen van bewegende systemen, zoals massa, stijfheid, wrijving en speling. Vervolgens is het van belang dat deze eigenschappen ook daadwerkelijk kunnen worden behaald in de te realiseren machine. Bij het werken aan dergelijke vraagstukken is het van belang, dat je kunt voortbouwen op aanwezige ervaring. Zo hoef je niet voor elk ontwerpdetail opnieuw het wiel uit te vinden en kun je je doelmatiger richten op de kern, want dat is al lastig genoeg. In de minor Machines in Motion wordt voor dit doel een kennisbank opgebouwd in de vorm van een website. 12 Minor Machines in Motion 13

8 Samenvattingen projecten Titel Modular Loader: Failure Analysis & Redesign Proposal Studenten Emiel Griffioen, Sjors Hienekamp, Raymond van der Wee In opdracht van Marel Townsend Further Processing Begeleidend docent Eric Kivits Studiejaar De Modular Loader, een deel van een worstenmachine van Marel, bleek ondanks diverse aanpassingen niet in staat de gewenste levensduur mee te gaan. Het probleem leek te ontstaan in het onderdeel dat onder andere de uitlijning van de worsten verzorgt. Het achterhalen van de oorzaak van het falen van dit onderdeel (de Transfer Head) door het uitvoeren van een grondige analyse en het doen van verbetervoorstellen was de kern van deze opdracht. Rik: 6 maanden vanuit Apeldoorn heen en weer gereisd, maar het was het meer dan waard. Vooral Dynamisch gedrag van servoaangedreven systemen was erg leerzaam. De analyse bestond voornamelijk uit drie onderdelen. Een schrankanalyse, een dynamische analyse en een simulatie in Simulink ter controle. Daarnaast zijn buig- en wrijvingsproeven gedaan om bepaalde grootheden te kwantificeren en diverse invloeden op de wrijving te identificeren. De schrankanalyse leverde een theoretische waarde op voor de wrijvingscoëfficiënt waarbij het mechanisme zou schranken, wat het falen tot gevolg zou kunnen hebben. Uit de wrijvingsproef bleek vervolgens dat het mechanisme in het gunstigste geval al op 45% kritisch opereert. Verschillende in de praktijk voorkomende invloeden kunnen deze waarde sterk verhogen. Uit de dynamische analyse bleek vervolgens dat de voor de constructie noodzakelijke speling bovenkritische botsingskrachten tot gevolg konden hebben. Deze krachten, gecombineerd met een onzekere factor in de vorm van de gecombineerde wrijvingscoëfficiënt, kunnen uiteindelijk zorgen voor het plastisch vervormen van bepaalde onderdelen in het mechanisme en vervolgens tot falen van de Transfer Head. Op basis van de analyse is een concept herontwerp opgeleverd dat naast een betere geleiding van het kritische onderdeel voorziet in het elimineren van de schadelijke spelingen. Titel Heidenhain: Indirect vs Direct meten Studenten Rik Posthumus, Rob van der Heijden, Rens Joosten en Marthijn de Laat In opdracht van Heidenhain en Avans Hogeschool Begeleidend docent Eric Kivits Studiejaar Heidenhain is gespecialiseerd in meetsystemen met hoge nauwkeurigheid. Wij kregen de opdracht om voor Heidenhain en Avans Hogeschool een opstelling te ontwerpen en te bouwen, die het verschil aantoont tussen direct en indirect meten van de positie van een last, aangedreven door een servomotor. Bij direct meten kijken we naar de last, bij indirect meten kijken we naar de positie van de motor. Het nadeel van indirect meten is dat de meting geen rekening houdt met spelingen in het systeem of het uitzetten van materialen door warmte. Dit gebeurt bijvoorbeeld Rens: Veel interessante dingen gezien en gehoord tijdens bedrijfsbezoeken en presentaties. Ook een leuk project gehad, vooral toen we echt aan de slag konden. bij een spindel van een freesbank. Deze uitzetting kan een onnauwkeurigheid tot 0.3 mm tot gevolg hebben, onvoldoende om de gewenste kwaliteit te bereiken. Nu worden door machinebouwers ingewikkelde oplossingen bedacht om deze afwijkingen te compenseren. Echter, het lijkt logischer om de positie direct op de slede van de spindel te meten met een lineaire encoder, en zodoende precieze meetwaarden te verkrijgen. Een eis van Heidenhain was om het verschil op een confronterende manier te laten zien. Dit hebben we gedaan door een demonstrator te bouwen, die op beide manieren kan meten en de meting te valideren door een losstaande meettaster. Aan de hand van meetwaarden wordt het verloop tussen de beide metingen, tijdens het verwarmen van de spindel met een infraroodlamp, duidelijk. We hebben de motor gekozen en de opstelling doorgerekend op basis van de theorie uit de vakken van de minor. Voor de bouw en het programmeren van de opstelling hebben we samengewerkt met de toeleveranciers. 14 Minor Machines in Motion 15

9 Samenvattingen MiM projecten Titel MasterFormer Studenten David Vogels, Ton van Bommel, Tom den Ouden, Joost Litjens In opdracht van Marel Townsend Further Processing Begeleidend docent Alex Zehenpfenning Studiejaar De MasterFormer is een machine die vlees met minimale druk vormt tot een ambachtelijk eindproduct. Dit gebeurt met behulp van vormblokken, die in verschillende productvormen en afmetingen beschikbaar zijn. Het wisselen van vormblokken in de machine kost veel tijd, wat lange stilstand tot gevolg heeft. De opdrachtgever wil deze omsteltijd flink gereduceerd hebben. Ook is er de wens om de machine flexibeler te maken. De vormblokken zitten namelijk aan een ketting bevestigd, waardoor de afmetingen aan de kettingsteek gekoppeld zijn. Uit brainstormsessies kwamen twee soorten concepten naar voren. Een kleine aanpassing aan de machine waardoor de gewenste omsteltijd behaald kan worden, of de machine compleet omgooien, wat behalve minimale omsteltijd ook maximale flexibiliteit oplevert. Samen met de opdrachtgever is er besloten voor de uitdagende optie te gaan, namelijk het volledig herontwerpen van de MasterFormer. In dit nieuwe ontwerp is de kettingaandrijving weggewerkt, en vervangen door het vliegende zaag principe. Dit houdt in dat het te bewerken product, in dit geval een strook vlees, constant wordt aangevoerd op de lopende band. Het bewerkingsstation synchroniseert met de strook vlees en voert hierbij zijn bewerking uit. Na de bewerking beweegt deze weer snel terug voor de volgende bewerking. Aan dit bewerkingsstation zitten verschillende aandrijvingen bevestigd om alle benodigde bewegingen uit te kunnen voeren. Binnen de beschikbare tijd is het ontwerp tot in de aandrijvingen vastgelegd en is de werking ervan aangetoond. In de figuur is het bewerkingsstation met zijn verschillende aandrijvingen boven de lopende band weergegeven. Titel Inpakstation Studenten Dirk Frank, Harold van de Laar, Hein Overeijnder en Jan Poelgeest In opdracht van Mars Nederland bv Begeleidend docent Alex Zehenpfenning Studiejaar Twee studenten zijn tijdens hun afstudeerstage bezig geweest met het herontwerpen van een handpakstation voor Mars Nederland te Veghel. Al snel bleek het automatiseren van het complete inpakstation de enige manier om het ergonomisch verantwoord te maken. Deze studenten hebben het project niet af kunnen ronden. Toen hebben studenten van de minor Machines in Motion dit opgepakt, zij moesten het ontwerp waar nodig verbeteren, maar ook zorgen dat de machine zou gaan draaien, dus de aandrijving, aansturing, sensoren en bekabeling, alles moest geregeld worden. David: Leuke minor gericht op precisie bewegende machines. Mede door de interessante bedrijfsbezoeken en interactie met bedrijfsleven heb ik het als erg leerzaam ervaren als werktuigbouwkunde student. Het concept bleek al aardig goed doordacht, al waren er wel enkele plekken voor verbetering. Zo bleek de vacuümpomp teveel lawaai te maken. Dit is opgelost door een frequentieregelaar toe te passen, die ook is getest op de juiste instelling. Verder is ook het frame langer gemaakt, zodat er meer gebruik gemaakt kan worden van standaard onderdelen. Daarnaast is door de projectgroep het elektrisch tekeningenpakket afgerond. Dat betekent dat alle sensoren en de componenten voor de besturingskast zijn uitgezocht, zoals de servodrives, frequentieregelaars, automaten en de PLC. De totale besturingskast is gebouwd en in bedrijf gesteld zodat de machine weer draait. Het programmeren is nog niet afgerond maar daar gaat Harold mee verder als afstudeeropdracht zodat de machine alsnog afkomt. Het ligt in de lijn der verwachting dat er tijdens die periode nog een machine omgebouwd gaat worden op dezelfde manier, omdat het een succesvol concept is gebleken. 16 Minor Machines in Motion 17

10 Samenvattingen MiM projecten Titel Solar wafer lifting mechanism Studenten Tim Dané, Harm Cornelissen, Remy Kalishoek, Bastiaan Klaasse In opdracht van Roth & Rau Eindhoven (voormalig OTB Solar) Begeleidend docent Ine van Aken Studiejaar Dit project is uitgevoerd in opdracht van Roth & Rau Eindhoven. Om onderzoek te doen naar het printen van functionele materialen, zoals de zilveren circuits die de opgewekte elektriciteit van een zonnecel afvoeren, heeft Roth & Rau een printer ontwikkeld. Deze PIXDRO IP410 kan zes wafers per keer printen. Deze wafers moeten echter wel met de hand op de tafel gelegd worden. Daarom was er vraag naar een systeem dat de wafers automatisch kan neerleggen, positioneren en oppakken. Dit maakt het mogelijk om op experimenteel niveau kleine series wafers te printen. De aan- en afvoer van de wafers gebeurt met een robot die de wafers oppakt met een vork. Aangezien de wafers niet aan de bovenkant aangeraakt mogen worden kan de robot ze niet direct nauwkeurig op de tafel positioneren. Daarom moest er een systeem ontwikkeld worden dat de robot in staat stelt om onder de wafers te komen zonder dat daarbij de bovenkant van de wafers wordt aangeraakt. Na opstellen van het eisenpakket bleek dat de wafers toch aan de bovenzijde mochten worden aangeraakt, mits dit binnen één millimeter van de rand gebeurt. Na het bedenken van een aantal concepten is er gekozen voor een ontwerp dat met behulp van vacuüm van bovenstaande mogelijkheid gebruik maakt. Om deze vacuümkop te testen is er in de tweede fase van het project een testopstelling ontworpen en gerealiseerd waarmee de situatie in de IP410 nagebootst kan worden. Met deze opstelling hebben we kunnen aantonen dat het concept werkt met voldoende precisie. Tom: Een zeer leerzame minor waarin verschillende geautomatiseerde processen werden behandeld. Naast de variërende projecten zijn de vele bezoeken aan bedrijven erg interessant. Bron: Agfa Graphics 18 Minor Machines in Motion 19

11 Artikelen van studenten Marthijn: Als IA-er was de lesstof interessant en erg nuttig voor de toekomst, vooral het modelleren van een mechanisme. De opmars van engineering software Onmisbare tijdsbesparing of verschraling van kennis en kunde? Auteurs: Sjors Hienekamp en Raymond van der Wee, studenten minor Machines in Motion, Avans Hogeschool s-hertogenbosch, 2012 Al sinds de jaren 70, toen de eerste softwarepakketten op het gebied van CAD/CAM op de markt kwamen, is er een duidelijke opmars van engineering software gaande. In dit artikel wordt die trend beschreven aan de hand van drie voorbeelden uit de recentere vakliteratuur die betrekking hebben op het voorspellen van het dynamisch gedrag van mechanismen. Dit relatief nieuwe vakgebied is in het afgelopen decennium steeds belangrijker geworden door de ontwikkeling van steeds snellere en nauwkeurige systemen. Een gedegen kennis en kunde met betrekking tot dit vakgebied is daarom een belangrijke competentie van de moderne engineer. Matrixberekening In 2000 is er door onderzoekers van de Servische Universiteit voor Techniek en Kunst onderzoek gedaan naar interne redundantie. Volgens de onderzoekers was dit dé manier om het dynamisch gedrag van een robot te verbeteren. Wanneer de stand van één of meer schakels binnen een mechanisme geen effect heeft op de uiteindelijke positie en oriëntatie van de uitgang spreekt men van interne redundantie. Deze ogenschijnlijk nutteloze schakels hebben wel degelijk een belangrijke functie als het gaat om het verhogen van de totale stijfheid van het mechanisme en verdeling van de verschillende belastingen. Om deze interne redundantie in kaart te brengen, maken de onderzoekers gebruik van een puur wiskundige methode. Door het gebruik van matrices kunnen de verschillende stijfheden binnen het systeem aan elkaar gekoppeld worden. In de afbeelding hiernaast is een simpel voorbeeld van zo n matrix weergegeven. Door het manipuleren van bepaalde waarden binnen de matrix is het mogelijk om de meest optimale configuratie te bereiken. Figuur: Relatief eenvoudige matrix 20 Minor Machines in Motion 21

12 Simulatie op basis van theoretische vergelijkingen Een andere methode is toegepast door het Robot Technology Lab van Samsung in Korea. Rond 2005 kreeg de technologie voor het maken van LCD schermen een grote impuls waardoor het mogelijk werd om steeds grotere schermen te fabriceren. Omdat het hier zeer delicate glasplaten betreft, zal er voor de handling een robot moeten worden ontworpen met een scherp oog op het dynamisch gedrag. De methode die de wetenschappers van Samsung hiervoor hebben gebruikt bestond voor een deel uit wiskundige en natuurkundige vergelijkingen. Deze vergelijkingen worden in een simulatie programma gestopt. Door verschillende bedrijfstoestanden te simuleren, worden er trillingen in het systeem geïntroduceerd. Als output geeft het simulatie programma de zwakke plekken van de robot weer. Door deze plekken constructief te verbeteren kan de robot worden geoptimaliseerd. SAM: Synthese en Analyse van Mechanismen Door stijgende energieprijzen is in 2012 het thema green machines steeds belangrijker geworden. Daarom is er een software programma ontworpen waarmee energie en rendementsverliezen in hoogdynamische machines geminimaliseerd kan worden. Dit programma (Synthese en Analyse van Mechanismen: SAM) maakt gebruik van het feit dat door lichter construeren, minder hard versnellen, en toevoeging van passieve compensatie onderdelen de motor minder energie nodig heeft voor de beweging. In dit programma kan het verloop van aandrijfkrachten/koppels worden geanalyseerd. Het concept van de constructie staat binnen enkele minuten op het scherm inclusief animatie. Met de Optimalisatiemodule kan de ontwerper verschillende variabelen variëren. Figuur: LCD transfer robot Figuur: Probleemoplossing met SAM 22 Minor Machines in Motion 23

13 Modelvorming massa-veer systemen De twee voorgaande voorbeelden van modelvorming laten een steeds prominentere rol voor de softwarematige berekening zien. Dynamische modellering op basis van de theorie van massa-veer systemen is evenals de matrixberekening een volledig theoretische analyse. Hierbij wordt een beroep gedaan op het mechanisch inzicht en kennis van sterkteleer en dynamica van de engineer. Deze bijna ambachtelijke vorm van modelvorming kan een krachtige methode zijn om snel inzicht te krijgen in het dynamisch gedrag van een mechanisme. Naar aanleiding van de uitkomst kan de engineer eenvoudig bepalen welke onderdelen het meest bijdragen aan dynamische instabiliteit en plaatsonnauwkeurigheid van het mechanisme. Zo kan worden voorkomen dat onnodige tijd en energie gestopt wordt in het aanpassen van onderdelen die weinig tot niets bijdragen aan een gunstiger dynamisch gedrag. Daarnaast biedt de uitkomst van deze methode aanknopingspunten voor het bepalen van de (servo)motor en overbrenging. Opmars van engineering software: goed of slecht? De ontwikkeling van specialistische engineeringsoftware is al geruime tijd gaande. Al ruim voor het jaar 2000 deed CAD/CAM zijn intrede in de techniek. Sinds de jaren 80 zijn dergelijke 3D CAD programma s niet meer weg te denken uit de ontwerpafdelingen van technische ondernemingen. Waar vroeger nog alle tekeningen met de hand werden gemaakt en daardoor veel tijd kostten, is het tegenwoordig een fluitje van een cent om tekeningen te genereren vanuit het 3D ontwerp. Echter, dit tijdrovende werk werd voor het merendeel door lager geschoold personeel gedaan. Het ontwerp zelf kwam en zal nog steeds moeten komen van goed opgeleide engineers die diepgaand nadenken over alle aspecten ervan en er verschillende berekeningen aan moeten en kunnen uitvoeren. Die ambachtelijke manier van werken gaat meer en meer verloren door allerhande technische software die weliswaar veel tijd (en dus geld) besparen, maar mogelijk een verschraling van de kennis en kunde van de engineers tot gevolg kunnen hebben. Het gevaar dreigt dus dat door de opmars van engineering software het hoger technisch personeel steeds minder hands on engineering competenties gebruiken waardoor de theoretische basis weg kan vallen. Wij zien een taak voor het onderwijs om deze trend voor te zijn en het toekomstig hoger technisch personeel een degelijke theoretische basis te bieden. De besproken massa-veer methode wordt onderwezen op Avans Hogeschool te Den Bosch en maakt zo deel uit van de kennis en kunde van het hoger technisch personeel van de toekomst. Figuur: De achtereenvolgende stappen van deze methode Bronnen M. Vukobratovic, V. Potkonjak and V. Matijevic, Internal redundancy the way to improve robot dynamics and control performances.. In: Journal of Intelligent and Robotic Systems nr. 27 (2000), op p Jong Hwi Seo, Hong Jae Yim, Jae Chul Hwang, Yong Won Choi and Dong Il Kim, Dynamic load analysis and design methodology of LCD transfer robot. In: Journal of Mechanical Science and Technology nr. 22 (2008), op p H.Schrama, Optimalisatie van mechanismen leidt tot lichtere aandrijvingen en minder energieverbruik. In: Constructeur nr. 4 (2012), op p Internet: (geraadpleegd op ) 24 Minor Machines in Motion 25

14 Veilige samenwerking tussen mens en robot in werkomgeving Auteurs: Emiel Griffioen en Rob van der Heijden, studenten minor Machines in Motion, Avans Hogeschool, 2012 Mensen vervangen door robots is niet nieuw meer en gebeurt al lange tijd. Dit zijn vaak industriële robots achter hekwerken die worden ingezet voor zeer nauwkeurig of juist zeer repeterend werk. Echter, niet alle werkzaamheden kunnen gedaan worden door robots, daar zijn nog steeds mensen voor nodig. Volgens professor Robert Babuska Denk van het TU Delft Robotics Institute tegenover NUzakelijk 1, is dit bijvoorbeeld aanwezig in de tuinbouw. In de tuinbouw is het verpakken van groenten niet volledig te automatiseren, maar wel te versnellen als mens en robot samenwerken. Het is daarom de uitdaging om mens en robot te laten samenwerken in dezelfde omgeving. Het gaat hierbij dus niet meer om industriële robots achter hekwerken, maar over robots die veilig zijn voor de mens in dezelfde omgeving. Tegenwoordig wordt er veel onderzoek gedaan naar de veiligheid van deze robots. Op dit moment kun je de mogelijke oplossingen verdelen in twee categorieën, namelijk de passieve en actieve methode. Bij de passieve methode wordt de veiligheid gewaarborgd door het mechanisch ontwerp van de robot. Actieve veiligheid wordt gerealiseerd met behulp van sensoren en regelingen. Actief beveiligen op de stroomsterkte van de motoren Op de Pusan National University in Zuid Korea hebben Hwan-Wook Je, e.a. onderzoek gedaan ² naar het actief veilig maken van een robot door terugkoppeling op de stroomsterkte. Een botsing ontdekken en absorberen kan door naar de stroom van elke servomotor in elk scharnier te kijken. Hierbij worden geen extra sensoren en moeilijke control-technieken gebruikt. De positie, snelheid en koppel worden door de stroom geregeld. Doordat stroom evenredig is aan benodigde koppel kan doormiddel van een te grote variatie in de stroom een botsing worden gedetecteerd. De moeilijkheid is het herkennen van de botskracht. Tijdens stilstand is de stroom relatief constant. Bij een botsing gaat de motor meer stroom gebruiken om toch zijn positie te behouden. Elke afwijking kan hierdoor herkend worden als een botsing. Tijdens een beweging is dit lastiger, omdat de wrijving, snelheid, massa en positie moeten worden meegenomen in de berekeningen. De figuren maken dit probleem duidelijker. In figuur 1a is de hoek van de robot en de motor stroom in een grafiek uit gezet in de tijd. In figuur1b is te herkennen dat er enkele afwijkingen in de stroom zijn tijdens deze cyclus. Deze hoge amplitudes zijn echter geen botskrachten, maar veranderingen van draairichting. Om stroomvariaties van botskrachten en bewegingskrachten te kunnen scheiden is een regeling nodig. Om de detectie regelaar de stroomvariatie door bewegingskrachten niet als een botsing te laten herkennen wordt er vermenigvuldigd met de input positiewaarde naar de snelheidregelaar. De input positiewaarde is de afstand van een regelstap. Deze waarde is proportioneel met het verschil van de positie en de eindpositie. Doordat de robotsnelheid gestaag toeneemt en gestaag afneemt tijdens het veranderen van richting, is de positiewaarde hier laag, omdat de snelheid daar nul is. Hierdoor zal de hoge amplitude worden gecompenseerd en niet worden gezien als een botsing. Uit een negatieve of positieve waarde kan de richting van de botsing worden bepaald. Bij een botsing wordt snel de stroom verkleind of vergroot om naar de vorige positie te gaan. De botsing wordt geabsorbeerd door het teruggaan naar de vorige positie. Deze manier van een robot stoppen bij een botsing is veel beter voor het geraakte object of mens, dan wanneer de stroom er meteen af wordt gehaald en er dus niets wordt geabsorbeerd. De onderzoekers hebben testen gedaan met deze techniek. Door een andere instelling was al eens eerder een soortgelijke test gedaan, met constante detectie waardes. Hierbij werd de botsing na 22 milliseconden gedetecteerd. Het bleek dat de botsing met de variabele waardes al na 6 milliseconden werd ontdekt. Figuur 1 26 Minor Machines in Motion 27

15 PASSIEVE BEVEILIGING Passieve beveiligingen zijn puur mechanisch en zijn vaak sneller en betrouwbaarder dan actieve beveiligingen. Actieve beveiligingen zijn afhankelijk van software en energietoevoer en wanneer hier storing optreedt kan dit gevaar opleveren. Bij een passief beveiligde robot wordt de robot intrinsiek veilig genoemd. Intrinsiek veilig is een vorm van veiligheid die als eigenschap, van binnenuit, werkelijk aanwezig is. Een apparaat dat intrinsiek veilig is, zal dus zelfs bij een defect veilig zijn. Bij een robot wil dit zeggen, dat wanneer de besturing op hol slaat of uitvalt, de robot nog steeds veilig is voor de mens. Statisch in balans en lage motorkracht Mathijs Vermeulen en Martijn Wisse van de TU Delft hebben onderzoek gedaan 3 naar het ontwerp van een intrinsiek veilige robotarm. Zij concludeerden dat de huidige robots een grote massa hebben en daardoor ook sterke motoren die niet voor mensen terugdeinzen. De oplossing ligt volgens hen bij het reduceren van de massa en daarmee ook het verkleinen van de motorkracht. In dit onderzoek is uitgegaan van een pijntolerantie van 100 [kpa], waarbij gezegd moet worden dat 150 [kpa] de laagst gerapporteerde pijntolerantie van de mens is. Het minimum raakvlak van de robot op de mens was 5 [cm 2 ], waardoor de toelaatbare botskracht 50 [N] is. Het ontwerp is gebaseerd op een robot in de fruitindustrie. Deze robot moet een gewicht van 1,2 [kg] verplaatsen over een afstand van 0,8 [m] in 1,5 [s]. De minimum motorkracht wordt bepaalt door het optillen van het product. De kracht waarmee de robot de mens kan raken bij een storing in opgaande beweging is de maximale motorkracht minus gravitatie. Echter in een neergaande beweging is dit de maximale motorkracht plus de gravitatie. Zie de situatieschets in figuur 2. De oplossing volgens de onderzoekers is het gebruik van voorgespannen veren. De situatieschets is in figuur 3 te zien. De veer zal aan de vaste wereld worden vastgemaakt, omdat dit anders een extra massatraagheid toevoegt aan de robotarm. Deze veer moet ervoor zorgen dat de robot en zijn last in volledige statisch evenwicht zijn Om het systeem in evenwicht te houden bij verschillende hoeken en massa s, moet de veerspanning steeds aangepast worden. De juiste veerspanning wordt bereikt door twee parallelle veren met verschillende stijfheden en katrollen. Deze katrollen zorgen voor de juiste uitrekverhouding tussen hoekverdraaiing en verplaatsing van de veer. Hierdoor is de robot en zijn massa ten alle tijden in evenwicht, en is er maar een kleine motorkracht nodig om de massa te bewegen. De kracht waarbij de robot de mens kan raken is nu dan ook alleen die kleine motorkracht. Uiteindelijk bleek de robot inderdaad intrinsiek veilig en waren 4,5 Watt DC motoren voldoende om de massa van 1,2 [kg] te verplaatsen over een afstand van 0,8 [m] in 1,5 [s]. Figuur 2 Veilige gewrichten in de robotarm Naast Mathijs Vermeulen en Martijn Wisse hebben ook Jung-Jun Park, Jae-Bok Song en Hong-Seok Kim van de Korea University en het Korea Institute of Industrial Technology onderzoek gedaan 4 naar intrinsiek veilige robots. Ook zij hebben onderzoek gedaan naar veiligere robots die gebruik maken van veren. Belangrijk voor passief beveiligde robots is dat ze tijdens hun bezigheden in de veilige zone een hoge stijfheid hebben, zodat ze snel en precies kunnen werken. Als ze echter in de gevarenzone terecht komen moeten de robots juist een lage stijfheid hebben om de botsing met eventueel een mens op te kunnen vangen. Het Safe link mechanisme is een ontwerp dat hierop inspeelt. Het idee is om te werken met een veer en zijn stijfheid. Deze stijfheid moet zoals eerder beschreven hoog zijn in de veilige situatie, maar bij een bepaalde kracht (botskracht) Figuur 3 Figuur 4 juist heel laag. Er bestaan alleen geen veren met deze eigenschappen. Vandaar het principe dat in figuur 4 te zien is. Wanneer er een External force uitgeoefend wordt kan dit gecompenseerd worden door de Resisting force. Wanneer de Transmission angle kleiner is dan 45 graden of groter dan 135 graden, is er een lage Resisting force nodig om in evenwicht te blijven. Als de hoek 90 graden benaderd is deze benodigde kracht een stuk hoger. Dit principe van verschil in krachten bij bepaalde hoeken is uitgewerkt in een ontwerp met een zuiger en krenk in combinatie met een veer. Zie figuur 5. Dit ontwerp is geplaatst in een gewricht van een robotarm. Zie figuur 6. Zoals te zien is, is het ontwerp twee keer in het gewricht geplaatst. Eén voor de verplaatsing naar boven en één voor de verplaatsing naar onder. Dit ontwerp is getest en de resultaten zijn te zien in figuur 7. Het blauwe gedeelte stelt het werkgebied voor, het groene gedeelte de veilige zone en rood de onveilige zone. Goed is te zien dat ook in dit onderzoek wordt uitgegaan van een maximum botskracht van 50[N]. Er is te zien dat het gehele ontwerp niet of nauwelijks hoekverdraaiing heeft tot 31[N], daarna wordt het mechanisme abrupt minder stijf en geeft mee. Deze 31[N] is in dit onderzoek dan ook de veiligheidsgrens. Figuur 5 Figuur 6 Figuur 7 28 Minor Machines in Motion 29

16 Samenwerken van robots en mens Zoals de onderzoeken bewijzen zijn er zeker mogelijkheden om robots veilig te maken voor de mens, maar er zitten ook nadelen aan vast. Wanneer een robot actief beveiligd wordt door de methode om naar de stroom te kijken worden moeilijke dynamische berekeningen en sensors bespaard. De testen van deze Universiteit uit Zuid Korea tonen aan dat de beveiliging snel reageert en dat het de botsing absorbeert. Maar net als alle actieve beveiligingen kunnen er wel storingen optreden. Passief beveiligde robots kunnen zeer veilig worden ontworpen, waardoor het samenwerken met de mens zeker mogelijk is. Het nadeel van deze robots is wel de maximale botskracht van 50N die de mens kan verdragen. Dit beperkt de versnelling van de robots en dus ook de capaciteit van de robot. Er zal in de toekomst zeker worden samengewerkt tussen mens en robot, maar met de huidige passieve technieken zal dit voorlopig alleen gebeuren in processen waarbij niet al te hoge versnellingen nodig zijn. De actieve beveiligingsmethode reageert zeer snel, maar is niet intrinsiek veilig. Daar zal altijd rekening mee gehouden moeten worden en vraagt daarom om toepassing van aanvullende veiligheidsvoorzieningen. Maar wie weet het? Het idee van toen is de realiteit van nu 1. geraadpleegd op Hwan-Wook Je, Jun-Young Baek, Min Cheol Lee, Pusan National University, Zuid-Korea, Current based Compliance Control Method for Minimizing an Impact at Collision of Service Robot Arm, pagina , International journal of precision engineering and manufacturing, April 2011 vol. 12, No Mathijs Vermeulen,Martijn Wisse, Delft University of Technology, Nederland, Intrinsically Safe Robot Arm: Adjustable Static Balancing and Low Power Actuation, pagina , Internal Journal of Social Robotics, September 2010 vol. 2, No Jung-Jun Park, Jae-Bok Song, Hong-Seok Kim, Korea University, Zuid-Korea, Safe Joint Mechanism Based on Passive Compliance for Collision Safety, pagina 49-61, Recent Progress in Robotics: Viable Robotic Service to Human, Minor Machines in Motion 31

17 Meer weten? Voor meer informatie over de minor Machines in Motion kun je terecht bij de coördinatoren van deze minor: Avans Hogeschool s-hertogenbosch Academie voor Industrie en Informatica Opleiding Werktuigbouwkunde Onderwijsboulevard DE s-hertogenbosch T (073) E AII-onderwijsbureau@avans.nl W ir. I. van Aken T E. dr.overdijk@avans.nl ir. Bianca Piek-van Wel T E. bt.vanwel@avans.nl