Technisch Ontwerp Document (TOD) Project: Mannequin. Bedrijf: RS

Transcriptie

1 Technisch Ontwerp Document (TOD) Project: Mannequin Bedrijf: RS Enschede, 25 november 2013 Mechatronica Versie 1.0 Opgesteld door: Klas: EMT2A Groep: 2A Dieuwe Elferink Gijs de Vries Bram te Lintelo Max Snippe

2 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 1 Afkortingen Afkorting Beschrijving BOM Bill of Materials NVT Niet van toepassing TRD Technisch Realisatie Dossier TPD Technisch Product Dossier UI User Interface GUI Grafische User Interface FOD Functioneel Ontwerp Document [2] Referenties Nummer Auteur(s) Titel [1] Mechatronica, System Requirements Document Saxion [2] RS (Groep 2A) Functioneel Ontwerp Document

3 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 2 Inhoudsopgave Technisch Ontwerp Document 1 Inleiding Project introductie Overzicht van het document Technisch Realisatie Dossier (TRD) Technisch Blokdiagram Mechanisch Keuzes en berekeningen aan mechanische componenten Elektrisch en elektronisch Keuzes en berekeningen aan elektr(on)ische componenten Software Flowcharts Technisch Product Dossier (TPD) Mechanisch Elektrisch en elektronisch Interfaces Interne interfaces Mechanische interfaces Elektrische interfaces Externe interfaces User Interface (UI) Bijlage 1 Software flowchart Bijlage 2 BOM Bijlage 3 Werktekeningen... 17

4 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 3 1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt een kleine inleiding gegeven voor de rest van het document. 1.1 Project introductie Omdat een mannequin in een etalage vaak saai oogt en weinig aandacht trekt van voorbijgangers, wordt deze aangepast zodat de armen, romp en het hoofd kunnen bewegen. Het doel van dit project is dus het ontwerpen en maken van een beweegbare arm voor een mannequin. De arm moet verticaal kunnen bewegen in de schouder en elleboog. Tot slot moet de arm er af kunnen om de mannequin eenvoudig van kleding te kunnen wisselen. De mannequin zal worden toegepast in etalages van winkels. 1.2 Overzicht van het document In dit document wordt aandacht besteed aan de technische aspecten van het gekozen concept. De concept keuze is uitgebreid behandeld in het Functioneel Ontwerp Document [2]. In Hoofdstuk 2 worden aan de hand van berekeningen alle onderdelen gekozen die nodig zijn, dit is een uitbreiding op het blokdiagram in het Functioneel Ontwerp Document [2]. In paragraaf 2.1 is het technische blokdiagram weergegeven. Daarna, in paragraaf 2.2 worden de mechanische berekeningen weergegeven. Aan de hand van de berekeningen wordt de keuze voor de verschillende onderdelen gemaakt. In paragraaf 2.3 wordt op dezelfde manier aandacht besteed aan de elektrische en elektronische aspecten. Tenslotte, in paragraaf 2.4, wordt er dieper ingegaan op de software. In Hoofdstuk 3 worden achtereenvolgens de systeem aspecten, de mechanische aspecten, de elektrische en elektronische aspecten besproken. In Hoofdstuk 4 wordt vooral gekeken naar de verschillende interfaces. Ten eerste wordt er gekeken naar het mechanische interface, daarna naar het elektrische interface en als laatst wordt er gekeken naar de software interface. Hierin wordt onderscheid gemaakt tussen de interne en externe interfaces.

5 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 4 2 Technisch Realisatie Dossier (TRD) In dit hoofdstuk worden de definities van het systeem uitgewerkt en worden keuzes voor ingekochte onderdelen onderbouwd Technisch Blokdiagram In Figuur 2.1 is te zien hoe het functionele blokdiagram omgezet is in een technisch ontwerp diagram. Hier zijn de functies vervangen door de onderdelen die de functies gaan vervullen. Figuur 2.1"Technisch Blokdiagram" De onderdelen zijn als volgt: Power supply: Een 12V DC spanningsbron. User interface: Een laptopscherm waarop de interface in LabVIEW te zien is. Controller: Een laptop met LabVIEW dat de data van de Dynamixels omzet in data voor de Dynamixels. USB to Dynamixel omzetter: Een verloopstuk dat de Dynamixels via USB met de laptop kan verbinden. Dynamixel MX-64T ( 2): De motoren in de schouder en elleboog die de bewegingen gaan maken. Vertanding: Een vertanding met verhouding 1:3 die het benodigde koppel mogelijk maakt voor de motor in de schouder.

6 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina Mechanisch In deze paragraaf worden de mechanische aspecten van het product berekend en onderbouwd. Figuur 2.2 "Bevestiging schouder" T Figuur 2.3 "Torsiehoek as schouder"

7 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina Keuzes en berekeningen aan mechanische componenten In Figuur 2.2 is te zien hoe de bovenarm is bevestigd op de schouder. De minimale asdiameter is berekend volgens: Echter is er toch gekozen om de geleiding via een lager te laten lopen, zodat de kracht op het uiteinde van de as niet kan zorgen voor een verbuiging van de as. Deze verbuiging zou namelijk het benodigde koppel van de motoren aanzienlijk verhogen. Omdat de lager zo dicht bij de bevestiging van de arm geplaatst is, is de verbuiging van de as nagenoeg niets en dus verwaarloosbaar. In Figuur 2.3 is de as van de schouder te zien en daaronder de grafiek met het koppel. De torsiehoek kan hieruit als volgt berekend worden: De maximaal toegestane torsiehoek is, met een veiligheidsfactor van zou dit betekenen dat de maximale torsiehoek slechts mag zijn. Echter is te zien is dat de berekende waarde hier ruim onder valt. 2.3 Elektrisch en elektronisch In deze paragraaf worden de elektrische en elektronische aspecten van het product berekend en onderbouwd Keuzes en berekeningen aan elektr(on)ische componenten In deze paragraaf worden de berekeningen aan de elektrische en elektronische componenten uitgewerkt en onderbouwd Schoudermotor Het benodigde koppel dat de schoudermotor zal moeten leveren is als volgt berekend. Hierbij is de totale massa van de arm, de massa van de onderarm is, de massa van de motoren kg en moet de arm een statische last kunnen weerstaan van op het

8 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 7 uiteinde van de arm. Omdat deze last een kracht is, en geen massa, heeft de last geen massatraagheidsmoment. ( ) Dus het totale moment: Hoeksnelheid/toerental: Dus mechanisch vermogen: Keuze: De Dynamixel MX-64T met een gear van 3: Elleboogmotor Het benodigde koppel dat de elleboogmotor zal moeten leveren is als volgt berekend. ( ) Dus het totale moment:

9 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 8 Hoeksnelheid/toerental: Dus mechanisch vermogen: Keuze: De Dynamixel MX-64T zonder gear. 2.4 Software In de flowchart van de software staat stapsgewijs het gedrag van het systeem in de mogelijke situaties beschreven. Wanneer het programma gestart wordt, zal de software in de initialisatie cyclus terecht komen (de cyclus in het bruine vlak van de flowchart). Hier gaat hij alle grenzen opzoeken om er zeker van te zijn dat er geen belemmeringen zijn. Wanneer de initialisatie goedgekeurd is, gaat de software verder. Hier krijgt hij de keuze om een automatische cyclus te doorlopen of een handmatige. Wanneer de knop handmatig ingedrukt is, zullen de knoppen actief worden. Wanneer dit het geval is, zal de software de cyclus in het witte gedeelte uitvoeren. Hierbij zijn er verschillende mogelijkheden, deze zijn: Wanneer knop A is ingedrukt. Wanneer knop B is ingedrukt. Wanneer knop C is ingedrukt. Wanneer knop D is ingedrukt. Wanneer knoppen A en B zijn ingedrukt. Wanneer knoppen A en D zijn ingedrukt. Wanneer knoppen C en B zijn ingedrukt. Wanneer knoppen C en D zijn ingedrukt. Bij elk van deze mogelijkheden zal de arm een andere beweging maken. Maar wat deze bewegingen met elkaar gemeen hebben, is dat er altijd gecontroleerd wordt of de elleboog of de schouder een grens heeft bereikt. Wanneer er een grens is bereikt, zal de arm die beweging stopzetten. Als er gekozen wordt voor de automatische cyclus, gaat de arm een voorgeprogrammeerd programma volgen. Deze zal herhaald worden totdat er gekozen wordt voor het handmatige programma of dat het systeem uitgezet wordt. Wanneer de noodstop ingedrukt wordt, zullen de motoren op de rem springen. Er zal dan tijdelijk geen beweging plaats vinden totdat de noodstop geannuleerd wordt Flowcharts In Bijlage 1 is de flowchart van de software te zien.

10 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 9 3 Technisch Product Dossier (TPD) Dit hoofdstuk bevat alle benodigde documenten en gegevens om het product te (re)produceren. 3.1 Mechanisch De mechanische delen die zelf geconstrueerd moeten worden voor het product zijn als volgt: Ophanging van de schoudermotor in de romp Ophanging van de schoudermotor in de bovenarm Ophanging van de elleboogmotor in de bovenarm Ophanging van de elleboogmotor in de onderarm Hiervoor zijn de werktekeningen verwerkt in Bijlage 3. De benodigde materialen voor deze onderdelen staan in bijlage 2, de BOM. Daarnaast moeten er een aantal mechanische delen aangeschaft worden. De motor in de elleboog wordt gemonteerd aan de onderarm door middel van een montagebeugel. Daarnaast moet de beweging van de schoudermotor door middel van twee tandwielen overgebracht worden op de bovenarm. Montagebeugel Dynamixel type nr. FR05-H101K Tandwiel 60 tanden type nr Tandwiel 20 tanden type nr De mechanische delen die al beschikbaar zijn op de werkplek zijn: Huidachtige kous die voor een esthetisch uitziend resultaat moet zorgen en bewegende delen afschermen. Noodschakelaar die de voeding voor de motoren onderbreekt. 3.2 Elektrisch en elektronisch In deze paragraaf worden de elektrische en elektronische componenten van het product besproken. Deze componenten zijn: Laptop o Fungerend als controller en user interface (d.m.v. LabVIEW). o Heeft een aparte power supply die niet in het schema opgenomen is. 2 Dynamixel MX-64T o Fungerend als motor en encoder. o Gevoed door algemene power supply Power supply o 12 V DC power supply. USB2Dynamixel o Verloopstuk dat de Dynamixels in staat stelt te communiceren met de laptop. In Fout! Verwijzingsbron niet gevonden. is het blokdiagram weergegeven dat schematisch laat zien welke verbindingen er zijn tussen deze componenten.

11 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 10 De aansluiting waar de data lijn de schouder verbindt met de romp zal gerealiseerd worden met een stekker. Van deze stekker is de aansluiting schematisch weergegeven in Figuur 3.2. Figuur 3.1 "Elektr(on)isch Blokdiagram" Figuur 3.2 "Aansluitingen Stekker"

12 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 11 4 Interfaces Dit hoofdstuk definieert alle interne en externe interfaces tussen het systeem dat wordt ontworpen en andere systemen die ermee te maken hebben. 4.1 Interne interfaces In deze paragraaf worden de interne interfaces tussen de verschillende onderdelen van het systeem besproken Mechanische interfaces Bevestiging van Schouder: In Figuur 4.1 worden de bevestigingspunten aangewezen van de schouder. Figuur 4.1 "Bevestigingspunten schouder" Schouder Rood Bevestiging van de motor 6x M3x10 Wit Bevestiging Beugel + lager 2x M4x10 Groen Bevestiging Schouder deel, afhankelijk sterkte lichaam M5

13 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 12 In Figuur 4.2 worden de bevestigingspunten aangewezen van de arm/schouder. Rood Doorvoersleuf voor Ethernet kabel Wit Bevestiging Schouder deel, afhankelijk sterkte lichaam M5 Groen Bevestiging As, 2x 5x*10 Figuur 4.2 "Bevestigingspunten arm/schouder" In Figuur 4.3 worden de bevestigingspunten aangewezen van de elleboog. Rood Bevestiging van de motor 6x M3x10 De resterende bevestigingspunten moeten nader worden bepaald bij het openzagen van de arm. Figuur 4.3 "Bevestigingspunten elleboog"

14 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina Elektrische interfaces In Figuur 4.4 worden de elektrische interfaces weergegeven van de hele arm. Figuur 4.4 "Elektrische Interfaces" Rood Groen Blauw Afstand en pad van de ethernet kabel Stekker voor loskoppelen van de arm Aansluit punten Dynamixels

15 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina Externe interfaces In deze paragraaf worden de externe interfaces tussen de gebruiker en andere systemen besproken en uitgewerkt User Interface (UI) De Grafische User Interface (GUI) waar de gebruiker het product mee kan aansturen zal eruit zien als in Figuur 4.5. De LED met het bijschrift Initialisatie geeft aan of het product klaar is met de initialisatiefase in de software. Wanneer de LED uit is kan de gebruiker aangeven of de initialisatie voorspoedig verlopen is door middel van de Initialisatie Goedgekeurd -knop. Daarna kan de gebruiker kiezen of het product automatisch of handmatig bestuurd moet worden. In de handmatige modus kan de hand van de arm bestuurd worden met de vier pijltjesknoppen. De meters bovenin de GUI geven de huidige hoek aan die respectievelijke de bovenarm met het lichaam en de onderarm met de bovenarm maken. Dit getal wordt ook weergegeven in de vakken onder de meters. De grote Noodstop knop kan in geval van nood gebruikt worden om de motoren stil te zetten en het programma op pauze. De knop Afsluiten laat het programma stoppen zodat het product uitgeschakeld kan worden. Figuur 4.5 "GUI"

16 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 15 Bijlage 1 Software flowchart

17 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 16 Bijlage 2 BOM

18 Technisch Ontwerp Project Mannequin pagina 17 Bijlage 3 Werktekeningen De werktekeningen van de ophangingen zijn nog niet voltooid, omdat de arm nog niet doorgezaagd is. Hierdoor zijn de afmetingen aan de binnenkant van de arm nog onbekend.