Technisch ontwerp. Project: Mannequin Middel. Bedrijf: Quin Mechatronics

Transcriptie

1 Technisch ontwerp Project: Mannequin Middel Bedrijf: Enschede, 25 november 2013 Versie 1.1 Opgesteld door : Klas: EMT2B Groep: 3B Marjolein Reinderink Sander van Bommel Emre Elmas Vincent Faber Thomas Ticheler

2 Technisch ontwerp Project 3B pagina 1 Afkortingen Afkorting BoM COTS DoF NA HWBS PCB PSD TCD TPD Woordenlijst Beschrijving Stuklijst Commercial of the Shelf Vrijheidsgraden Niet toepasselijk HardWare Breakdown Structure Printplaatje Functioneel blokken diagram (software) Technisch Constructie Dossier Technisch Product Dossier Term HardWare Breakdown Structure Technisch Constructie Dossier Technisch Product Dossier Omschrijving Een lijst die de relaties tussen alle tekeningen en schema's van de onderdelen en subonderdelen van de mechanische en elektrische hardware toont. Alle documenten die betrekking hebben tot het ontwerp en de realisatie van een nieuwe product. Alle documenten die nodig zijn om het ontwerp te produceren. Verwijzingen Nummer Auteur Titel [1] Pakket van eisen [2] Functioneel ontwerp

3 Technisch ontwerp Project 3B pagina 2 Inhoudsopgave technisch ontwerp 1 Inleiding... 3 Introductie tot het project... 3 Overzicht van het document Technisch Constructie Dossier (TCD) Systeem Technisch blokdiagram Mechanisch Keuze en berekeningen van mechanische onderdelen Berekeningen van andere eigenschappen Elektrisch en elektronisch Keuze en berekeningen van elektrische en elektronische onderdelen Software Flowcharts / PSD / toestandsdiagrammen Toelichting op complexe software routines Technisch Product Dossier (TPD) Mechanisch Overzicht Frame Bill of Materials Elektrisch en elektronisch Bill of Materials Externe Interfaces User Interface... 12

4 Technisch ontwerp Project 3B pagina 3 1 Inleiding Dit hoofdstuk geeft een introductie tot het project, samen met het doel van het project en een overzicht van het document. Introductie tot het project De opdracht van dit project is het maken van een geautomatiseerde mannequin. Wij als projectgroep zijn verantwoordelijk voor het middel van de mannequin. De exacte opdracht luidt: Ontwerp en bouw een lichaamsrotatiesysteem die kan roteren in 2 graden van vrijheid zoals is beschreven in het functioneel ontwerp. Als deze 2 graden van vrijheid perfect werken, kan er een 3 e graad worden toegevoegd. Het doel van dit project is het automatiseren van een mannequin, zodat deze een persoon na kan doen. De bedoeling van deze mannequin is de aandacht trekken van potentiele klanten. Hierdoor kunnen de verkoopcijfers stijgen. Overzicht van het document Dit document bevat informatie die gerelateerd is aan het ontwerp dat is gekozen in het FDD [2]. Het bevat twee soorten informatie (zie woordenlijst): - Hoofdstuk 2: Technisch Constructie Dossier (TCD) - Hoofdstuk 3: Technisch Product Dossier (TPD); voornamelijk verwijzingen naar andere documenten. Beide hoofdstukken zijn gesplitst in vijf aspecten, met allemaal een subhoofdstuk: Hoofdstuk X.1 bevat de systeemaspecten. Hoofdstuk X.2 bevat de mechanische aspecten. Hoofdstuk X.3 bevat de elektrische en elektronische aspecten. Hoofdstuk X.4 bevat de software aspecten. Hoofdstuk X.5 bevat de productie aspecten.

5 Technisch ontwerp Project 3B pagina 4 2 Technisch Constructie Dossier (TCD) Dit hoofdstuk bevat alle informatie die betrekking hebben tot het design en de realisatie van het systeem. 2.1 Systeem In hoofdstuk staat het technisch blokdiagram van het ontwerp Technisch blokdiagram In dit hoofdstuk is het functionele blokdiagram vertaald naar een technisch blokdiagram. Dit technische blokdiagram is te zien in figuur Voeding Noodstop Spanningsomvormer data Microcontroller Sensoren Lineaire actuatoren Constructie data Software Draaipunt Figuur (technisch blokdiagram) De voeding is verbonden met de noodstop, deze is weer verbonden met de spanningsomvormer. Deze geeft voeding aan de microcontroller, de sensoren en de lineaire actuatoren. Software wordt naar de microcontroller gebruikt. De sensoren sturen data naar de microcontroller. De microcontroller stuurt data naar de lineaire actuatoren. De lineaire actuatoren zitten op een draaipunt bevestigt, deze is bevestigt aan de constructie.

6 Technisch ontwerp Project 3B pagina Mechanisch In dit hoofdstuk wordt het mechanische gedeelte van het ontwerp weergegeven Keuze en berekeningen van mechanische onderdelen In dit hoofdstuk worden de keuze en berekeningen van de mechanische onderdelen toegelicht. Afstand van de actuator ten opzichte van het draaipunt: De actuatoren komen in verschillende uitvoeringen voor. De werkafstand verschilt per type. De meest gebruikte werkafstanden zijn 50, 100, 150, 200 en 300 mm. Al snel was duidelijk dat we de actuatoren met een slag van 100 mm zouden gaan gebruiken. Om de actuator zo rendabel mogelijk te gebruiken zonder een zware motor nodig te hebben is er berekend hoe ver de actuatoren van het draaipunt af kunnen staan. In het programma Solid Works (eigenlijk een tekenprogramma) is een berekening gemaakt voor de bevestigingsafstand van de actuatoren. Beweging links naar rechts. Beweging voor naar achter. Figuur (Vooraanzicht schets beweging links naar rechts) Figuur (Rechteraanzicht schets beweging van voor naar achter) De afstand voor de bewegingen zijn in de afbeeldingen in het grijs weergegeven.

7 Technisch ontwerp Project 3B pagina 6 Berekenen van de benodigde krachten van de actuator. Beweging van links naar rechts. In figuur is een schets te zien van de opstelling voor het berekenen van de benodigde kracht van de actuator. Het gewicht is bepaald op een afstand van 40 cm met een massa van 15 kg. Figuur (Zijaanzicht schets beweging van links naar rechts)

8 Technisch ontwerp Project 3B pagina 7 Beweging van voor naar achter. Figuur (Schets beweging van voor naar achter) In figuur is een schets te zien van de opstelling voor het berekenen van de benodigde kracht van de actuator. Het gewicht is bepaald op een afstand van 40 cm met een massa van 15 kg.

9 Technisch ontwerp Project 3B pagina Berekeningen van andere eigenschappen In SolidWorks is een krachten simulatie uitgevoerd op het frame. Hierbij is uitgegaan van de meest belastende positie van de pop en de optredende krachten welke de actuator op dat moment uitvoert. Deze simulatie is te zien in figuur Figuur (krachtensimulatie Solidworks) Solidworks geeft een overdreven beeld van de buiging welke optreed. Eveneens wordt de hoeveelheid stres meteen kleur aangegeven. Met in dit geval rood als de hoogst optredende belasting en blauw als de laagste. De hoogst optredende spanning is zoals te zien op de afbeelding 21 miljoen. Met 200 miljoen als maximaal toelaatbare spanning (opgegeven daar solidworks) is de belasting 10.5%. Dit is veel lager dan de maximale veiligheid van 70%. Een nadeel van solidworks is wel dat deze geen rekening houd met eventuele zwaktes in de bevestigingen, in dit geval lasnaden. Constructiefouten zijn dus niet uitgesloten bij deze berekening.

10 Technisch ontwerp Project 3B pagina Elektrisch en elektronisch In dit hoofdstuk wordt het elektrische en elektronische gedeelte van het ontwerp weergegeven Keuze en berekeningen van elektrische en elektronische onderdelen Keuze van actuatoren. Er zijn twee krachten nodig: 339.8N N Optie 1: DLA A-100-POT-IP65 van Transmotec Nominale spanning 12 V/DC Nominale stroom 3,7 A Fabrikantnr CR Type DLA A-100-POT-IP65 Veiligheidstype IP65 Min. bedrijfstemperatuur -26 C Slag 100 mm Max. bedrijfstemperatuur +65 C Stuwkracht 1200 N Max. snelheid 7.5 mm/s Tandwielreductie 40:1 Gebruikstemperatuur -26 tot +65 C Figuur (Actuator Transmotec) Toelichting: Deze actuator kan de kracht met gemak aan. Dit is ook zeker de bedoeling om een flinke veiligheidsmarge te houden. Dit omdat de 15 kilo waarop de constructie is berekend een afspraak in met de werkgever en geen concreet feit. Het kan dus maar zo zijn dat de uiteindelijke constructie meer gaat wegen dan de genomen 15 kilo. Een groot minpunt is wel dat de actuator niet voldoet aan de snelheid. De actuator heeft een bewegingssnelheid van 7.5 mm per seconde. Dit houdt in dat de volledige beweging van 60 graden zal worden voltooid in 13.3 seconden. Dit geeft een conflict met de eis van 60 graden per 2 seconden.

11 Technisch ontwerp Project 3B pagina 2 Er kan gekozen worden voor dezelfde actuator maar dan niet met een vertraging van 40 maar van 10. Het probleem is dan dat deze een maximale kracht heeft van 250 Newton. dit is niet voldoende on de pop te besturen. Optie 2: LINEAIRE ACTUATOR LA12 van Linak Nominale spanning 12/ V/DC Nominale stroom 4.6 A Type 12XX00-1XXX12XX Min. bedrijfstemperatuur -20 C Slag 100 mm Max. bedrijfstemperatuur +60 C Stuwkracht 750 N Max. snelheid 14 mm/s Gebruikstemperatuur -20 tot +60 C Toelichting: Figuur (Actuator Linak) Deze actuator kan de kracht aan. Een groot minpunt is wel dat de actuator niet voldoet aan de snelheid. De actuator heeft een bewegingssnelheid van 14 mm per seconde. Dit houdt in dat de volledige beweging van 60 graden zal worden voltooid in 7.1 seconden. Dit geeft een conflict met de eis van 60 graden per 2 seconden.

12 Technisch ontwerp Project 3B pagina 3 Het systeem wordt gevoed door een externe voeding van 12V. Dit is van tevoren bepaald. De actuatoren moeten voldoen aan de eis dat ze op 12V werken. De actuatoren kunnen per stuk 3A gebruiken dus moeten de voedingskabels geschikt zijn. Om positiebepaling mogelijk te kunnen maken horen er ook sensors in. De gekozen actuatoren hebben potentiometers ingebouwd. De twee actuatoren worden aangestuurd door een H-brug. De eisen voor deze H-brug zijn: - Minimaal 3A (per kanaal); - Dubbel uitgevoerd voor twee actuatoren; - Snelheid aanpasbaar (per kanaal); - Richting moet omgekeerd kunnen worden (per kanaal); - Moet werken op 12 Volt; - De aansturing moet op 3.3 volt werken. De keuze is een H-brug genaamd Pololu Dual VNH5019. Deze H-brug heeft de volgende specificaties: - 12A per kanaal (30A piekstroom); - Dubbel uitgevoerd; - De snelheid is aanpasbaar met behulp van een PWM signaal; - Richting wordt bepaald door vier inputs (twee per kanaal); - Werkspanning van 5.5V tot 24V; - Accepteert logic signalen van 2.1V tot 5V. Omdat H-bruggen met een maximale stroom van 3A niet goed beschikbaar zijn is de stroomwaarde zo hoog als hij hier is. Het enige nadeel aan deze H-brug is dat hij geen eigen voeding heeft voor zijn eigen chip. Deze moet apart gevoed worden. Daarom het volgende punt. Omdat de Mbed microcontroller op maximaal 9V werkt moet er ook een DC-DC omzetter inkomen. Dit komt goed uit want de H-brug heeft ook een externe voeding nodig voor zijn eigen chip. Hiervoor is gekozen voor de Pololu D24V6F5. Dit model zet spanningen van 7V-42V om tot 5V. Hierbij kan er 600 ma worden geleverd. In figuur is te zien hoe alles met elkaar verbonden is.

13 Technisch ontwerp Project 3B pagina 4 Externe voeding 12V?A Legenda Stroom Logische signaal Drukknop 1 Noodknop Bruikbaar voor operator Drukknop 2 Aan/uit knop User Interface Drukknop 3 12V -> 5V regelaar H-brug Actuator 1 Drukknop 4 Mbed microcontroller Actuator 2 Schakelaar Figuur (model elektrische onderdelen)

14 Technisch ontwerp Project 3B pagina Software In dit hoofdstuk wordt de software uitgelegd Flowcharts / PSD / toestandsdiagrammen Het systeem begint met het checken van positie van de actuatoren en geeft het geheel 5 seconden om alles goed te laten opstarten. Hierna wordt er gekeken of het systeem in demo (mode 1) modus moet gaan of manuele (mode 2) modus. Dit wordt met behulp van een schakelaar gedaan. De werking van beide modes wordt constant gecheckt en bijgehouden. Omdat dit de flowcharts te onoverzichtelijk zou maken is dit weggelaten. Mode 1: Bij de demomodus wordt er een vastgestelde routine afgelopen waarbij alle vereiste bewegingen worden afgelopen. Deze routine begint bij zijn homepositie door eventueel bij te sturen als dit niet de huidige situatie is. Hierbij wordt ook constant gecheckt of het geheel wordt tegengehouden door iemand of door een defect in het mechanisme. Bij 3 gedetecteerde fouten in een seconde tijd stopt het systeem er mee en moet opnieuw gestart worden. In figuur is te zien hoe deze routine in werkt. De blauwe bewegingen zijn voorgeprogrammeerd en afhankelijk van de constructie en dus niet in detail beschreven. De bewegingsprofielen van de actuatoren zijn hetzelfde. Maar de ene actuator is een kwart periode vertraagd waardoor je een ronde beweging krijgt. Het plus vorm wordt gemaakt door de ene actuator de volledige beweging te laten maken, terug te gaan naar homepositie en de andere actuator zijn volledige beweging te laten maken. Start In homepositie? Nee Ga naar homepositie Laat torso een plus maken(zie document) Laat torso een cirkel maken(zie document) Ga naar homepositie figuur (routine Mode 1)

15 Technisch ontwerp Project 3B pagina 2 Mode 2: Bij de manuele modus wordt de controle vrijgegeven aan de operator welke met behulp van 4 knoppen het geheel kan besturen. Hierbij word aangenomen dat er niemand aan het systeem kan zitten. Enige blokkades zoals de uiterste mogelijke beweging wordt met behulp van een simpel algoritme opgeslagen en gebuikt om verdere blokkades in een bepaalde richting te voorkomen. In figuur is te zien hoe deze routine in elkaar zit. Start Knop 1, 2,3 of 4 ingedrukt? Limiet van potmeter bereikt? Limiet van potmeter bereikt? Limiet van potmeter bereikt? Limiet van potmeter bereikt? Ja Nee Nee Nee Ja Ja Ja Nee Actuator 1 verlengen Actuator 1 verkorten Actuator 2 verlengen Actuator 2 verkorten Figuur (routine Mode 2) Toelichting op complexe software routines Het algoritme dat gebruikt wordt voor de bewegingen is een PID-regelaar (Proportioneel, Integrerend en Differentiërend). De P is het verschil in de waarde die het systeem moet hebben en huidige waarde. De I is de opgetelde fout over een tijd en de D is de snelheid waarmee de fout veranderd. Het hele algoritme werkt door de gewenste en huidige waardes op te geven van sensoren, wat in dit geval potmeters zijn. Hieruit wordt dan een output gegenereerd die doorgegeven word aan de H-brug. Dit algoritme zorgt ervoor dat de bewegingen soepel lopen. De limieten van de manuele modus worden berekend door te kijken of de verwachte positie verschilt van de huidige positie. Als de afgeleide te groot is dan wordt dit als fout gemeld. Als dit dan drie keer gebeurd wordt het permanent als limiet gezien.

16 Technisch ontwerp Project 3B pagina 3 3 Technisch Product Dossier (TPD) In deze paragraaf worden alle gegevens opgegeven die nodig zijn om het syteem te reproduceren. 3.1 Mechanisch Voor dit onderdeel van het document zijn tekeningen van de verschillende onderdelen gemaakt met Solidworks. Van deze 3d tekeningen zijn ook 2d tekeningen gemaakt. Deze 2d tekeningen worden in de werkplaats gebruikt om de onderdelen te maken. In dit hoofdstuk worden alle mechanische onderdelen beschreven. Alle werktekeningen zijn apart bijgevoegd als pdf s.

17 Technisch ontwerp Project 3B pagina Overzicht Figuur In figuur 3.1 is een overzichtstekening te zien van de mechanische constructie. De constructie bevat de volgende mechanische onderdelen: - 2 Lineaire actuatoren - 3 Kruiskoppelingen - Een frame met: o 2 steunen voor de actuatoren o 4 steunen voor bevestiging in de mannequin o 1 steun voor bevestiging aan de kruiskoppeling - Een bodemplaat voor bevestiging van de kruiskoppelingen. Elk onderdeel zal worden toegelicht verderop in dit hoofdstuk, alle werktekeningen om de onderdelen te fabriceren zijn te vinden in de externe bijlage.

18 Technisch ontwerp Project 3B pagina Frame Figuur In figuur is het kale frame te zien, dit houdt in alleen alle buizen. Het frame zal gemaakt worden van kokermateriaal van 20x20x2mm. We hebben gekozen voor 20x20x2 omdat dit meer als sterk genoeg is voor de krachten die erop komen, ook is dit een gangbare maat dit is belangrijk voor de levertijd. De koker zijn allemaal gemaakt van staal dit omdat het goedkoop en makkelijk te bewerken is. Ook is er overwogen om aluminium te gebruiken omdat dit erg licht en corrosie bestendig is, maar gezien de kleine hoeveelheid koker, de prijs van aluminium en de gebruiksomgeving is dit niet nodig. De werktekening voor het frame staat in de externe bijlage 1.

19 Technisch ontwerp Project 3B pagina 6 Figuur In figuur zijn drie verschillende beugels te zien, de eerste 2 beugels zijn voor bevestiging van het frame in de mannequin, en de derde beugel is voor de bevestiging van de actuator aan het frame. Al deze beugels zijn gemaakt van 2mm dik en 20 mm breed staal. De werktekeningen van deze beugels zijn te vinden in de externe bijlage 2 t/m 4.

20 Technisch ontwerp Project 3B pagina 7 Bodemplaat Figuur De bodemplaat bestaat uit verschillende losse onderdelen. Dit is een plaat met drie pinnen erop gelast. De kogelscharnieren worden hier later aan bevestigd. De bodemplaat wordt net als het frame van staal gemaakt. De bodemplaat wordt aan de onderkant van de middel bevestigd, zodat de bovenkant van de pop er gemakkelijk af te halen is voor eventuele reparaties of vervoer. De bodemplaat is te zien in figuur 3.2.4, de werktekeningen voor de bodemplaat zijn te vinden in de externe bijlage 5 t/m 7.

21 Technisch ontwerp Project 3B pagina 8 Actuatoren Figuur Figuur De bovenstaande actuator van Transmotec (Figuur 3.2.4) wordt gebruikt voor de zijwaartse bewegingen. De actuator van Linak (Figuur 3.2.5) wordt gebruikt voor de voor- en achterwaartse bewegingen. Van beide actuatoren wordt er één gebruikt en hebben allebei een slag van 100mm. De Transmotec actuator kan een kracht leveren van 1200N en de Linak actuator een kracht van 750N. Kruiskoppeling Figuur De kruiskoppeling wordt gebruikt zodat de pop alle richtingen op kan bewegen. De pop heeft drie van deze kruiskoppelingen. De koppelingen worden zoals eerder beschreven aan de bodemplaat bevestigd. Een van deze koppelingen wordt gebruikt voor de vaste stang en de andere twee voor de actuatoren.

22 Technisch ontwerp Project 3B pagina Bill of Materials De bill of materials staat in de externe bijlage 8, deze bill of material is gemaakt in solidworks. Het is een overzicht van alle mechanische componenten.

23 Technisch ontwerp Project 3B pagina Elektrisch en elektronisch Het systeem wordt gevoed door een 12V spanningsbron. Deze gaat naar de controlepaneel waarbij het eerst door een aan/uit schakelaar gaat voordat het de DC-DC omzetter en de H- brug ingaat. De DC-DC omzetter voedt de Mbed microcontroller en de Integrated Circuit(IC) van de H-brug. De Mbed controller voedt alleen de potmeters van de actuatoren. Dit kan niet met de DC-DC omzetter omdat het Mbed systeem op 3.3V werkt en de DC-DC omzetter op 5V. Het controlepaneel is aangesloten zoals aangegeven in figuur Hierbij slaan D1-D5 op de knoppen op het paneel. Vier ervan zijn van de joystick en één schakelt de modus van de software. De weerstanden met de ground zitten er in omdat je anders een zwevende input hebt. Dit houdt in dat de microcontroller niet weet of de input op hoog of laag staat. Dit wordt een pull-down mechanisme genoemd. Figuur In figuur is ook te zien hoe de Mbed is aangesloten met alle elektrische onderdelen. De potmeters worden uitgelezen door de analoge inputs. Wat niet aangegeven is zijn de outputs voor de H-brug omdat dit specifiek is aan het systeem die gebruikt wordt. Er wordt vanuit gegaan dat er vier digitale outputs en twee PWM outputs nodig zijn. Uiteindelijk komen alle elektrische onderdelen, exclusief actuatoren, in een behuizing. Hierbij zit de Mbed microcontroller, de DC-DC converter en de H-brug in de behuizing en niet in de pop. Dit maakt het construeren eenvoudiger en bespaart ruimte. Omdat de besturing er af moet is dit beter dan geïntegreerd in de pop.

24 Technisch ontwerp Project 3B pagina Bill of Materials In tabel is te zien wat er allemaal nodig is. Aantal Materiaal 1 Mbed LPC Schakelaar 1 Dubbele H-brug 1m bij 1m Plaatmateriaal aluminium/ijzer, afhankelijk van beschikbaarheid 1 DC-DC converter 1 Joystick 3m Diverse bekabeling 1 Noodknop, van een ander project Tabel 3.2.1

25 Technisch ontwerp Project 3B pagina 12 4 Externe Interfaces Dit hoofdstuk beschrijft alle communicatie naar de buitenwereld. Dus alles wat niet in het systeem zit. 4.1 User Interface Het user interface komt er uit te zien zoals aangegeven in figuur Figuur In het figuur is te zien dat er twee schakelaars aanwezig zijn met een joystick. Alle elektronica zit in de behuizing waaruit twee kabels uitkomen. Één van de kabels bevat de 12V spanning en de andere gaat naar het systeem in de pop.

26 Technisch ontwerp Project 3B pagina 1 5 Bijlagen Bijlage 1

27 Technisch ontwerp Project 3B pagina 2 Bijlage 2

28 Technisch ontwerp Project 3B pagina 1 Bijlage 3

29 Technisch ontwerp Project 3B pagina 1 Bijlage 4

30 Technisch ontwerp Project 3B pagina 1 Bijlage 5

31 Technisch ontwerp Project 3B pagina 1 Bijlage 6

32 Technisch ontwerp Project 3B pagina 1 Bijlage 7

33 Technisch ontwerp Project 3B pagina 1 Bijlage 8