Opracowania konstrukcyjne

2 3 5 6 7 8

Rys. 24 Projekt manipulatora wg koncepcji nr 6

1 – moduł platformy obrotowej, 2 – moduł skanujący XY, 3 – wspornik modułu XY, 4 – wieszak modułu XY, 5 – mikrofon pomiarowy, 6 – półsfera pomiarowa, 7 – rama konstrukcji wsporczej, 8 – ściana komory

bezechowej.

Budowa układu według koncepcji nr 6 (Rys. 24) opiera się o platformę obrotową (1) zainstalowaną w środkowej części podłogi komory bezechowej, korpus stołu obrotowego został przyspawany do konstrukcji wsporczej podestu podłogowego w komorze (7). W koncepcji tej przewiduje się również dwa napędy liniowe obrócone względem siebie o 90 stopni – nazywane modułem skanującym XY (2). Moduł ten jest podparty przez wspornik (3) i wieszak modułu (4), na jego końcu zainstalowano mikrofon pomiarowy (5).

Wariant ten uznano za najlepiej spełniający założenia projektu. W porównaniu do poprzednich koncepcji występuje tu najmniejsza ilość elementów konstrukcyjnych wprowadzających niepożądane odbicia dźwięku, ponadto jest najprostszy w realizacji. Zapewnia wymaganą rozdzielczość pozycjonowania i powtarzalność pomiarów. Przestrzeń pomiarowa wynosi od 1 do 2 m, co jest wystarczające. W dalszej części pracy opisano szczegółowo konstrukcję tej koncepcji.

4.2 Opracowania konstrukcyjne

Po dokonaniu wyboru koncepcji realizowanego manipulatora przeanalizowano możliwość zastosowania dostępnych rozwiązań napędów liniowych oraz stołów obrotowych

produkowanych przez renomowane firmy. Napędy te poddano ocenie rozpatrując parametry dotyczące dokładności i zakresu roboczego manipulatora. Przeprowadzono analizę sztywności poszczególnych osi roboczych, uwzględniając wymaganą nośność konstrukcji obciążonej obiektem badań oraz urządzeniami pomiarowymi. Zdefiniowano poszczególne moduły manipulatora. Modułowość konstrukcji została dostosowana do istniejącej infrastruktury komory bezechowej oraz potrzeb wynikających ze specyfiki eksploatacji, serwisowania i dalszego rozwoju systemu badawczego. Wytypowano mechanizmy osi roboczych manipulatora. Przeprowadzono dobór napędów poszczególnych osi ruchomych z uwzględnieniem wymaganej dynamiki procesu pozycjonowania. Analizę dynamiczną i wytrzymałościową przeprowadzono w konsultacji z producentami wytypowanych komponentów firmy Rexroth. Określono wymagany zakres adaptacji infrastruktury w komorze bezechowej oraz dostosowania komory do wymagań systemu pozycjonowania. Opracowano procedury montażu, regulacji i justowania osi manipulatora konieczne w czasie procesu instalacji i eksploatacji urządzenia w komorze. Przygotowano wytyczne dla systemu sterowania manipulatora z uwzględnieniem współpracy z systemem pomiarowym. Przeprowadzono analizę komponentów obejmujących sterowniki serwonapędów i karty komputerowe przeznaczone do współpracy z serwonapędami. Określono protokoły komunikacji i zdefiniowano wymagania sprzętowe stawiane komponentom systemu sterowania. Wytypowano dostawców sprzętu. W ramach demonstracji sprzętu przeprowadzonych przez dostawców zweryfikowano wstępne założenia budowy systemu.

Konstrukcję komory analizowano pod kątem możliwości zabudowy manipulatora pomiarowego, ze szczególnym uwzględnieniem zakłóceń akustycznych, jakie mogą wnosić jego napędy i inne elementy. Ponieważ nie ma możliwości całkowitego wyeliminowania hałasu napędów, dlatego przewiduje się, że pomiary dokonywane będą stacjonarnie przy wyłączonych silnikach, a badania ciągłe wykonywane podczas pracy manipulatora będą realizowane, gdy odstęp sygnału użytecznego będzie znacząco wyższy niż poziom tła akustycznego (wg normy PN-EN ISO 3745 odstęp ten powinien wynosić co najmniej 10 dB). Każdy element znajdujący się w pobliżu obiektu mierzonego lub samego mikrofonu pomiarowego wprowadza zaburzenie pola akustycznego. Przystępując do projektu założono, że ilość elementów konstrukcyjnych manipulatora będzie możliwie mała. Z tego względu mikrofon będzie zamocowany na wysięgniku.

W zależności od użytych mikrofonów pole magnetyczne o natężeniu 80 A/m przy częstotliwości 50 Hz wprowadza błąd w pomiarze SPL w zakresie od 6 do 16 dB [12]. W tym celu przewidziano osobne prowadzenie wiązek dla przewodów wysoko-prądowych

oraz sygnałowych. Przy pomiarach z wykorzystaniem omawianego projektu manipulatora zwrócono uwagę, aby przyspieszenie ruchu manipulatora nie było zbyt duże, gdyż będzie to powodowało drgania konstrukcji oraz trudności w utrzymaniu pozycji obiektu badanego.

Jako mechanizm wykonawczy do precyzyjnego obrotu stołu obrotowego zastosowano elektromechaniczny pierścień obrotowy NR 750 firmy Weiss. Do napędu pierścienia zastosowano serwosilnik MSK 100B firmy Bosch-Rexroth. Taka konfiguracja umożliwi precyzyjny obrót obiektu badanego z dokładnością ± 0,01°, nośność 350 kg oraz dopuszczalny moment bezwładności pozycjonowanego obiektu 500 kgm2

.

Moduł stołu obrotowego (Rys. 25) mocowany jest do ramy konstrukcji wsporczej siatki podłogowej komory. Osadzony jest on na płytkach ustawczych mocowanych śrubowo do poprzecznych belek ramy konstrukcji wsporczej. Zastosowane wibroizolatory podtrzymują platformę na belkach poprzecznych, izolując konstrukcję nośną od drgań napędu oraz umożliwiają poziomowanie modułu. Belki poprzeczne zostały zespawane z ramą platformy obrotowej. a) 2 4 3 7 1 8 b) 1 6 5

Rys. 25 Moduł stołu obrotowego: a) widok z góry, b) widok z dołu bez obudowy 1 – blat roboczy, 2 – obudowa modułu, 3 – belka poprzeczna, 4 – wibroizolator, 5 – pierścień obrotowy, 6 – serwosilnik, 7 – nóżka transportowa,

8 – stopka ustawcza a) 2 1 3 b)

Rys. 26 Rama platformy obrotowej: a) widok z góry, b) widok z dołu: 1 – komora serwonapędu, 2 – żebro, 3 – płyta nośna.

Pierścień obrotowy osadzono na spawanej obudowie płytowej (Rys. 25). W obudowie wydzielono zamkniętą przestrzeń izolującą akustycznie zespół napędowy serwosilnika i przekładni planetarnej (łączącą serwosilnik z pierścieniem obrotowym). Rama posiada żebra wzmacniające zwiększające sztywność płyty nośnej oraz wzmocnienia umożliwiające zastosowanie nóżek transportowych i wibroizolatorów. W celu ułatwienia transportu, załadunku i manewrowania modułem w ramie zastosowano śruby z uchem stanowiące element wymienny wykorzystywany podczas operacji transportowych.

Moduł skanujący XY (Rys. 27) zbudowano z zastosowaniem kompaktowych modułów liniowych firmy Bosch-Rexroth. Oś wzdłużną stanowi moduł liniowy CRK 12-90 o długości 3300 mm. Zakres pozycjonowani osi wzdłużnej wynosi 3119 mm. Wózek modułu jest pozycjonowany za pomocą przekładni z pasem zębatym. Napęd mechanizmu pasa zębatego jest przekazywany z serwosilnika za pomocą redukcyjnej przekładni planetarnej o przełożeniu 40. Oś poprzeczną stanowi precyzyjny moduł liniowy PSK 60 o długości 700 mm. Zakres pozycjonowania w osi poprzecznej wynosi 615 mm. Wózek modułu jest pozycjonowany za pomocą mechanizmu śrubowo-tocznego o skoku 2 mm. Napęd mechanizmu śrubowego jest przekazywany z serwosilnika za pomocą redukcyjnej przekładni z pasem zębatym o przełożeniu 2. Do napędu osi liniowych zastosowano silniki MSK 30. Mikrofon pomiarowy zamocowano w sprężystym uchwycie samocentrującym. Oba końce modułu XY są zamocowane rozłącznie do nieruchomych i sztywnych elementów nośnych za pomocą przegubów obrotowych ze sworzniami (Rys. 28). Wspornik modułu XY jest zamocowany do ramy konstrukcji wsporczej za pomocą łączników śrubowych. Do ramy zamocowano bazy montażowe w postaci płytek z kołkami ustawczymi ułatwiające demontaż i montaż. Moduł XY podwieszono za pomocą dwuczęściowego wieszaka mocowanego do ściany komory bezechowej. Pomiędzy uchwytem wieszaka a ścianą i ramą konstrukcji wsporczej wprowadzono wibroizolatory tłumiący drgania manipulatora. Połączenia pomiędzy modułem XY a elementami nośnymi umożliwiają łatwy demontaż urządzenia i ustawienie modułów w pozycji parkingowej w przypadku realizacji badań bez udziału manipulatora.

1 3 2 4 5 6 A

Zaznaczony szczegół „A” w powiększeniu

5 8 6

9 7

Rys. 27 Moduł skanujący XY: 1 – moduł liniowy z paskiem zębatym, 2 – precyzyjny moduł liniowy z mechanizmem śrubowo-tocznym, 3 – prowadnik kablowy, 4 – uchwyt modułu, 5 – mikrofon pomiarowy, 6 – uchwyt mikrofonu,

7 – nakrętka blokująca, 8 – wibroizolator tulejowy, 9 – tulejka sprężysta a) 1 2 4 3 b) 6 8 7 5

Rys. 28 Mocowanie modułu skanującego XY: a) mocowanie dolne, b) mocowanie górne: 1 - wspornik, 2 – rama konstrukcji wsporczej, 3 – podkładka wibroizolatora, 4 – moduł CRK, 5 – łącznik nastawny, 6 – uchwyt ścienny,

7 – uchylny wibroizolator płytowy , 8 – odciąg ścienny

Opracowana struktura konstrukcji jest uniwersalna i umożliwia łatwą rekonfigurację poszczególnych modułów. Dzięki temu adaptacja konstrukcji manipulatora oraz jej montaż są możliwe również w innych komorach bezechowych.

Wytypowano miejsce instalacji modułu stołu obrotowego w centralnej części komory bezechowej. Rama stołu obrotowego zostanie przyspawana do konstrukcji wsporczej siatki podłogowej w miejscu pokazanym na Rys. 28.

a) b) c)

Rys. 29 Konstrukcja wsporcza w komorze bezechowej: a) obszar po stronie półsfery pomiarowej (ponad siatkową podłogą), b) rama konstrukcji wsporczej, c) przestrzeń między-wspornikowa

Opracowano układ sterowania manipulatorem z wykorzystaniem serwonapędów. Oparto się na sprawdzonych rozwiązaniach firm będących liderami na światowym rynku automatyki (Bosch, Rexroth, National Instruments). Sposób powiązania ze sobą poszczególnych elementów zapewnia szeroki wachlarz zastosowań manipulatora. Dzięki wykorzystaniu komputera osobistego jako urządzenia nadrzędnego ilość możliwych aplikacji jest nieograniczona. Przy zmianie elementów wykonawczych lub ich rozbudowie możliwe jest sterowanie dowolnego układu do ośmiu niezależnych napędów.

Elementy składowe mechanizmu i sterowania nim rozmieszczone są w trzech różnych pomieszczeniach odległych od siebie o kilkanaście metrów, podzielone według pełnionej funkcji. Układy wykonawcze (moduły liniowe, stolik obrotowy oraz wyłączniki krańcowe) znajdują się w komorze bezechowej, układy mocy (zasilacze silników, przyłącze zasilające) znajdują się w pomieszczeniu napędów, natomiast wszystkie układy sterujące i pomiarowe (komputer, karty we/wy, karta kontrolera ruchu NI-Motion oraz inne interfejsy) znajdują się w pokoju pomiarowym. Na Rys. 30 pokazano schemat blokowy układu elektrycznego manipulatora z podziałem na lokalizacje i funkcje. Linią przerywaną symbolicznie zaznaczono elektroakustyczne obwody pomiarowe w postaci generatora, głośnika i mikrofonu. Obwody te mogą przybrać szereg innych postaci w zależności od rodzaju przeprowadzanych badań.

Rys. 30 Schemat blokowy systemu sterowania manipulatorem

Napęd manipulatora realizowany jest za pomocą silników firmy Bosch-Rexroth typu MSK30 (dla osi liniowych) oraz MSK100 (dla stołu obrotowego) o maksymalnym momencie obrotowym odpowiednio 4 Nm i 102 Nm. Wszystkie silniki wyposażone są w luzowniki, tj. hamulce zwalniane przez podanie napięcia na odpowiednie zaciski o momentach trzymających odpowiednio 1 Nm i 32 Nm. Zasilanie serwonapędów stanowią kompaktowe moduły zasilające typu HCS02 (rys. 31) o mocy odpowiednio 2,1 kW i 7 kW. Każdy z zasilaczy zintegrowany jest z modułem sterującym typu CSB01.1 Basic Analog. Informacja zwrotna o położeniu elementów manipulatora uzyskiwana jest z enkoderów inkrementalnych zabudowanych w silnikach oraz dla modułów liniowych dodatkowo z półprzewodnikowych wyłączników krańcowych (halotrony). Zarówno enkodery jak i wyłączniki krańcowe podłączane są do modułów sterujących CSB, które z kolei przekazują te informacje do układów nadrzędnych w postaci sygnału emulacji enkodera oraz sygnałów logicznych wystawianych na odpowiednich zaciskach swoich portów komunikacyjnych.

Sterowanie pracą wszystkich silników odbywa się w trybie analogowym, tj. poprzez wydanie polecenia w postaci napięcia z zakresu ±10 V, które proporcjonalnie odpowiada momentowi zadawanemu na silnik. Polecenia sterujące wydawane są przez kartę NI-Motion 7358 firmy National Instruments, pracującą pod kontrolą oprogramowania LabView z odpowiednimi bibliotekami. Ten tryb współpracy układów pozwala na całkowitą kontrolę

Szafa napędów Sterowanie silnikami Przetwarzanie informacji zwrotnej

G

w czasie rzeczywistym parametrów pracy urządzenia, w szczególności aktualnej pozycji oraz prędkości mikrofonu pomiarowego względem badanego obiektu, co daje możliwość dokładnej synchronizacji pomiarów i pozycjonowania.

Karta NI-Motion montowana jest w obudowie typu NI-1033 wyposażonej w szynę danych PXI oraz zintegrowany kontroler MXI do współpracy z komputerem PC, który z kolei wyposażony jest w kartę rozszerzeń MXI-Express Remote Controller na złączu PCIe. Taki sposób połączenia zapewnia ciągły transfer danych między komputerem PC a kartą NI-Motion na poziomie 110 MB/s. Obudowa NI-1033 pozwala na zamontowanie do pięciu różnych urządzeń. Oprócz możliwości sterowania napędami (zarówno serwosilnikami jak i silnikami krokowymi), karta NI-Motion posiada wejścia/wyjścia cyfrowe ogólnego przeznaczenia.

Do współpracy z napędami karta NI-Motion wymaga dodatkowego interfejsu ułatwiającego przyłączenie wszystkich sygnałów oraz zapewniającego izolację galwaniczną pomiędzy napędami a kartą i komputerem. Niestety moduł NI-7774 będący fabrycznym interfejsem firmy National Instruments nie posiada izolacji dla sygnału enkodera, w związku z czym należało wykonać dodatkowe układy. Warunki pracy wymagają użycia dość szybkich układów optoizolacji takich jak HCPL-2630. Układy te wraz z modułem NI-7774 oraz zasilaczem zamknięte we wspólnej obudowie stanowią interfejs IFO77. Układ ten ułatwia również przyłączanie dodatkowych sygnałów poprzez wyprowadzenie oryginalnych złącz modułu NI-7774 typu DB na listwy z zaciskami śrubowymi.

W projekcie układu uwzględniono dwa niezależnie działające obwody zabezpieczające. Pierwszy z nich to układ załączający zasilanie napięciem trójfazowym tylko w przypadku gotowości wszystkich trzech napędów i odłączający to napięcie w przypadku nagłego braku gotowości któregoś z nich. Drugi obwód to układ wyłącznika awaryjnego. Wyłącznik ten znajduje się w komorze bezechowej w pobliżu układów wykonawczych i podłączony jest do funkcji „E-Stop” napędów oraz „Inhibit All” karty NI-Motion. Zadziałanie przycisku awaryjnego nie powoduje całkowitego odłączenia napięcia od układów wykonawczych, lecz bezpieczne zatrzymanie silników.

Oprogramowanie LabView działające na komputerze PC pozwala na całkowitą kontrolę zachowania wszystkich układów wykonawczych manipulatora w czasie rzeczywistym. Program sterujący rozbity jest na program wykonywany bezpośrednio w karcie NI-Motion odpowiedzialny za pozycjonowanie głowicy pomiarowej oraz program nadrzędny odpowiedzialny za interfejs użytkownika, wykonywanie sekwencji pomiarowych, sterowanie obwodami pomiarowymi oraz wizualizację bieżącego stanu manipulatora. Umieszczenie

części programu bezpośrednio w karcie NI-Motion ma duże znaczenie, ponieważ karta ta realizuje funkcje regulatora PID dla każdej osi osobno. Wymagana jest tutaj wysoka prędkość obliczeń jak również niezawodność tak, aby ewentualne przerwy w komunikacji między komputerem a kartą nie powodowały uszkodzeń układów wykonawczych.

W ramach wstępnych badań układu sterowania zmontowano stanowisko testowe (Rys. 31), w którym wykorzystano kartę NI-Motion 7344 z interfejsem NI-7764 do sterowania silnikiem krokowym. Przetestowano współpracę oprogramowania LabView z silnikiem pracującym w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego. Sprzężenie zwrotne zrealizowane zostało za pomocą enkodera inkrementalnego. Sprawdzono sposób konfiguracji oprogramowania i sprzętu, zgodność elektryczną oraz możliwości synchronizacji. Wyniki badań pokazują dużą łatwość w konfiguracji całości, choć szczególną uwagę trzeba zwrócić na właściwy dobór wartości parametrów regulatora PID. Ponadto przy tworzeniu aplikacji LabView dobrze jest korzystać z zaawansowanych metod synchronizacji oprogramowania. Należy również programowo prowadzić szczegółową kontrolę stanu sprzętu, ponieważ wielowątkowość systemu operacyjnego nie zapewnia odpowiednich czasów oczekiwania i kontroli do współpracy z urządzeniami sprzętowymi.

Rys. 32 przedstawia kontroler NI PXI-1042 firmy National Instruments wraz z kartą NI-Motion 7344 wykorzystany do zestawienia stanowiska testowego. Kontroler taki nie wymaga zewnętrznego komputera PC.

Rys. 32 Stanowisko testowe z silnikiem krokowym i urządzeniami National Instruments

Rys. 33 Kontroler NI PXI-1042 z wbudowanym komputerem PC oraz kartą motion NI-7344

Rys. 34 Karta NI-7350 Motion Rys. 35 Interfejs IFO 77 z kontrolerem NI-7774

Tab. 2 Podstawowe parametry techniczne manipulatora

Stół obrotowy Krótka oś Długa oś

Napęd NR 750Z (Weiss) PSK 60 (Rexroth) CKR 12-90 (Rexroth)

Silnik MSK 100 B MSK 30 C

Moment obrotowy 102 Nm 4 Nm

Moment hamujący 32 Nm 1 Nm