Index of /rozprawy2/10592

Pełen tekst

(1)AKADEMIA GÓRNICZO HUTNICZA im. Stanisława Staszica w Krakowie WYDZIAŁ INŻYNIERII MECHANICZNEJ I ROBOTYKI. Rozprawa doktorska Imię i nazwisko. Artur Flach. Kierunek studiów. Mechanika i Wibroakustyka. Temat pracy. Mechatroniczny manipulator do wspomagania pomiarów wibroakustycznych.. Promotor pracy Prof. dr hab. inż. Wojciech Batko. Kraków, 2012.

(2) 2. Spis treści. 1. WPROWADZENIE.................................................................................................................................... 4. 2. ANALIZA LITERATURY DOTYCZĄCEJ TEMATU PRACY .......................................................... 8. 3. ANALIZA UWARUNKOWAŃ REALIZACYJNYCH BUDOWY MANIPULATORA .................. 13. 4. 5. 6. 3.1. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWE MANIPULATORA ............................................................................................. 14. 3.2. ANALIZA INFRASTRUKTURY KOMORY BEZECHOWEJ KMIW ................................................................... 17. KONSTRUKCJA MANIPULATORA DLA KOMORY BEZECHOWEJ ......................................... 22 4.1. ROZWIĄZANIA KONCEPCYJNE ................................................................................................................. 22. 4.2. OPRACOWANIA KONSTRUKCYJNE ........................................................................................................... 29. REALIZACJA BUDOWY MANIPULATORA W KOMORZE BEZECHOWEJ ............................ 39 5.1. ELEMENTY MECHANICZNE KONSTRUKCJI MANIPULATORA POMIAROWEGO ............................................ 39. 5.2. OPRACOWANIE I WYKONANIE UKŁADU STEROWANIA MANIPULATORA................................................... 40. 5.3. INSTALACJA MANIPULATORA W WERSJI PROTOTYPOWEJ ........................................................................ 41. 5.4. INSTALACJA MANIPULATORA W KOMORZE BEZECHOWEJ........................................................................ 44. 5.5. OPRACOWANIE I WYKONANIE MODUŁU NADZORU WIZYJNEGO............................................................... 50. 5.6. OPROGRAMOWANIE ................................................................................................................................ 51. WERYFIKACJA MOŻLIWOŚCI MANIPULATORA ....................................................................... 56 6.1. POMIAR EMITOWANEGO HAŁASU ............................................................................................................ 56. 6.2. POMIAR POZIOMU MOCY AKUSTYCZNEJ.................................................................................................. 58. 6.3. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI KIERUNKOWEJ ŹRÓDEŁ DŹWIĘKU ................................................... 60. 6.4. POMIAR ROZPROSZENIE DŹWIĘKU........................................................................................................... 75. 7. PODSUMOWANIE I WNIOSKI ............................................................................................................ 79. 8. LITERATURA ......................................................................................................................................... 82.

(3) 3. Lista oznaczeń AC. Alternating Current – prąd zmienny. B&K. Bruel&Kjaer. DAQ. Data AcQuisition – akwizycja danych. dB. Decybel. DC. Direct Current – prąd stały. FTP. File Transfer Protocol – protokół przesyłania plików. GB. Gigabajt. Gb. Gigabit. ITeE. Instytut Technologii Eksploatacji. KMiW. Katedra Mechaniki i Wibroakustyki. LA. Poziom dźwięku korygowany filtrem A. Lp. Poziom mocy akustycznej. LAT. Laboratorium Akustyki Technicznej. MB. Megabajt. Mb. Megabit. MLS. Maximum Length Sequence – ciąg o maksymalnej długości. MXI. Multisystem eXtension Interface – rozszerzony interface wielosystemowy. NI. National Instruments. RMS. Root Mean Square – średnia kwadratowa. RPM. Revolutions Per Minute – obroty na minutę. RT. Reverberation Time – czas pogłosu. PCI. Peripheral Component Interconnect – magistrala komunikacyjna. PID. Proportional-Integral-Derivative controller – regulator proporcjonalnocałkująco-różniczkujący. PXI. PCI eXtension for Instrumentation – rozszerzona magistrala komunikacyjna. QRD. Quadratic residue diffusors – dyfuzor oparty na sekwencji residuum kwadratowego. SPL. Sound Pressure Level – poziom ciśnienia akustycznego. TIG. Tungsten Inert Gas – spawanie elektrodą wolframową w osłonie gazów obojętnych. USB. Uniwersal Serial Bus – uniwersalna szyna szeregowa. VI. Virtual Instrument – przyrząd wirtualny.

(4) 4. 1. Wprowadzenie. Rozwój akustycznych badań nakreślił nowe potrzeby metrologiczne w zakresie: budowy zautomatyzowanych systemów pomiarowo-sterujących, analizy i doboru właściwych struktur dla ich instrumentalizacji pomiarowej, czy analizy opisu niedokładności wyników pomiarowych uzyskiwanych przy ich użyciu. W problematyce tej istotną rolę odgrywają zagadnienia związane z dokładnością pozycjonowania mikrofonu w przestrzeni pomiarowej. Dążenie do zwiększenia dokładności akustycznych pomiarów poprzez ograniczenie wpływu subiektywizmu człowieka zmierza do wprowadzenia automatyki w większość technik pomiarowych, co było punktem wyjścia do sformułowania tematu pracy. Określił on potrzebę budowy manipulatora do badań akustycznych. Praktyczna realizacja pomiarów akustycznych z jego wykorzystaniem umożliwia automatyzację i obiektywizację pomiaru pola akustycznego w narzuconej przestrzeni pomiarowej poprzez zwiększenie dokładności i zapewnienie powtarzalności wyników pomiarów z warunkiem zapewnienia wymaganej ich archiwizacji. Manipulator pomiarowy kojarzony jest ze złożonym urządzeniem mechanicznym spełniającym określone, a zarazem rozbudowane funkcje. W dziedzinie akustyki może on być potrzebny w sytuacjach, w których osoba wykonująca pomiary narażona jest na zagrożenie środowiskowe, pomiary są zbyt pracochłonne i wymagana jest od nich pełna, przestrzenna powtarzalność z warunkiem zapewnienia dużej dokładności pozycjonowania akustycznej sondy pomiarowej. W pracy autor podjął temat opracowania mechatronicznego manipulatora do programowej kontroli pola akustycznego w komorze bezechowej. Przeanalizował i wyselekcjonował założenia dla jego konstrukcji związanej z przewidywanymi zadaniami pomiarowymi, uczestniczył w jego procesie projektowo-wykonawczym oraz montażowym. Wykonał badania funkcjonalne opracowanego prototypu manipulatora zainstalowanego w komorze bezechowej Katedry Mechaniki i Wibroakustyki. To zadanie doktorskie można umiejscowić w zbiorze problemów związanych z budowaniem nowych technologii metrologicznych dla empirycznego poznania akustycznej rzeczywistości, współdecydujących o poprawności formułowania akustycznych hipotez badawczych. Realizacja pracy była możliwa dzięki finansowaniu związanych z tematem pracy zadań, w. ramach. projektu. badawczego. zamawianego. nr. PW-004/ITE/10/2006. "System.

(5) 5 manipulatora pomiarowego dla potrzeb wibroakustycznych badań laboratoryjnych" oraz projektu rozwojowego nr 03 0036 06 "Stanowisko i procedury pomiarowe dla badania ustrojów rozpraszających dźwięk", w których autor uczestniczył i opracowywał dla nich poszukiwane rozwiązania. W akustycznej technice pomiarowej powszechnym i nabierającym coraz większego znaczenia wymogiem jest konieczność zapewnienia powtarzalnych wyników badań. Powtarzalność pomiarów wyznacza nie tylko precyzja pozycjonowania, lecz również czas ich trwania uwarunkowany np. zmieniającymi się warunkami meteorologicznymi (wilgotność i temperatura powietrza wpływają na prędkość fali dźwiękowej). Dzięki automatyzacji procesów pomiarowych możliwe staje się programowanie badań, które wcześniej nie mogły być realizowane ze względu na ograniczone możliwości dokładności pozycjonowania układu pomiarowego oraz ze względu na długi czas niezbędny do przeprowadzenia pomiarów. W szczególności obecność mechatronicznego manipulatora do pozycjonowania mikrofonu pomiarowego w komorze bezechowej daje możliwość istotnego zagęszczenie siatki pomiarowej w prowadzonych w niej badaniach. Podstawowym zadaniem komory bezechowej jest stworzenie w takim pomieszczeniu warunków zbliżonych do swobodnego pola akustycznego, aby móc rejestrować falę bezpośrednią emitowaną przez dowolne urządzenie przy braku jakichkolwiek dźwięków odbitych oraz dźwięków zewnętrznych. Uzyskanie takich warunków daje możliwość, w oparciu o pomiar poziomu ciśnienia akustycznego, wyznaczenia podstawowych charakterystyk badanego obiektu, tj. oceny poziomu mocy akustycznej, współczynnika rozproszenia dźwięku, płaskich lub przestrzennych charakterystyk kierunkowych czy też ocen skuteczności źródeł dźwięku. W ich realizacji wymóg dokładności pozycjonowania sondy pomiarowej odgrywa zasadniczą rolę. Ponadto komora bezechowa jest miejscem wykonywanie badań opartych o pomiar poziomu natężenia dźwięku, a także identyfikacji przestrzennych charakterystyk kierunkowych z rozdzielczością 15° (wg PN-EN 602685:2005 Urządzenia systemów elektroakustycznych – Część 5: Głośniki). Przy źródłach silnie kierunkowych dotychczasowe rozwiązania są mało skuteczne. W takich przypadkach niezbędne jest zwiększenie rozdzielczości nawet do 1°. Wówczas na powierzchni półsfery otrzymuje się 32400 punktów pomiarowych, zatem czas trwania pomiarów bez pomocy urządzenia pozycjonującego (mechatronicznego manipulatora) byłby określany w mało realnej perspektywie wykonawczej (liczony byłby w miesiącach czasu niezbędnych eksperymentów)..

(6) 6 Stąd wybrany temat, wynikający z potrzeby usprawnienia pomiarów, stał się punktem wyjścia do podjętego zadania budowy nowej laboratoryjnej instrumentalizacji pomiarowej, która w sposób zautomatyzowany i bezobsługowy byłaby w stanie wykonać szereg czynności badawczych programowanych w komorze bezechowej. Opracowując założenia konstrukcyjne dla manipulatora przewidzianego do pracy w komorze bezechowej należało pamiętać, że w pomieszczeniu takim panuje swobodne pole akustyczne, zatem wprowadzanie jakichkolwiek urządzeń powoduje niepożądane odbicia fal dźwiękowych. Istotnym ograniczeniem dla procesu projektowego był więc warunek zakładający minimalizację powierzchni elementów konstrukcyjnych manipulatora. Opracowania założeń koncepcyjnych i projektowych dla budowy manipulatora przeznaczonego do akustycznych prac badawczych realizowanych w komorze bezechowej oparte są o wcześniejsze prace autora [6, 7, 18, 19, 22, 28, 30, 39] oraz rozeznanie wśród akustycznych normatywów [54-58] i wymogów praktyki laboratoryjnej. Ponadto autor pełnił nadzór nad budową prototypu manipulatora oraz jego przystosowaniem do środowiska badawczego w KMiW, a także wykonał szereg badań weryfikujących. Zawartość merytoryczna rozprawy doktorskiej podsumowującej wyniki prac nad podjętym tematem została ujęta w 8 rozdziałach. Rozdział 1 jest wprowadzeniem w problematykę rozprawy. Omawia podjęte zadanie badawcze, kreśli jego potrzebę, formułuje jego cel i zakres pracy. Rozdział 2 przedstawia istniejące rozwiązania w zakresie automatyzacji pomiarów w komorach bezechowych. W części tej zaprezentowano najczęściej stosowanie rozwiązania wspomagające proces pomiarowy, od najprostszych w postaci stołów obrotowych aż do zaawansowanych układów pozycjonujących stosowanych w komorach bezechowych. Rozdział zawiera również informacje o możliwościach i ograniczeniach poszczególnych rozwiązań. Kolejny rozdział zawiera założenia konstrukcyjno projektowe oraz dokładną analizę infrastruktury komory bezechowej w KMiW pod kątem możliwości zainstalowania manipulatora pomiarowego. W rozdziale 4 zestawiono poszczególne rozwiązania koncepcyjne i konstrukcyjne. Rozdziały 5 oraz 6 stanowią najistotniejszą część pracy. Przedstawiono tam opis realizacji budowy manipulatora na poszczególnych etapach pracy, a następnie na podstawie licznych badań zaprezentowano możliwości manipulatora, wykazując jego przydatność w pomiarach akustycznych. Końcową część rozprawy stanowi podsumowanie i wnioski wynikające z przeprowadzonych badań..

(7) 7 Stworzenie nowej technologii pomiarowej do badań akustycznych w komorze bezechowej stało się możliwe dzięki współpracy z Instytutem Technologii i Eksploatacji PIB w Radomiu. W tym miejscu autor wyraża gorące podziękowania Dyrektorowi Instytutu Technologii i Eksploatacji PIB prof. dr hab. inż. Adamowi Mazurkiewiczowi oraz dr inż. Andrzejowi Zbrowskiemu za pomoc w realizacji szeregu prac w ramach projektu badawczego zamawianego nr PW-004/ITE/10/2006 oraz związanych z tematem rozprawy doktorskiej. Wyrazy podziękowania autor składa również współpracownikom w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki AGH za pomoc w doprowadzeniu tematu do jego zakończenia i wdrożenia jego wyników do praktyki w Laboratorium Akustyki Technicznej..

(8) 8. 2. Analiza literatury dotyczącej tematu pracy. Na rynku istnieje kilka firm produkujących urządzenia, które wykorzystuje się podczas badań parametrów wibroakustycznych przetworników elektroakustycznych. Obecnie najczęściej w tym celu wykorzystuje się stoły lub ramiona obrotowe.. Rys. 1 Stół obrotowy Brüel&Kjær typ 9640. Jednym ze sztandarowych produktów firmy Brüel&Kjær jest stół obrotowy typ 9640 (Rys. 1). Stół ten był jednym z pierwszych tego typu urządzeń stosowanych w pomiarach akustycznych na świecie. Napęd przekazywany jest w nim poprzez silnik prądu stałego na talerz obrotowy za pomocą przekładni pasowej. Konstrukcja tego stołu umożliwia odczyt położenia z rozdzielczością 1°. Dopuszczalne obciążenie wynosi 100 kg w płaszczyźnie poziomej lub 30 kg, jeśli stolik pracuje w płaszczyźnie pionowej. Stół umożliwia regulację prędkości obrotowej w zakresie od 22.7 do 720 sekund/obrót. Średnica talerza obrotowego wynosi 354 mm, a jego ciężar to 12 kg. [37] Firma Brüel&Kjær oferuje również ramię obrotowe (Rys. 2), które służy jedynie do przemieszczania mikrofonu pomiarowego. Jego niewątpliwą zaletą jest zasilanie bateryjne, co uniezależnia go od zasilania zewnętrznego, natomiast wadę stanowi niska rozdzielczość około 10° oraz duży ciężar (8 kg). Obciążenie maksymalnie to 1 kg przy pełnym wyciągnięciu ramienia, a emitowany poziom ciśnienia akustycznego wynosi 26 dB(A) przy prędkości 16 s/obr. Przy wyższych prędkościach generowany hałas jest większy. [37].

(9) 9. Rys. 2 Ramię obrotowe Brüel&Kjær model 3923. Kolejnym rozwiązaniem stosowanym w pomiarach akustycznych jest urządzenie Nor 265 firmy Norsonic, spełniające funkcję zarówno ramienia jak i stołu obrotowego (Rys. 3 i 4).. Rys. 3 Ramię obrotowe Norsonic Nor 265. Rys. 4 Stół obrotowy Norsonic Nor 265. Urządzenie to jest znacznie nowocześniejsze niż wszystkie dotychczas omówione. Po raz pierwszy zastosowano tu silnik krokowy, co umożliwiło dokonywanie pomiarów z rozdzielczością 0,01° oraz zapewniło powtarzalność wyników. Wszystkie informacje o parametrach stołu, takie jak położenie, prędkość itp. są wyświetlane na ekranie komputera dzięki załączonemu oprogramowaniu. Niestety nie jest możliwa synchronizacja układu pozycjonującego z układem pomiarowym. Maksymalne obciążenie tego stołu wynosi 500 N, a maksymalny moment obrotowy 2 Nm. Emitowany poziom hałasu wynosi odpowiednio 40 dB dla 5 s/obr., 27 dB dla 10 s/obr., 23 dB dla 20 s/obr. [60].

(10) 10 Istnieje również rozwiązanie w postaci przestrzennego manipulatora portalowego dedykowanego do pomiaru poziomu natężenia dźwięku produkcji firmy Brüel&Kjær (Rys. 5). Jednak konstrukcja taka nadaje się jedynie do pomiaru niewielkich źródeł dźwięku, poza tym wprowadza dużo elementów konstrukcyjnych, które powodują niekorzystne odbicia dźwięku w czasie pomiarów, co dyskwalifikuje takie rozwiązanie w pomieszczeniu badawczym jakim jest komora bezechowa. [61]. Rys. 5 Manipulator 5-osiowy do pomiaru poziomu natężenia dźwięku. W komorze bezechowej znajdującej się na kampusie w Brigham Young University (BYU) w Utah USA zainstalowano automatyczne ramię obrotowe napędzane za pomocą silników krokowych (Rys. 6). Na ramieniu tym znajduje się 13 mikrofonów pomiarowych, umożliwiających wyznaczanie charakterystyk kierunkowych źródeł dźwięku. Istnieje możliwość przemieszczania tego ramienia w płaszczyznach X i Y. Konstrukcja taka nie umożliwia zmiany rozdzielczości wyznaczania charakterystyk kierunkowości, jak również niemożliwe jest wyznaczenie poziomu mocy akustycznej źródeł dźwięku zgodnie z polskimi normatywami. [56].

(11) 11. Rys. 6 Ramię obrotowe znajdujące się w komorze bezechowej na kampusie w BYU. Kolejnym przykładem automatyzacji pomiarów w komorze bezechowej jest goniometr zainstalowany w labolatoriach RPG Diffusor Systems, Inc (Rys. 7) w Upper Marlboro w stanie Maryland USA. Urządzenie to umożliwia ruch obrotowy oraz przemieszcza wózek z mikrofonem po prowadnicy kołowej i jest przeznaczone tylko do wspomagania badań rozproszenia dźwięku. Ze względu na dużą ilość elementów konstrukcyjnych wprowadza niekorzystne odbicia dźwięku. [62]. Rys. 7 Goniometr w labolatoriach RPG Diffusor Systems. W ramach pracy dyplomowej [22] autor wykonał stół obrotowy AF-01 (Rys. 9). Napęd tego stołu zbudowany jest w oparciu o silnik krokowy-hybrydowy 20F6203 o prądzie.

(12) 12 znamionowym 1,6 A i rozdzielczości 200 kroków na obrót (1,8 stopnia na krok). Aby uzyskać większą rozdzielczość zastosowano sterowanie mikrokrokowe oraz przekładnię pasową z pasem jednostronnie zębatym o przełożeniu i=9. Napęd z silnika przeniesiony jest na koło zębate za pomocą paska zębatego o długości 486 mm i module 1 mm. Koło zębate zostało wykonane z aluminium o liczbie zębów 126 i szerokości wieńca 10 mm. Jest ono umieszczone na wale, który został zamocowany na łożysku 6204N. Poniżej przedstawiono wybrane etapy związane z budową układu napędowego.. Rys. 8 Elementy mechaniczne stołu obrotowego AF-01. Rys. 9 Stół obrotowy AF-01. Maksymalne obciążenie tego stołu wynosi 50 kg, maksymalna prędkość wynosi 10 s/obr., rozdzielczość 0,025º, a moment obrotowy 2,6 Nm. Wszystkie przedstawione dotychczas rozwiązania nie spełniają jednak wymagań, jakie są stawiane przed urządzeniem pozycjonującym mikrofon pomiarowy w komorze bezechowej. Dlatego podjęto się próby skonstruowania urządzenia, które zapewni nie tylko wysoką.

(13) 13 powtarzalność pomiarową, lecz również możliwość integracji układu sterującego z układem pomiarowym, zapewniając możliwość bezobsługowego przeprowadzania pomiarów..

(14) 14. 3. Analiza uwarunkowań realizacyjnych budowy manipulatora 3.1 Założenia projektowe manipulatora. Głównymi zadaniami, jakie ma zrealizować konstruowany manipulator, są zwiększenie dokładności, uniwersalności oraz ułatwienie prowadzenia badań o charakterze naukowobadawczym i dydaktycznym zgodnie z procedurami określonymi w normatywach. Zdecydowana większość wymagań do prowadzenia mikrofonu w czasie badań jest reprezentowania przez niżej wymienione normy, dlatego stały się one punktem wyjścia do opracowania koncepcji ruchowej manipulatora.  określenie poziomu mocy akustycznej źródeł hałasu (PN-EN ISO 3745:2005),  wyznaczanie charakterystyki kierunkowej przetworników elektroakustycznych (PN-EN 60268-5:2005),  wyznaczanie. charakterystyki. rozpraszania. dźwięku. przez. struktury. (ISO/CD 17497-2 projekt normy). Pomiar mocy akustycznej (wg PN-EN ISO 3745:2005) jest jednym z najczęściej wykonywanych badań wymagającym ułożenia 20 punktów pomiarowych na powierzchni sfery lub półsfery (Rys. 10) z podłogą odbijającą o promieniu równym:  największy wymiar obiektu pomnożony przez 2,  λ / 4 najniższej mierzonej częstotliwości,  co najmniej 1 m.. Rys. 10 Rozmieszczenie punktów pomiarowych dla określenia poziomu mocy akustycznej źródeł dźwięku. wg PN-EN ISO 3745 [56]. Pomiar charakterystyk kierunkowych przestrzennych jest pomiarem najtrudniejszym do realizacji, w szczególności gdy wykonuje się go w rozdzielczości większej niż 15°. Wykonanie tych badań z rozdzielczością 1° wymaga 32400 punktów pomiarowych na powierzchni półsfery, co bez specjalistycznych urządzeń jest trudne w realizacji ze względu.

(15) 15 na ograniczone możliwości dokładnego pozycjonowania statywu z mikrofonem oraz uciążliwe z uwagi na czasochłonność. Przystępując do wykonania projektu manipulatora poczyniono szereg założeń konstrukcyjno-funkcjonalnych. Ponieważ miejscem pracy manipulatora będzie komora bezechowa, konieczne jest zapewnienie warunków swobodnego pola akustycznego. Stąd kluczową kwestią okazała się minimalizacja wymiarów geometrycznych elementów konstrukcyjnych manipulatora tak, aby jego wpływ na pole akustyczne panujące w komorze bezechowej. był. możliwie. najmniejszy.. Założono,. że. minimalna. rozdzielczość. pozycjonowania mikrofonu w zakresie obszaru roboczego będzie wynosiła 10 mm. Przyjęto też, że cały układ będzie bezobsługowy i w czasie pomiaru nie będzie wymagana obecność człowieka. Całość będzie sterowana za pomocą komputera, który będzie znajdował się w osobnym pomieszczeniu. Manipulator generować będzie możliwie niski poziom dźwięku z napędów, co umożliwi dokonywanie pomiarów ciągłych. Manipulator będzie narzędziem uniwersalnym, tak aby po odpowiedniej adaptacji możliwe było wykonywanie pomiarów akustycznych, które nie były brane pod uwagę na etapie projektowania. Uczyni to manipulator konstrukcją otwartą na wszelkie przyszłe, a nie przewidziane na obecnym etapie modyfikacje. Konstrukcję komory analizowano pod kątem możliwości zabudowy manipulatora pomiarowego, ze szczególnym uwzględnieniem zakłóceń akustycznych, jakie mogą wnosić jego napędy. Podczas rozważań nad budową manipulatora przeanalizowano wybrane kształty elementów konstrukcji w kontekście ich wpływu na zaburzenie pola akustycznego. Rys. 11 przedstawia wyniki badań natężenia dźwięku występującego w okolicach przeszkody w kształcie kuli, walca i stożka. Sygnał o częstotliwości 3150 Hz emitowany był przez źródło głośnikowe. Kształt i kierunek obserwowanego pola wektorowego jednoznacznie wskazuje na przepływowy charakter obserwowanych zjawisk i potwierdza intuicyjne podejście do zmniejszenia wpływu niezbędnych elementów konstrukcji na wyniki prowadzonych badań [51]: a. c). a). b b). Rys. 11 Rozkład akustycznego pola wektorowego wokół a) kuli, b) walca, c) stożka [51].

(16) 16 Z przytoczonych. badań. wynika,. że. do. budowy. elementów. manipulatora. najodpowiedniejsze będą konstrukcje rurowe, natomiast elementy płaskie należy zaopatrzyć w osłony o opływowych kształtach. Sugerowanym rozwiązaniem będzie też stosowanie do konstrukcji okładzin dźwiękochłonnych. Jednocześnie należy dążyć do maksymalnego ograniczenia obecności wszelkich elementów w pobliżu prowadzonych badań akustycznych..

(17) 17. 3.2 Analiza infrastruktury komory bezechowej KMiW. Rys. 12 Komora bezechowa w Katedrze Mechaniki i Wibroakustyki AGH. Komora bezechowa do badań akustycznych, to pomieszczenie badawcze, w którym panują warunki swobodnego pola akustycznego. Fala dźwiękowa pochodząca ze źródła nie ulega odbiciu, lecz zostaje pochłonięta i rozproszona przez ustrój dźwiękochłonny, który jest zainstalowany na powierzchniach wewnętrznych komory. Najczęściej komory bezechowe wyposażane są w tzw. kliny dźwiękochłonno-rozpraszające, które mają za zadanie pochłonąć i rozproszyć padającą falę akustyczną. Jednak współcześnie w komorach bezechowych stosuje się złożone ustroje dźwiękochłonne w postaci rezonatorów płytowych pokrytych warstwą dźwiękochłonną, a następnie warstwą klinów dźwiękochłonno-rozpraszających. Taka. konstrukcja. umożliwia. pochłanianie. niskich. częstotliwości,. co. umożliwia. przeprowadzenie badań w komorze bezechowej od częstotliwości granicznej wynoszącej od ok. 80 Hz. W komorze można wykonywać precyzyjne badania akustyczne o niskich poziomach dźwięku, w związku z tym tło akustyczne musi być przynajmniej o 10 dB niższe niż ciśnienie akustyczne emitowane przez badane źródło. Tło akustyczne, to poziom ciśnienia akustycznego istniejącego wewnątrz komory. Na jego wartość mają wpływ poziom tła akustycznego w środowisku, izolacyjność przegród.

(18) 18 zewnętrznych budynku oraz przegród zewnętrznych komory. Istotny wpływ ma również izolacyjność akustyczna otworów technologicznych, takich jak drzwi komory, urządzenia wentylacyjne i przepusty kablowe. Tło akustyczne w komorze bezechowej KMiW wynosi 1,5 dB. Osobnym zagadnieniem jest przekazywanie dźwięków materiałowych do konstrukcji komory. Aby zminimalizować te dźwięki stosuje się wibroizolację zawieszenia komory. Komora bezechowa w KMiW została zbudowana w kształcie prostopadłościanu. Dokładne parametry przedstawia Tab. 1. [33] Tab. 1 Parametry komory bezechowej KMiW AGH. Wymiary zewnętrzne. 10,39 x 10,17 x 9,70. [m]. Wymiary wewnętrzne bez klinów. 9,64 x 9,60 x 9,12. [m]. Wymiary wewnętrzne z klinami. 7,34 x 7,20 x 6,65. [m]. Przestrzeń robocza. 6,90 x 7,20 x 6,65. [m]. Grubość ścian zewnętrznych. 250. [mm]. Grubość stropu i podłogi. 300. [mm]. Liczba klinów z wełny mineralnej. 6072. [szt.]. Liczba klinów z poliuretanu. 1364. [szt.]. Masa wszystkich klinów. 64,1. [t]. Masa konstrukcji betonowej komory. 475. [t]. Masa konstrukcji wsporczej podłogi. 11. [t]. Masa kasety wibroizolacyjnej. 360. [kg]. Objętość robocza komory. 330. [m³]. Pole powierzchni roboczej. 47,88. [m²]. Poziom ciśnienia akustycznego tła [A]. 1,5. [dB]. Poziom ciśnienia akustycznego tła [Lin]. 53. [dB]. Nad komorą zainstalowany został dźwig do transportu ciężkich próbek o nośności 5 t. z możliwością przesuwu wzdłuż komory. Całkowita wysokość komory wraz z tunelem dźwigowym wynosi 12,4 m. Zewnętrzne ściany komory zostały pokryte warstwą wełny żużlowej o grubości 50 mm, natomiast na konstrukcji nie związanej z komorą zamocowano blachę trapezową perforowaną, której zadaniem jest wprowadzenie chłonności akustycznej w przestrzeń pomiędzy komorą a ścianami budynku, w którym się znajduje. Siatka podłogowa została wykonana z lin typu 7 ZBB 6 x (12+6+1) + NF (lina o średnicy 7 mm złożona z sześciu splotek, z których każda z nich składa się z 19 drutów ocynkowanych klasy.

(19) 19 B, na rdzeniu wykonanym z włókna naturalnego, oznaczenie wg PN-ISO 3578:1997, [55]) zakończonych śrubami rzymskimi do regulacji naciągu, zakotwionymi w ścianie komory na wysokości 1,5 metra. W osi wejścia do komory zainstalowana jest konstrukcja wsporcza, której zadaniem jest zapewnienie odpowiedniej nośności siatce podłogowej na powierzchni wykorzystywanej do sytuowania obiektów pomiarowych (do 5 t.). Drzwi komory zostały zaprojektowane i wykonane tak, aby struktura dźwiękochłonna po zamknięciu skrzydła zajmowała właściwą pozycję, tworząc jednolitą powierzchnię ściany. W komorze zainstalowany jest wyciąg wentylacyjny do szybkiego przewietrzania komory. W ścianie komory wykonane są dwa przepusty kablowe: jeden dla instalacji wysoko-prądowej, drugi dla przewodów sygnałowych. Instalacja elektryczna obejmuje dwa gniazda trójfazowe (63 A) i jedno gniazdo 230 V (25 A). Oświetlenie komory realizowane jest przez dwa źródła żarowe o łącznej mocy 1 KW. Wnętrze ścian komory bezechowej pokryte jest strukturą klinów z materiału dźwiękochłonnego. Zadaniem klinów jest rozproszenie i pochłonięcie padającej fali akustycznej, która w przeciwnym wypadku uległa by odbiciu oraz interferencji z falą aktualnie promieniowaną. Tego rodzaju działanie zapewnia stworzenie w komorze warunków swobodnego pola akustycznego. Jakość pochłaniania zależna jest od rodzaju materiału dźwiękochłonnego oraz kształtu i wymiarów klina rozpraszająco-pochłaniającego. W KMiW zastosowano dwa rodzaje materiałów, z których wykonano kliny dźwiękochłonne:  pierwszy rodzaj klinów wykonano z wełny mineralnej o gęstości 180 kg/m³ zaszytej w pokrowcach w celu zabezpieczenia przed pyleniem,  drugi rodzaj klinów wykonano z pianki poliuretanowej o gęstości 35 kg/m³ (bez pokrowców) i zainstalowano do wysokości 2 metrów od powierzchni siatki podłogowej. W obydwu przypadkach kąt wierzchołkowy klinów (kąt rozwarcia) wynosi 15º. Wymiary klinów przedstawia Rys. 13..

(20) 20 a). b). Rys. 13 a) Z lewej strony klin wykonany z pianki poliuretanowej, natomiast z prawej strony klin wykonany z wełny mineralnej (zaszyty w pokrowcu), b) wymiary klinów podane w cm. Komora bezechowa posadowiona jest na 25 zestawach sprężynujących spoczywających na niezależnych fundamentach. Każdy fundament stanowi blok monolityczny o wymiarach 1150 x 1000 x 500 mm. Zestaw sprężynujący składa się z czterech sprężyn zderzakowych zamontowanych w odpowiednio skonstruowanej kasecie żeliwnej (Rys. 14). Wewnątrz kasety znajduje się warstwa korka, na której spoczywa płyta z siedliskami sprężyn. Górna część kasety wyposażona jest także w płytę z siedliskami prowadzącymi sprężyny. Obie części kasety połączone są za pomocą śrub w sposób umożliwiający przemieszczenie pionowe. Sztywność statyczna każdej sprężyny wynosi 5 t/mm, zatem sztywność całej kasety wynosi 20 t/mm. Schemat konstrukcyjny przedstawia Rys. 15.. Rys. 14 Kaseta wibroizolacyjna w centralnej części podłogi komory.

(21) 21. Rys. 15 Schemat konstrukcyjny kasety wibroizolacyjnej.

(22) 22. 4. Konstrukcja manipulatora dla komory bezechowej 4.1 Rozwiązania koncepcyjne. W trakcie rozważań nad doborem rozwiązań wspomagających badania akustyczne w komorze. bezechowej,. powstało. szereg. koncepcji. konstrukcyjnych. manipulatora. pomiarowego. Poniżej przedstawiono sześć wybranych rozwiązań.. Rys. 16 Projekt manipulatora wg koncepcji nr 1. Budowa urządzenia manipulacyjnego zgodnie z koncepcją nr 1 (Rys. 16) oparta jest o układ mechanizmu obrotowo-dźwigniowego, którego napędy umiejscowione są poza komorą bezechowa, na jej stropie. Centralną część manipulatora stanowi układ współosiowych rur, z których zewnętrzna wykonuje ruch obrotowy, a wewnętrzna ruch liniowy w kierunku pionowym. Wewnątrz rury wykonującej ruch liniowy znajduje się rdzeń umożliwiający sterowanie położeniem kątowym ramienia mechanizmu dźwigniowego. Na końcu ramienia przewiduje się system uchwytów do mocowania czujników pomiarowych. Możliwe będzie również mocowanie dodatkowych małych modułów ruchu liniowego lub obrotowego z napędem elektrycznym, a przez to zwiększenie liczby stopni swobody manipulatora. Przewidywane jest zastosowanie w konstrukcji manipulatora napędów.

(23) 23 elektrycznych. (np.. motoreduktorów. falowych,. przekładni. śrubowo-tocznych). z odpowiednimi czujnikami położenia. Przestrzeń robocza manipulatora jest walcem o średnicy równej długości ramienia poziomego manipulatora. Wysokość przestrzeni roboczej uwarunkowana jest skokiem członu wykonującego ruch postępowy w kierunku pionowym wewnątrz centralnej rury obrotowej. Zaletą mechanizmu wg koncepcji nr 1 jest przeniesienie dwóch napędów poza obszar komory bezechowej. Wadą jest trudność w realizacji dostatecznie sztywnej konstrukcji poziomego ruchomego ramienia o promieniu 2500 mm, na którym należy zamocować mikrofon pomiarowy lub sprzęt o masie do 50 kg.. Rys. 17 Projekt manipulatora wg koncepcji nr 2. Koncepcja nr 2 (Rys. 17) wygląda podobnie jak w przypadku koncepcji nr 1, lecz w miejsce liniowego ruchu ramienia manipulatora zastosowano prowadnicę kołową, po której porusza się wózek z zamocowanym mikrofonem pomiarowym. Ruch obrotowy prowadnicy umożliwia wykonywanie pomiarów na powierzchni półsfery. Wybór promienia półsfery odbywa się poprzez ręczne ustawienie mikrofonu przed rozpoczęciem pomiarów. Możliwe jest również zabudowanie modułu ruchu liniowego do ustawiania promienia sfery pomiarowej. Przewiduje się podnoszenie prowadnicy w kierunku pionowym w celu jej zaparkowania, jak również w celu dostosowania położenia powierzchni sfery względem.

(24) 24 obiektu mierzonego. Układ posiada 3 lub 4 stopnie swobody. Przestrzeń robocza, to półsfera o zmiennym usytuowaniu względem podstawy. Zaletami mechanizmu wg koncepcji nr 2 są łatwy pomiar na powierzchni półsfery oraz przeniesienie dwóch napędów poza obszar komory bezechowej. Wadami są trudność w realizacji precyzyjnej i dostatecznie sztywnej prowadnicy kołowej 2500 mm, na której porusza się mikrofon lub sprzęt o masie do 50 kg.. Rys. 18 Projekt manipulatora wg koncepcji nr 3. Budowa mechanizmu manipulacyjnego według koncepcji nr 3 (Rys. 18) charakteryzuje się tym, że w miejsce prowadnicy kołowej zastosowano układ dwóch ram o kształcie prostokątnym, z których jedna jest zamocowana do obrotowej rury, a druga w węzłach łożyskowych pierwszej ramy. Takie ustawienie umożliwia – poprzez obrót ramy 1 i 2 – wybór dowolnego punktu na powierzchni półsfery. Promień półsfery jest określony poprzez ustawienie mikrofonu na uchwycie zamocowanym do ramy 2. Przewiduje się podnoszenie układu ram w kierunku pionowym w celu jej zaparkowania, jak również w celu dostosowania położenia sfery względem obiektu mierzonego. Układ posiada 3 stopnie swobody. Zaletami mechanizmu wg koncepcji nr 3 są łatwy pomiar na powierzchni półsfery oraz przeniesienie dwóch napędów poza obszar komory bezechowej. Wady mechanizmu stanowią.

(25) 25 problemy z napędem ramy wychylnej, duża masa i moment bezwładności układu ram wpływające na wymaganą moc napędów oraz niska dokładność pozycjonowania.. Rys. 19 Projekt manipulatora wg koncepcji nr 4A (napęd cięgnowy, rama prostokątna). Rys. 20 Projekt manipulatora wg koncepcji nr 4B (napęd dźwigniowo-śrubowy, rama kołowa).

(26) 26. Rys. 21 Manipulatora wg koncepcji nr 4B zamodelowany w programie Inventor. Koncepcja nr 4 (Rys. 19, 20, 21) charakteryzuje się tym, że rozdzielone zostały napędy przeznaczone do realizacji poszczególnych stopni swobody. Przyjęto założenie, że zasadniczym celem manipulatora jest realizowanie położeń punków na półsferze o promieniu 2500 mm. Źródło dźwięku będzie posadowione na stole obrotowym, którego napęd znajdzie się pod podłogą komory. Stół wykonuje w trakcie pomiarów ruch obrotowy w zakresie kąta pełnego. Mikrofon pomiarowy (lub inny przetwornik elektroakustyczny) jest natomiast zamocowany do obrotowej ramy, która może się obracać w zakresie kąta prostego. W ten sposób realizowane są dwie współrzędne biegunowe. Promień pomiarowy sfery można otrzymać poprzez ręczne ustawienie mikrofonu na odpowiednim promieniu, na stelażu zamocowanym do obrotowej ramy lub też poprzez moduł o ruchu liniowym mocowanym do ramy. Koncepcja przedstawiona na Rys. 19 przedstawia wariant napędu ramy za pomocą mechanizmu cięgnowego. W wariantach pokazanych na Rys. 20 i 21 napęd ramy przewidziano za pomocą mechanizmów dźwigniowo-śrubowych posadowionych na płycie podłogowej komory pod siatką. Napędy te w trakcie pomiarów są wyłączone. Zastosowano dwa mechanizmy napędowe w celu uzyskania korekty przestrzennego położenia ramy pomiarowej. Zakłada się, że rama pomiarowa będzie łatwa w demontażu. Zmiana położenia mikrofonu względem ramy może być ustalana ręcznie lub mechanicznie przy pomocy dodatkowego napędu liniowego, jak pokazano na Rys. 20. Kształt ramy obrotowej może być prostokątny (Rys. 19), kołowy (Rys. 20) lub inny z uwzględnieniem realizacji wymaganej przestrzeni pomiarowej..

(27) 27. Rys. 22 Projekt manipulatora wg koncepcji nr 5a. Rys. 23 Projekt manipulatora wg koncepcji nr 5b. Budowa układu zgodnie z koncepcją nr 5 cechuje się tym, że obrotowa rama o kształcie prostokątnym (Rys. 22) lub kołowym (Rys. 23) obraca się na łożyskach względem nieruchomego stołu pomiarowego w zakresie kąta pełnego. Napęd ruchu obrotowego ramy posadowiony jest pod płytą komory bezechowej. W przypadku ramy prostokątnej (Rys.22) przestrzeń robocza urządzenia manipulacyjnego jest walcem o średnicy 5000 mm i wysokości 2500 mm mierzonej nad powierzchnią stołu pomiarowego. Dowolny punkt przestrzeni roboczej można uzyskać poprzez liniowe napędy ruchu poziomego i pionowego. Źródło dźwięku będzie posadowione na nieruchomym stoliku. Manipulator posiada 3 stopnie swobody. Mikrofon pomiarowy (lub inny ruchomy sprzęt.

(28) 28 akustyczny) jest natomiast zamocowany do uchwytu na liniowym napędzie ruchu pionowego. W przypadku zastosowania ramy kołowej (Rys. 23) przestrzeń robocza jest półsferą o promieniu 2500 mm. Dowolny punkt półsfery uzyskuje się w wyniku obrotu ramy, ruchu wózka po torze kołowym i ruchu w kierunku promieniowym realizowanym przez napęd liniowy. Zaletami mechanizmu jest prosta struktura i nieruchomy obiekt mierzony (źródło dźwięku), natomiast wadą jest duży moment bezwładności ramy wraz z napędami liniowymi, co utrudnia zatrzymywanie manipulatora, natomiast nie przeszkadza w pomiarach ciągłych. W. przypadku. ramy. kołowej. powstają. trudności. uzyskania. dużej. dokładności. pozycjonowania. Jako dodatkowy wariant można rozważać układ, w którym rama obraca się jak w koncepcji 5a lub 5b, ale dodatkowo wykonuje ruch obrotowy w płaszczyźnie pionowej, jak w koncepcji 4. Wówczas uzyskuje się sferyczną przestrzeń roboczą. Trudność stanowi napęd ramy w płaszczyźnie pionowej, który jednak można rozwiązać analogicznie jak w koncepcji nr 4. Rozważano trzy warianty zabudowy napędów manipulatora: na stropie komory, pod płytą podłogową oraz wewnątrz komory. Dwie pierwsze koncepcje zabudowy uznano za trudne w realizacji. Pierwszą, z powodu odległości przekazywania napędu do członów wykonawczych. Koncepcja ta jednak nie wymaga ingerencji w żelbetową konstrukcję komory ze względu na istnienie otworów technologicznych. W drugiej koncepcji trudność sprawia konieczność wykonania odpowiednich otworów w żelbetowej płycie podłogowej, co wymaga ingerencji w jej konstrukcję. Okazało się ponadto, że płyta podłogowa jest podparta w środkowej części (Rys. 14), co uniemożliwiło centralne umieszczenie osi jakiegokolwiek napędu. Trzecia z koncepcji, zakładająca zabudowę napędów manipulatora wewnątrz komory okazała się najwygodniejsza do realizacji pod względem konstrukcyjnym..

(29) 29. 4 8. 5 2 6. 7. 3 1. 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.

(30) 30 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.

(31) 31 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). b) 1. 4 1. 8. 6. 3 5. 7. 2. 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 b). a). 2. 1 3. Rys. 26 Rama platformy obrotowej: a) widok z góry, b) widok z dołu: 1 – komora serwonapędu, 2 – żebro, 3 – płyta nośna..

(32) 32. 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..

(33) 33 Zaznaczony szczegół „A” w powiększeniu 4. 3 2. 6. 8 5 7. 5. 9. 1. 6. A. 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). b). 4. 8 5 1. 3. 6. 7. 2. 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..

(34) 34 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..

(35) 35. Pokój pomiarowy MXI. NI 1033 Karta I/O. Windows LabView NI Motion. NI Motion. Interfejs NI7774 + IFO77. G generator. Pomieszczenie napędów Szafa napędów Sterowanie silnikami Przetwarzanie informacji zwrotnej. M. Długa oś. M. Krótka oś. Komora bezechowa. Stół obrotowy. M. 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.

(36) 36 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 NIMotion 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.

(37) 37 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 NIMotion 7344 wykorzystany do zestawienia stanowiska testowego. Kontroler taki nie wymaga zewnętrznego komputera PC.. Rys. 31 Schemat podłączeniowy sterowników HCS02.

(38) 38. 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. Napęd Silnik Moment obrotowy Moment hamujący Pobór mocy elektrycznej. Stół obrotowy NR 750Z (Weiss) MSK 100 B 102 Nm 32 Nm 7 kW. Krótka oś PSK 60 (Rexroth). Długa oś CKR 12-90 (Rexroth) MSK 30 C 4 Nm 1 Nm 2.1 kW.

(39) 39. 5. Realizacja budowy manipulatora w komorze bezechowej 5.1 Elementy mechaniczne konstrukcji manipulatora pomiarowego. Detale konstrukcyjne mechanicznej struktury manipulatora pomiarowego zostały wykonane w Instytucie Technologii Eksploatacji w Radomiu. Części mechaniczne wykonano z zastosowaniem obrabiarek uniwersalnych oraz obrabiarek sterowanych numerycznie. Kontrola jakości została przeprowadzona po każdej operacji dla wszystkich wykonanych części. W kontroli jakości wykorzystano numeryczną maszynę pomiarową. W procesie produkcji zastosowano technologię obróbki skrawaniem z operacjami toczenia, frezowania i szlifowania. oraz. obróbkę. elektroerozyjną.. Konstrukcję. spawaną. wykonano. z zastosowaniem technologii TIG oraz elektrodami otulonymi. Do budowy detali zastosowano stale konstrukcyjne oraz stopy aluminium z gatunku durali. Widoki głównych części wykonanych dla systemu manipulatora przedstawiają Rys. 36 i 37. W elementach spawanych oprócz kontroli wymiarowej oceniono jakość i estetykę spoin oraz prostopadłość i równoległość powierzchni bazowych. Rysunek złożeniowy manipulatora z kluczowymi wymiarami znajduje się na końcu pracy w załączniku. a). b). c). Rys. 36 Podstawowe spawane elementy konstrukcyjne manipulatora: a) rama platformy obrotowej, b) ścienny uchwyt wysięgnika, c) wspornik modułu liniowego a). b). Rys. 37 Podstawowe skręcane elementy konstrukcyjne manipulatora: a) wieszak modułu XY, b) belki nośne platformy obrotowej.

(40) 40. 5.2 Opracowanie i wykonanie układu sterowania manipulatora Układ sterowania manipulatorem został opracowany i wykonany modułowo, przez co pozwala na swobodne rozszerzenie jego możliwości działania. Zgodnie z przygotowanym projektem opracowano i wykonano interfejs IFO77 firmy National Instruments (Rys. 38) wraz z układami optoizolacji (Rys. 39).. Rys. 39 Układ optoizolacji. Rys. 38 Interfejs IFO77. Zmontowano szafę napędów (Rys. 40), która została zainstalowana na ścianie w pomieszczeniu znajdującym się za komorą bezechową. Wykonano połączenia przewodami o wysokiej odporności na zakłócenia i charakteryzującymi się wysoką wytrzymałością mechaniczną.. Rys. 40 Szafa napędów. Przeprowadzono parametryzację oprogramowania sterującego. Oprogramowanie to składa się z programowego regulatora zapisanego w sterowniku CSB oraz programowego regulatora nadrzędnego działającego w karcie NI-Motion. Regulator w sterowniku CSB odpowiedzialny jest za sterowanie serwonapędem kontrolując jego parametry pracy, m.in. moment obrotowy, prędkość, prąd i aktualne położenie. Zabezpiecza on również serwonapęd przed.

(41) 41 przekroczeniem. wartości. dopuszczalnych. kontrolowanych. parametrów.. Regulator. w sterowniku CSB pracuje w potrójnej pętli sprzężenia zwrotnego. Rys. 41 przedstawia jedno z okien programu IndraDrive będącego interfejsem sterownika CSB.. Rys. 41 Okno parametryzacji regulatora w sterowniku CSB. Rys. 42 Okno parametryzacji regulatora w karcie NI-Motion. Regulator pracujący w karcie NI-Motion jest regulatorem PID kontrolującym prędkość danej osi. Możliwe jest nastawianie parametrów regulatora, wartości granicznych oraz szybkości działania regulatora. Regulator ten umożliwia nastawianie parametrów S-Curve i Velocity Feedforward Gain poprawiających kulturę pracy napędów. Oba współpracujące regulatory tworzą strukturę regulacji opartą na poczwórnej pętli sprzężenia zwrotnego. Rys. 42 przedstawia okno parametryzacji regulatora w karcie NI-Motion. Wykonano program testowy w środowisku LabView (Rys. 43), który wykorzystano przy parametryzacji oprogramowania.. Rys. 43 Program testowy w języku LabView. 5.3 Instalacja manipulatora w wersji prototypowej Proces montażu ostatecznego poprzedzono montażem wstępnym w celu wprowadzenia niezbędnych poprawek i sprawdzenia poprawności zastosowanych pasowań. Po wykonaniu montażu wstępnego elementy konstrukcyjne poddano zabezpieczeniu poprzez galwaniczne.

(42) 42 naniesienie powłok ochronnych i dekoracyjnych. Montaż wstępny, uruchomienie i próby testowe systemu pozycjonowania przeprowadzono w Zakładzie Doświadczalnym ITeE w Radomiu.. Próby testowe. obejmowały ocenę. poprawności. pracy pojedynczych. serwonapędów i kompletnego układu pozycjonowania. Ocenie podlegała równomierność pracy przekładni, bezluzowość łańcucha kinematycznego, drgania uchwytu mikrofonowego oraz hałas generowany podczas pracy mechanizmu. Przeprowadzono wstępny dobór parametrów dla sterowników serwosilników. Celem montażu wstępnego było opracowanie procedury i technologii montażu ostatecznego realizowanego w trudnych warunkach na znacznej wysokości na ścianie wewnątrz komory bezechowej. Opracowano procedury kalibracji i justowania ruchomych osi manipulatora. Przeprowadzono próby techniczne weryfikujące. poprawność. procedur.. Wstępnie. potwierdzono. uzyskanie. zakładanej. dokładności montażu decydującej o całkowitej dokładności pozycjonowania manipulatora. Instalację wstępną podzespołów przeprowadzono na stanowisku do montażu urządzeń wielkogabarytowych, a następnie wykonano próbny montaż ramion manipulatora na poligonie doświadczalnym w ITeE w Radomiu. a). b). c). Rys. 44 Wstępny montaż manipulatora w ITeE: a) montaż podzespołów, b) i c) próbny montaż ramion manipulatora. Przeprowadzono ocenę współpracy w ruchowych i węzłowych połączeniach modułów manipulatora. Zweryfikowano metody kasowania luzów, justowania oraz blokowania ramion w pozycji ustalonej. a). b). c). Rys. 45 Połączenia węzłowe modułów manipulatora: a) przegub górny, b) przegub dolny, c) sworzeń przegubu z tulejami regulacyjnymi.

(43) 43. Ocenie poddano system mocowania manipulatora do ściany nośnej. Przeprowadzono testy sztywności i wibroizolacji ściennego uchwytu wysięgnika oraz wytrzymałości połączeń gwintowych mocujących wysięgnik do ściany. Rezultatem przeprowadzonych prób jest wprowadzenie dwóch odciągów wysięgnika zamiast pierwotnie planowanego odciągu pojedynczego. Na podstawie przeprowadzonych prób potwierdzono uzyskanie wymaganej sztywności konstrukcji i dokładności pozycjonowania. a). b). Rys. 46 Mocowanie manipulatora do ściany nośnej: a) wysięgnik z pojedynczym odciągiem, b) wibroizolacja wysięgnika. Podczas oceny akustycznej mechanizmów stwierdzono nadmierny hałas generowany podczas pracy platformy obrotowej. Zidentyfikowano źródło hałasu w postaci drgań spawanej ramy platformy obrotowej. a). b). Rys. 47 Platforma obrotowa: a) platforma bez talerza obrotowego, b) platforma z talerzem obrotowym. W celu stłumienia drgań zastosowano bitumiczno-gąbkowe maty tłumiące mocowane do wewnętrznych ścian ramy. Po wykonaniu wytłumienia ścian drgania płyt ramy zostały wyeliminowane, dzięki czemu uzyskano akceptowalny poziom zakłóceń akustycznych..

(44) 44 a). b). Rys. 48 Wytłumienie drgań ramy platformy obrotowej: a) maty tłumiące na ściankach w komorze kablowej, b) maty tłumiące na ściankach w komorze silnika. 5.4 Instalacja manipulatora w komorze bezechowej Uwzględniając wnioski wynikające z przeprowadzonej instalacji manipulatora we wstępnej wersji prototypowej opracowano i wykonano ostateczną wersję manipulatora, którą zainstalowano w komorze bezechowej Katedry Mechaniki i Wibroakustyki Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie. Wykonanie modelowej wersji manipulatora podzielono na dwa etapy. W pierwszym przeprowadzono montaż modułu platformy obrotowej do ramy konstrukcji wsporczej znajdującej się w komorze bezechowej. W drugim etapie przeprowadzono montaż modułu skanującego do ściany i ramy konstrukcji wsporczej komory. Po wykonaniu montażu przeprowadzono wzajemne justowanie modułów manipulatora. W celu realizacji montażu platformy obrotowej niezbędne było przeprowadzenie przeróbek w konstrukcji wsporczej umożliwiających montaż belek nośnych platformy obrotowej. Ze względu na zagrożenie pożarowe występujące podczas prac instalacyjnych wynikające z procesów cięcia i spawania w obecności materiałów łatwopalnych, w komorze bezechowej wydzielono izolowaną strefę roboczą. W strefie roboczej usunięto wszelkie materiały łatwopalne (poliuretanowe kliny rozpraszające fale dźwiękowe) oraz zastosowano bariery ogniochronne wykonane z płótna z włókna szklanego. a). b). c). Rys. 49 Modernizacja konstrukcji wsporczej w komorze bezechowej: a) strefa robocza z barierą ogniochronną, b) spawanie belek platformy obrotowej, c) konstrukcja wsporcza z belkami platformy obrotowej.

(45) 45 Po wykonaniu modernizacji konstrukcji wsporczej za pomocą wyciągarki linowej posadowiono platformę obrotową na zainstalowanych belkach nośnych. Konstrukcja belek nośnych umożliwia wielokrotny montaż i demontaż platformy obrotowej. Jednoznaczne pozycjonowanie platformy zapewniają kołki ustawcze zamontowane do belek. a). b). c). Rys. 50 Instalacja platformy obrotowej: a) posadowienie platformy na belkach, b) poziomowanie stołu obrotowego, c) platforma obrotowa z blatem roboczym. Montaż modułu skanującego poprzedzono budową odpowiedniego rusztowania zapewniającego właściwą nośność, stabilne posadowienia na siatce z lin nośnych i wymagany zasięg wysokości (7 m). Do prac montażowych zastosowano wyciągarkę linową stanowiącą wyposażenie komory bezechowej. Do ściany komory bezechowej zamocowano uchwyt ścienny z zastosowaniem śrub gwintowanych mocowanych obustronnie do pionowej betonowej ściany komory. Uchwyty odciągów zamocowano z zastosowaniem kotw do betonu. Poziomą pozycję wysięgnika wyregulowano za pomocą śrub rzymskich w odciągach oraz stopek wibroizolatorów w płycie oporowej. a). b). c). Rys. 51 Instalacja górnego mocowania modułu skanującego: a) rusztowanie z wyciągarką, b) uchwyt ścienny z odciągami, c) wieszak modułu XY. Wspornik dolny zamocowano do ramy konstrukcji wsporczej za pomocą połączeń śrubowych. Jednoznaczne bazowanie wspornika zapewniają bazy ustawcze montowane do.

(46) 46 ramy niezależnie od wspornika. Moduł skanujący XY jest połączony obrotowo ze wspornikiem za pomocą sworznia. a). b). Rys. 52 Instalacja dolnego mocowania modułu skanującego: a) mocowanie sworznia dolnego, b) wspornik dolny z modułem skanującym. Po zintegrowaniu wspornika dolnego z modułem skanującym, wieszakiem i uchwytem ściennym przeprowadzono justowanie końcówki pomiarowej względem środka stołu obrotowego. W procesie justowania zastosowano projektor laserowy i poziomicę elektroniczną. Procedura justowania obejmowała regulację kąta pochylenia modułu skanującego XY oraz ustawienia modułu względem środka platformy obrotowej. Kąt pochylenia regulowano za pomocą śrub rzymskich w wieszaku modułu skanującego. Ustawienie modułu względem środka platformy obrotowej przeprowadzono za pomocą nakrętek regulacyjnych na sworzniach mocujących. a). b). Rys. 53 Regulacja kąta pochylenia modułu skanującego. Montaż manipulatora zakończono ponownym ułożeniem poliuretanowych klinów rozpraszających w kasetonach na pionowej ścianie komory bezechowej..

(47) 47 a). b). c). Rys. 54 Manipulator w wersji ostatecznej w komorze bezechowej: a) manipulator na tle ściany ze zdemontowanymi klinami, a) manipulator na tle ściany z zamontowanymi klinami, c) widok manipulatora od czoła. Manipulator w wersji ostatecznej stanowi konstrukcję zintegrowaną z systemem komory bezechowej. Możliwe jest ręczne parkowanie modułu skanującego wzdłuż pionowej ściany komory. W przypadku prowadzenia badań wykluczających obecność manipulatora istnieje możliwość wielokrotnego montażu i demontażu modułu skanującego. Główne elementy składowe oraz usytuowanie manipulatora w komorze bezechowej zostało przedstawione na Rys. 55. Parametry manipulatora zostały zestawione w Tab. 3. Parametr. Tab. 3 Zestawienie parametrów manipulatora Wartość. Liczba stopni swobody. 3. Dopuszczalne obciążenie stołu roboczego. 3500 kg.. Moment obrotowy stołu. 1200 Nm. Rozdzielczość stołu obrotowego. 0,01°. Rozdzielczość napędów liniowych. 0,1 mm. Dopuszczalne obciążenie uchwytu mikrofonowego. 0,5 kg. Maksymalna prędkość stołu obrotowego. 3,3 RPM. Maksymalna prędkość napędu liniowego (długiego). 75 mm/sec. Maksymalna prędkość napędu liniowego (krótkiego). 40 mm/sec. Minimalny czas przejścia całej długości napędu długiego. 41 sec. Minimalny czas przejścia całej długości napędu krótkiego. 16 sec. Długość napędu liniowego długiego. 3,3 m. Długość napędu liniowego krótkiego. 0,7 m.

(48) 48. Wspornik manipulatora. Struktura dźwiękochłonna. moduł liniowy CRK 12-90. Moduł liniowy PSK 60. stół obrotowy. Konstrukcja wsporcza podestu pomiarowego. Rys. 55 Usytuowanie manipulatora w komorze bezechowej. W celu eliminacji wpływu kierunkowości mikrofonu pomiarowego zastosowano dodatkowy stopień swobody którego zadaniem jest pozycjonowanie osi mikrofonu w kierunku badanego źródła (Rys. 56). Dodatkowy napęd został umieszczony po przeciwnej stronie na wysięgniku uchwytu mikrofonowego. Zmiana położenia osi mikrofonu jest realizowana poprzez silnik krokowy, który jest kontrolowany przez inteligentny kontroler silnika krokowego SmartDrive S3 firmy Westline Rys. 57. Taki sterownik jest prostszy niż kontrolery zastosowane w pozostałych napędach firmy Rexroth, ale nadal pozwala na pełną kontrolę nad silnikiem.. 5 7. 4 2. 1 6 3. Rys. 56 Model komputerowy manipulatora z regulowanym uchwytem mikrofonowym: 1 – stół obrotowy, 2 – moduł skanujący XY, 3 – wspornik modułu XY, 4 – wieszak modułu XY, 5 – regulowany uchwyt osi mikrofonu, 6 – mikrofon pomiarowy, 7 – półsfera pomiarowa.

(49) 49 Praca napędu uchwytu osi mikrofonu jest kontrolowana przez kartę NI-Motion, która umożliwia niezależną konfigurację wszystkich osi sterowanych, skonfigurowanych jako serwonapęd lub silnik krokowy. Po parametryzacji wszystkich napędów dla użytkownika lub programisty nie ma różnicy z jakim typem napędu ma się do czynienia.. Rys. 57 Sterownik Smartdrive S3 firmy Westline. W przeciwieństwie do innych osi komenda „prędkość” generowana przez kartę NIMotion nie jest wysyłana jako sygnał analogowy, ale jako dwa sygnały cyfrowe – „krok” i „kierunek”. Sygnały te są podawane do sterownika sterującego pracą silnika krokowego. Sterownik ma możliwość programowania i skalowania wartości wprowadzanych przez użytkownika.. Czwarta oś również posiada enkoder sprzętowy zainstalowany na silniku. krokowym. Sygnał z niego jest podawany bezpośrednio do karty NI-Motion. Wszystkie parametry zawarte w oprogramowaniu NI muszą pasować do wybranego enkodera, ale skalowanie sygnałów daje możliwość wyboru dowolnego silnika krokowego. Zastosowany sterownik SmartDrive S3 umożliwia monitorowanie pozycji krańcowych za pomocą czujników halotronowych. Uruchomiony układ pozycjonujący oś mikrofonu przedstawiono na rysunkach 58 i 59.. Rys. 58 Wysięgnik z napędem pozycjonującym oś mikrofonu. Rys. 59 Regulowany uchwyt mikrofonu.

(50) 50. 5.5 Opracowanie i wykonanie modułu nadzoru wizyjnego Moduł nadzoru wizyjnego oparty jest o rejestrator/rozdzielacz obrazu typu AVC 760 z podłączonymi do niego wysokiej jakości kamerami płytkowymi. Rejestrator ten umożliwia cyfrowy zapis obrazów z czterech kamer oraz sygnału audio. Dane mogą być zapisywane na dysku twardym wewnątrz urządzenia. Obecnie zainstalowany jest dysk twardy o pojemności 400 GB. Moduł sieciowy wbudowany w AVC 760 umożliwia zdalny podgląd przez sieć. Zdalny podgląd pozwala m. in. na przeglądanie obrazu z kamer podłączonych do rejestratora w trybie online, przeglądanie archiwum znajdującego się na dysku twardym rejestratora oraz na zdalne sterowanie urządzeniem. Dzięki pracy w trybie triplex możliwe jest równoczesne przeglądanie archiwum nagrań i prowadzenie rejestracji. Materiał rejestrowany lokalnie może być lepszej jakości niż wysyłany przez Internet. Funkcja pozwala dostosować jakość obrazu do przepustowości łącza. W przypadku stosowania łącza o małej przepustowości można zmniejszyć jakości obrazów przesyłanych poprzez sieć, uzyskując większą płynność obrazów bez obawy, że w czasie lokalnego odtwarzania nagrań obraz będzie mało czytelny. Rejestrator umożliwia zdalną obsługę przez Internet. Wbudowane funkcje obsługowe zapewniają: . podgląd z kamer "na żywo",. . przeglądanie archiwum nagrań,. . zdalne konfigurowanie urządzenia,. . backup nagrań.. Dostęp do rejestratora określany jest przez podział użytkowników na cztery grupy posiadające różne zestawy uprawnień od możliwości pełnej konfiguracji do uprawnień pozwalających jedynie podglądać obraz "na żywo".. Rys. 60 Widok ogólny rejestratora cyfrowego AVC-760. W systemie monitoringu zastosowano dwie kamery płytkowe kolorowe o rozdzielczości 520 linii TV i wysokiej czułości rzędu 0,1 lx. Pierwsza kamera została umieszczona na.