Ontwerpen van snelle en nauwkeurige machines Minor Machines in

Techniek
Minor Machines in Motion
Ontwerpen van snelle en nauwkeurige machines
Inhoud
04 Introductie
07 Deelnemende bedrijven
08 Lesprogramma
14 Samenvattingen MiM projecten
14 |Modular Loader: Failure Analysis & Redesign Proposal
15 |Heidenhain: Indirect vs. Indirect meten
16 |MasterFormer
17 |Inpakstation
18 |Solar wafer lifting mechanism
20 Artikelen van studenten
2
21 |De opmars van engineering software
26 |Veilige samenwerking tussen mens en robot in werkomgeving
Minor Machines in Motion | 3
Introductie
Raymond: “Absoluut de juiste keuzeminor!”
Minor Machines in Motion
In de minor Machines in Motion draait het om het ontwerpen van
snelle en nauwkeurige machines. Mechanisch worden er hoge eisen
gesteld aan het ontwerp en toleranties. En even belangrijk is Motion
Control, kort gezegd het regelen van motoren in servosystemen.
Snelle en nauwkeurige machines zijn onmisbaar in de productie van
moderne, ‘high-tech’ producten en apparaten. Denk bijvoorbeeld
aan machines voor toepassing in de sectoren solar, food, automotive,
medical, semiconductor (chipfabricage) etcetera. Dergelijke machines
worden wel aangeduid als ‘high tech low volume’: technisch hoogstaande machines die in kleine series worden geproduceerd.
Bij het ontwerpen van zulke snelle en nauwkeurige machines werk je
nauw samen met mensen uit andere vakgebieden (mechanisch, elektrisch, besturing) en vaak ook met toeleveranciers. Daarnaast moet
je inzicht hebben in de samenhang van het machineontwerp met het
productieproces dat op de machine gaat plaatsvinden.
4
Uiteraard heb je creativiteit nodig om goede oplossingen te bedenken
voor complexe ontwerpproblemen.
In de praktijk omvat het ontwerpen van snelle en nauwkeurige machines vaak het hele traject van initiatieffase tot en met het realiseren
van een prototype. Dit betekent niet alleen het pakket van eisen en
wensen opstellen en het ontwerp bedenken, maar vaak ook het voorbereiden en begeleiden van realisatie en testen.
In de minor Machines in Motion werk je aan een project dat (meestal)
afkomstig is uit een bedrijf. Naast theorievakken en practica, volg je
gastcolleges die door bedrijven worden verzorgd. Hierin worden specifieke onderwerpen behandeld die van belang zijn bij het ontwerpen
van snelle en nauwkeurige machines. Daarnaast geven gastcolleges en
bedrijfsbezoeken een beeld van de beroepspraktijk.
Minor Machines in Motion | 5
Deelnemende bedrijven
Sjors: “Dynamisch gedrag 1&2 zeer interessante vakken.
Zeer leuk project, goede aansluiting op lesstof en uitdagend.”
Marel Townsend Further Processing (Boxmeer)
6
Marel Meat Processing (Oss)
Rexroth (Eindhoven)
Mars Nederland (Veghel)
Vekoma Rides Manufacturing (Vlodrop)
HEIDENHAIN Nederland (Ede)
VDL ETG (Eindhoven)
Roth & Rau (Eindhoven)
Blueprint Automation (Woerden)
Assembléon (Eindhoven)
Ammeraal Beltech (Heerhugowaard)
Vanderlande (Veghel)
VDL Steelweld (Breda)
Jentjens (Veghel)
WWA (Best)
GEA Food Solutions (Weert)
Benier (’s-Hertogenbosch)
KMWE (Eindhoven)
ABB (Etten-Leur)
Lenze Nederland (’s-Hertogenbosch)
Kranendonk (Tiel)
B&R (Breda)
Lectoraat Mechatronica, Avans Hogeschool Breda
Minor Machines in Motion | 7
Dirk: “Tijdens deze minor zie je zeer veel bedrijven
(bijna elke week één!). Dit is een zeer leerzame minor,
omdat je later lastiger bij bedrijven binnenkomt. Daarnaast
worden er veel vakken gegeven die goed aansluiten bij het project.”
Lesprogramma
Minorproject
Studenten werken in groepen van 3 tot 5 personen aan een project
dat (meestal) afkomstig is van een bedrijf. Elke groep heeft een “eigen”
project. Het project wordt grotendeels bij Avans Hogeschool uitgevoerd, zodat studenten kunnen deelnemen aan lessen en practica. Wel
brengen studenten enkele bezoeken aan het bedrijf voor informatie
uitwisseling en afstemming. Aan het eind van elk blok wonen studenten de presentaties van de andere projectgroepen bij (voor bredere
beeldvorming en van elkaar leren).
Companies in Motion
Tijdens de lesweken maken we elke week kennis met minimaal één
bedrijf. Soms komt het bedrijf bij ons langs, maar meestal gaan we
naar het bedrijf toe. Doelstelling is steeds om inzicht te verschaffen in
de bedrijfstak, de bedrijfsprocessen, het werkveld van de afgestudeerde engineer en toekomstige ontwikkelingen. Een bedrijfsbezoek omvat
doorgaans een rondleiding door de productie en de assemblage.
Vaak komt daarbij een bezoek aan meet- en/of testfaciliteiten en een
cleanroom.
we een grote verscheidenheid aan bedrijven tegenkomen bij “Machines in Motion”.
De bedrijven richten zich alle op het ontwerp en de bouw van snelle
en nauwkeurige machines, de focus in onze minor. “Snel” en “nauwkeurig” zijn natuurlijk relatieve begrippen (zie figuur). Dit maakt, dat
De bedrijven steken niet onder stoelen of banken dat ze zeer geïnteresseerd zijn in studenten die de minor Machines in Motion hebben
gevolgd!
De studenten waarderen “Companies in Motion” met name, omdat
daarbij inzicht wordt verkregen in de beroepspraktijk. De student
krijgt daarbij een goed beeld van het scala aan mogelijkheden om af
te studeren en uiteraard ook van de ideaal passende baan met het
diploma op zak.
Het doel van het project is vaardigheid verkrijgen/vergroten in het
doen van een ‘groot’ project, waarbij gebruik gemaakt wordt van
methodisch ontwerpen en projectmatig werken. Ook is het project bij
voorkeur multidisciplinair (Werktuigbouwkunde en Industriele automatisering in 1 team). Het project omvat alle fasen van probleemdefinitie tot en met detailontwerp en, indien mogelijk, realisatie van een
proof of concept of prototype. Wat betreft doorlooptijd (20 weken) is
het project vergelijkbaar met het latere afstudeerproject.
Ook communicatie met de contactpersoon van het bedrijf voor
informatie uitwisseling en afstemming draagt bij aan verbreding en
vormt tevens een voorbereiding op het latere afstudeerproject en de
beroepspraktijk.
Vanaf pagina 14 in dit boekje worden de projecten beschreven, die
studenten Machines in Motion (MiM) hebben uitgevoerd in het
studiejaar 2012-2013.
8
Minor Machines in Motion | 9
Dynamisch gedrag van
servoaangedreven machines 1
De ontwerper van snelle machines ziet zich voor de taak gesteld
mechanismen in te zetten, die een goede werking en betrouwbaarheid
van de machine garanderen bij de vereiste productiecapaciteit. Een
goede werking en betrouwbaarheid betekenen dat het systeem met
een voorspelbare nauwkeurigheid moet functioneren.
In deze cursus maakt de student kennis met de factoren, die de
nauwkeurigheid van het mechanisme beïnvloeden. Naast het kunnen
bepalen van de te bereiken onnauwkeurigheid leert de student ook
inschatten welke praktijkmaatregelen moeten worden genomen om
het mechanisme te verbeteren. Denk daarbij aan het vergroten van de
productiecapaciteit of het verminderen van de storingskans.
10
Motion Control
Deze inschatting kan worden gedaan aan de hand van een model van
het mechanisme. Dat model bestaat uit massa’s, veren en overbrengingen. De student leert in deze cursus het model op te stellen, en vervolgens dat model om te zetten naar een vereenvoudigd model met
slechts één massa en één veer. Vanuit het vereenvoudigd model kan
dan de onnauwkeurigheid van het mechanisme worden voorspeld.
Het dynamisch gedrag van een mechanisme kan zo worden geanalyseerd op één of twee A4-tjes, dus zonder dat uitgebreide wiskundige
berekeningen of computersimulaties moeten worden gemaakt.
Motion Control staat voor “beheersen van beweging”. Een aandrijving
brengt een machine in “beweging”, die kan worden “beheerst” met
behulp van een besturing. Bij motion control komen aandrijf- en
besturingstechniek samen.
De hightech machinebouwer ziet zich voor de taak gesteld aandrijf- en
besturingstechniek in te zetten, die het best in staat is om de vereiste
productkwaliteit te realiseren tegen de laagste kostprijs. In deze
cursus maakt de student kennis met een pallet aan mogelijkheden die
motion control kan bieden om tot een afgewogen conceptontwerp te
kunnen komen.
Rob: “Leuke minor, als je houdt van bewegende machines. Hiervan zit de
minor vol en dat trekt mij zeer aan.”
Gezien de snelle ontwikkelingen op dit terrein is gekozen voor nauwe
samenwerking met enkele motion control bedrijven, zodat de student
kan werken met de laatste stand der techniek.
Meerdere motion control cases worden geanalyseerd en doorgenomen met specialisten van motion control bedrijven. Daarbij wordt
gebruik gemaakt van testopstellingen met servoaandrijvingen. Middels
verslagen en presentaties wisselen studenten de opgedane kennis
onderling uit.
Deze cursus wordt ondersteund door enkele practica.
Minor Machines in Motion | 11
Dynamisch gedrag
van servoaangedreven machines 2
Het ontwikkelen van servosystemen is in hoge mate een multidisciplinaire aangelegenheid. Regeltechnici, software-engineers, elektrotechnici en werktuigbouwers werken daarbij samen. Het is dan ook van
groot belang, dat deze disciplines over gemeenschappelijke begrippen
beschikken. Het doel van deze cursus is dan ook om enkele van deze
begrippen uit te werken en de relevantie daarvan bij het ontwerp van
elektromechanische servosystemen te laten zien. De student raakt vertrouwd met het conceptontwerp van elektromechanische servosystemen. Bij het inleidende vak ”Dynamisch gedrag van servoaangedreven
machines 1” is een tool-box aangereikt om het dynamisch gedrag van
mechanismen te analyseren.
Ton: “Met deze minor zie je veel bedrijven. Verder is het vak Dynamisch
gedrag van servoaandrijvingen erg interessant.”
Bij ”Dynamisch gedrag van servoaangedreven machines 2” breiden we
deze tool-box verder uit. We gaan daarbij in op de aandrijving van het
mechanisme middels een elektromechanisch servo-systeem.
Het dynamisch gedrag van een servoaangedreven machine kan zo
worden geanalyseerd op enkele A4-tjes, dus zonder dat uitgebreide
wiskundige berekeningen of computersimulaties moeten worden
gemaakt.
Robottoepassingen
Bij het automatiseren van menselijke arbeid worden industriële robots
steeds vaker toegepast. In de minor Machines in Motion besteden
we daarom aandacht aan de mogelijkheden en de beperkingen bij de
toepassing van industriële robots en –tools. Studenten werken een
case uit en maken kennis met enkele bedrijven, die hun sporen op het
gebied van robotintegratie hebben verdiend.
Constructieprincipes
De constructeur van snelle en nauwkeurige machines ziet zich voor
de taak gesteld ontwerpkeuzes te maken die de vereiste prestaties
garanderen bij een acceptabele kostprijs.
Deze cursus wordt ondersteund door enkele practica.
Bij deze ontwerpvraagstukken wordt onder meer nagedacht over:
• het bereiken van een zo hoog mogelijke stijfheid, zonder de massa
van de bewegende delen te verhogen
• het minimaliseren van (de invloeden van) wrijving en speling
• de repeterende maakbaarheid van de constructie
• het beperken van invloeden van buitenaf op de constructie, zoals
veranderingen in de omgevingstemperatuur, of een niet-stabiele
ondergrond.
• het voorkomen van overbepaaldheid
12
In deze cursus maken we kennis met beschreven constructieprincipes, die we gaan aanvullen met de ervaringen van constructeurs in
bedrijven (best practices). Door dat in de komende studiejaren te
blijven doen, bouwen we een kennisbank op, die ten dienste komt van
toekomstige studenten en ook de beroepspraktijk.
Uiteraard is het de bedoeling, dat de student leert deze principes
toe te passen. Daarbij speelt het minorproject een belangrijke rol:
daar kunnen de verkregen inzichten direct worden toegepast in het
ontwerp. De student zal vervolgens na de minor, bij het afstuderen
en later ook in de beroepspraktijk blijvend moeten werken aan zijn of
haar ontwerpvaardigheden, en zodoende zich verder ontwikkelen op
dit gebied. De verkregen inzichten bij dit vak helpen de student om
daarbij een goede start te maken.
Kennisbank in aanbouw:
Website MiM Constructieprincipes
Bij het ontwerpen van succesvolle Machines in Motion is het
nauwkeurig bewegen en positioneren van groot belang. Uit de
analyse van het dynamisch gedrag, dat de student in andere
vakken leert, volgen de gewenste eigenschappen van bewegende systemen, zoals massa, stijfheid, wrijving en speling.
Vervolgens is het van belang dat deze eigenschappen ook daadwerkelijk kunnen worden behaald in de te realiseren machine.
Bij het werken aan dergelijke vraagstukken is het van belang,
dat je kunt voortbouwen op aanwezige ervaring. Zo hoef je niet
voor elk ontwerpdetail opnieuw het wiel uit te vinden en kun je
je doelmatiger richten op de kern, want dat is al lastig genoeg. In
de minor Machines in Motion wordt voor dit doel een kennisbank opgebouwd in de vorm van een website.
Minor Machines in Motion | 13
Samenvattingen projecten
Titel
Modular Loader:
Failure Analysis & Redesign Proposal
Studenten
Emiel Griffioen, Sjors Hienekamp,
Raymond van der Wee
In opdracht van
Marel Townsend Further Processing
Begeleidend docent
Eric Kivits
Studiejaar
2012-2013
De Modular Loader, een deel van een
worstenmachine van Marel, bleek ondanks
diverse aanpassingen niet in staat de gewenste levensduur mee te gaan. Het probleem
leek te ontstaan in het onderdeel dat onder
andere de uitlijning van de worsten verzorgt.
Het achterhalen van de oorzaak van het falen
van dit onderdeel (de Transfer Head) door
het uitvoeren van een grondige analyse en
het doen van verbetervoorstellen was de kern
van deze opdracht.
De analyse bestond voornamelijk uit drie
onderdelen. Een schrankanalyse, een dynamische analyse en een simulatie in Simulink ter
controle. Daarnaast zijn buig- en wrijvings-
Rik: “6 maanden vanuit Apeldoorn heen
en weer gereisd, maar het was het meer
dan waard. Vooral Dynamisch gedrag van
servoaangedreven systemen was erg leerzaam.”
Titel
Heidenhain: Indirect vs Direct meten
proeven gedaan om bepaalde grootheden
te kwantificeren en diverse invloeden op de
wrijving te identificeren.
Studenten
Rik Posthumus, Rob van der Heijden, Rens
Joosten en Marthijn de Laat
De schrankanalyse leverde een theoretische
waarde op voor de wrijvingscoëfficiënt
waarbij het mechanisme zou schranken, wat
het falen tot gevolg zou kunnen hebben. Uit
de wrijvingsproef bleek vervolgens dat het
mechanisme in het gunstigste geval al op 45%
kritisch opereert. Verschillende in de praktijk
voorkomende invloeden kunnen deze waarde
sterk verhogen. Uit de dynamische analyse
bleek vervolgens dat de voor de constructie noodzakelijke speling bovenkritische
botsingskrachten tot gevolg konden hebben.
Deze krachten, gecombineerd met een onzekere factor in de vorm van de gecombineerde
wrijvingscoëfficiënt, kunnen uiteindelijk
zorgen voor het plastisch vervormen van
bepaalde onderdelen in het mechanisme en
vervolgens tot falen van de Transfer Head.
In opdracht van
Heidenhain en Avans Hogeschool
Op basis van de analyse is een concept herontwerp opgeleverd dat naast een betere geleiding van het kritische onderdeel voorziet in
het elimineren van de schadelijke spelingen.
14
Rens: “Veel interessante dingen gezien
en gehoord tijdens bedrijfsbezoeken en
presentaties. Ook een leuk project gehad, vooral
toen we echt aan de slag konden.”
Begeleidend docent
Eric Kivits
Studiejaar
2012-2013
Heidenhain is gespecialiseerd in meetsystemen met hoge nauwkeurigheid.
Wij kregen de opdracht om voor Heidenhain en Avans Hogeschool een opstelling te
ontwerpen en te bouwen, die het verschil
aantoont tussen direct en indirect meten van
de positie van een last, aangedreven door een
servomotor. Bij direct meten kijken we naar
de last, bij indirect meten kijken we naar de
positie van de motor.
Het nadeel van indirect meten is dat de
meting geen rekening houdt met spelingen
in het systeem of het uitzetten van materialen door warmte. Dit gebeurt bijvoorbeeld
bij een spindel van een freesbank. Deze
uitzetting kan een onnauwkeurigheid tot 0.3
mm tot gevolg hebben, onvoldoende om de
gewenste kwaliteit te bereiken.
Nu worden door machinebouwers ingewikkelde oplossingen bedacht om deze
afwijkingen te compenseren. Echter, het lijkt
logischer om de positie direct op de slede
van de spindel te meten met een lineaire
encoder, en zodoende precieze meetwaarden
te verkrijgen.
Een eis van Heidenhain was om het verschil
op een confronterende manier te laten zien.
Dit hebben we gedaan door een demonstrator te bouwen, die op beide manieren
kan meten en de meting te valideren door
een losstaande meettaster. Aan de hand van
meetwaarden wordt het verloop tussen de
beide metingen, tijdens het verwarmen van
de spindel met een infraroodlamp, duidelijk.
We hebben de motor gekozen en de opstelling doorgerekend op basis van de theorie uit
de vakken van de minor. Voor de bouw en
het programmeren van de opstelling hebben
we samengewerkt met de toeleveranciers.
Minor Machines in Motion | 15
Samenvattingen MiM projecten
Titel
MasterFormer
Studenten
David Vogels, Ton van Bommel,
Tom den Ouden, Joost Litjens
In opdracht van
Marel Townsend Further Processing
Begeleidend docent
Alex Zehenpfenning
Studiejaar
2012-2013
16
De MasterFormer is een machine die vlees
met minimale druk vormt tot een ambachtelijk eindproduct. Dit gebeurt met behulp van
vormblokken, die in verschillende productvormen en afmetingen beschikbaar zijn. Het
wisselen van vormblokken in de machine
kost veel tijd, wat lange stilstand tot gevolg
heeft. De opdrachtgever wil deze omsteltijd
flink gereduceerd hebben. Ook is er de wens
om de machine flexibeler te maken. De
vormblokken zitten namelijk aan een ketting
bevestigd, waardoor de afmetingen aan de
kettingsteek gekoppeld zijn.
Uit brainstormsessies kwamen twee soorten
concepten naar voren. Een kleine aanpassing
aan de machine waardoor de gewenste om-
steltijd behaald kan worden, of de machine
compleet omgooien, wat behalve minimale
omsteltijd ook maximale flexibiliteit oplevert.
Samen met de opdrachtgever is er besloten voor de uitdagende optie te gaan,
namelijk het volledig herontwerpen van de
MasterFormer. In dit nieuwe ontwerp is de
kettingaandrijving weggewerkt, en vervangen
door het vliegende zaag principe. Dit houdt
in dat het te bewerken product, in dit geval
een strook vlees, constant wordt aangevoerd
op de lopende band. Het bewerkingsstation
synchroniseert met de strook vlees en voert
hierbij zijn bewerking uit. Na de bewerking
beweegt deze weer snel terug voor de volgende bewerking. Aan dit bewerkingsstation
zitten verschillende aandrijvingen bevestigd
om alle benodigde bewegingen uit te kunnen
voeren. Binnen de beschikbare tijd is het ontwerp tot in de aandrijvingen vastgelegd en
is de werking ervan aangetoond. In de figuur
is het bewerkingsstation met zijn verschillende aandrijvingen boven de lopende band
weergegeven.
Titel
Inpakstation
Studenten
Dirk Frank, Harold van de Laar,
Hein Overeijnder en Jan Poelgeest
In opdracht van
Mars Nederland bv
Begeleidend docent
Alex Zehenpfenning
Studiejaar
2012-2013
Twee studenten zijn tijdens hun afstudeerstage bezig geweest met het herontwerpen van
een handpakstation voor Mars Nederland te
Veghel. Al snel bleek het automatiseren van
het complete inpakstation de enige manier
om het ergonomisch verantwoord te maken.
Deze studenten hebben het project niet af
kunnen ronden. Toen hebben studenten van
de minor Machines in Motion dit opgepakt,
zij moesten het ontwerp waar nodig verbeteren, maar ook zorgen dat de machine zou
gaan draaien, dus de aandrijving, aansturing,
sensoren en bekabeling, alles moest geregeld
worden.
David: “Leuke minor gericht op precisie
bewegende machines. Mede door de
interessante bedrijfsbezoeken en interactie met
bedrijfsleven heb ik het als erg leerzaam ervaren
als werktuigbouwkunde student.”
Het concept bleek al aardig goed doordacht, al waren er wel enkele plekken voor
verbetering. Zo bleek de vacuümpomp teveel
lawaai te maken. Dit is opgelost door een
frequentieregelaar toe te passen, die ook is
getest op de juiste instelling. Verder is ook het
frame langer gemaakt, zodat er meer gebruik
gemaakt kan worden van standaard onderdelen. Daarnaast is door de projectgroep het
elektrisch tekeningenpakket afgerond. Dat
betekent dat alle sensoren en de componenten voor de besturingskast zijn uitgezocht,
zoals de servodrives, frequentieregelaars,
automaten en de PLC.
De totale besturingskast is gebouwd en in
bedrijf gesteld zodat de machine weer draait.
Het programmeren is nog niet afgerond maar
daar gaat Harold mee verder als afstudeeropdracht zodat de machine alsnog afkomt. Het
ligt in de lijn der verwachting dat er tijdens
die periode nog een machine omgebouwd
gaat worden op dezelfde manier, omdat het
een succesvol concept is gebleken.
Minor Machines in Motion | 17
Samenvattingen MiM projecten
Titel
Solar wafer lifting mechanism
Studenten
Tim Dané, Harm Cornelissen,
Remy Kalishoek, Bastiaan Klaasse
In opdracht van
Roth & Rau Eindhoven (voormalig OTB Solar)
Begeleidend docent
Ine van Aken
Studiejaar
2012-2013
Dit project is uitgevoerd in opdracht van
Roth & Rau Eindhoven. Om onderzoek te
doen naar het printen van functionele materialen, zoals de zilveren circuits die de opgewekte elektriciteit van een zonnecel afvoeren,
heeft Roth & Rau een printer ontwikkeld.
Deze PIXDRO – IP410 kan zes wafers per keer
printen. Deze wafers moeten echter wel met
de hand op de tafel gelegd worden. Daarom
was er vraag naar een systeem dat de wafers
automatisch kan neerleggen, positioneren
en oppakken. Dit maakt het mogelijk om op
experimenteel niveau kleine series wafers te
printen.
18
De aan- en afvoer van de wafers gebeurt
met een robot die de wafers oppakt met
een vork. Aangezien de wafers niet aan de
bovenkant aangeraakt mogen worden kan de
robot ze niet direct nauwkeurig op de tafel
positioneren. Daarom moest er een systeem
ontwikkeld worden dat de robot in staat stelt
om onder de wafers te komen zonder dat
daarbij de bovenkant van de wafers wordt
aangeraakt.
Tom: “Een zeer leerzame minor waarin verschillende
geautomatiseerde processen werden behandeld. Naast de variërende
projecten zijn de vele bezoeken aan bedrijven erg interessant.”
Na opstellen van het eisenpakket bleek dat
de wafers toch aan de bovenzijde mochten
worden aangeraakt, mits dit binnen één millimeter van de rand gebeurt. Na het bedenken
van een aantal concepten is er gekozen voor
een ontwerp dat met behulp van vacuüm van
bovenstaande mogelijkheid gebruik maakt.
Om deze vacuümkop te testen is er in de
tweede fase van het project een testopstelling ontworpen en gerealiseerd waarmee de
situatie in de IP410 nagebootst kan worden.
Met deze opstelling hebben we kunnen aantonen dat het concept werkt met voldoende
precisie.
Bron: Agfa Graphics
Minor Machines in Motion | 19
Artikelen van studenten
Marthijn: “Als IA-er was de lesstof interessant en erg nuttig voor de
toekomst, vooral het modelleren van een mechanisme.”
De opmars van engineering software
Onmisbare tijdsbesparing of verschraling van kennis en kunde?
Auteurs: Sjors Hienekamp en Raymond van der Wee, studenten minor Machines in Motion, Avans Hogeschool ‘s-Hertogenbosch, 2012
Al sinds de jaren ’70, toen de eerste softwarepakketten op het gebied van CAD/CAM op de markt
kwamen, is er een duidelijke opmars van engineering software gaande. In dit artikel wordt die trend
beschreven aan de hand van drie voorbeelden uit de recentere vakliteratuur die betrekking hebben
op het voorspellen van het dynamisch gedrag van mechanismen. Dit relatief nieuwe vakgebied is in
het afgelopen decennium steeds belangrijker geworden door de ontwikkeling van steeds snellere en
nauwkeurige systemen. Een gedegen kennis en kunde met betrekking tot dit vakgebied is daarom een
belangrijke competentie van de moderne engineer.
Matrixberekening
In 2000 is er door onderzoekers van de
Servische Universiteit voor Techniek en Kunst
onderzoek gedaan naar interne redundantie.
Volgens de onderzoekers was dit dé manier
om het dynamisch gedrag van een robot te
verbeteren. Wanneer de stand van één of
meer schakels binnen een mechanisme geen
effect heeft op de uiteindelijke positie en oriëntatie van de uitgang spreekt men van interne redundantie. Deze ogenschijnlijk nutteloze
schakels hebben wel degelijk een belangrijke
functie als het gaat om het verhogen van de
totale stijfheid van het mechanisme en
20
verdeling van de verschillende belastingen.
Om deze interne redundantie in kaart te
brengen, maken de onderzoekers gebruik
van een puur wiskundige methode. Door het
gebruik van matrices kunnen de verschillende
stijfheden binnen het systeem aan elkaar
gekoppeld worden. In de afbeelding hiernaast
is een simpel voorbeeld van zo’n matrix weergegeven. Door het manipuleren van bepaalde
waarden binnen de matrix is het mogelijk om
de meest optimale configuratie te bereiken.
Figuur: Relatief eenvoudige matrix
Minor Machines in Motion | 21
Simulatie op basis van theoretische
vergelijkingen
SAM: Synthese en Analyse van Mechanismen
Door stijgende energieprijzen is in 2012 het thema “green machines”
steeds belangrijker geworden. Daarom is er een software programma
ontworpen waarmee energie en rendementsverliezen in hoogdynamische machines geminimaliseerd kan worden. Dit programma (Synthese
en Analyse van Mechanismen: SAM) maakt gebruik van het feit dat
door lichter construeren, minder hard versnellen, en toevoeging van
Een andere methode is toegepast door het Robot Technology Lab van
Samsung in Korea. Rond 2005 kreeg de technologie voor het maken
van LCD schermen een grote impuls waardoor het mogelijk werd om
steeds grotere schermen te fabriceren. Omdat het hier zeer delicate
glasplaten betreft, zal er voor de handling een robot moeten worden
ontworpen met een scherp oog op het dynamisch gedrag. De methode die de wetenschappers van Samsung hiervoor hebben gebruikt
bestond voor een deel uit wiskundige en natuurkundige vergelijkingen.
Deze vergelijkingen worden in een simulatie programma gestopt. Door
verschillende bedrijfstoestanden te simuleren, worden er trillingen in
het systeem geïntroduceerd. Als output geeft het simulatie programma de zwakke plekken van de robot weer. Door deze plekken
constructief te verbeteren kan de robot worden geoptimaliseerd.
Figuur: LCD transfer robot
22
passieve compensatie onderdelen de motor minder energie nodig
heeft voor de beweging. In dit programma kan het verloop van
aandrijfkrachten/koppels worden geanalyseerd. Het concept van
de constructie staat binnen enkele minuten op het scherm inclusief
animatie. Met de Optimalisatiemodule kan de ontwerper verschillende
variabelen variëren.
Figuur: Probleemoplossing met SAM
Minor Machines in Motion | 23
Modelvorming massa-veer systemen
De twee voorgaande voorbeelden van modelvorming laten een steeds
prominentere rol voor de softwarematige berekening zien. Dynamische modellering op basis van de theorie van massa-veer systemen is
evenals de matrixberekening een volledig theoretische analyse. Hierbij
wordt een beroep gedaan op het mechanisch inzicht en kennis van
sterkteleer en dynamica van de engineer. Deze bijna ambachtelijke
vorm van modelvorming kan een krachtige methode zijn om snel
inzicht te krijgen in het dynamisch gedrag van een mechanisme.
Naar aanleiding van de uitkomst kan de engineer eenvoudig bepalen
welke onderdelen het meest bijdragen aan dynamische instabiliteit en
plaatsonnauwkeurigheid van het mechanisme. Zo kan worden voorkomen dat onnodige tijd en energie gestopt wordt in het aanpassen van
onderdelen die weinig tot niets bijdragen aan een gunstiger dynamisch
gedrag. Daarnaast biedt de uitkomst van deze methode aanknopingspunten voor het bepalen van de (servo)motor en overbrenging.
Opmars van engineering software:
goed of slecht?
De ontwikkeling van specialistische engineeringsoftware is al geruime
tijd gaande. Al ruim voor het jaar 2000 deed CAD/CAM zijn intrede
in de techniek. Sinds de jaren ’80 zijn dergelijke 3D CAD programma’s
niet meer weg te denken uit de ontwerpafdelingen van technische ondernemingen. Waar vroeger nog alle tekeningen met de hand werden
gemaakt en daardoor veel tijd kostten, is het tegenwoordig een fluitje
van een cent om tekeningen te genereren vanuit het 3D ontwerp.
Echter, dit tijdrovende werk werd voor het merendeel door lager
geschoold personeel gedaan. Het ontwerp zelf kwam en zal nog steeds
moeten komen van goed opgeleide engineers die diepgaand nadenken
over alle aspecten ervan en er verschillende berekeningen aan moeten
en kunnen uitvoeren.
Die ambachtelijke manier van werken gaat meer en meer verloren
door allerhande technische software die weliswaar veel tijd (en dus
geld) besparen, maar mogelijk een verschraling van de kennis en kunde van de engineers tot gevolg kunnen hebben.
Het gevaar dreigt dus dat door de opmars van engineering software
het hoger technisch personeel steeds minder ‘hands on’ engineering
competenties gebruiken waardoor de theoretische basis weg kan vallen. Wij zien een taak voor het onderwijs om deze trend voor te zijn en
het toekomstig hoger technisch personeel een degelijke theoretische
basis te bieden. De besproken massa-veer methode wordt onderwezen
op Avans Hogeschool te Den Bosch en maakt zo deel uit van de kennis
en kunde van het hoger technisch personeel van de toekomst.
Bronnen M. Vukobratovic, V. Potkonjak and V. Matijevic, “Internal redundancy – the way to improve robot dynamics and control performances.” . In: Journal of Intelligent and Robotic
Figuur: De achtereenvolgende stappen van deze methode
24
Systems nr. 27 (2000), op p. 31-66 | Jong Hwi Seo, Hong Jae Yim, Jae Chul Hwang, Yong Won Choi and Dong Il Kim, “Dynamic load analysis and design methodology of LCD transfer robot”.
In: Journal of Mechanical Science and Technology nr. 22 (2008), op p. 722-730 | H.Schrama, “Optimalisatie van mechanismen leidt tot lichtere aandrijvingen en minder energieverbruik”. In:
Constructeur nr. 4 (2012), op p. 28-31 | Internet: http://cadcamfunda.com/history_of_cadcam (geraadpleegd op 15-12-2012)
Minor Machines in Motion | 25
Veilige samenwerking tussen mens en robot
in werkomgeving
Auteurs: Emiel Griffioen en Rob van der Heijden, studenten minor Machines in Motion, Avans Hogeschool, 2012
Mensen vervangen door robots is niet nieuw meer en gebeurt al lange tijd. Dit zijn vaak industriële
robots achter hekwerken die worden ingezet voor zeer nauwkeurig of juist zeer repeterend werk. Echter, niet alle werkzaamheden kunnen gedaan worden door robots, daar zijn nog steeds mensen voor
nodig. Volgens professor Robert Babuska Denk van het TU Delft Robotics Institute tegenover NUzakelijk1, is dit bijvoorbeeld aanwezig in de tuinbouw. In de tuinbouw is het verpakken van groenten niet
volledig te automatiseren, maar wel te versnellen als mens en robot samenwerken. Het is daarom de
uitdaging om mens en robot te laten samenwerken in dezelfde omgeving. Het gaat hierbij dus niet
meer om industriële robots achter hekwerken, maar over robots die veilig zijn voor de mens in dezelfde omgeving.
Tegenwoordig wordt er veel onderzoek gedaan naar de veiligheid van deze robots. Op dit moment
kun je de mogelijke oplossingen verdelen in twee categorieën, namelijk de passieve en actieve methode. Bij de passieve methode wordt de veiligheid gewaarborgd door het mechanisch ontwerp van de
robot. Actieve veiligheid wordt gerealiseerd met behulp van sensoren en regelingen.
26
Actief beveiligen op de stroomsterkte
van de motoren
Op de Pusan National University in Zuid Korea hebben Hwan-Wook
Je, e.a. onderzoek gedaan ² naar het actief veilig maken van een robot
door terugkoppeling op de stroomsterkte. Een botsing ontdekken
en absorberen kan door naar de stroom van elke servomotor in elk
scharnier te kijken. Hierbij worden geen extra sensoren en moeilijke
control-technieken gebruikt. De positie, snelheid en koppel worden
door de stroom geregeld. Doordat stroom evenredig is aan benodigde
koppel kan doormiddel van een te grote variatie in de stroom een
botsing worden gedetecteerd.
hier laag, omdat de snelheid daar nul is. Hierdoor zal de hoge amplitude worden gecompenseerd en niet worden gezien als een botsing.
Uit een negatieve of positieve waarde kan de richting van de botsing
worden bepaald. Bij een botsing wordt snel de stroom verkleind of
vergroot om naar de vorige positie te gaan. De botsing wordt geabsorbeerd door het teruggaan naar de vorige positie. Deze manier van een
robot stoppen bij een botsing is veel beter voor het geraakte object of
mens, dan wanneer de stroom er meteen af wordt gehaald en er dus
niets wordt geabsorbeerd.
De moeilijkheid is het herkennen van de botskracht. Tijdens stilstand
is de stroom relatief constant. Bij een botsing gaat de motor meer
stroom gebruiken om toch zijn positie te behouden. Elke afwijking kan
hierdoor herkend worden als een botsing. Tijdens een beweging is dit
lastiger, omdat de wrijving, snelheid, massa en positie moeten worden
meegenomen in de berekeningen. De figuren maken dit probleem
duidelijker. In figuur 1a is de hoek van de robot en de motor stroom
in een grafiek uit gezet in de tijd. In figuur1b is te herkennen dat er
enkele afwijkingen in de stroom zijn tijdens deze cyclus. Deze hoge
amplitudes zijn echter geen botskrachten, maar veranderingen van
draairichting.
De onderzoekers hebben testen gedaan met deze techniek. Door een
andere instelling was al eens eerder een soortgelijke test gedaan, met
constante detectie waardes. Hierbij werd de botsing na 22 milliseconden gedetecteerd. Het bleek dat de botsing met de variabele waardes
al na 6 milliseconden werd ontdekt.
Om stroomvariaties van botskrachten en bewegingskrachten te
kunnen scheiden is een regeling nodig. Om de detectie regelaar de
stroomvariatie door bewegingskrachten niet als een botsing te laten
herkennen wordt er vermenigvuldigd met de input positiewaarde
naar de snelheidregelaar. De input positiewaarde is de afstand van een
regelstap. Deze waarde is proportioneel met het verschil van de positie
en de eindpositie. Doordat de robotsnelheid gestaag toeneemt en gestaag afneemt tijdens het veranderen van richting, is de positiewaarde
Figuur 1
Minor Machines in Motion | 27
PASSIEVE BEVEILIGING
Passieve beveiligingen zijn puur
mechanisch en zijn vaak sneller en
betrouwbaarder dan actieve beveiligingen. Actieve beveiligingen zijn
afhankelijk van software en energietoevoer en wanneer hier storing
optreedt kan dit gevaar opleveren.
Bij een passief beveiligde robot
wordt de robot “intrinsiek” veilig genoemd. Intrinsiek veilig is een vorm
van veiligheid die als eigenschap,
van binnenuit , werkelijk aanwezig
is. Een apparaat dat intrinsiek veilig
is, zal dus zelfs bij een defect veilig
zijn. Bij een robot wil dit zeggen, dat
wanneer de besturing “op hol” slaat
of uitvalt, de robot nog steeds veilig
is voor de mens.
Statisch in balans en lage
motorkracht
Mathijs Vermeulen en Martijn Wisse van de
TU Delft hebben onderzoek gedaan3 naar het
ontwerp van een intrinsiek veilige robotarm.
Zij concludeerden dat de huidige robots een
grote massa hebben en daardoor ook sterke
28
motoren die niet voor mensen terugdeinzen.
De oplossing ligt volgens hen bij het reduceren van de massa en daarmee ook het verkleinen van de motorkracht. In dit onderzoek
is uitgegaan van een pijntolerantie van 100
[kPa], waarbij gezegd moet worden dat 150
[kPa] de laagst gerapporteerde pijntolerantie
van de mens is. Het minimum raakvlak van
de robot op de mens was 5 [cm2], waardoor
de toelaatbare botskracht 50 [N] is.
Het ontwerp is gebaseerd op een robot in de
fruitindustrie. Deze robot moet een gewicht
van 1,2 [kg] verplaatsen over een afstand van
0,8 [m] in 1,5 [s]. De minimum motorkracht
wordt bepaalt door het optillen van het
product. De kracht waarmee de robot de
mens kan raken bij een storing in opgaande
beweging is de maximale motorkracht minus
gravitatie. Echter in een neergaande beweging
is dit de maximale motorkracht plus de gravitatie. Zie de situatieschets in figuur 2.
De oplossing volgens de onderzoekers is het
gebruik van voorgespannen veren. De situatieschets is in figuur 3 te zien. De veer zal aan
de vaste wereld worden vastgemaakt, omdat
dit anders een extra massatraagheid toevoegt
aan de robotarm. Deze veer moet ervoor
zorgen dat de robot en zijn last in volledige
statisch evenwicht zijn Om het systeem in
evenwicht te houden bij verschillende hoeken en massa’s, moet de veerspanning steeds
aangepast worden. De juiste veerspanning
wordt bereikt door twee parallelle veren met
verschillende stijfheden en katrollen. Deze
katrollen zorgen voor de juiste uitrekverhouding tussen hoekverdraaiing en verplaatsing
van de veer. Hierdoor is de robot en zijn
massa ten alle tijden in evenwicht, en is er
maar een kleine motorkracht nodig om de
massa te bewegen. De kracht waarbij de
robot de mens kan raken is nu dan ook alleen
die kleine motorkracht. Uiteindelijk bleek de
robot inderdaad intrinsiek veilig en waren 4,5
Watt DC motoren voldoende om de massa
van 1,2 [kg] te verplaatsen over een afstand
van 0,8 [m] in 1,5 [s].
Veilige gewrichten
in de robotarm
Naast Mathijs Vermeulen en Martijn Wisse
hebben ook Jung-Jun Park, Jae-Bok Song en
Hong-Seok Kim van de “Korea University” en
het “Korea Institute of Industrial Technology”
onderzoek gedaan4 naar intrinsiek veilige robots. Ook zij hebben onderzoek gedaan naar
veiligere robots die gebruik maken van veren.
Belangrijk voor passief beveiligde robots is
dat ze tijdens hun bezigheden in de veilige
zone een hoge stijfheid hebben, zodat ze
snel en precies kunnen werken. Als ze echter
in de gevarenzone terecht komen moeten
de robots juist een lage stijfheid hebben om
de botsing met eventueel een mens op te
kunnen vangen. Het Safe link mechanisme is
een ontwerp dat hierop inspeelt.
Het idee is om te werken met een veer en
zijn stijfheid. Deze stijfheid moet zoals eerder
beschreven hoog zijn in de veilige situatie,
maar bij een bepaalde kracht (botskracht)
Figuur 2
Figuur 3
Figuur 4
juist heel laag. Er bestaan alleen geen veren
met deze eigenschappen. Vandaar het principe dat in figuur 4 te zien is. Wanneer er een
“External force” uitgeoefend wordt kan dit
gecompenseerd worden door de “Resisting
force”. Wanneer de “Transmission angle”
kleiner is dan 45 graden of groter dan 135
graden, is er een lage “Resisting force” nodig
om in evenwicht te blijven. Als de hoek 90
graden benaderd is deze benodigde kracht
een stuk hoger.
Figuur 5
Dit principe van verschil in krachten bij bepaalde hoeken is uitgewerkt in een ontwerp
met een zuiger en krenk in combinatie met
een veer. Zie figuur 5. Dit ontwerp is geplaatst
in een gewricht van een robotarm. Zie figuur
6. Zoals te zien is, is het ontwerp twee keer in
het gewricht geplaatst. Eén voor de verplaatsing naar boven en één voor de verplaatsing
naar onder.
Dit ontwerp is getest en de resultaten zijn
te zien in figuur 7. Het blauwe gedeelte stelt
het werkgebied voor, het groene gedeelte de
veilige zone en rood de onveilige zone. Goed
is te zien dat ook in dit onderzoek wordt
uitgegaan van een maximum botskracht van
50[N]. Er is te zien dat het gehele ontwerp
niet of nauwelijks hoekverdraaiing heeft tot
31[N], daarna wordt het mechanisme abrupt
minder stijf en geeft mee. Deze 31[N] is in dit
onderzoek dan ook de veiligheidsgrens.
Figuur 6
Figuur 7
Minor Machines in Motion | 29
Samenwerken van robots en mens
Zoals de onderzoeken bewijzen zijn er zeker mogelijkheden om robots
veilig te maken voor de mens, maar er zitten ook nadelen aan vast.
Wanneer een robot actief beveiligd wordt door de methode om naar
de stroom te kijken worden moeilijke dynamische berekeningen en
sensors bespaard. De testen van deze Universiteit uit Zuid Korea tonen
aan dat de beveiliging snel reageert en dat het de botsing absorbeert.
Maar net als alle actieve beveiligingen kunnen er wel storingen optreden. Passief beveiligde robots kunnen zeer veilig worden ontworpen,
waardoor het samenwerken met de mens zeker mogelijk is. Het nadeel
van deze robots is wel de maximale botskracht van 50N die de mens
kan verdragen. Dit beperkt de versnelling van de robots en dus ook de
capaciteit van de robot.
Er zal in de toekomst zeker worden samengewerkt tussen mens en
robot, maar met de huidige passieve technieken zal dit voorlopig
alleen gebeuren in processen waarbij niet al te hoge versnellingen
nodig zijn. De actieve beveiligingsmethode reageert zeer snel, maar is
niet intrinsiek veilig. Daar zal altijd rekening mee gehouden moeten
worden en vraagt daarom om toepassing van aanvullende veiligheidsvoorzieningen.
Maar wie weet het? Het idee van toen is de realiteit van nu…
1. http://www.nuzakelijk.nl/ondernemen/2982727/tu-delft-laat-robots-samenwerken-met-werknemers.html geraadpleegd op 18-12-2013
2. Hwan-Wook Je, Jun-Young Baek, Min Cheol Lee, Pusan National University, Zuid-Korea, “Current based Compliance Control Method for Minimizing an Impact at Collision of Service Robot
Arm”, pagina 251-258, “International journal of precision engineering and manufacturing”, April 2011 vol. 12, No. 2
3. Mathijs Vermeulen ,Martijn Wisse, Delft University of Technology, Nederland, “Intrinsically Safe Robot Arm: Adjustable Static Balancing and Low Power Actuation”, pagina 275-288, “Internal
Journal of Social Robotics”, ”September 2010 vol. 2, No. 3
4. Jung-Jun Park, Jae-Bok Song, Hong-Seok Kim, Korea University, Zuid-Korea, “Safe Joint Mechanism Based on Passive Compliance for Collision Safety”, pagina 49-61, “Recent Progress in
Robotics: Viable Robotic Service to Human”, 2008
30
Minor Machines in Motion | 31
Meer weten?
Voor meer informatie over de minor
Machines in Motion kun je terecht bij
de coördinatoren van deze minor:
Avans Hogeschool ’s-Hertogenbosch
Academie voor Industrie en Informatica
Opleiding Werktuigbouwkunde
Onderwijsboulevard 215
5223 DE ’s-Hertogenbosch
T (073) 629 52 93
E [email protected]
Wwww.avans.nl
ir. I. van Aken
T. 088-5256712
E. [email protected]
ir. Bianca Piek-van Wel
T. 088-5256871
E. [email protected]