LAEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOISTO Teknillinen iedekuna LUT Energia Sähköekniikan kouluuohjelma Jukka arkkinen HAMMASHIHNAJOHDEAKSELEIDEN LIIKKEIDEN SYNKRONOINTI Työn arkaaja: rofeori Juha yrhönen TkT Markku Niemelä Työn ohjaaja: TkT Markku Niemelä TkT Markku Jokinen
TIIVISTELMÄ Lappeenrannan eknillinen yliopio Teknillinen iedekuna LUT Energia Sähköekniikan kouluuohjelma Jukka arkkinen HAMMASHIHNAJOHDEAKSELEIDEN LIIKKEIDEN SYNKRONOINTI Diplomiyö 7 ivua, 47 kuvaa, 6 aulukkoa ja 3 liieä Tarkaaja: rofeori Juha yrhönen TkT Markku Niemelä Hakuana: liikkeenohjau, ynkronoini, iänä-orja, hajaueu ohjau, lineaarihammahihnajohde Nykyieä valmiueolliuudea erilaien roboien ja auomaioiujen uoanovaiheiden rooli on eriäin merkiävä. Tarkai uunniellu liikkee ja oiminavaihee voidaan nykyiillä järjeelmillä ajoiaa arkai oiiina nähden, jolloin erilaien virheilaneidenkin auea järjeelmä pyyy oimimaan ilaneen edellyämällä avalla. Auomaioinnin euna on myö uoannon muokkaaminen erilaien uoeiden valmiamieen pienillä muuokilla, jolloin uoanokuannuke pyyvä maalina myö pienen valmiuerien apaukia. Uean akelin laieia eli niin anouia moniakelikäyöiä laieen oiminaarkkuu riippuu jokaien liikeakelin arkkuudea. Liikkeenohjaukea on perineiei ollu käyöä myöäkykey paikkakakadi, jonka viriykeä oeaan huomioon akelilla oleva erilaie dynaamie ila ja käyeävä refereni. Monia nykyiiä hajaueuia järjeelmiä eli moniakelikäyöiä, joia jokaielle akelille on oma ohjaulaie, ei ykiäien akelin paikkavirheä huomioida muiden akeleiden ohjaukea. Työä ukiaan erilaiia moniakelijärjeelmien ohjaumeneelmiä ja myöäkykeyn paikkakakadin oiminaa moniakelikäyöä pyriään paranamaan uomalla paikkaääimen rinnalle oinen äädin, jonka ulona on akeleiden välinen paikkaero.
ABSTRACT Lappeenrana Univeriy of Tehnology Fauly of Tehnology LUT Energy Degree rogramme in Elerial Engineering Jukka arkkinen SYNCHRONIZATION OF MOVEMENTS OF LINEAR TOOTH BELT AXIS Maer Thei 7 page, 47 figure, 6 able and 3 appendie Examiner: rofeor Juha yrhönen D.S. Teh. Markku Niemelä Keyword: moion onrol, ynhronizaion, maer-lave, deenralized onrol, linear ooh bel axi Nowaday, differen kind of robo and oher auomaed manufauring proee are very muh ued in manufauring indury. reie movemen and aion phae of differen yem an be imed very auraely and yem are deigned o operae even one par of movemen ha ome kind of error in proe. Auomaed manufauring i uually eay o modify o manufaure produ wih large ale whih make i uiable for manufauring maller produion run. In muli-axi yem he operaing auray i dependen of every ingle axi of he yem. In moion onrol yem poiion aade wih peed forward ruure i ued radiionally. Wih hi ruure all differen dynami iuaion and ued referene ha o be aken ino aoun when onrol yem i uned. In muli-axi yem where every ingle axi ha i own onrol yem only he poiion error of i own i ued in he onroller. Differen kind of onrol mehod for muli-axi yem and poiion ompenaion wih poiion aade ruure are in he fou of hi hei. A ompenaor will be added in he aade ruure parallel wih he original poiion onroller.
ALKUSANAT Tämä yö on ehy ABB:n ja Lappeenrannan eknillien yliopion yheielle Carelian Drive and Moor Cenre CDMC ukimu- ja uoekehiykekukelle. Hankkeen rahoiajan on oiminu ABB Oy. Kiiän profeori Juha yrhöä mielenkiinoiea aiheea ja yöni arkaamiea. Työn oia arkaajaa ja ohjaajaa TkT Markku Niemelää haluan kiiää yön aikana aamiani neuvoia ja ohjaukea. TkT Markku Jokia kiiän uurei yöni ohjaamiea ja mielenkiinnoa yöä kohaan. Kiioke opikeluajaa anaieva kaikki hyvä yävä ja opikeluoveri, joiden kana on aanu vieää unohumaona opikelijaelämää. Eriyiei lämpimä kiioke ooian vanhemmilleni ja veljilleni aamaani uea ja kannuukea opikelujeni aikana. Lappeenrannaa 7.. Jukka arkkinen
5 Siällylueelo JOHDANTO... 8. Synkronoini... 8. Liikkeenohjau....3 Liikkeenohjauken ynkronoini....4 Liikkeenohjaukäyöjen kekinäinen kommunikoini....5 Työn avoiee ja kekeie uloke... 3 MONIAKSELIOHJAUSMENETELMÄT... 4. Iänä-orjameneelmä hajaueua järjeelmää... 6. Hajaueu rinnanohjau... 8 3 SEURANTAVIRHE JA SEN KOMENSOIMINEN... 3. Seuranavirheen kompenoiminen... 4 TESTILAITTEISTO... 7 4. SERCOS II -kenäväylä... 33 4. Lineaarihammahihnan maemaainen malli... 35 4.3 Joheiden liikekika... 39 4.4 aikka- ja nopeuääimen viriäminen... 4 4.5 Kompenaaorin vaikuu järjeelmään... 4 5 MITTAUSTULOKSET... 44 5. Iänä-orjameneelmä... 45 5. Rinnanohjau... 5 5.3 Seuranavirheen kompenoini... 54 5.3. Kompenoini iänä-orjameneelmää... 55 5.3. Kompenoini rinnanohjaukea... 59 5.4 Johopääöke... 66 6 YHTEENVETO... 68 LÄHTEET... 69 LIITTEET LIITE I MOOTTOREIDEN JA JOHTEIDEN ARAMETRIT... 7 LIITE II MATEMAATTISEN MALLIN ARAMETRIT... 73 LIITE III AKSELEIDEN SIIRTOFUNKTIOT... 74
6 Käyey merkinnä ja lyhenee a kiihyvyy [m/ ] C äädin e kulmaero F voima [N] järjeelmä I vira [A] J hiaumomeni [kgm/ ] K jouivakio [N/m] k kulmakerroin l piuu [m] M mooori m maa [kg] vahviu [/] R äde [m] T väänömomeni [Nm] aika [] U ohje [rad/] v nopeu [m/] x paikka [m] δ venymä [m] ε uheellinen venymä θ kulma [ ] τ viive [] φ kierymäkulma ω kulmanopeu [rad/] Alaindeki alku a odellinen, aual kohiuora d viive
7 der FB f ffa ffv i in k L MAX ou p po ref rf w r v vel vf derivoini akaiinkykenä, feedbak kika kiihyvyymyöäkykenä nopeumyöäkykenä inegroini ulo, inpu kykin kuorma, load uurin arvo lähö, oupu paikka paikka, poiion ohje, refereni pyörimikika jako kykenä, wihing angeniaalinen, ivuava iiro, ranmiion nopeu nopeu, veloiy liikekika, viou friion Lyhenee ADR AT BOF dd DTC EOF FCS MDT MST SERCOS ooie, addre orjan viei, amplifier/drive elegram viein aloiuarja, beginning of frame aajuumuuajien välinen, drive-o-drive uora väänömomeniääö, dire orque onrol viein lopeuarja, end of frame arkiuarja, frame hek equene iännän ohjeviei, maer daa elegram iännän ynkronoiniviei, maer ynhronizaion elegram Serial Real-ime Communiaion Syem
8 JOHDANTO Nykyaikainen valmiueolliuu on vahvai auomaioiua, ja erilaie roboi ekevä uoeia nopeai ja arkai. Erilaien roboien liikkeiden ja auomaioiujen uoanovaiheiden ajoiaminen oiiina nähden onniuu nykyiillä laieilla arkai, ja proein muuoke onniuva helpoi. Myö vapau ehdä erilaiia uoeia nopeai ilauen vaaimia määriä on ärkeää, kun valmieaan erikoiempia valmieia, joia aiakkaa ova ennen jouunee odoamaan pikiäkin aikoja ai niiden valmiukuannuke ova ollee kohuuoman korkea. Tyypilliei valmiujärjeelmää ohjaa yki iänälaie, joka uoaa vaadiu ohjee järjeelmän laieille. Ohjee voiva olla erilaiia eri laieille ja käyey ohje riippuu ovellukea. Ohje ieään voi olla paikka-, nopeu- ai väänömomenirefereni. Taajuumuuajien kehiy on uonu ne lähemmäki avanomaiei valmiueolliuudea käyeyjä väänömomenivahviimia, ja nykyään järjeelmä voiva olla hajaueuja, joia iänälaie jakaa järjeelmän aajuumuuajille vain ykinkeraie paikkaohjee ja käynniykäky ynkronoidui. Iänälaieena voi järjeelmiä myö joidenkin valmiajien aajuumuuajilla oimia yki aajuumuuajia. Tällöin yki aajuumuuaja ynkronoi muu järjeelmän aajuumuuaja ja ohjaa liikkeiä järjeelmän arpeiden mukaiei. Jokinen. Synkronoini Synkronoini anana ulee kreikan kieleä anoia yn amaan ja hrono aikaan. Kun joain apahuu ynkroniei, ova oiminno illoin uorieu ynkronia eli yhä aikaa. Synkroniei apahuva aia voiva myö olla vaiheiirroa kekenään, mua apahuma uorieaan kuienkin amaa ahdia oiiina nähden. Yleiei anaa käyeään nykyään kuvaamaan eimerkiki ieojen päiviämiä amaan ilaan kahden eri laieen välillä. Toimi voi olla varmuukopion eko ai kännykän ja ieokoneen kalenerien apahumien ieojen päiviäminen. Synkronoinia ilmiönä uki enimmäienä alankomaalainen luonnonieeilijä Chriiaan Huygen 8-luvulla heilurikellojen avulla. Hän kyki kaki heilurikelloa puupuomiin koukkujen avulla ja arkkaili heilureiden liikkeiä. Heiluri aeuiva aina amaan ahiin ja kellojen ääni kuului yhäaikaiei. Huygen elvii, eä liikkee ynkronoiuiva
9 puomin liikkeiden kaua, vaikka e ei ollu elkeäi havaiavaa. Varinaiei ynkronoini ymmärreiin 9-luvulla, kun E. V. Appleon ja B. Van der ol ukiva riodigeneraaoreia ja ynkronoiva niiden oiminaa heikolla ulkoiella ignaalilla, jolla oli hieman eri aajuu. ikovky Ennen kehiyneiä liikkeenohjaujärjeelmiä uean akelin ai laieiden liikkeiä ynkronoiiin mekaaniei. Yki eimerkki on vala-akeli. Akelia pyörieään ähkömooorilla, arviaea vaiheen väliykellä. Akelila liike välieään hihnojen ja kierukkaja kariovaiheiden avulla käyökoheille. Kuvaa. on Imaran Sora Enon paperiehaan karonkikoneen erä kuivauryhmän vala-akeli. Kuva. Imaran paperiehaan karonkikoneen erä kuivauryhmän vala-akeli. Kuvaa näkyy hihna, jonka väliykellä mooori pyöriää akelia, kykin ja muuama kannainlaakeri. Harikainen Mekaaninen yhey liikkeiden väliykeä arkoiaa, eä kaikki iihen liiey laiee pyörivä aina väliyuheiden mukaia nopeua ja liikkeiden nopeuden muuaminen oiiina nähden vaaii aina väliyuheiden muuamia. Taajuumuuajien avulla jokainen oimilaie aadaan erillien moooreiden avulla pyörimään haluua nopeua ja eri oien liikkee voidaan uunniella vapaai. Samaa proeia voi olla äyin eri pyöriminopeudella pyöriviä moooreia ja liäki liikkee voiva olla äyin erilaiia,
kuen akelmaiia iiroja avaran liikkuea aemala oielle ai aaiei liikkuvia kuljeimia, joiden piää edeä oien proein mukaiei.. Liikkeenohjau Liikkeenohjaukea käyeävien aajuumuuajien ääöjärjeelmä valiaan ohjaavan proein mukaiei, ja arjolla onkin monenlaiia ääörakaiuja. Liäki monia aajuumuuajia on vielä mahdolliuu käyäjän muokaa aajuumuuajan valmia ovelluohjelmaa omien arpeiden mukaiei. Kun käyeävä aajuumuuaja arjoaa mahdolliuuden käyää erilaiia referenejä ja käyäjälle mahdolliuuden ohjelmoida omia oiminoja, puhuaan korkean uoriukyvyn aajuumuuajia. Korkean uoriukyvyn aajuumuuaja omaava paremma ominaiuude myö arvojen päiviykeen ja akaiinkykenäieojen luena-/päiviyaeen oala kuin heikon uoriuaon aajuumuuaja, joka eivä myökään arjoa mahdolliuukia omien ovellukien liäämieen valmiieen ohjelmaan. Jokinen Liikkeenohjaukea käyeävien aajuumuuajien ääörakenne on uein kuvan. mukainen myöäkykey paikkakakadi, joa paikkaäädin on - ai I-yyppinen ja nopeuäädin I- ai ID-yyppinen. aikkaääimen rinnalle uodaan nopeuden myöäkykenä ja nopeuääimen rinnalle voidaan liää kiihyvyyden myöäkykenä. d d ffv d d ffa φ ref + - e φ a po T i, po + + + ω ref + - ω a vel + + + T i, vel + + T ref der T der Kuva. Myöäkykeyn paikkakakadin rakenne. φ ref on kulmaohje, φ a odellinen kulmaieo, e eroarvo, ffv nopeuden myöäkykennän vahviu, po paikkaääimen vahviu, T i,po paikkaääimen inegroiniaika, ω ref kulmanopeurefereni, ω a kulmanopeu, ffa kiihyvyyden myöäkykennän vahviu, vel nopeuääimen vahviu, T i,vel nopeuääimen inegroiniaika, der nopeuääimen derivoinioan vahviu, T der nopeuääimen derivoiniaika ja T ref väänömomenirefereni.
Kuvaan. ei ole merkiy uodaukia, joia ärkeimmä ova akaiinkykenöjen uodauke. Liäki erilaiia uodaukia voi eiinyä erouureiden ja myöäkykenöjen yheydeä eämää korkeaaajuien häiriöiden vahviuminen ääimiä. Väänörefereni yöeään väänöääimelle, joka voi peruua uoraan väänömomeniääimeen DTC, Dire Torque Conrol ai korkeaaoieen vekoriääöön. Jokinen.3 Liikkeenohjauken ynkronoini Liikkeenohjaujärjeelmiä aajuumuuajien ynkronoini akaa en, eä proeia olevien laieiden liikkee apahuva oikeilla hekillä oiiina nähden. Eri aikaaojen oiminno ynkronoidaan iänälaieen ynkronoiniignaaliin, jolloin kaikkien järjeelmän laieiden iäie oiminno uorieaan amalla hekellä ai haluulla poikkeamalla ignaaliin nähden. Servojärjeelmiä iänälaie huolehii oikea ohjee laieille oikealla hekellä uoannon kannala ja loppuuoeea aadaan arkai haluunlainen. Synkronoinnilla on eriäin uuri merkiy juuri uoannon arkkuudea, jolla on eriäin uuri arvo eriyiei erilaiia leikkauovellukia. Jo laieia ohjaaiiin ynkronoimaomina, voii ilanne olla pahimmillaan kuvan.3 mukainen liikkeiä ohjaavien laieiden välillä. iänälaie käynniykäky ohje ohje käyö käynniykäky lue ohje lue ohje käyö käynniykäky lue ohje lue ohje Kuva.3 Ajoiukaavio järjeelmää, joa laiee eivä ole ynkronoiuja ja väylä iännälä käyöille oleeaan viiveeömäki. Kuvaa.3 kuvaaan ilannea, joa kaikki laiee oimiva amalla aikaaolla, mua koka laieia ei ole ynkronoiu, apahuva kaikki uoriuke käyöä lähe yhden jakon myöhemmin kuin käyöä. Liikkeenohjaukea kuvan mukainen poikkeama uoriukia arkoiaii paikkaeroa käyöjen ohjaamien akeleiden välillä. aikkaeron uuruu olii uoraan verrannollinen käyeyyn nopeueen ja uoriuen välieen viiveeeen. Alua poikkeaman vaikuu olii pieni, kun molemma kiihdyävä liikkeelle,
mua uurilla nopeukilla ero kavaa. Nopeude uean akelin liikkeenohjaukea voiva olla m/ eriyiei, jo käyeään lineaarimoooreia ja ällöin eimerkiki µ viive käyöjen aamien ohjeiden välillä merkiee mm poikkeamaa akeleiden paikoia, jo akeli ova muuen idenie äädön ja dynamiikan kannala. Kuvan.3 mukainen ilanne muuuu hieman, kun oeaan huomioon iiroien viive. Käyöjen ulee lukea ohjee ällöin iiroviiveen verran myöhemmin iänälaieen läheeyä ohje, joa uoriuke uleva haluulla hekellä oikeia ohjeia käyäen. Uean laieen järjeelmiä viive ulee oaa huomioon arkai, joa arkkuu uean akelin uoriuken välillä ei käri. Nykyiillä ynkronoiduilla kenäväylillä, kuen SERCOS, EherCAT ja CANSyn, kenäväylän aluuvaiheea järjeelmän oimilaiee aava ajanheke ynkronoiniignaaliin nähden uoriaa oiminona. Tällöin laiee aava ohjee, uoriava ohjee, lukeva akaiinkykenäarvo ja palauava vaadiu iedo kaikki amoilla määräyillä ajanhekillä. Tääkin apaukea piää käyäjän muiaa oaa huomioon eri laieiden erilaie iäie oiminaviivee, joa kaikki oimilaiee pyyvä eimerkiki käielemään uuimma akaiinkykenäieona ennen läheyä..4 Liikkeenohjaukäyöjen kekinäinen kommunikoini Joidenkin aajuumuuajien valmiaja arjoava nykyiiin laieiiina myö uoran kekinäien kommunikoinnin, jolla aajuumuuaja voiva iirää erilaia ieoa uoraan oiilleen paranaakeen järjeelmän oiminaa. Taajuumuuajien linkiäminen oiiina mahdollieaan erilliellä väylällä, joka voi olla aajuumuuajia valmiina ai väylää varen voidaan liiää erillinen kommunikoiniliäoa. Valmiaja käyävä meneelmää erilaiia nimiä. Eimerkiki ABB on nimenny meneelmän ACSM- aajuumuuajaa drive-o-drive-yheydeki dd, SEW käyää nimiyä axi-o-axikommunikoini MOVIAXIS -järjeelmiä ja Siemenin SINAMICS S- aajuumuuajia meneelmä on nimey Slave-o-Slave-kommunikoinniki. Suoran aajuumuuajien välien yheyden kaua viive, joka muodouii iedon iirämieen kenäväylän avulla iänälaieelle ja ielä oielle aajuumuuajalle poiuu, jolloin järjeelmän eri oa voiva reagoida erilaiiin muuoilaneiiin nopeammin. Liäki arkkuua uean akelin järjeelmää voidaan paranaa erilaiilla kompenaaoreilla, jollainen löyyy eimerkiki SEWin MOVIAXIS -järjeelmiä valmiina nopeuohjeen kompenoiniin uean akelin välillä SEW.
3 MOVIAXIS -järjeelmiä oleva ueampi käyö aa aman nopeuohjeen ylemmän aon oimilaieela ja käyö kommunikoiva kekenään axi-o-axi-väylän avulla aaen paikkaerona korjaamalla nopeuohjea akelikohaiei. Akeli korjaava nopeuohjeaan määriämällä poikkeamana oman ja muiden akeleiden paikkojen välillä. Edellä oleva akeli aava poikkeamalle negaiivien arvon ja jäljeä oleva poiiivien arvon ien, eä järjeelmän kaikkien akeleiden ummapoikkeama on nolla. Edellyykenä kompenoinnin oiminnalle on, eä akeleiden nopeuohje ei ole raja-arvoa ai lähellä iä. Tällöin poikkeaman aiheuama muuo nopeuohjeea ei välämää vaikua arpeeki korjaavai ohjeeeen, koka ohjea jouduaan rajoiamaan. MO- VIAXIS -järjeelmiä ylemmän aon äädin läheää nopeuohjeena käyöille nopeimmillaan 5 µ aikaykleiä ja axi-o-axi-rinnakkaikommunikoini apahuu m aikaykleiä. SEW.5 Työn avoiee ja kekeie uloke Synkronoinia ja iihen vaikuavia aioia ukiaan ynkronoimalla käyö käyäen hajaueua liikkeenohjaua poraaliroboiovellukea, joa liikkee liikeakeleille välieään hammahihnajoheiden väliykellä. Työä kekiyään paranamaan ynkronoiniajoa hihnoja veävien moooreiden oala, joen hammahihnajoheiden järjeelmään uoama oma rajoiukena ja epäarkkuude jäeään huomioa. Miaukia käyeävän poraaliroboin joheia eieään myö maemaaie malli, joiden avulla imuloidaan ykinkeraien riiinkykeyn paikkakompenaaorin oiminaa ja en käyöön vaikuavia ekijöiä.
4 MONIAKSELIOHJAUSMENETELMÄT Moniakeliovellukia ynkronoini uean aajuumuuajan välillä vaaii uoriuen aikaaojen kohdenamien, joa oiminno apahuva aajuumuuajien keken yhä aikaa. Aikaao kohdenneaan yleenä iänälaieen aikaaon mukaiei, joka voi olla jokin käyöiä ai kenäväylän kaua järjeelmää ohjaava korkeamman aon äädin kuen eolliuu-c ai LC rogrammable Logi Conroller. Varinaiei ohjaumeneelmä voidaan jakaa en mukaan, kuinka käyö aava ohjeena ja uoriava ohjaukena. Kekieyiä järjeelmiä kaikki oiminno liikeprofiilien lakennaa väänöreferenin muodoamieen apahuva iänälaieena oimivaa eolliuu-c:ä ai LC:ä, joa väänörefereni jaeaan kenäväylän ai analogien ignaalien avulla akeleia ohjaaville käyöille, joka oimiva väänömomenivahviimina. Käyö palauava iänälaieelle akaiinkykenäieona, joiden avulla uude ohjee muodoeaan. Takaiinkykenäieojen väliäminen mooorila ai järjeelmälä iänälaieela voidaan ehdä eimerkiki kenäväylän kaua, analogiilla ai digiaaliilla ignaaleilla ai akaiinkykenäanuri voiva olla uoraan kykeynä iänälaieeeen opivan rajapinnan kaua. Hajaueuia järjeelmiä oiminoja uorieaan enemmän ie akeleia ohjaavia käyöiä, jolloin iänälaie voi jakaa käyöille vain ykinkeraie paikkapiee ja käynniykäky, jonka jälkeen kaikki apahuma profiilin muodoamiea väänömomeniääöön ai apahuu jokaiea käyöä. Kuvaa. eieään erilaiia moniakelikäyöjen väliiä ohjaumeneelmiä, joia järjeelmään kuuluu myö iänälaie. Iänälaie on kykey käyöihin kenäväylän väliykellä. Sen kaua anneaan käyöille erilaie ohjee ja käky, kuen käynniy ja lupa liikkua. Kuvaa meneelmä on kuvau ykinkeraiimmillaan eli moniakelikäyö ova kakiakelikäyöjä.
5 LC/C Käyö Liikkeenohjau Käyönääö I,a M LC/C Käyö Liikkeenohjau Käyönääö I,a M aikkaohjee ja käky φ,a aikkaohjee ja käky φ,a Käyö Liikkeenohjau Käyönääö I,a M Käyö Liikkeenohjau Käyönääö I,a M φ,a a b φ,a LC/C aikkaohjee ja käky ynkronoiu väylä I,a I,a φ,a M M Käyö Käyönääö Käyö Käyönääö LC/C aikkaohjee ja käky Liikkeenohjau φi,ref, ωi,ref Käyö Liikkeenohjauääö Käyön- Käyö Liikkeenohjau Käyönääö I,a I,a φ,a M M φ,a d φ,a LC/C aikkaohjee Käyönääö ja käky T,ref Käyö Väänömomeniääö I,a φ,a M Tarkkailija Käyönääö T,ref Liikkeenohjau Käyö Väänömomeniääö I,a M φ,a e Kuva. Moniakeliohjaumeneelmä, joia erillinen iänälaie anaa ohjaukäky, kuen luvan käynniyä ai liikkua, järjeelmän laieille. a Ulkoie ohjee ja käky kaikille käyöille ynkronoimaoman väylän kaua ja käyöillä ienäie profiilin muodou ekä ääö. b Klainen iänä-orjaohjau, joa käyölle ohjee ylemmälä aola ja käyölle ohje uoraan mooorin paikka-anurila. Synkronoidu ohjee ja käky molemmille käyöille ylemmälä aola, käyöjen välillä mahdolliei myö kekinäinen kommunikoini. d Kekiey liikkeenohjau, joa käyöille ynkronoidu paikka- ja nopeuohjee ylemmän aon ääimelä kenäväylän väliykellä. e Kekiey järjeelmä, joa kenäväylän väliykellä iirreään käyöille väänömomenirefereni. Järjeelmään on myö liäy mahdollinen arkkailija, joka paikkaieojen perueella voi uoda ääöön kompenoinia kekinäien paikkavirheen poiamieki käyöjen välilä. Kuvan.a meneelmä, joa käyö ie muodoava liikeprofiilina ynkronoimaoman kenäväylän ohjeiden mukaiei, on yleinen alhaien uoriuaon poiminaaeuovellukia pik and plae. Käyö oimiva ällöin ilman uoraa ieoa oien käyön ilaa ja ulkoinen iänälaie jouuu huolehimaan urvallie liikkee, jo eimerkiki oieen käyöön ynyy virheilanne. Joiakin ovellukia iänälaie ei välämää pyy luomaan ueampaa paikkaohjea amanaikaiei, jolloin oien akelin
6 liike aloieaan vaa, kun enimmäien akelin liike on uorieu. Tällöin uoriuaja kavava arpeeomai. Synkronoinnin puuuea käyöjen uoriuheke voiva poikea oiiaan uureikin, minkä vuoki akeleiden välillä voi eiinyä viiveeä johuva paikkaero liikkeiden aikana. Käyämällä kuvan. mukaia ynkronoiua väylää käyö aava ohjeena ja uoriava oiminona kekenään amaan aikaan, jolloin järjeelmää poiuu yki akeleiden paikkaeroa ekevä ekijä. Jokin nykyiiä liikkeenohjaukäyöiä mahdolliava myö erillien väylän uoraan käyöjen välille kenäväylän liäki, jolloin eimerkiki käyö voiva iirää ieoa oimiilaaan uoraan oiille käyöille. Kuvan. e mukainen kekiey järjeelmä pyyy uoamaan arkan paikoiuken eriyiei, kun meneelmää on mukana arkkailija, joka mukauaa akeleiden väliä ääöä ai ohjea akaiinkykenäieojen perueella. Jokinen. Iänä-orjameneelmä hajaueua järjeelmää Iänä-orjameneelmää on yleenä kaki akelia, joa iänä aa paikkareferenin paikkageneraaorila ja orja käyää ohjeenaan iännän odellia paikkaieoa. Järjeelmää voi olla ueampikin iänä-orjapari ai yhä iänää voi euraa ueampi orja. eriaae meneelmää on kuienkin ama riippumaa järjeelmää olevien laieiden määrää, joen käiellään jakoa ainoaaan ilannea, joa järjeelmään kuuluu ainoaaan yki orja. Meneelmän lohkokaavio viiveineen eieään kuvaa..
7 τ FB τ dd φ ref + - e C T ref, τ I φ,a φ,a + e T ref, φ,a - C τ I τ FB Kuva. Iänä-orjameneelmän ykinkerainen lohkokaavioeiy, joa kummankin käyön ulii liikkua amalla avoin. Kuvaa käyey merkinnä ova φ ref kulmaohje, e i akelin paikkaero odellien ja ohjeen välillä, C i ääimen ja i vaaavan järjeelmän iirofunkio, T ref,i väänömomeniohje järjeelmälle, τ I vira- ai väänömomeniäädön viive, τ FB akaiinkykennän viive, τ dd viive paikkaiedon iirämieä aajuumuuajien välillä ja φ i,a akelin paikkaieo. Kuvaa on oleeu, eä akeleia ohjaava käyö ova amanlaie, jolloin niiä eiinyvä viivee ova ainakin periaaeea amanuuruie. Orjan kulmaohje voi olla uoraan iännän odellinen paikka ai jokin funkio kyeieä paikaa, jolloin aadaan aikaieki monimukaiia liikeraoja. Ie akaiinkykenäieo voidaan iirää aajuumuuajien välillä uealla eri avalla riippuen käyeyjen laieiden ominaiuukia. aikkaieo voidaan iirää kenäväylän ai aajuumuuajien kekinäien väylän väliykellä ja myö joidenkin valmiajien akaiinkykenärajapinna anava mahdolliuuden iirää paikkaiedon eeenpäin oielle akaiinkykenärajapinnalle. Iänä-orjameneelmän uurin heikkou on orjalle ulevan ohjeen viiveelliyy ja mahdollie vääriymä ai virhee akaiinkykenäiedoa. Kaikki virhee ja iiroiehen aruva kohina vahviuva orjan paikkaäädöä, jolloin orjan lopullinen paikkakin voi olla virheellinen. Kohinan poiamieki ohjea jouduaan uodaamaan, mikä liää viiveä järjeelmään. Meneelmä oveluu ilaneiiin, joia akeleia ajeaan koiuuilaan ai ieyyn pieeeen ja vaadiaan, eä molemma akeli ova amaa pieeä ai orjan paikka on joenkin verrannollinen iännän paikkaan liikkeen pääyyä. Liäki meneelmän euna on, eä orjan liike on uoriuken aikana aina lähellä iännän odel-
8 lia liikeä, jolloin eimerkiki kaikki iännän liikkeeeen uoriukien aikana uleva muuoke näkyvä myö orjan liikkeeä. Kok Kiong 8. Hajaueu rinnanohjau Hajaueua rinnanohjaukea viive eri käyöjen aamien ohjeiden välillä aadaan poieua, kun ohjee jaeaan ynkronoidun väylän avulla. Kuvaa.3 on eiey lohkokaavio kahden käyön hajaueua järjeelmää, joa molemma käyö aava aman paikkaohjeen ynkronoidun väylän väliykellä. τ FB φ ref - + e - C T ref, τ I φ a, + e T ref, φ a, C τ I τ FB Kuva.3 Hajaueun rinnanohjaun järjeelmän lohkokaavioeiy. Hajaueua rinnanohjaua meneelmää ei välämää arvia kenäväylän kaua ulevaa ynkronoinia ja ohjeiden jakoa, jo aajuumuuajien välillä on jokin muu iedoniiroväylä, ja e on liäki ynkronoiu. Eimerkiki ABB:n drive-o-drive väylä pyyy ynkronoimaan käyö ja iirämään haluua daaa käyöjen välillä. Iänä voi jakaa muille käyöille paikkaohjeen uoraan pääepieenä ai anaa jokaielle ohjauyklille paikkageneraaorin muodoaman ohjepieen. Orja voiva uoraan euraa iännän ohjepieä ai muodoaa oman ohjeena iännän paikkaohjeen funkiona omalla paikkaohjegeneraaorilla. Liäki erilaien NOKKA-aulukoiden CAM käyö on mahdollia akeleiden liikeprofiilien muodoamiea. Meneelmää ei ole ylimääräiä viiveä paikkaohjeea, kun e ulee käyöille ynkronoidun kenäväylän väliykellä. Ilman ynkronoiua kenäväylää oimivien järjeelmien ohjeiden välillä voi ynyä viiveä. Myö järjeelmiä, joia iänälaieena oimii aajuumuuaja, joka ynkronoi kekinäien väylän avulla järjeelmän muu aajuumuuaja, voi eiinyä ilanne, joa aajuumuuaja uoriava oiminona eri
9 ohjeilla väylän viiveen vuoki. Siiroieä oleva viive voi helpoi aada aikaan en, eä orja uoriava vaadiu ohjee myöhemmin kuin käyäjä haluaii. Kyeien viiveen ilmeeä ulee iännän äädön uoriukia viiväää järjeelmää en verran, eä ääö uorieaan vaa, kun orjaaajuumuuaja ova aanee ohjeen. Jo aajuumuuajaa eri oiminojen aikaao ova kiineä eikä iännän läheyken ja ohjeen uoriuken väliiä uoriuhekiä voida iirää, jouduaan väylän viiveeä aiheuuvaa virheä kompenoimaan orjan puolella. Tällöin vaaanoavien aajuumuuajien aikaaoja iirreään myöhäiemmäki iiroieä olevan viiveen verran, jolloin orja uoriava äädön hei en jälkeen, kun ohje on aau perille. Tällöin ilanne on kuvan.4 mukainen. iänä käynniykäky y ohje ohje y orja käynniykäky r y uoria ohje y uoria ohje Kuva.4 Ajoiukaavio ilaneea, joa orjalla on käyännöä iirrey aikaao iännän aikaaoon nähden iiroväylän viiveen vuoki. Kuvan.4 ilaneea oleeaan, eä iänä uoriaa käky ja ohjee amalla hekellä kuin ne läheeään orjalle. Väylän ollea viiveellinen iännän ja orjan uoriukien välille aeeaan opiva vaiheiiro, jonka uuruu on iiroieä eiinyvä viive. Tällöin viiveen vaikuukea, aajuumuuajien ohjaamien akeleiden väliin ulee viiveeeen verrannollinen virhe, mua virheen uuruu olii unneu ja iä voiaii kompenoida eimerkiki korjaamalla ohjea nopeueen verrannolliella korjauermillä. Tilanne on hyvin amankalainen kuin kuvaa.3 eiey ilanne ynkronoimaomaa järjeelmää, mua iiroien viiveen ollea pieni ja unneu, ei viiveen vaikuukea aiheudu uura virheä järjeelmään.
3 SEURANTAVIRHE JA SEN KOMENSOIMINEN Seuranavirhe arkoiaa moniakelijärjeelmää virheä järjeelmän odellien paikan ja ohjelinjan välillä. Ohjelinjan aeava paikkaohjepiee ja kyeinen linja voidaan eiää kahden akelin apaukea akelien aeamaa ai kumpikin omana ajan ja paikan koordinaaioa. Kuvaa 3. on eiey euranavirhe käyeyn eilaieion x- akeleiden aeamaa koordinaaioa. Ohjelinja on uora ja en kulmakerroin pyyy vakiona, kun akeleiden ohjeiden muuoke ova uoraan verrannolliia oiiina. k ref, ref, ref, ref, T. 3. T Tää φ ref, ja φ ref, ova akelien x ja x pyörivien mooorien kulmaohjee ajanhekellä ja T ohjegeneraaorin yklin aika. x φ ref ohjelinja φ e e x, φ ref -T e φ a e x, x Kuva 3. Seuranavirhe e x-akeleiden aeamaa koordinaaioa ajan hekellä. Kuvaa ohjelinjan muodoava nykyinen ja edellinen kulmaohje φ ref ja φ ref T. φ a on odellinen paikka, φ on pie ohjelinjala, joa on lyhin eäiyy e odellieen paikkaan, e on kokonaikulmavirhe, e x, ja e x, ova akeleiden uunaie kulmavirhee. Kuvan 3. ilaneea akeleille uleva ohjee ova ama, jolloin ohjelinjaki muodouu uora, jonka kulmakerroin on. Kokonaikulmavirhe e voidaan määriää akeleiden uunaien kulmavirheiden avulla e e e. 3. x, x,
Sovellukia, joia äädöä käyeään ainoaaan akelin uunaia virheermiä, euranavirheä ei pyyä uoraan pienenämään, vaan e on aina riippuvainen akeleiden paikkavirheiä. Akeleiden paikkavirheeeen vaikuava enien käyey refereni ekä akelin dynamiikka ja en muuoke. Johuen monenlaiia muuokia akeleilla, liikkeenohjaukea käyeävä paikkakakadi on kompromii erilaie ilanee huomioonoaen. 3. Seuranavirheen kompenoiminen Liikkeenohjaukea käyeävä kuvan. mukainen paikkakakadiäädin muodoaa nopeuohjeena kulmavirheen perueella eli akelia x ohjaava äädin pyrkii poiamaan virheen e x, ja akelin x äädin käyää ääöön virheermiä e x,. Liäki näiden rinnalla voi olla nopeuden myöäkykenä paranamaa äädön oiminaa. Meneelmää ei ii huomioida ollenkaan euranavirheen uuruua uoraan äädöä. Synkronoinnin paranamieki kahden akelin apaukea ja akeleiden välien poikkeaman poiamieki, piäii odellinen paikka aada ohjelinjalle. Tällöin kokonaivirhe e olii ohjelinjan uunainen ja virheermi akeleiden uunaiei oliiva oiiina nähden uoraan verrannolliia ohjeiden mukaiei ex, kex,, 3.3 joa k on ohjelinjan kulmakerroin. Seuranavirheen poiamieki voidaan ääöön uoda paikkaääimen rinnalle oinen paikkaäädin, jonka lähöön vaikuaa akeleiden euranavirhe kuvan 3. mukaiei.
ω ref ffv φ ref + e x + + + T ref φ a - e C po, C po, + - ω a d d C vel Kuva 3. Lohkokaavio myöäkykeyä paikkakakadia, johon paikkaäääjän rinnalle on liäy oinen paikkaäädin, jonka ulona on akeleiden euranavirhe. Kuvan 3. mukaiea ääörakeneea ulo e jouduaan vielä rakaiemaan akeleiden kulmavirheiden avulla. Kuvaa 3.3 eieään kuvan 3. ilanne ien, eä pie φ on iirrey origoon ja kulmavirhe muodouu komponeneia, joka ova ohjelinjan uunaiei ja iä kohiuoraan. Suunaa ohjelinjan mukaiei merkiään :llä ja ohjelinjaa kohiuoraan merkiään :llä. x φ ref ohjelinja e φ e θ e x φ ref -T φ a Kuva 3.3 Kulmavirhe e ohjelinjan uunaien komponenin e ja iä kohiuoraa olevan komponenin e eiämänä. Kulma θ on x -akelin ja ohjelinjan välinen kulma. Kulmavirhee e ja e voidaan määriää kulmavirheiden e x, ja e x, kaua koordinaaion kierron avulla. Kieräminen vaapäivään ehdään mariiilla o in Φ, 3.4 in o jolloin virhekomponeni - ja -uunaan ova
3 e e x, Φ. 3.5 e ex, Kulma θ voidaan rakaia kulmakeroimen avulla ref, ref, T an an k ref, ref, T. 3.6 Kulman lakennaa piää muiaa oaa huomioon poikkeuilanne, joka ynyy akelin x nollanopeudella, jolloin peräkkäien paikkaohjeiden erou on nolla ja yhälöä 3.6 ulee määrielemäön. Tällöin kulman arvoki ulee π/ ai π/ ooiajan merkin mukaiei. Käyämällä rinnalla virheermejä - ja -uunnaa, joia äädeään -yyppiillä ääimillä, aadaan kompenaaorin uoamaki nopeuohjeeki - ja -uunnaa U U e e, 3.7 e e joa on vahviu ohjelinjan uunaielle virheelle ja vahviu ohjelinjaan nähden kohiuoraa olevalle virheelle. Nopeuohjee ulee vielä käänää kompenoiniohjeeki akeleiden x ja x uunaiiki, joka apahuu mariiin 3.3 ranpooilla U U x, x, U T Φ. 3.8 U Sijoiamalla mariiiin 3.8 nopeuohjeiden paikalle mariiien 3.7 vahvieu virheermi ja ijoiamalla virheermien e ja e paikalle mariiin 3.5 virheermi x - ja x - uunnia, aadaan kompenoiniohjeiki U U x, x, o e in e x, x, o e o e x, x, in in e in o e x, x, in e x, in e x, o o. 3.9
4 Kompenaaori uodaan järjeelmään paikkaääimien rinnalle, jolloin kakiakelien järjeelmän lohkokaavioeiy on kuvan 3.4 mukainen. ω ref ffv d d ω a, φ ref, + - e x, + + - + C po, C vel, T ref, τ I φ a, + τ r,in τ r,ou τ FB Φ e e U U Φ T U x, U x, τ r,in φ ref, + e x, + C po, - + + τ r,ou + - ω a, C vel, T ref, τ I φ a, ω ref ffv d d τ FB Kuva 3.4 Lohkokaavioeiy kakiakelijärjeelmää, johon on liäy euranavirheen kompenaaori. τ r,in on paikkavirheen läheyviive ja τ r,ou on kompenoiniohjeen läheyviive. Kuvan 3.3 järjeelmää on yki kompenaaori, joka voi käyännön järjeelmiä ijaia järjeelmää olevaa korkeamman aon ääimeä, kuen LC:ä. Iänälaie lakee kompenoiniermi ja läheää ne kulma- ai nopeuohjeiden rinnalla käyöille. Ilman kenäväylää oimivia järjeelmiä kompenaaori voii olla myö yhdeä järjeelmän aajuumuuajia. Synkronoinnin paranamieki virheen e kompenoiminen ei uo odellia paikkaa lähemmäki ohjelinjaa, joen en vahviaminen ei ole arpeellia ynkronoiniovellukea. Sovellukia, joia koko paikkaääö ehäiiin virheermien e ja e pohjala eikä akeleiden virheermeillä, voii myö virheä e käyää paranamaan äädön oiminaa. Ajaaea akeleia x ja x amalla ohjeella, on muuo molempien akeleiden ohjeia yhä uuri jokaiella hekellä ja ohjelinjan kulmakeroimeki ulee. Yhälön 3.5 mukaiei kulma ohjelinjan ja x -akelin välillä on ällöin 45 ja mariiia 3.9 aadaan
5 U U x, x, e e x, x, e e x, x, e e x, x, e x, e x,. 3. Eiey kompenaaori voidaan liää hajaueuun järjeelmään molempien akeleiden paikkaääimien rinnalle. Liäämällä molemmille käyöille oma kompenaaori aadaan kompenoiniermin läheyviive poieua. Huonona puolena rakeneea on, eä akeleiden välillä jouduaan iirämien daaa riiin ja oiela akelila aaava kulmavirheieo ja ohje ova viiveelliiä verrauna akelin omiin arvoihin. Ohjeen iiräminen ei ole välämäönä ilaneia, joia akeleiden ohjeiden muuoke ova aina yhä uure eli muunno ehdään aina amalla kerroinmariiilla. Viiveen uuruu riippuu käyeyä iedoniiroväylää ja yöä ukiaan imuloimalla ämän viiveen vaikuua kompenoiniin. Järjeelmiä, joia akaiinkykenäiedo aadaan yhdelä anurila molemmille aajuumuuajille ja akeleiden ohjeiden muuoke oiiina nähden unneaan eukäeen, voidaan päää ilaneeeen, joa minkäänlaiia viiveiä kompenaaorilla ei eiinny. Kuvaa 3.5 on eiey lohkokaavioeiy hajaueuun järjeelmään liieyiä kompenaaoreia, joka aava oiena kulmavirheiedon ja ohjeena jonkin väylän väliykellä.
6 ω ref ffv d d φ ref, + - e x, ω a, C po, + + + - C vel, T ref, τ I φ a, + C omp, τ FB τ TM τ TM C omp, φ ref, + e x, C + - po, + + + - ω a, C vel, T ref, τ I φ a, ω ref ffv d d τ FB Kuva 3.5 Lohkokaavioeiy kakiakelijärjeelmää, joa on molempien paikkaääimien rinnalla oma euranavirhekompenaaori. τ r on viive kulmavirheen iirroa oielle aajuumuuajalle. Kuvan 3.5 mukaiea järjeelmää kompenaaori ova ijoieu paikkaääimien rinnalle ja oleeaan, eä niiden uoriuke ehdään amalla hekellä kuin paikkaääimien, jolloin kompenoiniohjeen läheykeen ei ynny viiveä.
7 4 TESTILAITTEISTO Eri ynkronoinimeneelmiä eaaan kuvan 4. mukaien Feon poraaliroboin x- akeleiden hammahihnajoheilla. Alkuperäieä laieioa x- ja y-akelin uunaiei on kaki johdea, joka ova yhdiey eräkiillä yhdyangoilla. Kaki johdea arjoaa mahdolliuuden uuremman voiman iirämieen akelille, jolloin uoriukyky paranee uurempien kiihyvyykien ja hidauvuukien ollea mahdolliia. Alkuperäieä laieioa jokaiella akelilla on oma keomagneeiervomooori, joia x- ja y-akelin mooori ova uoraveoiia ja z-akelilla on moooriin kykey vaihdelaaikko, jonka väliyuhde on :3. Kuva 4. Feon poraaliroboi alkuperäiauaan. Alkuperäien roboin x-akelin hammahihnajoheiden välien yhdyangon ekä y- ja z-akelin poiamien jälkeen oiellekin joheelle on kiinniey oma ervomooori. Teilaieion periaaekuva on eiey kuvaa 4..
8 M M Kuva 4. Teilaieion periaaekuva. x-akelin joheiden ynkronoini on valiu eiympäriöki, koka laieion uoriukykyä pyriään paranamaan, ja rajoiavana ekijänä on ollu nimenomaan x-akelin joheiden välillä oleva yhdyanko. Tanko on mallilaan Feon KSK-4 ja joheiden väli on 43 mm, jolloin e rajoiaa joheilla käyeävän uurimman alliun nopeuden,8 m/ Feo 7b ja uo liäki järjeelmään maalan reonaniaajuudeen, joka on välillä 5 Hz riippuen joheilla olevien kelkkojen paikaa Jokinen. Liäämällä oinen mooori pienenneään kuorman ja mooorin väliä hiaumaojen uhdea, joka alkuperäieä laieioa oli noin 5 Jokinen. oiamalla muu akeli x-akeleiden joheila aadaan kaki amanmiaia hammahihnajohdea, joille kiinnieyjen kelkkojen kuormiua on helppo vaihdella ja en vaikuua ynkronoiniin ja euranavirheen muodoumieen voidaan myö arkaella. Käyeävä hammahihnajohee ova Feon DE-ZR-RF-4 ja järjeelmää käyeään ESR MR 7454-U5-N3 ja SEW CFM9M keomagneeiahimoooreia. Joheen ja moooreiden parameri ova eiey liieeä I. Kuvaa 4.3 on eiey rakennekuva yhden joheen ja mooorin oala.
9 Kuva 4.3 Hammahihnajohdin Feo DE-ZR-RF. Todellien hihnan hihnapyörien väli on, m ja kelkan piuu,3 m. Feo 7 Moooreiden ohjaukeen käyeään ABB:n valmiamia ACSM-aajuumuuajia, joka ova eriyiei uunniellu liikkeenohjaukeen ja aajuumuuajia on aenneuna liikkeenohjauohjelmio. Kuvaa 4.4 on eiey erä ACSM-aajuumuuaja. Kuva 4.4 ACSM-aajuumuuaja. ABB Kuvan 4.4 mukaiiin aajuumuuajiin on liäki kykey FEN- aboluuianurimoduuli, joia on ulo ekä inkremeni- eä aboluuianurille ja liäki lähö inkremeniignaalille, joa voidaan läheää emuloiu paikkaieo ai kaiuaa inkremeniulon ignaali. Kenäväylää varen aajuumuuajia on myö FSEA- SERCOS SErial Real-ime COmmuniaion Syem II -kenäväylärajapina. Käyey moduuli on eiey kuvaa 4.5 ja aajuumuuajien omaiuude ova eiey aulukoa 4..
3 Kuva 4.5 FEN- -aboluuianurimoduuli ja FSEA- -kenäväylärajapina. Taulukko 4. Teilaieioa käyeyn aajuumuuajien ominaiuude kykenäaajuudella f w = 8 khz. ABB 7 aajuumuuaja ACSM-4AM-4A-4 lähövira I ou [A] 4 uurin alliu lähövira I ou,max [A] 4 lähöjännie U ou [V] U in lähöaajuu f ou [Hz] 5 yypillinen mooorin eho ou [kw] Moooreiden akaiinkykenäiedo aadaan in/o muliurn aboluuianureilla. Joheella x olevan ESR:n mooorin akelilla on kiinnieynä Heidenhainin EQN-35 EnDa aboluuianuri ja oiella joheella olevaa SEW:in moooria on Sik/Segmann SRS5 Hiperfae-aboluuianuri. Kelkkojen paikkaieojen miaamiea käyeään Küblerin LIMES LI/B-magneeinauhajärjeelmää, joka iälää magneeinauhan ja anurin. Magneeinauha-anuri on inkremenianuri, joen FEN-- moduulilla voidaan lukea aina joheen mooorin kulmaieo ja kelkan paikkaieo. Käyey anuri eieään kuvaa 4.6. Kuva 4.6 Teilaieioa käyöä oleva anuri. a EQN-35, b SRS5 ja Lime LI/B - magneeinauhajärjeelmä. Heidenhain, Segmann ja Kübler
3 Anureiden miauepävarmuude on eiey aulukoa 4.3. Aboluuianureiden epävarmuude eieään kulmaekuneina, radiaaneina ekä reduoiuna joheelle käyäen valmiajan ilmoiamaa hihnapyörän ädeä r = 9,89 mm. Taulukko 4. Käyeyjen anureiden epävarmuude. Heidenhain, Segmann ja Kübler anuri epävarmuu epävarmuu epävarmuu joheelle reduoiuna [mm] EQN-35 ±6 ±,9-4 ±,58 SRS5 ±45 ±,8-4 ±,43 LIMES LI/B - - ±,9 Teilaieioa paikkaprofiilien luomiea käyeään Bekhoff CX3 ulaueua C:ä, joka on eiey kuvaa 4.7. Käyöjärjeelmänä laieella on Window CE ja liäki käyöä on TwinCAT auomaaio-ohjelmio, joka arjoaa ehokkaan ohjelmoiavan logiikan eli LC:n. Suoriimena CX3 C:llä pyörii,8 MHz Inel enium M-uoriin. Järjeelmä on hankiu eilaieioon aikaiemmin, eiväkä ää yöä laieella ehävä oiminno vaadi näin uuria reureja. Kuva 4.7 Bekhoff CX3 ulaueu-c. Bekhoff Sulaueun-C:n liäoana on CX3-N DVI/USB-rajapina ja SERCOSiänämoduuli CX5-M75. Teholäheenä ja K-väylän rajapinana järjeelmälle oimii CX-3 -ykikkö. K-väylällä on liiey KL5- inkremenienkooderimoduuli, magneeinauha-anureiden paikkaiedon lukemieki, ja KL48-digiaaliulomoduuli. Edellä eiey oa on eiey kuvaa 4.8.
3 Kuva 4.8 CX5-M75 -SERCOS iänämoduuli, CX3-N DVI/USB-rajapina, CX- 3-ehoykikkö, KL5-inkremenianurimoduuli ja KL48-digiaaliulomoduuli. Bekhoff Kaaviokuva koko eijärjeelmää on eiey kuvaa 4.9. x-akeli CX3 SERCOS MASTER CX5-M75 CX-3 KL5 KL5 inkremeni- inkremenianurimoduulanurimoduuli ACSM FEN- Aboluuianuri- rajapina FSEA- SERCOS kenäväylämoduuli Ia, φa, xa, M F xa, x hammahihnajohde magneeinauhaanuri dd x-akeli ACSM FEN- Aboluuianuri- rajapina FSEA- SERCOS kenäväylämoduuli Ia, φa, xa, M F xa, x hammahihnajohde magneeinauhaanuri SERCOS-väylä Kuva 4.9 Teijärjeelmän kaaviokuva. Taajuumuuaja ynkronoidaan SERCOS-iännän ynkronoiniignaaliin ja väylän kaua jaeaan myö käynniykäky ja ohjee. Kenäväylälle aajuumuuaja aeava ilaieona ekä odellie paikka- ja nopeuiedo. Taajuumuuajien väliä ddväylää ullaan käyämään iänä-orjameneelmää iirämään iännän kulmaieoa φ a, ohjeeki orjaaajuumuuajalle, joka ohjaa akelia x. Taajuumuuajien uoralla yheydellä eaaan myö rinnan ohjauken oiminaa miauen yheydeä.
33 4. SERCOS II -kenäväylä Kuen aikaiemmin mainiiin, on järjeelmää käyöä SERCOS II - kenäväyläprookolla. SERCOS II on eriyiei liikkeenohjaukeen uunnielu ynkroninen väylä, jonka pienin mahdollinen yklin aika on 6,5 µ Sero. Teilaieioa aajuumuuajien paikkaääö oimii 5 µ:n ja nopeu- ekä momeniääö 5 µ:n aikaaolla. Taajuumuuajien FSEA--väylämoduulien pienin alliu yklin aika on myö 5 µ, joka on riiävän pieni, kun järjeelmää ajeaan hajaueui paikkaohjeiden avulla. SERCOS II -väylä on opologialaan daiy-hain eli laie A on kykey laieeeen B ja niin edelleen kuen kuvaa 4.9 voidaan nähdä. Fyyinen linkiy laieiden välillä on oeueu opiella kaapelilla. Yhden ringin koko on yki iänälaie ja -54 orjalaiea. SERCOS-väylällä iänälaie määrää ajanheke eri daojen iirämieen väylällä. Ringin pyyyvaiheea iänälaie määrää orjalaieille ajanheke ynkronoiniignaalia lukien, milloin niilä pyydey daa aeeaan väylälle. Viimeien orjan laieua daa väylälle, iänä muodoaa euraava ohjee ja läheää ne orjalaieille. Kuvaa 4. on eiey yhden SERCOS-yklin daapakei, kun ringiä on n-kappalea orjalaieia. MST AT AT AT n MDT MST,,,n y Kuva 4. SERCOS-väylän ykli. MST on iännän ynkronoiniviei Maer Synhronizaion Telegram, AT on käyön viei Amplifier/Drive Telegram ja MDT on iännän viei Maer Daa Telegram. Iännän ynkronoiniviei on kuuden avun miainen, ja e läheeään kaikkiin ringin orjalaieiiin. Kaikki ringin laiee ynkronoiva oiminona ämän viein mukaiei ja läheävä vieinä iännän määräämän ajan kuluua ynkronoinivieiä. Laieille aeeaan ringin pyyyvaiheea myö arka ajanheke, jolloin ärkeimmä oiminno kuen akaiinkykenäieo lueaan ai väylälä ullu ohje uorieaan. Nämä ajanheke ova kaikille ringin laieille ama, joen eimerkiki iänälaieelle käyöilä uleva akaiinkykenäiedo ova kaikki lueu amalla ajanhekellä. Sero
34 Orjalaieiden ja iännän viei ova rakeneelaan amanlaiia, mua iännän viei on pidempi iäläen ohjeen jokaielle ringin laieelle. Kuvaa 4. on eiey orjan läheämän viein AT rakenne ja kuvaa 4. iänälaieen viei MDT. BOF ADR Daaiälö FCS EOF ila orjan ylläpioiedo daaiällön kiineä oa oiminadaa daaiällön muunnelava oa oiminadaa IDN **** oiminadaa IDN **** oiminadaa IDN **** oiminadaa IDN **** Kuva 4. Orjalaieen läheämän viein rakenne. BOF arkoiaa aloiuarjaa Beginning Of Frame, ADR ooiea Addre, FCS arkiuarjaa Frame Chek Sequene ja EOF lopeua End Of Frame. BOF ADR Daaiälö Daaiälö Daaiälö n FCS EOF ohjau iännän ylläpioiedo daaiällön kiineä oa oiminadaa orjalle daaiällön muunnelava oa oiminadaa IDN **** oiminadaa IDN **** oiminadaa IDN **** oiminadaa IDN **** Kuva 4. Iänälaieen läheämän viein rakenne. Viein aloiaa aina aloiuarja ja iä euraa ooie. Ie daaiälö, joka läheeään orjalaieela iännälle, iälää kiineän ja käyäjän valieman oan. Kiineää oaa iirreään ieo laieen ilaa, joka voi olla eimerkiki valmi oimimaan ai laieen virheanoma. Orjan ylläpioiedoia iirreään ieoa, joka ei ole arpeellia iirää jakuvai, kuen erilaie orjalaieeeen aeeu väänömomeni- ja paikkarajoiuke ai vahviuke. Varinaien oiminadaan käyäjä voi ie muodoaa ja ää oaa voidaan iirää -6 erilaia ieoa orjalaieela iännälle. Tieo voi olla eimerkiki orjalaieen paikka-, nopeu- ai väänömomeniieo. Teilaieea orjalaieina oimiva aajuumuuaja läheävä 3 biie odellie paikka- ja nopeuieona iänälaieelle. Sero
35 Iännälä orjalaieille iirreävä ohjee ova jokaielle omaa pakeiaan. Orjalaieen aadea vuorollaan koko iännän ohjeviei MDT e poimii oman ohjeena ja oimii en mukaiei. Ie ohje iälää kiineän oan ja käyäjän valieman daan, kuen orjan vieikin. Kiineää oaa on alua kahdekan biinen ohjauana, jolla käynnieään ai ammueaan orjalaie. Tää euraa iännän ylläpioiedo, jonka mukana ulee ieo eimerkiki koiuukea ai koordinaaipoikkeamia ohjeea. Tämä oa voi olla, 4, 6 ai 8 avua pikä. Varinaiea oiminadaaa iirreään reaaliaikaie iedo ja käky orjalaieille. Teilaieioa aajuumuuaja aava oiminadaaa 3 biie paikkaohjee. Sero 4. Lineaarihammahihnan maemaainen malli Teilaieion muodoavien lineaarien hammahihnajoheiden mallinnu on eiey aikaiemmin Seppo Saarakkalan diplomiyöä Lineaarien hammahihnaervokäyön ilaääö Saarakkala 8 ja Markku Jokien väiökirjaa Cenralized Moion Conrol of a Linear Tooh Bel Drive: Analyi of he erformane and Limiaion Jokinen. Ie mallinaminen on muodoeu läheen Hae 4 pohjala. Maemaaia mallia käyeään ukiaea eri viiveiden ja dynaamien ominaiuukien vaikuukia euranavirheeeen MATLAB:in Simulink ympäriöä. Teilaieio koouu kahdea amanmiaiea lineaarihammahihnajoheea ja niihin kykeyiä moooreia, kuen kuvaa 4. eieiin. Hammahihna aiheuava en, eä mallinamiea järjeelmä yhden joheen oala ajaellaan jouimaayeeminä kuvan 4.3 mukaiei. K x x K x m L φ φ R R K 3 Kuva 4.3 Lineaarihammahihnajärjeelmän malli, joa φ on veävän hihnapyörän kierymäkulma, φ vapaan hihnapyörän kierymäkulma, R hihnapyörän äde, K x jouivakio maan ja veävän hihnapyörän välillä, K x jouivakio maan ja vapaan hihnapyörän välillä, K 3 hihnapyörien välinen jouivakio, x kelkan paikka ja m L kuorman maa.
36 Mooori on kykey uoraan hihnapyörään, jolloin joheelle voidaan kirjoiaa J J F T RK xr x K R R J, 4. M rf ref 3 xx R K R R, 4. Frf R K 3 L f xr x K xx R m x F K, 4.3 joia J ja J ova veävän ja vapaan hihnapyörien hiaumaa, J M mooorin hiaumaa, F rf ja F rf ova pyörimikika joheen päiä olevia hihnapyöriä, T ref mooorin uoama väänömomeni ja F f hihnaan kohdiuva liikekika. Teilaieion parameri yhälöille 4. 4.3 on eiey liieeä II. Jouivakio K, K ja K 3 voidaan määriää valmiajan ilmoiamien venymäieojen perueella hihnalle. Valmiaja on ilmoianu hihnalle uheellieki venymäki, % uurimmalla alliulla voimalla F max = 6 N Feo 7. Jouivoima voidaan eiää Hooken lain avulla F K Kl, 4.4 joa K on jouivakio, δ venymä, l jouen alkupiuu ja ε uheellinen venymä. Rakaiemalla yhälö jouivakion uheen, merkiemällä oien alkupiuukia l, l ja l 3 ekä valiemalla poiiivieki uunnaki uuna moooria poipäin, aadaan jouivakioiki K x F, 4.5 l x K x F, 4.6 l x K 3 F. 4.7 l 3 Sääöuunnielua varen eiey malli on monimukainen ja iä ykinkeraieaan jäämällä huomioa vapaan pään dynamiikka 4., koka en hiaumaa on elkeäi pienempi kuin mooorin ja kuorman aiheuama hiaumaa järjeelmää. Liäki
37 liike hihnapyörien yli oleeaan lineaarieki. Tällöin malli ykinkeraiuu kuvan 4.4 mukaieki kahden maan ja kolmen jouen yeemiki. Saarakkala 8 K J TOT R T E R K 3 K m L Rθ x Kuva 4.4 Ykinkeraieu kahdea maaa ja kolmea jouea muodouva hammahihnajärjeelmän malli. J TOT on veävään hihnapyörään vaikuavien hiaumomenien umma. Kokonaihiaumaa on J TOT J J J J J l, 4.8 M k H joa J on hihnapyörän, J M mooorin, J k kykimen, J joheen valmiajan ilmoiama ylimääräinen pyörivien oien ja J H yökenelyalueen piuudea l riippuvainen hiaumaa. Arvo J ja J H ova valmiajan ilmoiama ja niiden arvo löyyvä liieeä II. Kuvan 4.4 mukaiea mallia joue ja 3 ova arjaa kekenään ja joui on näiden kahden jouen rinnalla. Tällöin kolmen jouen yeemin jouivakio voidaan kirjoiaa K ekv K x K3 x x K x K x. 4.9 K x K3 x K x K x 3 Hihnan kokonaipiuu hihnapyörien väliä on l = l 3 =, m ja kelkan piuu l k =,3 m, jolloin piuude hihnan piuu kelkan ja hihnapyörän välillä vaihelee välillä,8 m. Valiemalla nollakohdaki hihnan puoliväli ja hihnapyörien ollea uojauna koelolla, jäeään pääyihin, m urva-aluee, aadaan paikka x[-,8;,8] m. Kelkan ollea kekellä hihnojen piuude ova l = l =,9 m ja eri oien jouivakioiki aadaan kelkan
38 paikan funkiona kuvan 4.5 mukaie arvo. Jouivakio K 3 on paikaa riippumaon ja uuruudelaan,64 5 N/m. 6 x 6 5 4 K K K 3 K ekv K [Nm] 3 Kuva 4.5 -.8 -.6 -.4 -...4.6.8 x [m] Jouivakioiden arvo kelkan paikan funkiona, kun hihnan kekikoha on valiu pieeki m ja joheen päihin on jäey m urva-aluee. Kuvaa 4.5 nähdään, eä jouivakiolla K on uurin vaikuu ekvivalenieen jouivakioon K ekv ja ero näiden välillä kavaa uuremmaki, kun liikuaan poipäin moooria. Eieyillä ykinkeraiukilla järjeelmän malliki aadaan J x F T RK R x, 4. TOT rf ref ekv x m x F K R x. 4. L f ekv Yhälöiden 4. ja 4. perueella järjeelmän iirofunkio väänömomenirefereniä kulmaki φ aadaan T ref J TOT m L R J ml K JTOTmL m R TOT L ekv K ekv. 4. Siirofunkion väänömomenirefereniä kulmanopeueen on vaaavai
39 T ref J TOT m L R J ml J m TOT TOT m L L K R ekv K ekv. 4.3 Hammahihnajoheella eiinyy myö venymiä, joka riippuu venyvän hihnan ouuden piuudea eli hihnan piuudea kelkan ja hihnapyörän välillä. Joheea hihnan piuu päädyä kelkkaan on välillä,8 m. Venymä voidaan lakea valmiajan anaman uheellien venymän, hihnaa veävän voiman, aennukireyden ja hihnan piuuden avulla yhälöllä F F l veo l. 4.4 aennu Suurimmillaan venymä on, kun kelkkaa ajeaan uurimmalla alliulla voimalla 6 N. Aennukirey hihnalla on F aennu = 64 N, ja valmiajan ilmoiama uheellinen venymä uurimmalla alliulla voimalla ε =, %. Näin ollen hihnan venymä, hihnan piuuden ollea,8 m, on,9 mm. Tämä venyminen voidaan havaia eijärjeelmää, kun verraaan magneeinauhaanurin ja mooorin kulma-anurin anamia paikkaieoja. Laieion arkkuueen venymällä on heikenävä vaikuu, kun akaiinkykenäieona äädöä käyeään mooorin anurin ieoa, joa venymiä ei voi havaia. Työä avoieena on kuienkin ukia ynkronoinia ja aada vähenneyä euranavirheä moooreiden oala, joen venymien vaikuukia ei ää yöä pyriä kompenoimaan. 4.3 Joheiden liikekika Joheiden liikekika ova epälineaarie, miä johuva uurimma poikkeavuude mallin ja odellien laieen välillä. Liäki kika on joheilla paikkariippuvainen, mikä uo liää epäarkkuua mallin ja odellien järjeelmän välillä. Kikavoimien uuruude arvioidaan uoriamalla liikkeellelähöjä joheiden kelkoilla mahdolliimman pienellä väänömomenilla, kun molempien kelkkojen kuormiu on 8,3 kg. Tulokien perueella voidaan arvioida joheella vaikuavan lepokikan uuruua. Liikekikan määriämieki molempia kelkkoja ajeaan vakionopeudella ja väänömomeni miaaan. Ar-
4 vio joheen liikekikan F vf uuruudea voidaan lakea vakionopeualueen väänömomenin kekiarvon ja hihnapyörän äeen avulla T F avg vf r. 4.5 Aikaiemmin käyeyllä eilaieiolla uorieujen kikamiauen aikana käyöä on ollu vain yki mooori ja joheilla on ollu kuormana laieion muu akeli, joen ykilölliiä ulokia joheiden välillä ei ole elviey. Kikamiauen uloke ja mallia käyey kikamalli joheille on eiey kuvaa 4.6. 8 8 6 6 4 4 f f, [N] f f, [N] - - -4-4 -6-6 -8-8 - -3 - - 3 v [m/] - -3 - - 3 v [m/] Kuva 4.6 Joheiden kikamiauen uloke ja mallia käyeävä kikamalli. Vaemmalla joheen x kika ja oikealla joheen x. Kuvaa 4.6 nähdään, eä joheen x lepokika on pienempi kuin joheella x, mua liikekikakerroin uurempi, jolloin uuremmilla nopeukilla kikavoima joheella x ova uuremma. Kikamalli on ehy kikavoiman poiiivien liikeuunnan arvoilla, joka näkyy uurempana poikkeamana mallin ja miauarvojen välillä negaiiviella nopeudella.
4 4.4 aikka- ja nopeuääimen viriäminen Teilaieion liikkeenohjau on oeueu kuvan. mukaiella myöäkykeyllä paikkakakadilla, jonka ääimen parameri ova viriey QFT Quaniaive Feedbak Theory -meneelmällä. Sääöuunnielumeneelmä oaa huomioon mallia eiinyvä paramerien vaihelu ja epäarkkuude uunnielaea ykinkeraia, alhaien keraluvun ja minimikaianleveyden omaavaa äädinä. QFT-meneelmä on aajuuaoon peruuva meneelmä, joka käyää mallin avoimen piirin iirofunkioa oaen eri paramerien vaihelu huomioon ääimien viriykeä. Tarkemmin QFT-meneelmän ovelamiea hammahihnajoheilla liikkuvan poraaliroboin ääöuunnieluun käielee Markku Jokien väiökirja: Cenralized Moion Conrol of a Linear Tooh Bel Drive: Analyi of he erformane and Limiaion Jokinen. Teilaieioa ja imuloinimallia käyeävä paikkaääime ova -yyppiiä ja nopeuääime ID-yyppiiä. Järjeelmän uure maan vaihelu ja jouivakioiden muuumie paikan funkiona aiheuava uuria muuokia dynamiikaa, jolloin viriäminen on kompromii haluujen ominaiuukien keken. Vaiheluväli eri paramereia, joka oeaan huomioon ääimien viriykeä, on eiey aulukoa 4.3. Taulukko 4.3 Sääimien viriykeä huomioidu paramerien vaiheluväli. parameri arvo J [kgm ].6.4 m L [kg] 5 3 K ekv [N/m] 4 5 5 6 Liäki järjeelmään on huomioiu viiveä akaiinkykenään τ FB = 3 µ ja väänömomeniääö on kuvau viiveellä τ I = µ. Viivee ova mallinneu järjeelmään käyäen adén approkimaaioa d d e, 4.6 d joa τ d on mallinneava viive ekuneina. Käyeävän ID-yyppien nopeuääimen iirofunkio on
4 der C vel. 4.7 vel Ti,vel Tder QFT-meneelmän uoama arvo ääimille edellä eieyillä paramerien vaiheluilla ja epävarmuukilla on eiey aulukoa 4.4. Taulukko 4.4 Sääimien parameri. parameri arvo paikkaääimen vahviu po [/] 55 nopeuääimen vahviu vel [/],88 nopeuääimen inegroiniaika T i,vel [],37 derivoinnin vahviu der [/],34 derivoiniaika T der [] 7,4-5 Liäki nopeuden myöäkykennää käyeään vahviua ffv = / ja kiihyvyyden myöäkykennän vahviu on aeeu nollaki. Suure vaiheluväli paramereia vaikuaa iihen, eä vahviuke jäävä pieniki ja nopeuääimen derivoivan oan parameri ova niin piene, eä aajuumuuajan arkkuu ei riiä, jonka vuoki derivoivan oan arvo ova aeeu miaukia ja imuloinneia nolliki. 4.5 Kompenaaorin vaikuu järjeelmään Tukiaan kompenaaorin vaikuua akelin oiminaan muodoamalla iirofunkio kierymäkulman ja kulmareferenin välille. Käyeäeä kakadirakennea muodoeaan enin nopeuääimen ja järjeelmän välinen iirofunkio kulmanopeuden ja kulmanopeureferenin välille a Cvel I x v, 4.8 C ref vel I x joa C vel on nopeuääimen iirofunkio, τ I on väänömomeniääimen iirofunkio, joa kuvaaan viiveellä ja x on joheen iirofunkio väänömomenirefereniä kulmanopeueen, joka on eiey yhälöä 4.3. Siirofunkio kulmarefereniä kierymäkulmaan on johdeu liieeä III ja lopullieki iirofunkioki akelille x aadaan