AS 0.3200 Automaatio ja systeemitekniikan projektityöt MUISTILANGAT Loppuraportti Position Control of Shape Memory Alloy Muscles for Robotics 21.3.2015 29.5.2015 Opintopisteet: 10 Ohjaaja: Tomi Ylikorpi Pia Lindqvist, 83842S, Sähkötekniikan ja automaation laitos, pia.lindqvist@aalto.fi Joni Leppänen, 279158, Sähkötekniikan ja automaation laitos, joni.leppanen@aalto.fi Alexander Kokka, 69460T, Sähkötekniikan ja automaation laitos, alexander.kokka@aalto.fi
Sisällys 1. Johdanto 2. Teoria 3. Koealusta 3.1 Mekaniikka 3.2 Elektroniikka 3.3 Ohjelmisto 4. Testaus 4.1 Testausmenettely 4.1.1 Kuorma suoraa lankaa käytettäessä 4.1.1 Kuorma muotoiltua lankaa käytettäessä 4.2 Koeasetelmat 4.2.1 Koeasetelmat suoralla langalla 4.2.2 Koeasetelmat muotoillulla langalla 5. Tulokset 5.1 Suora lanka, askelvaste 5.2 Suora lanka, taajuusvaste 5.3 Muotoiltu lanka, askelvaste 5.4 Muotoiltu lanka, taajuusvaste 6. Langan jäähdyttäminen pakotetulla konvektiolla 7. Yhteenveto ja pohdinta 8. Projektitoiminta 1
1. Johdanto Muistimetalli on ainetta, joka palautuu ennalta määrättyyn asentoon lämmittämällä sitä esimerkiksi kuumalla ilmalla tai johtamalla sähkövirtaa sen läpi. Muistimetalleista on valmistettu myös lankoja, joita voidaan käyttää esimerkiksi erilaisissa toimilaitteissa voiman tuottajina. Muistimetallilangoilla toimivien systeemien säätöä on tutkittu jonkin verran, mutta varsinaista tutkimusdataa on tarjolla vain vähän. Tässä projektissa tutkittiin muistimetallilangalla ohjatun nivelrakenteen paikkasäätöä. Projektin tarkoituksena oli rakentaa nivelsysteemi, kehittää säätöpiiri ja testata sillä kuinka tarkasti muistimetallilanka saadaa toteuttamaan haluttu ohjaus. Tutkimuskysymykset olivat seuraavat: 1. Onko mahdollista säätää muistimetallilangalla toteutetun nivelen paikkaa? 2. Kuinka tarkasti muistimetallilangalla toteutetun nivelen paikkaa voidaan säätää? 3. Kuinka hyvin muistimetallilangalla toteutetun nivelen säätö on toistettavissa? Tässä raportissa käydään läpi projektissa toteutettu mekaniikka, elektroniikka ja ohjelmisto sekä näiden avulla tehtyjen mittausten tulokset. Kerättyä dataa on analysoitu johtopäätöksien tekemiseksi. Luvussa 2 kerrotaan enemmän muistimetallien toimintaperiaatteesta sekä tässä työssä käytetyn muistimetallilangan ominaisuuksista. Luvussa 3 kuvaillaan toteutetut nivelen mekaniikka ja elektroniikka sekä ohjelmisto ja luvusta 4 löytyvät alustalla toteutetut koeasetelmat. Luvuissa 5 ja 6 esitellään projektin luonnollisen ja pakotetun konvektion mittaustulokset ja luvussa 7 näiden perusteella tehdyt pohdinnat ja johtopäätökset. Lopuksi luvussa 8 kerrotaan projektityöskentelystä ja ajankäytöstä. 2
2. Teoria Muistimetallit ovat metalleja, jotka palautuvat lämmön vaikutuksesta aiemmin määriteltyyn muotoon tai kokoon. Metallin muodon voi määritellä kuumentamalla sitä riittävän korkeassa lämpötilassa niin, että metalli on pakotettu haluttuun muotoon. Kuitenkin, jos metallia lämmittää liian kuumaksi, sen ominaisuudet katoavat. Palautumisminaisuudet myös poistuvat pikkuhiljaa, kun lankaa käytetään. Erilaiset langat kestävät rasitusta eri tavoin. Kuten kuvassa 2.1 on esitetty, muistimetalleilla on kolme mahdollista tilaa: 1. Austeniittitila (engl. austenite), jossa metalli on lämmenneenä niin, että se on palautunut ennalta määriteltyyn muotoonsa 2. Tavallinen martensiittitila, jossa metalli on jäähtyneenä niin, että se on ennalta määritellyssä muodossaan 3. Muokattu martensiittitila, jossa metalli on jäähtyneenä niin, että sen muotoa on muokattu muuksi kuin ennalta määritelty muoto 1 Kuva 2.1: Muistimetallin rakenteen muuttuminen eri tiloissa. Muistimetalleista on tehty rautalankaa muistuttavia lankoja ja langoista puolestaan jousia. Lankojen termiset ominaisuudet vaihtelevat niiden halkaisijan mukaan. Tässä työssä käytettiin Mondo Tronicsin Flexinol 750 HT muistimetallilankaa, jolla on seuraavat ominaisuudet: Halkaisija: Aktivoitumislämpötila: 90 C Resistanssi: 20 Ω / m Suositusvirta, jonka voi johtaa langan läpi: 1000 ma Suositeltu muutosvoima: 172 g Suositeltu muutossuuruus: 3 5 % 1 Lähde: http://what when how.com/materialsparts and finishes/shape memory alloys/, luettu 23.5.2015. 3
3. Koealusta Kokeita varten projektissa rakennettiin koealustan mekaniikka ja koottiin siihen tarvittava elektroniikka. Lisäksi ohjelmoitiin tarvittava ohjelmisto, jotta systeemiä pystyttiin ohjaamaan ja tutkimusdataa voitiin tallentaa. 3.1 Mekaniikka Kokeita varten rakennettiin mekaanisesti yksinkertainen, yhden vapausasteen pyörivä robotti nivel, jonka liikuttavana osana käytettiin muistimetallilankaa. Kuvassa 3.1 on esitetty nivelen suunniteltu rakenne sekä toteutettu nivel. Materiaaleina käytettiin raskasta muovia pohjaa varten sekä alumiinia muuta rakennetta varten, jotta liikuteltavasta osasta tulisi mahdollisimman kevyt mutta kuitenkin tukeva. Alumiiniset osat päällystettiin lopuksi sähköteipillä oikosulkujen välttämiseksi. Kuva 3.1: Nivelen suunniteltu rakenne, mitat millimetreissä sekä mekaaninen toteutus. Alustassa käytettiin sekä suoraa että muotoiltua lankaa, joiden ylempi kiinnityspiste oli pystyvarren yläpäässä. Langat kiinnitettiin päistään runkoon vahvoilla pienikokoisilla magneeteilla. Suoran langan pituus oli 20,0 cm ja muotoillun langan pituus 21,8 cm. Langan muotoilu tehtiin 275 celsiusasteessa tavallisessa uunissa. Tarkoituksena oli muotoilla langasta jousi, joten lanka oli kierretty ruuvin ympärille ja kiinnitetty siihen muttereilla. Systeemiä pidettiin uunissa noin 25 minuutin ajan, minkä jälkeen sen annettiin jäähtyä rauhassa. Lopputulos ei kuitenkaan ollut täysin halutunlainen, vaan langan geometria oli hyvinkin epäsäännöllinen. Muotoiltua lankaa päätettiin sen rakenteesta huolimatta käyttää kokeissa, sillä siitä saatiin erilainen näkökulma suoraan lankaan nähden. Muotoiltu lanka mahdollisti nivelelle huomattavasti suuremman liikealueen kuin suora lanka. Nämä dynaamiset alueet määriteltiin kokeellisesti molemmille langoille ennen mittausten tekoa. Suoralla langalla dynaaminen alue oli hyvin tarkasti 0 9 astetta ja muotoillulla langalla noin 0 60 astetta. Geometrialla ei säädön kannalta ollut vaikutusta, mutta se vaikutti kokeiden toistettavuuteen, sillä langan ei voitu taata liikkuvan samalla tavalla joka kerta geometriansa takia. 4
3.2 Elektroniikka Systeemin säätämiseen käytettiin ATmega32u4 mikrokontrollerin ympärille rakennettua kytkentää, jonka tehtävänä oli mitata nivelen kiertymää käyttäen Avagon AEDA 3300 sarjan inkrementtianturia ja ohjata kiertymämittauksen perusteella muistimetallilangan läpi kulkevan virran suuruutta. Mikrokontrolleria käytettiin Arduino Leonardo kehitysalustalla. Tämä mahdollisti helpon pääsyn kontrollerin I/O pinneihin ja lisäksi kaikki mikropiirin tarvitsemat oheiskomponentit sekä virransyöttö olivat valmiiksi toteutettuja. Systeemin fyysistä kytkentää vastaava luonnos on esitetty kuvassa 3.2. Kuva 3.2: Järjestelmän kokeissa käytetty prototyyppikytkentä. Muistimetallilanka on kuvattuna turkoosilla värillä ja inkrementtianturi vihreällä pohjalla. Aktiivijäähdytyskokeissa käytettiin kahta MOSFET-kytkentää ja aktiivisuusindikaattoriledejä. Langan läpi kulkevan virran suuruutta ohjattiin käyttämällä pulssinleveysmoduloitua (engl. Pulse Width Modulation, PWM) kanttiaaltosignaalia sähköisenä kytkimenä toimivan IRL530N eristehilatransistorin (nmosfet) avaamiseen ja sulkemiseen. Vaihtoehtoisesti virtaa olisi voinut ohjata analogiasignaalilla ja tehovahvistimella, mutta koska käytetyssä mikrokontrollerissa ei ollut valmiina D/A muuntimia, ratkaisussa päädyttiin käyttämään PWM ohjausta. Käytössä olleen AEDA 3300 sarjan anturin 4096 inkrementtiaskeleen määrä kvadratuuridenkoodattuna tuotti mittauksenresoluutioksi Δ θ = 4 4096 360 = 0, 0 22. Enkooderin kaksi ulostuloa kytkettiin mikrokontrollerin interrupt pinneihin 2 ja 3, jolloin päivitetty kulmatieto oli aina säätimen käytettävissä. Teholähteen käyttöjännitteet asetettiin kaikille mittausasetelmille siten, että maksimivirta oli 0,9 0,95 A välillä, minkä lisäksi teholähteen antama virta rajoitettiin 1,0 ampeeriin. Teholähteenä käytettiin IL Power LPS 150 teholähdettä. Koko systeemin käsittävän virtapiirin kokonaisresistanssi suoralla langalla oli 3,6 Ω ja jousilangalla 4,2 Ω. Näiden ominaisuuksien perusteella käyttöjännite asetettiin 3,4 volttiin ja 3,9 volttiin. 5
3.3 Ohjelmisto Kokeita varten kirjoitettiin kaksi ohjelmaa: palvelinohjelma ja asiakasohjelma. Palvelinohjelmalla toteutettiin säätöparametrien asettaminen, mittausdatan tallennus sekä datan reaaliaikainen visualisointi. Asiakasohjelma tehtiin mikrokontrolleria varten kulman säätämiseksi ja mittaustulosten lähettämiseksi tietokoneelle. Tietokoneen palvelinohjelma kirjoitettiin Pythonilla, ja sille tehtiin graafinen käyttöliittymä nopeuttamaan toistuvia rutiineja, kuten mittausdatatiedostojen tallennusta ja testien läpivientiä. Lisäksi ohjelma tarjosi kätevän rajapinnan mikrokontrolleriohjelman toiminnallisuuksille. Kuvakaappaus palvelinohjelmasta on esitetty kuvassa 3.3. Kuva 3.3: Systeemin parametrien asettamista, datan tallentamista ja visualisointia varten ohjelmoitu sovellus. Mikrokontrollerin asiakasohjelma toteutettiin C++ kielellä käyttäen Arduino kirjastoja. Asiakasohjelman tehtäväksi muodostui kulma anturin lukeminen, virran suuruuden ohjaaminen, vastaanotettujen parametrien asettaminen ja mittausdatan lähettäminen tietokoneelle. Asiakasohjelmaan tehtiin kaksi säädintä, joita pystyi vaihtamaan käytön aikana suoraan palvelinohjelman kautta. Ensimmäinen toteutettu säädin oli bang bang tyyppinen on off säädin, joka asetti langan läpi kulkevan virran maksimiin, mikäli kulman asetusarvo oli mitattua kulmaa suurempi ja vastaavasti sammutti virran kokonaan, mikäli mitattu kulma oli asetusarvoa suurempi. Tälle säätimelle tehtiin myös koeluontoisesti termostaatti tyyppinen vaihtoehto, jossa säädin pyrkii pitämään systeemin kulman yhden asetusarvon sijaan tietyllä halutulla välillä. Toiseksi säätimeksi toteutettiin PID säädin, jonka parametrit viritettiin kokeellisesti. Erityisesti jousilangan epäsäännöllisen geometrian vuoksi matemaattisen mallin rakentaminen systeemille osoittautui haastavaksi. 6
4. Testaus 4.1 Testausmenettely Testauksessa suunniteltiin koeasetelmat, jotka toteutettiin yksi kerrallaan. Kustakin kokeesta kerättiin dataa Python ohjelman avulla tekstitiedostoihin. Tämän jälkeen dataa voitiin analysoida helposti jälkikäteen. Koeasetelmissa varioitavat parametrit olivat säätimen tyyppi, langan geometria, kuorman massa sekä systeemin syöte. Säätimiä, lankoja ja syötteitä oli kutakin kaksi erilaista. Säätiminä toimivat bang bang säädin ja PID säädin, lankoina suora sekä muotoiltu (ks. luku 3.1 Mekaniikka) ja syötteinä askelfunktio ja sinifunktio. Suoran ja muotoillun langan välisten tulosten vertailu osoittautui hankalaksi, sillä suoralla langalla nivelen dynaaminen alue oli huomattavasti pienempi kuin muotoillulla langalla. Testauksessa havaittiin myös, että muotoillun langan nostokyky oli monin verroin pienempi kuin suoralla langalla. Näin ollen eri langoilla päädyttiin tekemään erilaiset testit. 4.1.1 Kuorma suoraa lankaa käytettäessä Suoraa lankaa käytettäessä massan suuruutta vaihdeltiin ja tämän perusteella tutkittiin paikan säätyvyyttä suhteessa massaan. Massoina käytettiin M8 muttereita, sillä niiden yhteismassaa voitiin lisätä riittävän pienin välein: yhden M8 mutterin massa on noin 4,7 grammaa. Kuorma pyrittiin luomaan pistemäiseksi kiinnittämällä toimilaitteen poikkivarrelle pieni, pääosin muovista tehty kori (ks. kuva 4.1, johon muttereita laitettiin. Korin massa oli noin 14 grammaa ja sen etäisyys systeemin nivelestä oli 58 mm. Näin ollen muistilangan kokonaisuudessaan kokema vääntömomentti koostui muttereiden, korin ja palkin osan yhteispainosta vipuvarren päässä. Poikkivarren massaksi laskettiin 3,8 grammaa ((9,6 x 15 x 1)mm³ x 2700 kg/m³). Kuva 4.1: Systeemin poikkivarteen kiinnitetty kori ja kaksi M8-mutteria. 4.1.1 Kuorma muotoiltua lankaa käytettäessä Muotoiltua lankaa käytettäessä massa pidettiin samana ja tutkittiin vain säätyvyyttä erilaisilla säätimillä ja syötteillä. Massana käytettiin kahta magneettia, joiden yhteispaino oli 12.1 grammaa ja etäisyys pystyvarresta 88 mm. 7
4.2 Koeasetelmat Tässä luvussa on kuvattu kaikki toteutetut koeasetelmat sekä suoralla että muotoillulla muistimetallilangalla. 4.2.1 Koeasetelmat suoralla langalla Suoraa lankaa käytettäessä lanka kiinnitettiin yläosastaan pystyvarren yläpäätyyn sekä alaosasta poikkivarteen lähelle pystyvartta, ja massa puolestaan poikkivarrelle 58 mm päähän pystyvarresta, kuten luvussa 4.1 esitettiin. Tämä mekaniikka on esitetty kuvassa 4.2. Taulukossa 4.1 on esitetty kaikki suoralla langalla käytetyt koeasetelmat. Suoralle langalle testit tehtiin bang bang säätimellä kahta erilaista syötefunktiota käyttäen. Taulukossa termi askelmainen funktio tarkoittaa funktiota, joka ensin pysyy tietyssä arvossa, sitten vaihtuu tietyllä ajanhetkellä suurempaan arvoon, pysyy tässä arvossa tietyn ajan ja palaa sitten taas takaisin alkuperäiseen arvoonsa. Näitä askelia syötteessä tehtiin tässä testissä 3 kappaletta peräkkäin ja askeleen suuruus oli 5. Käytetty sinifunktio oli muotoa 2,5+2,5 sin(2 π n f t), missä n=1..8 ja f=0,05..0,4 Hz. Kuva 4.2: Suoralla langalla käytetty mekaaniikka. Taulukko 4.1. Suoralla langalla käytetyt koeasetelmat. Koeasetelma Kuorma Kuorman massa [g] Syöte 1 Pelkkä poikkivarsi 0,0 Askelmainen funktio 2 Kori 14,0 Askelmainen funktio 3 Kori + 2x M8 mutteri 23,4 Askelmainen funktio 4 Kori + 3x M8 mutteri 28,1 Askelmainen funktio 5 Kori + 4x M8 mutteri 32,8 Askelmainen funktio 6 Kori + 5x M8 mutteri 37,5 Askelmainen funktio 7 Kori + 6x M8 mutteri 42,2 Askelmainen funktio 8 Kori + 7x M8 mutteri 46,9 Askelmainen funktio 9 Pelkkä poikkivarsi 0,0 Sinifunktio 10 Kori + 2x M8 mutteri 23,4 Sinifunktio 11 Kori + 5x M8 mutteri 37,5 Sinifunktio 12 Kori + 8x M8 mutteri 51,6 Sinifunktio 13 Kori + 9x M8 mutteri 56,3 Sinifunktio 8
4.2.2 Koeasetelmat muotoillulla langalla Muotoiltu lanka kiinnitettiin yläosastaan pystyvarren yläpäätyyn suoran langan tapaan, mutta alaosastaan poikkivarren päätyyn, mahdollisimman kauas pystyvarrestan (ks. kuva 4.3). Syy tähän menettelyyn oli vääntömomentin suurentaminen, jotta muotoillulla langalla saataisiin varsi liikutettua mahdollisimman vähän lankaa kuormittaen. Muotoillulla langalla käytettiin kaikissa testeissä samaa massaa, joka oli huomattavasti pienempi kuin suoralla langalla käytetyt massat. Massa kiinnitettiin poikkivarteen lähelle langan kiinnityspistettä. Säätimiä ja systeemin syötettä sen sijaan varioitiin: sekä bang bang että PID säätöä kokeiltiin, ja näistä molemmille ajettiin sekä askelmainen syöte (ks. 4.2.1) että siniaalto. Askeleiden suuruudet olivat 20, 40 ja 5. Sinifunktio oli muotoa 20+10 sin(2 π n f t), missä n = 1..8 ja f=0,05...0,4. PID säätimen parametrit määritettiin kokeellisesti parhaan säätötuloksen saavuttamiseksi. Kuva 4.3. Muotoillulla langalla käytetty mekaniikka Taulukko 4.2. Muotoillulla langalla käytetyt koeasetelmat Koeasetelma Kuorma Kuorman massa [g] Säädin Syöte 14 2 magneettia 12.1 Bang bang Askelmainen funktio 15 2 magneettia 12.1 PID Askelmainen funktio 16 2 magneettia 12.1 Bang bang Sinifunktio 17 2 magneettia 12.1 PID Sinifunktio 9
5. Tulokset Tässä luvussa esitellään edellämainituilla koeasetelmilla saadut tulokset. Valtaosa tuloksista oli hyvin johdonmukaisia. Bang bang paikkasäädön suuri tarkkuus referenssiarvon ollessa vakio oli yllättävin tulos. Kuvaajissa sinisellä värillä on kuvattu syöte eli referenssiarvo, punaisella toteutunut kulman arvo ja vihreällä systeemiin syötetty jännite. Keltaisella on esitetty tuulettimelle annettu jännite niissä tapauksissa, joissa sitä on käytetty. 5.1 Suora lanka, askelvaste Kuvassa 5.1 on esitetty koeasetelmien 1 8 mittaustulokset. Kunkin kuvaajan otsikkona olevalla massalla tarkoitetaan poikkivarteen ripustetun kuorman massaa. Kuva 5.1: Systeemin askelvaste suoralla langalla kahdeksalla erisuuruisella kuormalla. 10
Kuvaajista nähdään, että kuorman kasvattaminen ei juurikaan vaikuttanut asetusarvoon nousemiseen kuluneeseen aikaan niin kauan, kuin asetusarvoon ylipäätään päästiin. Kun kuorman suuruus nostettiin 46,90 grammaan systeemin nousuaika hidastui, eikä asetusarvoon enää päästä. Tätä suurempia massoja ei enää tutkittu. Askelvaste asetusarvosta 5 takaisin 0 kulmaan on huomattavasti hitaampi suhteessa nousuaikaan. Syy tähän on todennäköisesti se, että lanka kuumenee ja lyhenee sähkövirran avulla nopeammin, kuin jäähtyy ja pitenee ilman erillistä jäähdytyssysteemiä. Jäähdytyksen vaikutusta käsitellään erikseen luvussa 6. Tulosten perusteella myös kuorman suuruus vaikuttaa systeemin laskuaikaan. Esimerkiksi verratessa 14 g ja 42,2 g kuormilla tehtyjen testien kuvaajia nähdään, että suuremmalla kuormalla systeemi palautuu 0 kulmaan nopeammin, kuin kevyttä kuormaa käytettäessä. Suurimman kuorman (46,90 g) tapauksessa laskeutuminen 0 kulmaan alkaa myöhemmin kuin pienemmillä kuormilla. Koska asetusarvoon 5 ei päästä, antaa säädin täyttä tehoa koko ajan pysyttäessä 5 asetusarvossa. Todennäköisesti lanka ehtii kuumentua enemmän kuin pienempien massojen tapauksessa, jolloin jäähtymiseen kuluu enemmän aikaa. Mielenkiintoista käytettäessä suurinta kuormaa on se, että kun systeemin asetusarvo muuttuu viidestä asteesta nollaksi, systeemin kulma kasvaa hieman ennen kuin se alkaa laskea. Tämä johtunee langan langan ylikuumenemisesta johtuvasta sisäisestä reaktiosta. 5.2 Suora lanka, taajuusvaste Kuvissa on esitetty koeasetelmien 9 13 mittaustulokset. Kunkin kuvaajan otsikkona olevalla massalla tarkoitetaan poikkivarteen ripustetun kuorman massaa. Kuva 5.2: Systeemin taajuusvaste ilman erillistä kuormaa: 0 g. 11
Kuva 5.3: Systeemin taajuusvaste. Kuorman massa: 23,4 g. Kuva 5.4: Systeemin taajuusvaste. Kuorman massa: 32,8 g. 12
Kuva 5.5: Systeemin taajuusvaste. Kuorman massa: 51,6 g. Kuva 5.6: Systeemin taajuusvaste. Kuorman massa: 56,3 g. 13
Taajuusvastemittauksista piirretyistä kuvista voidaan havaita sama ilmiö kuin askelvastekokeessa: muistilanka lämpenee ja lyhenee sähkövirran avulla nopeammin kuin jäähtyy ja pitenee ilman erillistä jäähdyttämistä. Tämän vuoksi jo 0,15 Hz taajuudella kuormasta riippumatta systeemin kulma ei enää ehdi asetusarvon mukaan laskuvaiheessa (kulmaa pienennettäessä) yhtä hyvin kuin nousuvaiheessa. Varsinkin 0,25 Hz suuremmilla taajuuksilla systeemi jää oskilloimaan asetusarvojen yläpäähän. Kuorman massa kuitenkin nopeuttaa muistilangan pidentymistä. Tämä näkyy vertaamalla esimerkiksi 0 g ja 32,8 g massalla mitattuja 0,10 Hz taajuusvasteita suuremmalla massalla systeemi seuraa paremmin asetusarvoa. Suuremmilla taajuuksilla (esimerkiksi 0,40 Hz) kuorman kasvattamisella ei enää saavuteta merkittävää muutosta systeemin nopeuteen. 56,3 g massalla systeemi ei enää päässyt suurimpaan asetusarvoonsa (sinifunktion korkeimpaan kohtaan), vaikka säädin antoi täyttä tehoa. Tällöin muistilanka kuitenkin kuumeni enemmän kuin pienemmän massan mittauksissa. Tästä syystä, kuten askelvasteen tapauksessakin, langan jäähtyminen takaisin martensiitti alueelle oli hitaampaa. Suurimmalla mitatulla taajuudella (0,40 Hz) systeemi ei enää seurannut asetusarvoa lainkaan. Yllä olevat tulokset on vielä havainnollistettu amplitudi/referenssiamplitudi taajuus kuvaajaan kuvassa 5.7. Kuva 5.7: Yhteenveto suoran langan taajuusvasteista eri kuormilla Kuvaajasta nähdään, että kuorman kasvattaminen parantaa taajuusvastetta tiettyyn pisteeseen saakka, sillä se nopeuttaa systeemin palautumista langan ollessa vielä kuuma. Tämän jälkeen painon lisääminen alkaa taas kaventaa taajuusaluetta. 14
5.3 Muotoiltu lanka, askelvaste Muotoillun langan dynaaminen alue oli huomattavasti suoraa lankaa suurempi; noin 0 60. Tämä tosin saavutettiin tulosten toistettavuuden kustannuksella. Suurin toistettavuutta heikentävä tekijä oli langan taipumus jättää 1 3 silmukkaa langan varteen jäähtymisen jälkeen. Nämä silmukat vaikuttivat siten, että painovoima ei pystynyt vetämään poikkivartta enää takaisin lähtöasentoon. Tämän ilmiön pystyi tiettyyn rajaan saakka kiertämään asettamalla kokeiden lähtö /toimintapisteen jo valmiiksi jonkin verran kiertyneeksi. Alla olevissa testeissä toimintalueeksi valittiin 20 45. Askelvastetestin tulokset on esitetty kuvassa 5.8. Kuva 5.8: Muotoillun langan askelvasteet. Ylemmässä kuvassa bang-bang- ja alemmassa PID-säädetty systeemi. Tämä testi kuvasti hyvin langan erittäin epälineaarisen käyttäytymisen. Bang bang säädin piti systeemin erittäin stabiilina 20 :ssa, mutta ei esimerkiksi 40 :ssa. PID säädin taas oli varsin stabiili kaikilla koekulmilla. Huomionarvoista on vielä se, että huolimatta vastaavanlaisesta ohjauksesta laskureunoilla, PID säädetty prosessi lähtee laskeutumaan viiveellä. Tämän mitä luultavammin johtuu siitä, että PID säädetty lanka oli jatkuvasti lämmityksen alaisena, vaikkakaan ei täydellä teholla. Bang bang säädetyn langan viimeinen virtapulssi taas jää hyvin lyhyeksi, minkä vuoksi lanka lähtee palautumaan nopeammin. 15
5.4 Muotoiltu lanka, taajuusvaste Muotoillun langan taajuusvaste mitattiin käyttämällä samanmuotoista syötettä kuin suoralla langalla, mutta nelinkertaisella amplitudilla, jonka muotoiltu lanka mahdollisti. Bang bang säädetyn systeemin taajusvaste on esitetty kuvassa 5.9. Kuva 5.9: Muotoillun langan taajuusvaste. Säätimenä bang-bang. Tuloksista näkee, että kulma seuraa referenssiarvoa suhteellisen hyvin pienillä taajuuksilla, mutta kuten suorallakin langalla, tilanne muuttuu nopeasti huonommaksi taajuuden kasvaessa. Muotoilulla langalla bang bang säätimen luonne tuli voimakkaammin esille systeemin värähdellessä selvästi asetusarvon ympärillä. Tämän vuoksi oli mielenkiintoista kokeilla myös proportionaalista säätöä, jonka tulokset on esitetty kuvassa 5.10. 16
Kuva 5.10: Muotoillun langan taajuusvaste. Säätimenä PID. Testin alun jälkeen PID säädin rauhoitti referenssin arvon seurantaa huomattavasti. Se ei suurentanut itse taajuusaluetta, mutta tuloksista näkee selvästi, että säädön onnistumista voi arvioida pitkälti pelkän ohjauksen perusteella. Tämän voi osoittaa sillä, että tilanteissa, joissa systeemi ei enää pysynyt referenssisyötteen perässä, ohjaus saturoitui selvästi. 17
6. Langan jäähdyttäminen pakotetulla konvektiolla Lisätehtävänä selvitettiin, miten suoran langan palautumista austeniittitilasta voitaisiin nopeuttaa. Erityisesti systeemin taajuusvasteista oli selvästi huomattavissa se, että kulma oli huomattavasti nopeampi kiertymään virran vaikutuksesta, kuin palautumaan pelkän painovoiman vuoksi. Ensimmäinen ratkaisuyritys oli kahden langan käyttö, joista toinen toimisi aina palauttavan voimana. Muutamat kokeilut kuitenkin osoittivat, että tulosten toistettavuus oli heikkoa. Syyksi voisi arvella langan käyttäytymisen kuten kuvassa 5.1 (alin rivi oikealla) ja koealustan epäsymmetrisyyden, jossa vaakavarren alapuolelle jäi tilaa vain hyvin lyhyelle langalle. Ratkaisu oli aktiivijäähdytyksen käyttäminen langan palautumisen nopeuttamiseen. Systeemiä muokattiin mikrokontrolleriin ohjelmoidulla toisella on/off ohjaimella, jonka tehtävänä oli tuulettimen avulla nopeuttaa langan jäähtymistä, kun kiertynyt kulma oli suurempi kuin asetusarvo. Tuulettimeksi valikoitui tietokoneen emolevyn piirisarjan tuuletin, jonka lapojen kärkiväliksi mitattiin 4,5 cm. Pieni tuuletin oli etusijalla, sillä sen pienemmän hitausmomentin vuoksi sen käynnistyminen ja pysähtyminen ohjauksen mukaan on suhteellisen nopeaa. 12 V käyttöjännitteen tuulettimen maksimipyörimisnopeudeksi emolevyn BIOS ilmoittaa 6000 kierrosta minuutissa. Tuuletin asennettin noin 7 cm päähän systeemin pystyvarresta ja kallistettiin 30 takakenoon, jotta ilmavirta jäähdyttäisi suuremman osan langasta. Pystyvarren kourumainen muoto luultavasti edesauttoi ilmavirran jakautumista langan pituudella, ja tuulettimen ollessa päällä sen vaikutus tuntui iholla selvästi pystyvarren päässäkin. Yleiskuva aktiivijäähdytetystä systeemistä on esitetty kuvissa 6.1 a ja 6.1 b. Kuva 6.1 a ja b: Valokuvat tuulettimella varustetusta systeemistä. 18
Ensimmäisenä tuulettimen vaikutus testattiin askelmaisten asetusarvomuutosten laskuvaiheeseen. Luvun 5 koe uusittiin lisämassattomalla poikkivarrella, jonka kiertymän asetusarvoa muutettiin vuorotellen 0 ja 5 välillä. Tulokset ja vertailu kokeiden välillä on esitetty kuvassa 6.2. Kuva 6.2: Vertailu tuulettimen vaikutuksesta askelmaiseen herätteeseen. Molemmissa tilanteissa muu systeemi oli identtinen. Alemmassa kuvassa ohuella mustalla viivalla passiivijäähdytetyn järjestelmän vaste toistamiseen vertailun vuoksi. Tulosten mukaan ilmavirran jäähdyttävä vaikutus nopeuttaa selvästi langan palautumista lepotilaansa. Epäilysten häilyttämiseksi askelvastetesti tehtiin vielä siten, että säädintä vaihdettiin saman testisekvenssin aikana vuorotellen luonnollisen ja pakotetun konvektioversion välillä. Testiajon tulos on esitetty kuvassa 6.3. 19
Kuva 6.3: Pakotetun konvektion vaikutuksen varmistus. Myönteisen vaikutuksen varmistumisen jälkeen siirryttiin tutkimaan systeemin taajuusvasteita erillaisilla kuormilla. Kuormat valittiin siten, että tulokset olisivat vertailukelpoisia luvun 5 tulosten kanssa. Ensimmäisenä tutkittiin tapausta, jossa poikkivarrella ei ollut lisäkuormaa. Lisäkuormattoman ja jäähdyttämättömän systeemin taajuusvaste oli nimittäin hyvin selkeästi rajoittunut hitaaseen palautumiseen yläasennoista. Tulokset ja vertailu on esitetty kuvissa 6.4 ja 6.5. 20
Kuva 6.4: Tyhjien varsien taajuupyyhkäisyjen neljä ensimmäistä taajuutta ylhäältä alas: 0,05 Hz, 0,10 Hz, 0,15 Hz ja 0,20 Hz. Vasemmalla luonnollinen ja oikealla pakotettu konvektio. Vihreällä sähkövirran päälläolo ja keltaisella tuulettimen tila (on/off). 21
Kuva 6.5: Tyhjien varsien taajuupyyhkäisyjen neljä jälkimmäistä taajuutta ylhäältä: 0,25 Hz, 0,30 Hz, 0,35 Hz ja 0,40 Hz. Vasemmalla luonnollinen ja oikealla pakotettu konvektio. 22
Kuva 6.6: Samat tulokset taajuusalueessa. Kuten kuvista selvästi näkyy taajuusalue kasvoi huomattavasti, ja matalilla taajuuksilla tuulettimella varustetun systeemin vaste oli jopa lähes ideaalinen, kun taas systeemi ilman tuuletinta poikkesi asetusarvosta merkittävästi jo toisella testitaajuudella 0,10 Hz. Suuremmille taajuuksille mentäessä aktiivijäähdytetyn järjestelmän vaste alkoi samalla tavoin jäämään nimenomaan alemmista arvoista. Tämän vuoksi seuraava testirupeama ajettiin kuormitettuna samalla tavoin kuin kevyimmin kuormitettu luvun 5 passiivijäähdytetty systeemi, joka ei vielä jätättänyt yläarvoista (kuorma 32,8 g etäisyydellä 58 mm nivelpisteestä). Tulokset ja vertailu vastaavanlaiseen passiiviseen systeemiin on esitetty kuvissa 6.6 ja 6.7. 23
Kuva 6.7: Kuormitettujen varsien (32,8 g) taajuupyyhkäisyjen neljä ensimmäistä taajuutta ylhäältä alas: 0,05 Hz, 0,10 Hz, 0,15 Hz ja 0,20 Hz. Vasemmalla luonnollinen ja oikealla pakotettu konvektio. 24
Kuva 6.8: Kuormitettujen varsien (32,8 g etäisyydellä 58 mm nivelpisteestä) taajuupyyhkäisyjen neljä jälkimmäistä taajuutta ylhäältä alas: 0,25 Hz, 0,30 Hz, 0,35 Hz ja 0,40 Hz. Vasemmalla luonnollinen ja oikealla pakotettu konvektio. 25
Kuva 6.9: Samat tulokset taajuusalueessa. Tässäkin tapauksessa taajuusalue oli aktiivijäähdytetyllä systeemillä huomattavasti laajempi. Huomion arvoista tässä on eritysesti se, että viimeisellä taajuudella (0,40 Hz) systeemi alkoi rajoittumaan myös amplitudialueen yläarvoista. Aktiivijäähdytyksen vaikutuksen osoittauduttua hyvinkin merkittäväksi tutkittiin vielä jäähdytystehokkuuden riippuvuutta tuulettimen etäisyydestä. Tulokset on esitetty kuvassa 6.8. Kuva 6.8: Tuulettimen etäisyyden vaikutus langan palautumiseen. Etäisyydet tuulettimesta langan keskikohtaan vasemmalta oikealle: tuuletin kokonaan pois päältä, 25 cm, 15 cm, 10 cm, 7 cm, 3 cm ja 3 cm. Tuloksista on pääteltävissä, että jo suhteellisen kaukaa (jo 25 cm etäisyydeltä) kantautuva ilmavirta vaikuttaa langan jäähtymiseen sen verran, että sen palautuminen lepotilaan nopeutuu. Huomionarvoista on myös se, että tuulettimen tuominen 7 10 cm lähemmäksi muistilankaa, ei enää juuri nopeuttanut palautumisprosessia. 26
7. Yhteenveto ja pohdinta Projektiryhmän alkuvaiheen epäilyistä huolimatta muistilangalla ohjatun nivelen säätö onnistui hyvin. Suoran langan tapauksessa bang bang säädin riitti ohjaamaan systeemin nivelen referenssikulmaan ja pitämään sen lähes paikallaan, vaihtelun ollessa huonoimillaankin alle asteen suuruusluokkaa. Suoraa lankaa käytettäessä PID säätimellä ei saavutettu mainittavaa etua on/off säätöön verrattuna säätimen saturoiduttua helposti. Sen sijaan muotoiltua lankaa käytettäessä sekä on/off että PID säätimillä nivelen kulma saatiin ohjattua varsin tarkasti referenssikulmaan ja vaihtelu oli mittaustarkkuuden 0,02 suuruusluokkaa. Vastauksena tutkimuskysymykseen 1 "Onko mahdollista säätää muistimetallilangalla toteutetun nivelen paikkaa?" voidaan todeta, että nivelen paikan säätö on mahdollista. Tutkimuskysymyksen 2 "Kuinka tarkasti muistimetallilangalla toteutetun nivelen paikkaa voidaan säätää?" vastaus riippuu siitä, millä tavoin paikkaa halutaan säätää. Mikäli kyseessä on paikan säätö tiettyyn kulmaan langan dynaamisella alueella, tulos on todella tarkka. Myös syötteen seuraaminen onnistuu sopivilla taajuuksilla kiitettävän tarkasti, erityisesti pakotettua konvektiota käytettäessä. Mikäli taajuutta kuitenkin nostetaan liikaa, ei systeemi fyysisten omiaisuuksiensa takia pysy referenssiarvon perässä. Yksi mielenkiintoisimmista havainnoista olikin, että epäsäännöllisesti muotoiltua lankaa on mahdollista käyttää nivelen liikuttamiseen melko tarkasti PID säätimen avulla. Koska muotoiltu lanka lämmetessään pyrkii palautumaan jousta muistuttavaan muotoon, joka on huomattavasti lyhyempi kuin suora lanka, saadaan systeemille suurempi dynaaminen alue kuin pelkän suoran langan pituusvaihtelulla. Muotoillulla tehdyissä mittauksissa oli kuitenkin ongelmana niiden huono toistettavuus, sillä lanka ei aina palautunut aivan samanlaiseen muotoon. Lisäksi olisi käytännössä mahdotonta muotoilla uudestaan rakenteeltaan täsmälleen samanlainen lanka kuin tässä projektissa oli käytössä. Erilaisia lankoja käytettäessä PID säätimelle voisi etsiä sopivat parametrit joilla säätö onnistuisi, mutta analyyttisesti tämä ei onnistuisi. Systeemi saattoi muuttua myös, mikäli muistilanka irroitettiin mekaniikasta ja kiinnitettiin uudestaan. Tässä projektissa mittaukset tehtiin irrottamatta muistilankaa välillä. Markkinoilla on tarjolla valmiita muistimetallista valmistettuja jousia, joiden soveltuvuutta nivelvarren ohjaukseen olisi ollut mielenkiintoista tutkia. Kestävämmällä ja säännöllisemmällä rakenteella jousta olisi voinut ohjata tarkemmin ja tulos olisi ollut paremmin toistettavissa. Vastauksena tutkimuskysymykseen 3 "Kuinka hyvin muistimetallilangalla toteutetun nivelen säätö on toistettavissa?" voidaan siis todeta, että suoralla muistimetallilangalla tutkimuksen toistettavuus säilytetään. Esitämme myös hypoteesin, että säännöllisen rakenteen omaavalla muistilangalla toteutetun systeemin avulla kokeiden toistettavuus säilyisi samalla tavalla. Tässä projektissa toteutetulla muotoillulla langalla toteutettu systeemi ei kuitenkaan mahdollista toistettavia koejärjestelyjä ja tuloksia. 27
Systeemiin olisi heti alussa kannattanut sisällyttää myös lämmönmittausmekanismi. Tällöin langan jäähtymisestä oltaisiin saatu myös kvantitatiivista dataa, jolla olisi voitu selittää aikaisemmassa vaiheessa esimerkiksi PID säädetyn järjestelmän hitaampi reagointi virran katkaisuun. Muistilangan varsin hyvästä säädettävyydestä huolimatta sen käyttökohteita rajoittaa suurehkon lämmitysvirran tarve, jota ei mobiileilla ratkaisuilla voida helposti tai edullisesti tyydyttää. Muistilanka on aktuaattorina parhaimmillaan, kun systeemiltä vaaditaan todella hiljaista käyttöäänenvoimakkuutta sekä pientä kokoa. 28
8. Projektitoiminta Projektiryhmän ryhmädynamiikka oli hyvä ja kaikki ryhmän jäsenet osallistuivat projektin tapaamisiin sekä toteutukseen. Kommunikointi projektiryhmässä onnistui erittäin hyvin. Tärkein kommunikaatiokanava oli projektia varten perustettu Whatsapp kanava, josta kaikki ryhmäläiset tavoitti nopeasti. Projektin alussa sovittiin vastuualueista ja laadittiin alustava toteutusaikataulu projektin eri osille. Projektin toteutuneet ajankäyttö ja vastuualueet on esitelty kuvassa 8.1 ja alkuperäisen toteutusaikataulun kuvaava Gantt kaavio kuvassa 8.2. Kuva 8.1: Projektin toteutunut työnjako. Kuva 8.2: Projektin alkuperäinen Gantt-kaavio. Projektin puolivälissä huomattiin, että suunnitellussa aikataulussa ei aivan oltu pysytty. Tämä johtui siitä, että projektiryhmän oli hankala löytää kaikille sopivia tapaamisaikoja. Aikataulua pyrittiin kuromaan kiinni työskentelemällä laitoksen sähkötyöhuoneessa viikonloppuisin, joka sopi ryhmän jäsenille arkipäiviä paremmin. Myös projektin aliprojekteihin tuli pieniä muutoksia. Päätettiin esimerkiksi toteuttaa datan tallennusta ja visualisointia varten erillinen ohjelma ja projektiin tehtiin lisätyönä aktiivijäähdytys toiminnallisuus. Projektissa on opittu projektitöissä hyödyllisiä taitoja. Esimerkiksi Gantt kaavion toteuttaminen oli hyvää kokonaiskuvan hahmottamisen harjoittelua ja ajankäyttöön liittyvät haasteet projektitöissä havainnollistuivat. 29