Automatisk viktkontroll av glascontainer

(1)

i

Automatisk viktkontroll

av glascontainer

Kandidatuppsats, Mekatronikprogrammet 15 p,

Sektionen för Informationsvetenskap, Data och Elektroteknik (IDE), Högskolan i Halmstad

2009

Teknologer: Laust Sørensen och Srdjan Vareskic Handledare Högskolan i Halmstad: Björn Åstrand Handledare Gedevelop: Per Johansson

(2)

i

FÖRORD

Examensarbetet utfördes under våren 2009 vid Högskolan i Halmstad i samarbete med Gedevelop i Helsingborg. Arbetet har varit mycket spännande och gjort det möjligt att tillämpa alla de kunskaper som vi har fått under utbildningens gång.

Vi vill tacka alla som har hjälpt oss och gjort det möjligt att genomföra projektet. Framförallt vill vi rikta ett extra tack till följande personer som har visat stöd och engagemang som gjort det möjligt att realisera examensarbetet:

Handledare

Per Johansson, Gedevelop i Helsingborg Miklos Rupp, Gedevelop i Helsingborg Björn Åstrand, Högskolan i Halmstad Företag

Lars Nielsen, Festo AB

(3)

ii

SAMMANFATTNING

Examensarbetet har utförts i samarbete med Gedevelop i Helsingborg. Gedevelop har utvecklat ett kamerasystem som kan beräkna vikten av en flytande glasmassa. På grund av densitets- och viskositetsförändringar i glaset ges ibland en felaktig viktinformation av glasmassan. Idag åtgärdas problemet genom att en operatör utför en manuell vägning av ett fåtal flaskor som i sin tur kalibrerar kamerasystemet.

Målet med projektet var att utveckla ett automatiserat system för kontrollvägning av glasflaskor inom glasindustrier. Detta system skall vara så flexibelt att det lätt kan monteras på fabriker med olika produktionsutrustning runt omkring i världen.

(4)

iii

ABSTRACT

This degree project has been carried out in cooperation with Gedevelop in Helsingborg. Gedevelop has developed a camera that can calculate the weight of a liquid glass mass.

Because of the density and viscosity changes in the glass, the weight information is sometimes incorrect given. Glass industry is today addressing the problem by an operator performing a manual weighing of a few bottles which, in turn, calibrates the camera system. The project aimed to develop an automated system to control the weighing of glass bottles for glass industries. This system must be so flexible that it can be easily mounted on plants with different production equipment around the world.

(5)

iv

INNEHÅLLSFÖRECKNING

Förord ... i Sammanfattning ... ii Abstract ... iii 1 Inledning ... 1 1.1 Gedevelop ... 1

1.2 Bildanalys och viktkontroll av glasmassan ... 1

1.3 Manuell kontrollvägning ... 2 2 Bakgrund ... 3 2.1 Problemformulering ... 3 2.2 Mål ... 3 2.3 Kravspecifikation ... 3 2.4 Avgränsningar ... 4 2.5 Frågeställning ... 4 3 Teori ... 5 3.1 Dimensionering av drivsystem ... 5 4 Metod ... 15 4.1 Lösningsförslagen ... 15 4.2 Eliminering av lösningsförslagen ... 18

4.3 Utvärdering av lösningarna hos uppdragsgivaren ... 19

4.4 Design av robotarmen ... 20

4.5 Analys och beräkning för komponentval ... 21

5 Resultat ... 24

5.1 Komponenter ... 24

5.2 Behållare, kopplingsmekanism och uppsamlingsbox av flaskor ... 28

5.3 Vertikal robotarmkonstruktion ... 28

5.4 Resultat av prototypen ... 29

5.5 Inkoppling och styrning av prototypen ... 30

6 Slutsatser och Diskussion ... 31

6.1 Framtida utökningar av funktionaliteten ... 31

7 Referenslista ... 32

(6)

v

8.1 Bilaga 1: Pneumatik ... 33

8.2 Bilaga 2: Matlab M-filer ... 37

8.3 Bilaga 3: Konstruktionsdels- och komponentdels lista ... 42

8.4 Bilaga 4: Frekvensomriktaren Mitsubishi FR-D720 ... 46

8.5 Bilaga 5: Kopplingsschema av pneumatik- och elektronikkomponenter ... 49

8.6 Bilaga 6: Konstruktionsritningar ... 57

(7)

1

1 INLEDNING

I detta kapitel ges en närmare presentation av företaget som vi har valt att samarbeta med. Vidare avhandlas företagets nuvarande arbetsmetod där vi åskådliggör olika scenarier som deras kunder möter dagligen.

1.1 Gedevelop

Gedevelop är ett ledande företag inom utveckling av utrustning för mätning, kontroll och inspektion av smält glasmassa. Deras system används av glasindustrier världen över för tillverkning av olika flasktyper. Företaget befinner sig i Helsingborg men har hela världen som marknad. Förutom analyseringssystemet för smält glasmassa har de även utvecklat ett system kallat GFM, som är en glasflödesmätare inom tillverkning i glasfiber- och ullindustrin.

1.2 Bildanalys och viktkontroll av glasmassan

Informationen om glasmassans form och temperatur samt en automatisk viktkontroll har blivit avgörande faktorer för dagens glasindustrier till att minimera kostnaderna och maximera kvaliteten.

Gedevelops helhetslösning för glasindustrier kallad GIA (Figur 1), är ett slutet kretslopp vilket omfattar bildanalys, viktkontroll, temperaturmätning och datalagring av glasmassans vikter.

Figur 1: Gedevelops helhetslösning för glasindustrier.[8]

(8)

2 Kameran har dessutom en inbyggd temperaturmätare, som mäter temperaturen längs glasmassans längd. För varje scanning (skiva), mäts temperaturen på en 8 mm bred plats i centrum av genomsökning. Alla temperaturmätningar kan då visas ovanpå bilden i upp till 12 zoner. Dessutom beräknas och presenteras den genomsnittliga temperaturen av glasmassan. Att mäta temperaturen är viktigt eftersom man undersöker variationer i glasmassan.

Viktkontrollen sköts med hjälp av ett avancerad PLC system som håller glasmassans vikt stabil. Röret där glasmassan befinner sig innan den hamnar i formplattor justeras i höjdled beroende på vilken vikt man vill åstadkomma. Det är viktkontrollens funktion att justera höjden på röret för att åstadkomma en stabil vikt på glasmassan. [8]

1.3 Manuell

kontrollvägning

Glas är inte något kemiskt grundämne eller någon kemisk förening utan en blandning av olika oxider. Glasegenskaperna kan därför ändras beroende på sammansättning. I glasfabriker smälter man glasflaskor med olika sammansättningar. Beroende på hur glaset är framställt är densitetsvärden olika för varje flasktyp. En ökning av blyhalten i glaset ökar densiteten, vilket medför att man får en större vikt för en viss volym. [11]

En annan viktig egenskap hos glaset är viskositeten som vid stigande temperaturer sjunker. Kamerasystemet som analyserar glasmassan känner inte av densitet - och viskositetsförändringar, vilket medför att man får en felaktig vikt på glasmassan.

En operatör har som uppgift att minst tre gånger i timmen, utföra en manuell vägning av några flaskor i samband med smörjningen av formplattor. Efter en utförd vägning på den manuella vågstationen skickas viktinformationen vidare till systemet som kalibrerar kamerasystemet. Denna kalibrering utförs på så sätt, att viktinformationen från den manuella vägningen överförs till de senaste bildanalyserna. Med hjälp av denna metod kan systemet fortsättningsvis bestämma en mer noggrann vikt på glasmassan. På det här sättet minimerar man risken att få en felaktig viktinformation som uppkommer vid densitet och viskositetsförändringar på glasmassan.

(9)

3

2 BAKGRUND

Detta kapitel behandlar målet, men också problemformuleringen för projektet. Vidare presenteras kravspecifikationen, projektets avgränsningar samt frågeställningen.

2.1 Problemformulering

Inledningsvis smälter man glas till flytande form under en tillverkningsprocess av glasflaskorna. Denna flytande glasmassa går igenom munstycken och matas ut till formplattor. Innan glasmassan når formplattan klipps den till önskad vikt.

Vid returnering och smältning av återvinningsflaskor påverkas viskositeten och densiteten av glasmassan eftersom olika flasktyper inte består av samma material. Dessa förändringar påverkar vikten på flaskorna. Gedevelops kamerasystem som analyserar glasmassan känner inte av dessa förändringar och en feluppskattning på massan uppstår.

För glasindustrier som tillverkar hundratusentals flaskor dagligen är det av stor betydelse att vikten på flaskorna alltid är densamma. Felmarginaler på några gram per flaska kan växa till stora kostnader för tillverkarna. I dagsläget åtgärdar man problemet genom att en operatör utför en manuell vägning av ett fåtal flaskor var 20:e minut. På det här sättet gör man en manuell kalibrering av kamerasystemet och åtgärdar därmed problemet.

2.2 Mål

Målet med detta projekt är att utveckla ett automatiserat system för kontrollvägning av glasflaskor. Ett automatiserat system underlättar arbetet för operatören och tillåter honom/henne att utföra andra arbetsuppgifter under tiden som processen körs. Detta ska förhoppningsvis leda till minskade kostnader för glasindustrier.

2.3 Kravspecifikation

Projektet ska följa nedanstående kriterier listade enligt Olssons kriteriematris [6]. Kriterier definierade med symbolen : är krav som produkten skall uppfylla och kriterier definierade med symbolen är önskemål på produkten.

Begränsade kriterier för brukning

Skall vara lätt att använda och får inte kräva en specialutbildning. : Vid eventuella fel får det inte ha en negativ effekt på produktionen. : Installationen skall utföras utan påverkan på den dagliga produktionen. : Skall klara rengöring runtom maskinen med vatten.

(10)

4 Funktionella kriterier

: CAD program används för att illustrera konstruktionens uppbyggnad. : Maximal massa av ämne som placeras på vågen är 6,5 kg.

: Prototypen ska vara flexibel och lätt att kunna anpassas till den enskilda produktionslinjen.

: Behållarens vikt skall kunna kalibreras. : Vikten skall bestämmas för en flaska i taget.

: Det får inte finnas några mekaniska delar som rör sig ut över transportbandet. Vågen skall placeras på det sätt att den också kan användas i manuell drift. Funktionella kriterier vid användning

: Indikation vid fel, så personalen kan övergå till manuella rutiner. : Skifta mellan manuell och automatisk drift med ett enda knapptryck. : Samma våg används vid manuell och automatisk drift.

: Maskinen ska monteras på golvet. : Enkel rengöring.

: Avskärmning så att personalen inte utsätts för fara för klämskador. Framställning

Konstrueras av pneumatikkomponenter från Bosch. : Värmebeständiga komponenter används.

: Testprotokoll ska fyllas i som garanterar funktionalitet under alla driftsförhållanden.

2.4 Avgränsningar

Projektet avser enbart tillverkning av en prototyp, ett automatiserat system som uppfyller de krav vilka ställs i kravspecifikationen. Prototypen kommer däremot inte att vara implementerad i det befintliga systemet som används vid kalibrering av kamerasystemet.

2.5 Frågeställning

För att lösa problemet har vi valt att definiera några frågeställningar. Dessa lyder enligt nedanstående:

1. Hur tar man en bestämd flaska från ett transportband, där flaskorna kör förbi med en hastighet på mellan 60 och 900 flaskor per minut?

(11)

5

3 TEORI

I det tredje kapitlet behandlas dimensionering av en motor och/eller växel till en applikation, utifrån kännedom om applikationens massa, kraftpåverkan och tröghetsmoment, samt krav på hastighet och acceleration. Teoridelen tillämpas längre fram i arbetet, där behovet för en elektrisk motor fanns.

3.1 Dimensionering

av

drivsystem

Belastningar på axeln

En axel kan belastas antingen axiellt eller radiellt. Den axiella belastningen är den som verkar parallellt med axeln, och som antingen är en kraft som trycker eller drar i denna. Den radiella kraften verkar vinkelrätt på axeln och kan uttryckas som ett vridande moment eller en kraft som verkar på en punkt på axeln. I figur 2 ses krafterna FA(F-axiell) och FR(F-radiell).

Vilken av dessa krafter som sätter begränsningen för valet av motor eller växeln kan bestämmas genom att hitta relevant information i databladet till drivsystemet.

Figur 2: Motor med belastning på drivaxeln.

Krafterna FA och FR beräknas på följande sätt, om belastningen är en massa:

𝐹 = 𝑚 ∗ 9,81 Ekvation 1: Kraft på motoraxeln [1] 𝐹 = 𝑚 ∗ 9,81

Moment och tröghetsmoment

Momentet, eller vridmomentet är den kraft som verkar från axelns centrum och vinkelrätt ut från den. Kraften är i Newton, medan avståndet till axelns centrum är i meter. I figur 3 visas principen för momentet som verkar på axeln. Vridmomentet uppstår från statiska krafter och friktion som finns i system.

𝑀 = 𝐹 ∗ 𝑑[𝑁𝑚] Ekvation 2: Vridmoment på motoraxeln [1] FA

(12)

6

Figur 3: Moment som värkar på motoraxeln

Tröghetsmomentet är viktigare än vridmomentet i system, där det används motorer som arbetar med snabba rörelser i horisontellt och vertikalt plan. En snabb acceleration kan ge större moment än statiska krafter och friktion.

Ekvation 3 beskriver hur momentet beräknas utifrån tröghetsmomentet [kgm2] och vinkelaccelerationen[rad/s2].

𝑀 = 𝐼 ∗ 𝜑[𝑁𝑚] Ekvation 3: Vridmomentberäkning som produkt av tröghetsmoment och vinkelacceleration.[1]

𝜑 = [ ] Ekvation 4: Ekvation för vinkelaccelerationen, där

ω är vinkelhastigheten och t är tiden det tar att

komma upp till en viss vinkel.[1]

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ = s rad T π ω 2 Ekvation 5: Vinkelhastighetsekvation, där T är periodtiden.[1] Definition av tröghetsmomentet

Tröghetsmomentet beskriver en statisk kropps dynamiska egenskaper och har följande egenskaper:

• Benämns J eller I, med SI-enheten 1kgm2_. • J>0, detta gäller alltid.

• Tröghetsmomentet är en additiv rörelse. Om ett massasystem består av delsystem är tröghetsmomentet på en viss axel summan av delsystemens tröghetsmoment på samma axel.

• Tröghetsmomentet är konstant även om kroppen är i rörelse, då varje element bibehåller sitt avstånd till axeln under rotationen.

Det statiska momentet används för massfördelningen i en eller flera kroppar. Om man studerar systemet i figur 4 ser man ett system som är tänkt att bestå av ett antal små delar.

F

(13)

7 Koordinatsystemet O[x,y,z] är placerat i figuren och ett elements koordinater betecknas (xi, yi ,zi). Massan för ett element betecknas mi. Den totala massan i massasystemet är:

∑

= i

i m

m Ekvation 6: Total massa hos massystemet.[2]

Det statiska momentet definieras därefter som:

Ekvation 7: Statiska momentet m a p yz-, xz-, xy- planet respektive.[2]

Summan av det statiska momentet kallas också för linjärt moment, då koordinaterna ingår linjärt. Tröghetsmomentet kallas för kvadratisk moment och definieras som:

Ekvation 8: Tröghetsmoment m a p x-, y-, z- axeln.[2]

Figur 4: Massor i koordinatsystem.

Varje elements massa skall, enligt definitionen på tröghetsmomentet, multipliceras med kvadraten på avståndet till den aktuella axeln. Figur 5 illustrerar hur detta skall ses utan någon referens till ett koordinatsystem. Elementens avstånd till linjen λ i figur 5, kan skrivas på följande sätt:

∑

= 2 i ia m

(14)

8

Figur 5: Tröghetsmoment som värkar omkring axeln λ

För de flesta homogena kroppar finns det en ekvation för tröghetsmomentet i formelsamlingar. En tunn rektangulär skiva till vänster i figur 6, har ett tröghetsmoment vid rotation kring axeln ”x” som är:

2

3 1

ma

I_x ₌ Ekvation 10: Tröghetsmomentet för vänstra delen i figur 6. [3] Och vid axeln ”x” i figur 6 till höger blir tröghetsmomentet:

2

12 1

ma

I_x ₌ Ekvation 11: Tröghetsmomentet för högra delen i figur 6. [3]

Figur 6: Tunn rektangulär skiva med olika axlar till beräkning av tröghetsmomentet.

Här följer de beräkningar som ligger till grund för ekvationerna 10 och 11. Massan av den tunna rektangulära skivan kan skrivas som:

dx

dm=λ Ekvation 12: Masseelement.[3] Där λ beskriver plattans längdtäthet:

(15)

9 I ekvation 9 används summering till att bestämma tröghetsmomentet, men vid en tillämpning där det finns en kontinuerlig massfördelning används integration. Här byts mi mot dm, och

därför skrivs tröghetsmomentet:

∫

= y dm

I_z 2 _{Ekvation 14: Tröghetsmoment för}

kontinuerlig massfördelning.[3]

Beräkningar för figur 6 till vänster:

3 3 3 2 3 0 3 0 2 2 a ma a m y dy y dm y I a a x ⎥ = = ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = = =

∫

λ

∫

λ

Motsvarande beräkningar för figur 6 till höger:

12 3 8 3 8 3 2 3 3 2 2 3 2 2 2 2 ma a a a m y dy y dm y I a a a a x = ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = = = − −

∫

λ

∫

λ

Detta är bara ett exempel på hur man beräknar tröghetsmomentet. I figur 7 ses ytterligare några exempel på tröghetsmoment i olika kroppar. I det sista exemplet i figuren visas hur man utför beräkningar på en sammansatt kropp.

a) Tunn stav

Rotationsaxel ej centrerad

b) Tunn rektangulär platta Rotationsaxel ej centrerad

c) Tunn rektangulär platta Rotationsaxel centrerad d) Cylinder Rotationsaxel centrerad e) Solid sfär Rotationsaxel centrerad f) Sammansatt kropp

(16)

10 Val av motor och växel

Härunder används tröghetsmomentet till att genomföra en beräkning på en kropp som skall rotera 90°. Kroppen som skall roteras horisontellt, är en tunn rektangulär platta där rotationsaxeln inte är centrerad. (Figur 7, illustration b).

Det är önskvärt att vrida plåten 90° på 2 sekunder. En acceleration utförs på 0,3 sekunder och täcker en 10° vinkel. Därefter körs en konstant hastighet på 1,4 sekunder som täcker en 70° vinkel. Slutligen utförs en retarderation under 0,3 sekunder vilket möjliggör en säkrare bromsning av lasten. (Figur 8)

Figur 8: Accelerationens, konstant hastighets och retardationens gradtäckning med tid.

För att driva systemet vill man använda sig av en asynkronmotor, som är direktmonterad på en planetväxel. För att styra hastigheten på motorn används en frekvensomriktare som vid den konstanta hastigheten skall ha en frekvens på 50Hz (figur 9). Före inköp av motorn, växeln samt frekvensomriktare, vill man bestämma storleken på de krafter som plattan påverkar systemet med.

Figur 9: Frekvensomriktarens utgång.

(17)

11 Man har bestämt följande mått och massor (För de olika beteckningar, se figur 7b):

a1=0.5m, m1=10kg a2=0.3m, m2=6kg, b=0.2m

(

) (

)

(

) (

)

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 067 . 1 12 2 . 0 3 . 0 * 4 6 12 2 . 0 5 . 0 * 4 * 10 12 4 * 12 4 * kgm m m kg m m kg b a m b a m I = + + + = + + + =

Som figur 8 visar, ska en acceleration utföras på 0,3 sekunder och täcka en 10° vinkel. En vinkelhastighet beräknas med avseende på den konstanta hastigheten. (Ekvation 5)

s rad s 873 . 0 4 . 1 * 70 360 2 = = π ω

Vinkelaccelerationen kan nu beräknas med hjälp av ekvation 4:

2 91 , 2 0 3 . 0 0 873 . 0 s rad = − − = ϕ

Ekvation 3 används nu till att beräkna det nödvändiga moment som växeln skall klara:

Nm s rad kgm I M * 1.067 2*2,91 ₂ 3.104 = = = ϕ

Man vet att den typ av motor som skall användas kör med ca 1450rpm. Plattans maximala hastighet är tidigare beräknat till 0,873 rad/s, vilket motsvarar:

(

)

rad rpm s rad s rpm Varvtal 8,34 * 2 873 . 0 * 60 ) ( ₌ ₌ π

Utväxlingen på växeln kan nu bestämmas:

1 : 174 86 , 173 34 , 8 1450 ≈ = = rpm rpm Utväxling

Det är inte säkert att det är möjligt att köpa en växel med exakt denna utväxling, men då man använder sig av en frekvensomriktare kan man kompensera för bristande eller för hög hastighet genom att ändra frekvensen.

(18)

12 Den frekvens som skickas till motorn för att fastställa varvtalet beräknas med följande ekvation:

𝑓 = ∗ Ekvation 15: Förenklad ekvation vid

frekvensberäkning, där ingen hänsyn till motorns eftersläpning tas. [8]

𝑓 = ∗ , → 𝑓 = 16,68 Hz

För att bestämma axeleffekten på växeln används följande ekvation: ω ϕ _* * _axel axel M dt d M

P₌ ₌ Ekvation 16: Effekt för rent moment. [1] Detta ger effekten:

W s rad Nm M P₌ _axel*_ω ₌3.51 *0.873 ₌2.86

Eftersom växeln inte är friktionsfri skall den effekt som motorn avger, vara större än effekten på växelns axel. Det antas att det är en effektförlust på 25 % i växeln, detta ger då en nödvändig effekt på motorns axel på:

W W P P axel ₃_.₈₁ 75 . 0 86 . 2 = = = η

Det sista som skall bestämmas är den radiella och axiella belastningen. Då axeln är monterad vertikalt, förekommer det ingen direkt radiell belastning, men det kan förekomma en vridande belastning p.g.a. den icke centrerade lasten. I exemplet blir denna vridande belastningen:

Nm a m a m d F M 7 . 15 2 3 . 0 * 81 . 9 * 6 2 5 . 0 * 81 . 9 * 10 2 * 81 . 9 * 2 * 81 . 9 * * 2 2 1 1 = − = − = =

Den axiella belastningen fås till:

(

)

N

m

(19)

13 Mekanisk belastning vid acceleration

I genomgången av exempel 1 och 2 användes en trapetsformad hastighetsprofil (figur 9). Denna är dock inte den mest optimala med hänsyn till mekanisk belastning, eftersom den ger kraftiga ryck då accelerationen börjar och slutar. Orsaken till att man vill använda sig av den, är att man kör med ett konstant moment och därmed kan utnyttja den maximala effekten i motorn.

En bättre form på hastighetsprofilen är att låta den vara S-formad. Denna form ger en mycket mindre mekanisk belastning än den trapetsformade, eftersom man då får en linjär ökande acceleration. [5]

Accelerationen är deriverad utifrån hastigheten och den deriverade funktionen av accelerationen kan betraktas som de ryck som förekommer i mekaniken. Då man vet att den trapetsformade hastighetsprofilen har en linjär acceleration, får den deriverade funktionen därav kraftiga ”ryck” på flankerna av accelerationskurvan. I den S-formade hastighetsprofilen får man, genom att derivera accelerationen, en konstant mekanisk belastning under hela accelerationen. Denna belastning ändrar dock tecken då accelerationen minskar. I figur 10 ses accelerationen och de ryck som verkar i mekaniken, vilka återfinns vid en trapetsformad hastighetsprofil. I figur 11 ses accelerationsdelen för en S-formad hastighetsprofil. Graferna är framställda med hjälp av MATLAB m-filen: Acceleration, se bilaga 2.

Figur 10: Acceleration och ”ryck” vid trapetsformad hastighetsprofil.[5]

(20)

14

Figur 11: S-formad hastighetsprofil från MATLAB m-filen: Acceleration, se bilaga 2.

(21)

15

4 METOD

Kapitlet beskriver arbetsmetoden för framställning av prototypen. Olika lösningsförslag presenteras, vilka slutligen leder till att endast ett förslag ligger till grund för arbetet.

4.1 Lösningsförslagen

I dagsläget finns det ingen anordning på marknaden med de önskvärda funktioner som vår uppdragsgivare har. Det innebär att en sådan lösning måste konstrueras från grunden. Med hänsyn till frågeställningen tas olika förslag fram. Dessa lösningsförslag var löst formulerade idéer som diskuterades igenom med uppdragsgivaren:

Lösningsförslag 1

Vid detta lösningsförslag används tryckluften för att blåsa iväg flaskan till ett runt transportband som med hjälp av centrifugalkraftslagen förhindrar att flaskan faller. Flaskan förflyttas vidare till vågstationen och vägs. Efter vägningen blåser man flaskan till återvinningsstationen med hjälp av tryckluft.

För att flaskan inte ska falla från transportbandet, krävs det att rätt hastighet ställs in på det runda transportbandet. Centrifugalkraftlagen säger att:

𝐹 = m ∗ Ekvation 17: Centrifugalkraftlagen

I och med att alla storheter är kända, är hastigheten för transportbandet lätt att bestämma.

(22)

16 Lösningsförslag 2

Ett annat alternativ, är att man använder en robotarm, vilken har en förflyttningsförmåga med 90°. Tryckluften blåser iväg flaskan till armen, som med en bestämd kraft klämmer flaskan och roterar 90° till vågstationen. Efter vägningen roterar armen 45° tillbaka och släpper taget om flaskan som faller ned till återvinningsstationen. Därefter vrids armen till ursprungsläget i väntan på att fånga en ny flaska.

Det här lösningsförslaget kräver att två tryckluftsstationer används med samma blåskraft. När en flaska blåses iväg från banan, aktiveras den andra tryckluften efter en viss tid för att stoppa flaskans färd. Man kan exakt bestämma var flaskan ska stoppas och vid vilken tid den andra tryckluftsstationen ska aktiveras med hjälp av formler:

F = 𝑚 ∗ 𝑎 Ekvation 18: Samband mellan kraft, massa och acceleration.[4] s = ∗ Ekvation 19: Samband mellan sträckan, accelerationen och tiden.[4] En beräkning av tiden gör att man exakt kan bestämma när den andra tryckluftsstationen ska aktiveras och på så sätt få flaskan att falla ned till tratten. Flaskan faller ner till en våg där vägningen utförs. Därefter griper ett gripdon tag i flaskan, tratten lyfts och flaskan förflyttas till återvinningsstationen.

(23)

Vid denna lösning används en linjär aktuator som accelererar till samma hastighet som transportbandet. En cylinder inne i armen skjuter ut gripdonet, så den kan få tag om flaskan. Därefter körs cylindern in i armen igen. När armen når till änden av aktuatorn svänger den 180° för att placera flaskan på vågen.

Därefter kör armen tillbaka till utgångsläget medan vikten bestäms. Flaskan tas bort från vågen igen med hjälp av tryckluft. En lösning skulle kunna vara att låta armen ta bort flaskan från vågen när den kör tillbaka till utgångsläget. Den linjära aktuatorn är placerad en bit under bandet så att den inte utsätts för direkt strålningsvärme från flaskorna.

För att ta bort flaskorna från bandet används en trapetsmonterad arm, vilken roteras med hjälp av en motor. Tack vare trapetsformen, kommer armen in mot flaskan och den inbyggda cylindern ser till att knuffa flaskan hela vägen över till rundbordet. Rundbordet har en perifer hastighet som är densamma som transportbandets. Flaskan transporteras runt till vågen, där den så eventuellt kan knuffas den sista biten upp på vågen med en cylinder. Flaskan blåses av vågen med hjälp av tryckluft.

(24)

Idén med denna lösning är att placera flaskan eller flaskorna direkt i en behållare, vilken kan väga antingen en enstaka eller flera flaskor samtidigt. På båda sidor av behållaren placeras en vägningscell. Där är också upphängningen för behållaren monterad. Runtom behållaren placeras en absorberande skärm så att flaskan inte går sönder när den landar i behållaren. Efter att vikten är bestämd töms behållaren genom att man roterar denna 180° så att botten vänds upp. Rotationen sker genom en motor som är monterad på den ena av vägningscellerna. Tryckluft används för att säkerställa att behållaren blir helt tom. Vägningscellerna är precis som behållaren en bit nedanför transportbandet med flaskor, och detta i kombination med en avskärmning gör att man undviker att de utsätts för strålningsvärme.

4.2 Eliminering av lösningsförslagen

För att lättare få en översikt över utvärderingen av lösningarna används en elimineringsmatris enligt Pahl & Beitz [6]. I matrisen ställs olika punkter upp som varje enskild lösning ska utvärderas utifrån.

Följande punkter används:

• Löser huvudproblemet

Kan denna lösning göra vad som krävs?

• Uppfyller alla krav i produktspecifikationen

Uppfyller lösningsförslaget alla krav i produktspecifikationen? • Realiserbar

Är denna lösning realistisk? Håller teorin i verkligheten? • Kostnad

Hur dyrt blir det att realisera denna lösning? Även om den rent tekniskt är realiserbar kan en begränsning vara att den blir för dyr.

• Säkerhet och ergonomi

Är lösningen på något sätt till fara för personalen, och kommer den att störa de dagliga rutinerna?

• Passar företaget

(25)

19 Elimineringsmatris för lösningsförslagen Elimineringskriterier:

(+)Ja (-)Nej

(?) Mer info krävs

(!) Kontroll produktspecifikation

Lösning _{Löser huvudproblemet} Uppfyller alla krav Realise

rbar

Kostnad Säkerhet och ergonomi Passar fö

retaget Beslut: (+) Fullfölj lösning (-) Eliminera lösning (?) Sök mer info (!) Kontroll produktspecifikation Kommentar Beslut 1 + + - + + - - 2 + + ? + + + ? 3 + + - + - - - 4 + + - - - - - 5 + + - - - - - 6 + - - + - - -

Tabell 1: Elimineringsmatris för de 6 presenterade lösningsförslagen. [6]

4.3 Utvärdering av lösningarna hos uppdragsgivaren

Som utgångspunkt utvärderas alla lösningar för att kunna lösa själva vägningsproblemet. Alla fält i matrisen kommer inte att gås igenom för varje enskild lösning, utan endast de viktigaste punkterna.

Lösningsförslag 1-6:

(26)

20 3. Lösningen bedöms vara svår att realisera på grund av tryckluften och därför att vågen

inte klarar av stötarna som uppkommer av de fallande flaskorna. 4. Denna modell kräver en extremt precis styrning som kan bli svår att realisera till ett

överkomligt pris. Lösningen är mycket komplex och det är inte säkert att man kan få gripmekanismen in mellan flaskorna då avståndet mellan dem varierar. 5. Utifrån bedömningen av alternativ 1 och 4 finns ingen tilltro till denna lösning. 6. Denna lösning ansågs vara enkel, men enligt tidigare undersökningar av precisionen

hos töjningsgivarna trodde Gedevelop inte att man kan uppnå en tillräcklig precis vägning. En annan anledning till att man inte ville använda denna lösning, var att man vid utvärderingen inte längre hade ett krav på att väga flera flaskor samtidigt.

I samråd med uppdragsgivaren beslutades att alternativ 2 skulle tillämpas. Som beskrivet i alternativ 2 ville man att armen skulle hålla i en behållare som flaskan faller ned i. Behållaren med flaskan ska väga mindre än de 6,5 kg som vågen maximalt klarar och behållaren ska kunna kopplas bort från armen under vägningen. När flaskan skall kasseras, måste behållaren rotera 180° så att flaskan kan ramla ur. För att uppnå maximal flexibilitet, skall armens längd kunna ändras, eventuellt med hjälp av pneumatik. Armens rotation skall enkelt kunna ändras, så att den passar till varje enskild produktionslinje.

4.4 Design av robotarmen

I det här kapitlet presenteras arbetsgången för bestämning av de olika komponenter som bygger upp hela systemet. Nedan visas de viktigaste designkriterierna i punktform:

• Behållare som fångar flaskorna.

• Konstruktionen ska ha en kopplingsmekanism till behållaren. • En arm som kan roteras och lätt inställas i olika vinklar.

• Den skall ha minimalt 3 positioner: en vid vågen, en vid återvinningsstationen och slutligen vid transportbandet där flaskorna fångas upp.

• Vågrät arm som kan förlängas, och därmed öka räckvidd och flexibilitet. Då denna arm ska kunna köras fram så att behållaren kan placeras på vågen, som är placerad mellan avskärmningar, skall slaglängden vara mellan 300 – 400 mm.

(27)

21 • Behållaren skall kunna rotera 180°, så att flaskorna lätt kan falla ned till

återvinningsstationen.

För att illustrera hur en principiell lösning kan se ut, användes 3D CAD-programmet CATIA för framställning av figurer. Dessa CAD-figurer visar inte hur den slutliga lösningen förväntas se ut, utan endast de primära funktioner som beräkning av vikt, moment och tröghetsmoment kan utföras utifrån. Utifrån dessa beräkningar kan komponenterna till konstruktionen väljas.

Figur 15: Illustreringsfigurer för hur en principiell lösning kan se ut. Används endast för beräkningar av massan, tröghetsmoment samt vridmomentbehovet.

Figur 15 visar hur det är tänkt att lösningen kan se ut. Den visar både hur robotarmen ser ut när de två linjärmodulerna är indragna respektive utdragna. I denna lösning är vridmodulen placerat längst ned, som en sockel för hela konstruktionen. Det är också tänkbart att placera vridmodulen mellan den lodrätta och den vågräta linjärmodulen, så att endast den översta armdelen roterar.

4.5 Analys och beräkning för komponentval

För rätt val av linjär- och vridmoduler, alternativt elektrisk motor för rotation av hela robotarmen, gjordes beräkningar av tröghetsmassan, moment, vridmoment samt de krafter som verkar på konstruktionen.

(28)

22 Figur 16 visar vilka punkter som ska analyseras för att komma fram till de värden som ska bestämma valet av komponenter. Avståndet mellan punkterna på den översta armen är också markerat, så att momentet kring den roterande axeln kan beräknas. Utöver detta, ska punkterna som representerar gravitationscentrum för de olika delarna av armen tillsammans med avstånden, ge ett värde på tröghetsmomentet vid rotation.

Figur 16: Figuren visar punkter som ska analyseras för att komma fram till de värden, vilka bestämmer valet av komponenter.

Punkter:

1. Behållare: (gravitationscentrum för massa 1)

Massan som används till beräkning blir de 6,5 kg som är tillåtna för behållaren, flaskan, plus mekanismen till bortkoppling av behållaren.

2. Vridmodul: (gravitationscentrum för massa 2)

Till rotation av behållaren. Massan bestäms utifrån vridmodulen som klarar behållarens, flaskans och bortkopplingsmekanismens massa.

3. Linjärmodul: (gravitationscentrum för massa 3)

Den del som är placerad framför rotationsaxeln. Massan är beroende av den modell som bestäms utifrån den sammanlagda massan av behållare, bortkopplingsmekanism och vridmodul, samt slaglängd på modulen.

4. Linjärmodul: (gravitationscentrum för massa 4)

Den del som är placerad bakom rotationsaxeln. Massan av denna del är beroende av valet från punkt 3.

5. Linjärmodul: (massa 5)

(29)

23 6. Vridmodul:

Roterar hela konstruktionen. Valet av vridmodul görs utifrån den totala massan av ovanstående konstruktion, samt momentet och tröghetsmomentet vid rotation.

7. Rotationsaxeln:

Axel varifrån de olika måtten till beräkning av moment och tröghetsmoment utgår ifrån.

Måttsättning:

• d1: Avstånd från rotationsaxeln till behållarens gravitationscentrum. • d2: Avstånd från rotationsaxeln till vridmodulens gravitationscentrum.

• d3: Avstånd från rotationsaxeln till den främsta delen av linjärmodulens gravitationscentrum.

(30)

24

5 RESULTAT

I detta kapitel presenteras valet av komponenter vilka bygger upp prototypen.

5.1 Komponenter

Pneumatik är ett billigt sätt att automatisera ett system där krav på positionering är av mindre betydelse. Av den orsaken bestämdes det att robotarmen skulle styras pneumatiskt.

Redan innan alla komponenter hade dimensionerats erhölls anbud från olika leverantörer. Det bästa anbudet kom från leverantör Festo, därför fortsattes den exakta dimensioneringen av pneumatiska komponenter med hjälp av Festos online katalog. [12] Utifrån MATLAB M-filen: Beräkningar vid komponentval, samt de dimensioner som har angetts i koden, kunde komponenter bestämmas. För kodexempel, se bilaga 2. Nedan följer utskrift vid exekvering av MATLAB filen:

Rotary drive(2) - Radial Force 68.74N at 0.125m

Rotary drive(2) - Inertial moment 0.075833kgm2 or 758.3333kgcm2 Horizontal module - Force 88.38N at 0.143m

Vertical module - Force 137.48N Rotary drive(6) - Axial Force 235.68N Rotary drive(6) - Moment 29.0868Nm

Rotary drive(6) - Inertial moment 1.3083kgm2 or 13082.5171kgcm2 Vertical module - Force 137.48N at 0.21157m

Ovanstående är resultat från analyspunkterna på sidan 22.

Vridmodul till behållaren

Utifrån programmet Catia CAD-modell av behållaren och kopplingsmekanismen samt programmets egen funktion för beräkning av massor vid olika material, erhölls en vikt på ca 4kg. Tillsammans med den maximala vikten på flaskan hamnar vikten på ca 5,25 kg. Beräkningarna gjordes utifrån en vikt på 7 kg för att erhålla en god marginal, vilken är den totala vikten som vrids av vridmodulen.

Resultatet visar att vridmodulen ska klara av en radial kraft på 58,92 N vid ett avstånd på 0,125 m. Tröghetsmomentet vid rotering av behållaren blir 0,065 kgm2.

Den radiala kraften klarar alla vridmoduler av, men tröghetsmomentet gör att det är nödvändigt med en 20 mm vridmodulsmodell.

(31)

25 Fullständig modellbeteckning: DRQD-B-25-180. [Bilaga 3, Festo]

Horisontal linjärmodul

Vridmodulens massa på ca 2 kg och bredd på 51,5 mm, skrivs in i MATLAB M-filen och av beräkningarna ses, att det ger en samlad tyngdpunkt som är placerat 0,146 m från linjärmodulen, med en kraft på 88,4 N. Slaglängden är bestämd att vara 320 mm och för att finna rätt modell i Festos onlinekatalog läggs behållarens och vridmodulens tyngdpunktsavstånd i MATLAB M-filen. Detta ger en längd på 466 mm.

Figur 17: Graf från datablad till linjärmodulen FENG-serien som visar vilka krafter de olika modulerna klarar av vid olika avstånd.

Från grafen av Festos dokumentation till linjärmodulen FENG kan man se att en 40 mm modell med ”plain bearing” klarar av en belastning på 100 N vid det beräknade avståndet. Till linjärmodulen valdes en passande standard cylinder av modellen DNCB. En kombination av dessa två, möjliggör linjära förflyttningar.

Fullständiga modellbeteckningar: Linjärmodul FENG-40-320 och standard cylinder DNCB-40-320-PPV-A. [Bilaga 3, Festo]

Lodrät linjärmodul

(32)

26 Två cylindrar från serien ADVUL användes och utifrån tabellen i dokumentationen till denna, kan man se att en modell med en kolvdiameter på 25 mm klarar belastningen. Däremot bestämdes att en modell med kolvdiameter på 32 mm väljs då denna ger en större marginal för eventuella belastningsökningar och friktioner ifrån styrskenorna.

Fullständiga modellbeteckningar: ADVUL-32-300-P-A och ADVUL-32-100-P-A. [Bilaga 3, Festo]

Rotation av robotarmen

För att kunna rotera hela konstruktionen i tre olika positioner var vi tvungna att överge en lösning med pneumatisk vridmodul då dessa inte klarar av tröghetsmomentet i mittpositionen. Begränsningen gjorde att tankarna övergick från en pneumatisk vridmodul till en vanlig asynkronmotor för att positionera armen till de tre olika lägena.

Den tidiga iden var att placera hela konstruktionen ovanpå motoraxeln. På det sättet skulle hela robotarmen rotera. Efter noggrant övervägande blev resultatet, att motorn skulle placeras ovanpå den nedre konstruktionen. Detta gör att konstruktionen blir lättare att realisera och därmed mindre komplex. De krafter som påverkar motoraxeln blir i stort sätt de samma oavsett om motorn placeras under eller ovanpå den nedre konstruktionen. Vridmomentet som verkar på motoraxeln på grund av förskjuten centrumaxel på den översta delen, är det samma i bägge tillfällen.

Anledningen till att vi inte använde oss av en steg- eller servomotor var prisskillnaden, men också på grund av det enkla kravet att endast vrida armen i tre olika positioner.

Med hjälp av beräkningarna från teoriavsnittet, kapitel 3.1 – Dimensionering av drivsystem, vilket angriper samma problem, bestämdes rätt motortyp med tillhörande växellåda. Därför hänvisas alla beräkningar till det kapitlet, då enbart resultaten presenteras i det här avsnittet. Som leverantör av motorn med tillhörande växel valdes Nordela. Enligt beräkningarna behövs en motor som klarar av ett vridmoment på 3,104 Nm. Då vinkelhastigheten vid konstant hastighet är relativt låg, fås ett varvtal på 8,34 rpm, vilket i sin tur kräver en växel med utväxling 174:1. Nordela har denna typ av växel men på grund av priser och lagerstatus vid höga utväxlingar valdes en utväxling på 60:1.

Denna växel lämnar ut ett varvtal på 22 rpm ifrån utgångsaxeln vilket är 2,8 gånger mer än vad som egentligen behövs. Genom att minska frekvensen med hjälp av en frekvensomriktare som används vid styrning av motorn, åtgärdas problemet.

(33)

27 För att kunna bestämma tre rotationspositioner användes 3 st. induktiva givare. Av dessa tre, användes en givare för bromsning av motorn, en till medurs och en till moturs position. För att aktivera givarna användes små metallbitar.

I fall där robotarmen står i mittläge, det vill säga i väntan på att ta emot en flaska för vägning, aktiveras både medurs och moturs givarna. När robotarmen ska utföra vägning av flaskan roteras armen 90° medurs, vilket medför att bromsgivaren aktiveras två gånger som i sin tur sänker hastigheten på motorn. När medursgivaren aktiveras stannar motorn. Efter utförd vägning skall flaskan kasseras. Motorn aktiveras och robotarmen roteras 180° i moturs riktning. Under denna sekvens aktiveras bromsgivaren fyra gånger och därefter sänks hastigheten på motorn. Då moturs givaren aktiveras stannar motorn.

Slutligen, då robotarmen ska rotera medurs till startpositionen, aktiveras bromsgivaren två gånger och motorn stannar då både medurs och motursgivarna är aktiverade.

Figur 18: Figuren visar principen vid positionsbestämning av robotarmen. Beroende på robotarmens position aktiveras olika givare.

(34)

28

5.2 Behållare, kopplingsmekanism och uppsamlingsbox av

flaskor

Problemet att fånga flaskan för vägning med de önskemål uppdragsgivaren hade, löstes på det sätt, att när en tryckluftsstation blåser iväg flaskan fångas den upp av en uppsamlingsbox som vidare leder flaskan in i en behållare.

Kraven till kopplingsmekanismen är att den skall kunna hålla fast behållaren när denna roteras vid tömning, samt att behållaren lätt kan glida ut från den när den placeras på vågen. Behållaren skall kopplas loss innan den placeras på vågen så att man undviker att vikten av hela konstruktionen trycker på vågen. För att behållaren så lätt som möjligt skall kunna glida ut från kopplingsmekanismen placeras denna mitt på behållaren, på var sida, där massan är centrerad. På så sätt undviker man att behållaren vrider i mekanismen och därmed ökar friktionen när den glider ut från den. För att hålla fast behållaren används små pneumatikcylindrar på var sida av kopplingsmekanismen. Dessa pneumatikcylindrar låser fast behållaren genom att trycka ut metallpinnar som går igenom behållarens hål på båda sidor.

Figur 19: Illustration av bortkopplingsmekanismen tillsammans med behållaren.

5.3 Vertikal

robotarmkonstruktion

Lösningen till konstruktionen designades utifrån standardcylindrar, vilka monteras i förlängningen på varandra och därmed kan ge fyra positioner.

(35)

29 Kravet att konstruktionen skulle klara av en vertikal rörelse på totalt 400 mm och att den i nedersta position inte får vara högre än flasktransportbandet, gjorde att hela den nedersta konstruktionen maximalt fick ha en höjd på ca 500 mm.

För illustration av den vertikala armkonstruktionen gjord av aluminiumprofiler och rullskenstyrning, se bilaga 6.

Som leverantör av komponenterna valdes AluFlex. Aluminiumprofilerna är i dimensionen 40x40mm och rullskenstyrning är den minsta modellen ur LH-serien. [Bilaga 3, AluFlex].

5.4 Resultat

av

prototypen

Utifrån de valda komponenter och egen design på behållaren med kopplingsmekanismen, kom den slutgiltiga prototypen att se ut som illustrerat i figur 20. Vidare kan man i figur 21 se en illustration, av hur det är tänkt att hela systemet ska stå vid en produktionslinje.

(36)

30

Figur 21: Illustration av hela systemet vid en produktionslinje.

5.5 Inkoppling och styrning av prototypen

Vid styrning av pneumatikkomponenter används olika ventiler beroende på cylindertyper. Vi har valt att aktivera ventiler elektriskt med hjälp av en PLC. Inkopplingar mellan ventiler och cylindrar hittas i bilaga 5 där man också kan se de olika ventiltyper som används. Vidare kan man se hur ventilerna är inkopplade till PLC:s utgångsmoduler. Varje cylinder och vridmodul är försedd med magnetiskt aktiverade givare, eftersom man önskar känna till positionerna på dessa. För rotation av robotarmen är det sedan tidigare känt att en asynkronmotor tillsammans med en frekvensomriktare kommer att användas. Frekvensomriktare aktiveras ifrån PLC:s utgångsmodul som därmed aktiverar motorn.

Vid programmering av prototypen användes B&R:s Automation Studio v.3. Programmeringsspråket är av typen ”Structure Text” och kan ses som en förenklad variant av C-programmeringsspråket. För programkod, se bilaga 7.

(37)

31

6 SLUTSATSER OCH DISKUSSION

Problematiken kring hur en flaska tas från transportbandet klaras av med hjälp av tryckluft som redan används vid produktionslinjerna i glasfabriker. Då man använder tryckluft vet man inte exakt var flaskan kommer att hamna. Därför utvecklades en uppsamlare som leder flaskan ner i en behållare. Behållaren hålls av en konstruktion som kan ändras i höjd, längd och rotation. Dessa funktioner gör att det är möjligt att placera behållaren på en våg och dessutom utföra en rotation på behållaren, vilken gör att flaskan kan kasseras. Konstruktionen klarar därmed huvuduppgifterna.

Projektgruppen har försökt lösa uppgiften med de krav som uppdragsgivaren formulerade. Prototypen byggdes utifrån den budget som beviljades, vilket har gjort att många komponenter inte är valda till den flexibilitet som är tänkt att vara från början. Trots detta klaras arbetsuppgifterna av.

Brist på flexibilitet medför, ifall en serieproduktion påbörjas, att varje robot måste anpassas i enlighet med de variationer som uppstår mellan olika produktionslinjer ute i världen. Detta är inte något större arbete eftersom själva kärnan av styrningen inte ändras. Lösningen hade däremot varit mer flexibel, ifall elektriskt styrda linjärmoduler användes istället för pneumatiska.

6.1 Framtida utökningar av funktionaliteten

Prototypens flexibilitet kan utökas genom att implementera en pulsgivare på motorn. Flexibiliteten utökas på så sätt, att man inte behöver positionera med hjälp av givare, utan endast använda sig av ren programvarumässig styrning.

Vid flertal tester av prototypen uppstod vibrationer på konstruktionen vid indragning av den horisontella armdelen. Detta uppstod endast då den vertikala armdelen var utdragen. Problemet kan åtgärdas med hjälp av en kullagrad linjärmodul istället för en glidlagrad linjärmodul. Dessutom måste kraftigare modeller av aluminiumprofiler användas vid framtagning av nedre konstruktionen för att en stabil konstruktion ska erhållas.

(38)

32

7 REFERENSLISTA

Litteratur:

[1] Karl Björk, Formler och Tabeller för Mekanisk Konstruktion, sjätte upplagen, Spånga, Sjätte upplagen

[2] Ragner Grahn och Per Åke Janson, (2000), Mekanik, Studentlitteratur, Andra upplagen ISBN 91-44-01909-2

[3] Ragner Grahn, Per Åke Janson,(1995), Dynamik, Studentlitteratur, ISBN 91-44-48841-6 [ 4] Lennart Ekbom och Stig Larsson, (2003), Tabeller och formler för NV och TE, Liber, Upplaga 5, ISBN 9789147017461

[5] Hjälpreda för planering av servodrift CRM system AB 1995

[6] Hans Johannesson, Jan-Gunnar Persson, Dennis Pettersson, (2004), Produktutveckling, Liber AB, ISBN 91-47-05225-2

[7] Vejle Tekniske Skole, (2001), Pneumatik 1, Industriens Forlag [8] Alf Alfredsson, (2000), Elkraft, Upplaga 3, ISBN 9789147015498

Internetkällor

[9 ] Gob mage analyser - Seeing is knowing, Gedevelop’s brochure,

http://www.gedevelop.com/media/9313/gia%20brochure.pdf (Accessed 2009-03-20)

[10] SMC Rotary Table Model Selection, (CAT.EUS20-187 –UK), SMC Pneumatics Sweden AB, www.smc.nu (Accessed 2009-04-08)

[11 ] Optikeryrkets historia - från 1930 talet och framåt, Publicerad oktober 2008,

http://web1.japp.nu/projects/Optikerforbundet/upload/info/Files/Tekniska_landvinningar_glas ogon.pdf (Accessed 2009-04-20)

[12] Festo AB online katalog,

(39)

33

8 BILAGOR

8.1 Bilaga 1: Pneumatik

Ett vanligt förekommande pneumatiskt system byggs upp av luftkompressor, luftbehandlingsenhet, ventiler samt cylindrar.

Luftkompressor

Luftkompressorn är huvudbeståndsdelen i ett pneumatiskt system som levererar luft till olika förbrukare. Kompressor drivs av en motor som komprimerar luften vilken senare kyls och leds till en tryckluftsbehållare. Via rörnätet leds senare tryckluften från behållaren till olika förbrukningstagare.

I ett pneumatiskt system är det viktigt att beräkna luftförbrukningen så att rätt luftkompressor väljs. Om ett system består av fem cylindrar adderar man deras luftförbrukning så att en totalluftförbrukning fås.

En dubbelverkande cylinders luftförbrukning fås med hjälp av ekvation: 𝑞𝑉 = 2 ∗ 𝑠 ∗ 𝑛 ∗ 𝑞

Ekvation 1, bilaga 1: Dubbelverkande cylinders luftförbrukning [7]

qV är luftförbrukningen i l/min, s är slaglängden i cm, n är antal dubbelslag/min och q är luftmängd/cm slaglängd.

En cylinder med följande data får en luftförbrukning på: s = 300 mm, n = 20 slag/min, q = 0,064 l/cm, d = 25 mm

𝑞𝑉 = 2 ∗ 30 ∗ 20 ∗ 0,064 → 𝑞𝑉 = 76,8 𝑙/𝑚𝑖𝑛 Luftbehandlingsenhet

En annan viktig del i ett pneumatiskt system är luftbehandlingsenheten som består av ett filter, en reduktionsventil och en smörjningsapparat, därav beteckningen FRS.

(40)

34

Figur 1, bilaga 1: Förenklad symbol av luftbehandlingsenheten som består av ett filter, en reduktionsventil och en smörjningsapparat.

Ventiler

För att reglera luften används olika typer av ventiler. Inom tryckluftsautomation används speciellt konstruerade ventiler som är indelade i fyra huvudgrupper:

• Riktventiler - dirigerar luftströmmen genom en bestämd väg eller port. Styrningen av dessa ventiler kan vara mekanisk, elektrisk, manuell eller pneumatisk.

• Strömventiler – reglerar luftmängden som passerar per tidsenhet.

• Tryckventiler – säkrar konstant tryck och ingår i bland annat luftbehandlingsenheter. • Kontra-, växel- och snabbluftsventiler – används där det bara råder fri

genomströmning i bara en riktning.

Då vi endast kommer att använda oss av elektriskt styrda riktventiler förklaras dessa lite närmare.

Ventilerna har olika beteckningar beroende på hur många portar och lägen de har.

2/2 riktventil – öppnar eller stänger alla förbindelser genom en ledning. Beteckningen betyder att vi har en ventil med 2 portar och 2 lägen.

Figur 2, bilaga 1: 2/2 riktventils symbol, där vänstra figuren visar en normalt stängd ventil och figuren till höger visar en normalt öppen ventil.

3/2 riktventil – används speciellt som styrventil till en enkelverkande cylinder. Beteckningen betyder att vi har en ventil med 3 portar och 2 lägen.

(41)

35 Om port 1 som normalt är stängd ansluts till tryckluft är vägen för luften stängd i detta läge. Kolven på cylindern är i inskjutet läge på grund av fjädern. Mellan port 2 och 3 är förbindelsen öppen. Om man aktiverar ventilen fås en förbindelse mellan port 1 och 2 vilket leder till att tryckluften trycker ner kolven. Avaktiveras ventilen stängs vägen för tryckluften, men istället öppnas en väg mellan port 2 och 3 vilket leder till en avblåsning. Fjädern i cylindern gör att kolven åker upp och pressar ut luften.

5/2 riktventil – Används som styrventil för dubbelverkande cylindrar. I en dubbelverkande cylinder finns ingen fjäder som driver tillbaka cylindern utan tryckluften leds på båda sidor om kolven. 5/2 ventilen skiftar luftströmmen mellan de 2 cylinderportarna således när det är tryck på den ena porten så vill den andra porten vara i förbindelse med avblåsningen och omvänt.

Figur 4, bilaga 1: Princip för 5/2 riktventil för styrning av dubbelverkande cylinder.

Cylindrar

Cylindrarna utför huvudparten av handlingarna vid tryckluftautomatiserade maskiner. Det finns två typer av cylindrar, enkelverkande och dubbelverkande.

Fördelen med enkelverkande cylindrar är att de har en liten luftförbrukning då de endast behöver luft till att dra ut kolven. Dessutom krävs inga dyra styrventiler. Vid returnering av kolven används cylinderns fjäder, vilket innebär att arbetet endast kan utföras vid tillförseln av tryckluft. Nackdelen med enkelverkande cylindrar är att slaglängden är begränsad av hänsyn till fjädern.

Dubbelverkande cylindrar kan däremot utföra arbetet i båda riktningar eftersom ingen fjäder används. På grund av detta är det också möjligt att få en slaglängd efter önskemål. Dessa cylindrar förbrukar mycket luft och dessutom är styrventilerna betydligt dyrare än för enkelverkande cylindrar.

(42)

36 𝑞𝑉 = 2 ∗ 𝑠 ∗ 𝑛 ∗ 𝑞 → n

=

∗ ∗

Halveras luftförbrukningen, så halveras också antalet dubbelslag/min vilket leder till en mindre hastighet på kolvrörelsen.

Krafter som en cylinder kan klara av beräknas med hjälp av tryck ekvation:

𝐹 = 𝐴 ∗ 𝑃 Ekvation 2, bilaga 1: Ekvation för tryck [4] 𝐹 = ((0.02 ∗ 𝜋) ∗ (6 ∗ 10 )) → 𝐹 = 754 𝑁

En cylinder med en kolvdiameter på 40 mm och som arbetar under 6 bar tryck kan utveckla en kraft på 754 N.

Vid returnering av kolven blir kraften mindre eftersom kolvarean är mindre på grund av cylinderstången. Beräkningen av kraften vid returnering med cylinderstånd av diameter på 10 mm blir därmed:

(43)

37

8.2 Bilaga 2: Matlab M-filer

Matlab M-fil: Beräkningar vid komponentval

%======================================================= %"Design av lösningsforslag 2" %======================================================= %Krafter på vridmodulen %---%Input*********************************************************************

m1=7; %behållarens massa + flaska + avkopplingsmekanismen i kg

d1=0.25; %behållarens längd

%**************************************************************************

l1=d1; %längd på behållaren och avkopplingsmekanismen till tröghetsmomentberäkning

F1=m1*9.82; %kraften som verkar på vridmodulen

m1_CG=d1/2; %avstånd från vridmodulen till behållarens gravitationscentrum

disp('---') disp(['Rotary drive(2) - Radial Force ',num2str(F1),'N at ',num2str(m1_CG),'m']) %Input********************************************************************* h1=0.3; %höjden på behållaren b1=0.2; %bredd på behållaren %************************************************************************** kgm2=m1*(h1^2+b1^2)/12; %tröghetsmomentberäkning

disp(['Rotary drive(2) - Inertial moment ',num2str(kgm2),'kgm2 or ',num2str(10000*kgm2),'kgcm2']) %---%Vridmodulens dimensioner %---%Input********************************************************************* m2=2.0; %vridmodulens massa i kg d2=0.0515; %vridmodulens längd i meter b2=0.2; %bredden på vridmodulen %************************************************************************** l2=d2; %längd på vridmodulen för till tröghetsmomentberäkning

%Påverkning från m1 och m2 på linjärmodulet

%---m1_2=m1+m2; %samlad massa av vridmodulen och behållaren

CG_m1_2=(((d1/2+d2)*m1)+((d2/2)*m2))/(m1+m2); %samlad gravitationscentrum av vridmodulen och behållaren

F2=m1_2*9.82;

disp(['Horizontal module - Force ',num2str(F2),'N at ',num2str(CG_m1_2),'m'])

%---%Dimensioner på vågrätt linjärmodul

%---%Input*********************************************************************

(44)

38

d3=0.0+0.2; %avstånd från rotationsaxeln till vridmodulen, slaglängd + offset från rotationsaxeln

m4=2.5 ; %massan av modulen som är placered bak från rotationsaxeln

d4=0.3; %avstånd från rotationsaxeln till ändan av modulet

b3=0.15; %bredden på modulet, framför rotationsaxeln

%**************************************************************************

b4=b3; %bredden på modulet, bak från rotationsaxeln

l3=d3; %längden framför rotationsaxeln är samma som d3, till inerti beregninger

l4=d4; %längden på modulet bag rotationaksen er samme som d4, till tröghetsmomentberäkning

m_tot_h=m1+m2+m3+m4; %massan av alla komponenter över det lodrätta modulen

F3=m_tot_h*9.82; %kraft som värkar på modulet

disp(['Vertical module - Force ',num2str(F3),'N'])

%---%Dimensioner på lodrät linjärmodul

%---%Input*********************************************************************

m5=10; %massan av det lodrätta modulen

b5=0.15; %bredden på lodrät modul

%**************************************************************************

m_tot=m1+m2+m3+m4+m5; %massan av alla komponenter

F4=m_tot*9.82; %kraft som värkar på vridmodulen

disp(['Rotary drive(6) - Axial Force ',num2str(F4),'N'])

%Momentet som värkar på det nedersta rotationsmodulen

%---kgm_1=(d1/2+d2+d3)*m1; %behållaren

kgm_2=(d2/2+d3)*m2; %vridmodul

kgm_3=(d3/2)*m3; %linjär modul framför rotationsaxseln

kgm_4=(-d4/2)*m4; %linjär modul bak från rotationsaxseln

kgm_tot=kgm_1+kgm_2+kgm_3+kgm_4;

d_M=kgm_tot/m_tot_h; %den vågräta konstruktions tyngdpunkt, gravitationscentrum

M_RD=kgm_tot*9.82; %momentet som värkar på vridmodulen

disp(['Rotary drive(6) - Moment ',num2str(M_RD),'Nm '])

%Tröghetsmomentberäkning %---I1=((d1/2+d2+d3)^2)*m1+m1*((4*l1^2+b1^2)/12); I2=((d2/2+d3)^2)*m2+m2*((4*l2^2+b2^2)/12); I3=m3*((l3^2+b3^2)/12); I4=m4*((l4^2+b4^2)/12); I5=0; I_tot=I1+I2+I3+I4+I5;

disp(['Rotary drive(6) - Inertial moment ',num2str(I_tot),'kgm2 or ',num2str(10000*I_tot),'kgcm2'])

disp(['Vertical module - Force ',num2str(F3),'N at ',num2str(d_M),'m'])

(45)

%---39

Förklaring till Matlab M-filen: Beräkningar vid komponentval

Bestämning av krafter som verkar på vridmodulen för rotation av behållaren, utifrån behållarens och kopplingsmekanismens massa och avstånd:

• m1 = behållarens massa inklusive flaskan + kopplingsmekanism = 5 kg + 2 kg • d1 = behållaren och kopplingsmekanismens längd

• 𝐹1 = 𝑚1 ∗ 9,82

Vid rotation uppstår ett visst tröghetsmoment i behållaren som kan begränsa valet av vridmodul. Istället för att beräkna tröghetsmomentet i behållaren utifrån en exakt ekvation, ersätts denna med en rektangulär platta. Beräkningarna blir därmed mindre komplexa och man kan använda formler ur formelsamlingen. Det antas att massan är homogent fördelad. Tröghetsmomentet för en rektangulär platta beräknas på följande sätt:

𝐼 = 𝑚 ∗𝑎 + 𝑏 12

Ekvation 1, bilaga 2: Beräkning av tröghetsmomentet för en rektangulär platta. Gäller även i fall där tjockare plåt används.

Utifrån resultatet av de första beräkningarna bestäms typ och dimension på vridmodulen: • m2 = vridmodulens massa

• d2 = vridmodulens längd • b2= vridmodulens bredd

Den totala påverkan från m1 och m2 på linjärmodulen beräknas. Först den totala massan: 𝑚1_2 = 𝑚1 + 𝑚2

Därefter avståndet till totala gravitationscentrum:

CG_m1_2 = ((d1 + d2) ∗ m1 + d2

2 ∗ m2) (m1 + m2)

Ekvation 2, bilaga 2: Anpassad ekvation för beräkning av avståndet till total gravitationscentrum.

(46)

40 • m3 = massan på modulen som är placerad framför rotationsaxeln.

• d3 = avstånd från rotationsaxeln till vridmodulen(2)

• m4 = massan på modulen som är placerad bakom rotationsaxeln. • d4 = avstånd från rotationsaxeln till ändan av modulen.

Momentet som påverkar vridmodulen kan bestämmas utifrån den totala massan av alla komponenter, och deras gravitationscentrums avstånd till rotationsaxeln. Kraften som verkar direkt ned på vridmodulen blir den totala massan m_tot. I tabell 1, bilaga 2, kan man se att komponent 4 får en negativ moment eftersom den ligger bakom rotationsaxeln. Avstånden som momentet beräknas ifrån blir:

d_m = kgm_tot m_tot Momentet blir då:

M = kgm_tot ∗ 9,82

Komponent nr. Massa/kg Avstånd/m kg*m

1 m1 d1/2+d2+d3 m1*(d1/2+d2+d3)

2 m2 d2/2+d3 m2*(d2/2+d3)

3 m3 d3/2 m3*(d3/2)

4 m4 -d4/2 m4*(d4/2)

– m_tot – kgm_tot

Tabell 1, bilaga 2: Tabell för beräkningar av moment som verkar på vridmodulen för hela konstruktionen. [2]

Tröghetsmomentet i hela konstruktionen beräknas när linjärmodulen är helt tillbaka. Istället för att beräkna varje enskild del utifrån form och storlek, ersätts alla delarna med tunna rektangulära plattor. Beräkningarna blir därmed mindre komplexa och man kan använda formler ur formelsamlingen. Det antas att massan i komponenterna är homogent fördelad. Tröghetsmomentet för varje enskild komponent beräknas på följande sätt:

𝐼 = 𝑚 ∗ 𝑎 + 𝑚 ∗4𝑎 + 𝑏 12

Ekvation 1, bilaga 2: Anpassad tröghetsmomentekvation för varje enskild komponent, där a är komponentens längd och b är bredden.

Komponent nr. Massa/kg Avstånd/m kg*m^2

(47)

41 3 m3 d3/2 m3*(4*l3^2+b3^2)12 4 m4 d4/2 m4*(4*l4^2+b4^2)12

5 m5 - m5*(b5^2/12)

- - - I_tot

Tabell 2, bilaga 2: Tabell för beräkningar av tröghetsmoment som verkar på vridmodulen för hela konstruktionen. [2]

Matlab M-fil: Acceleration

%---%Hastighet

%---x=0:0.01:1;

y1=x.^2; %Förste halvdel av s-kurven

w=fliplr(y1);

y2=abs(w-1)+1; %Symmetrisk kurva till första halvdelen med

%motsatt forlopp

plot(x+1,abs(y2)) %Plot användes till att finna funktion for

%kurven m.h.a "Basic fitting"

%y=-x^2 + 4x - 2 funktion fra basic fitting

y3=[y1 y2(2:101)] x1=0:0.01:2;

subplot(3,1,1),plot(x1,y3,'r','LineWidth',3);grid ylabel('Hastighet')

%---%Acceleration

%---y1=2*x; %derivering av första halvdelen av S-kurvan

y2=(-2*x + 4)-2; %derivering av andra halvdelen av S-kurvan

y3=[y1 y2(2:101)] %första + andra halvdel

subplot(3,1,2),plot(x1,y3,'r','LineWidth',3);grid ylabel('Acceleration')

%---%Ryck

%---y1=2*ones(1,101) %andra derivering av första halvdelen av S-kurvan

y2=-2*ones(1,100) %andra derivering av andra halvdelen av S-kurven

y3=[y1 y2] %först + anden halvdel

subplot(3,1,3),plot(x1,y3,'r','LineWidth',3);grid ylabel('Ryck')

(48)

42

8.3 Bilaga 3: Konstruktionsdels- och komponentdels lista

Festo – pneumatikkomponenter

Artikel nr Antal Produktbeskrivning

34482

1 st

Guide units FEN/FENG for ISO standard cylinders For standard-based cylinders

Diameter: 40 mm, Slaglängd: 320 mm 532736 1 st Standards-based cylinders Diameter: 40 mm Slaglängd: 320 mm 563347 1 st Semi-rotary drives DRQD-B-25-180

Används för rotation av behållaren i övre delen av armen.

536 245

2 st

ADN-20-20-I-P-A

Kortslagscylinder (20 mm slaglängd, 20 mm i diameter) för att hålla i behållaren. 2 st.

156204

1 st

ADVUL-32-300-P-A

Slaglängd 300 mm, 32 mm diameter. Används för att lyfta upp armen.

156204 _{1 st}

ADVUL-32-100-P-A

Slaglängd 100 mm, 32 mm diameter

Används för att lyfta upp armen tillsammans med 300 mm cylindern. Därefter sänks den för att sätta behållaren på vågen.

173210 _{12 st} SME-10-KL-LED-24

Sensorer som fästs på cylindrar för att veta positionerna på cylindrar.

530258 _{1 st}

Service unit combination Filter-regulator-lubricator combination, 12 bar maximum output pressure, 5 µm filter, with pressure gauge, lockable regulator head, metal bowl, manual condensate drain, direction of flow: from left to right.

195281 _{20 m} _{Plastic tubing highly resistant to chemicals and hydrolysis.}

193144 _{9 st} One-way flow control valve For exhaust air flow control, with swivel joint.

193145

2 st

One-way flow control valve For exhaust air flow control, with swivel joint.

18210

1 st Valve terminal Grid dimension 14 mm.

(49)

43

B&R - PLC system med I/O och strömförsöjning

1 st

X20CP0291

X20 CPU, Compact CPU μP16, 100 KB SRAM, 1 MB FlashPROM, Support of RS232 and CAN corresponding to Compact CPU Base, 1 Ethernet Interface 100 Base

1 st

X20PS9500

X20 supply module for Compact and Fieldbus CPU and power bus, X2X Link bus supply

1 st

X20BB22

X20 Compact CPU Base, for Compact CPU and Compact CPU Power Supply Module, Base for integrated RS232 Interface, X20 Connection

3 st

X20DI6371

X20 Digital input module, 6 inputs, 24 VDC, sink, configurable input filter, 2 wire technology

3 st

X20DO6322

X20 digital output module, 6 outputs, 24 VDC, 0.5 A, source, 2 wire technology

6 st

X20BM11

X20 bus module, 24 V coded, interconnected internal I/O supply

7 st X20TB12

X20 terminal block, 12-pin, 24 V coded

1 st

0PS104.0

24 VDC Power Supply, 1 phase, 4.2 A,

(50)

44

Nordela – Asynkronmotor med växel

K 9IP90 FH-T, 3-fas 90W +

K 9P 60BU

1 st GGM 90W Asynkronmotor med utväxling 60:1

Beijer Electronics – Frekvensomriktare

FRD-720S-014EC _{1 st} _{Enfasmatad frekvensomriktare. Effekt 200 W.}

ELFA – Givare, sladdar mm.

37-574-16 _{3 st} Induktiv givare E2A-S08KN04-WP-B2 2M 55-818-48 _3m _{Styrkabel skärmad 4G0,75} 55-770-02 _3m _{Kabel LiYCY 7x0.14 mm²} 55-572-10 _10m _{Kopplingstråd röd 0,25 mm²} 55-572-02 _10m _{Kopplingstråd svart 0,25 mm²}

(51)

45

Aluflex – Konstruktion

0.0.026.33 2,14m Profil 8 40x40 Lätt (HL=6m) 2,14 M Längd: 4*500 mm & 2*70 mm 0.0.026.07 8 st Standardförbindning Set 8 0.0.026.01 6 st Täcklock 40x40

LAH15EMZ 2 st Åkvagn LH, storlek 15, normalbred, Z1

L1H15LCN-PCZ 1m Styrskena LH, stl 15 HL=1,98m för fixering ovanifrån, klass N 0.0.420.05 _{16 st} _{Spårmutter 8 St M5}

0.0.026.03 3m Profil 8 40x40 (HL=6m)

Längd:2*1500 mm

0.0.196.45 _{2 st} _{Vinkelställfot Set 8,justerbar}

(52)

46