PRODUCTVERSLAG
Project: Elektrische mast
Versie: 3.0
Startdatum: 31-1-2011
Einddatum: 24-6-2011
Akkoord Bedrijf
Akkoord Hogeschool
Opsteldatum:
C. van Dongen A. van den Hengel 22 – 02 – 2011
……….
……….
Door: John Snijders 2012902
Voorwoord
Voor u ligt het rapport dat verslag doet over mijn afstudeerproject aan de Avans Hogeschool Breda van de opleiding Mechatronica. Dit projectrapport is tot stand gekomen door de vraag naar een nieuw product voor de tot op heden gebruikte elektrische mast door het productiebedrijf MQ Statieven bv te Etten-Leur. Deze verslaglegging is bestemd voor de medewerkers van MQ Statieven bv, de Hogeschooldocent, John Snijders en eventueel andere geïnteresseerden.
Bij deze wil ik MQ Statieven bv bedanken voor hun informatie en medewerking om dit afstudeerproject te faciliteren.
John Snijders Februari 2011
Samenvatting
In dit rapport wordt ingegaan op het project „elektrische mast‟ van de afstudeerperiode. Hierin worden alle aspecten van het project behandeld.
De opdracht betreft het ontwikkelen van een nieuwe elektrische mast met een groter bereik. De sector waar deze elektrische mast het meest wordt toegepast is bij het egaliseren van grond met behulp van een grondverzetmachine. Voor een goede vlakke grond en voor de zekerheid van vlakte te waarborgen wordt dit gedaan met behulp van lasertechniek. De laserapparatuur bestaat uit een zender en ontvanger. De zender is een lasersysteem dat op een statief in het veld is geplaatst. Op de grondverzetmachine is een elektrische mast geplaatst met daarop de laserontvanger. Tijdens het egaliseren wordt de ontvanger op de gewenste hoogte ingesteld. Wanneer de grond ongelijk is en de ontvanger signaleert dat deze zich te hoog of te laag bevindt zal deze een melding geven.
Met de huidige techniek kan geen groter bereik gerealiseerd worden. Het probleem hiervan is namelijk dat de spindel, in de huidige mast, zal uitknikken. De doelstelling is het ontwikkelen en bouwen van een werkend prototype met een nieuwe techniek die een groter bereik kan realiseren. Er dient een nieuwe aandrijving bedacht te worden die op grote hoogte blijft functioneren.
Er zijn eisen opgesteld waaraan de nieuwe elektrische mast minimaal aan moet voldoen. Belangrijke eisen zijn de nauwkeurigheid van 1mm, de loopsnelheid van 45mm/s en de maximale kostprijs van €1200,-. Om een nieuwe elektrische mast te ontwikkelen wordt de bestaande elektrische mast geanalyseerd om de exacte werking te begrijpen.
Het egalisatieproces, waarin de elektrische mast zich bevindt, is vervolgens opgedeeld in deelfuncties. De elektrische mast is deel van dit proces en niet alle functies van het proces hebben betrekking tot de werking van de mast. Daarom zijn de deelfuncties van de mast apart opgesomd. In de eisen wordt er gesproken over de nauwkeurigheid. Om het begrip goed te begrijpen is er onderzoek gedaan naar het begrip. Hieruit blijkt dat het begrip uit twee delen bestaat, welke juistheid en precisie zijn. Aan de hand van de analyse van de elektrische mast en het onderzoek naar nauwkeurigheid kunnen de concepten bedacht worden. De concepten zijn opgesteld in een morfologisch overzicht. Uit dit overzicht worden drie verschillende structuren gekozen die elk een mogelijke oplossing zijn. Het definitieve concept wordt gekozen met behulp van de Kesselringmethode. Deze methode reikt punten toe aan de variabele eisen waardoor het beste concept naar voren zal komen.
Het gekozen concept is een mast met een tandheugeloverbrenging buiten op de buis. De mast wordt met behulp van een voetplaat gemonteerd aan de vaste wereld. Om de laserontvanger te bevestigen wordt er gebruikt gemaakt van een adaptor, waar de ontvanger van de klant op kan worden
gemonteerd. Op de buis, waar de tandheugel op is bevestigd, zal een geleidehuis lopen die de ontvanger met zicht meeneemt. Het geleidehuis wordt meegenomen door het motorhuis, waar een motor aan is bevestigd met een tandwiel die in de tandheugel valt. Op deze manier is het mogelijk de ontvanger te transleren in verticale richting.
De bestaande besturing kan ook gebruikt worden op de nieuwe elektrische mast. De hardware blijft hetzelfde, maar de software wordt aangepast hiervoor. De bestaande software wordt aangepast, omdat er een mast met andere eigenschappen ontwikkeld is. Dit omvat zaken als weerstand en motor. Om het prototype te produceren zijn 3D- en 2D- tekeningen gemaakt. De 2D – tekeningen zijn enkel gemaakt van de onderdelen die gefabriceerd of bewerkt dienen te worden.
Het prototype is nu dusdanig ontwikkeld dat het geproduceerd kan worden. Van de gemaakte kosten tijdens de productie van het prototype is een kostenlijst gemaakt. Tevens is er een risicoanalyse terug te vinden van het product. Deze omschrijft het risico wat de nieuwe elektrische mast met zicht meeneemt en of deze aan de veiligheidsnormen voldoet. Hieruit blijkt dat de nieuwe elektrische mast aan de norm voldoet voor een CE – keurmerk.
Als de nieuwe elektrische mast gerealiseerd is wordt er getest of deze aan de eisen voldoet die hieraan gesteld zijn. De mast wordt getest op de vergelijking van de software met de werkelijkheid, de nauwkeurigheid en de snelheid.
Het prototype is getest en is er gebleken dat de nieuwe elektrische mast de capaciteit heeft die geëist is. Ook de geëiste nauwkeurigheid van de nieuwe elektrische mast is naar behoren. De kosten liggen op het moment onder de maximale kosten, maar kunnen door verdere uitbreiding van de mast daar boven komen te liggen. Dit kan opgelost worden door kwantumkortingen op bepaalde koopdelen. Ook complexe fabricaten kunnen gegoten worden in plaats van te verspaand worden.
Inhoudsopgave
INLEIDING ... 5
1. ORIËNTATIE FASE ... 6
1.1 VOORONDERZOEK ... 6
1.2 PAKKET VAN EISEN ... 8
1.3 ANALYSE MAST ... 9 1.4 FUNCTIE OVERZICHT ... 11 1.5 NAUWKEURIGHEID ... 15 2. CONCEPT FASE ... 17 2.1 MORFOLOGISCH OVERZICHT ... 17 2.2 ALTERNATIEVE STRUCTUREN ... 18 2.3 CONCEPTKEUZE ... 18 3. ENGINEERING FASE... 20 3.1 UITGEWERKT CONCEPT ... 20 3.2 MATERIAALKEUZE ... 24 3.3 COMPONENTKEUZE ... 25 3.4 HARDWARE ... 29 3.5 SOFTWARE ... 31 4. REALISATIE FASE ... 34 4.1 SAMENSTELLING ... 34 4.2 KOSTENLIJST ... 34
4.3 RISICOANALYSE / FMEA (FAILURE MODE AND EFFECT ANALYSIS) ... 35
5. TEST FASE ... 37
5.1 TESTOPSTELLING ... 37
5.2 TESTPROCEDURE ... 37
6. CONCLUSIE & AANBEVELING ... 39
LITERATUURLIJST ... 40
BIJLAGEN ... 41
BIJLAGE I: PROJECT MANAGEMENT DOCUMENT ... 41
BIJLAGE II: KESSELRINGTABELLEN ... 53
BIJLAGE III: MOTOR; SPECIFICATIE / CAPACITEITSBEREKENING ... 54
BIJLAGE IV: SPECIFICATIE TANDHEUGEL / TANDWIEL ... 59
BIJLAGE V: LAGERSPECIFICATIE ... 61
BIJLAGE VI: SPECIFICATIE FLEXIBELE KOPPELING ... 63
BIJLAGE VII: KOSTENLIJST ... 65
BIJLAGE VIII: 3D – MODELLEN... 69
BIJLAGE IX: 2D – WERKTEKENINGEN ... 78
BIJLAGE X: SAMENSTELLINGSTEKENINGEN ... 94
BIJLAGE XI: RISICOTABELLEN ... 95
BIJLAGE XII: FMEA (FAILURE MODE AND EFFECT ANALYSIS) ... 98
BIJLAGE XIII: TESTRAPPORT ... 103
Inleiding
Dit educatieve project omvat het afstudeertraject van het vierde jaar van de studie Mechatronica. Het project heeft betrekking op de elektrische mast van MQ Statieven bv die voornamelijk wordt gebruikt op verschillende grondverzetmachines, maar ook andere toepassingsgebieden heeft zoals fotografie of bij het gebruik van beveiligingscamera‟s. De uitdaging is het ontwerpen van een nieuwe elektrische mast met bijbehorende documentatie. De nieuwe elektrische mast moet een groter bereik hebben als de huidige mast. De stabiliteit is hierbij een belangrijke factor.
Het doel van dit project is het product van MQ Statieven te vernieuwen volgens de eisen van MQ Statieven en de wensen van de klanten. Daarnaast biedt het project de kans om persoonlijke vaardigheden op te doen en te verbeteren. Gedacht kan worden aan communiceren, vergaderen, rapportagetechniek en werken in de praktijk. Het mechatronische aspect komt aan bod door het werktuigbouwkundig ontwerpen en bouwen en de elektronische besturing.
Om het project van begin af aan in goede banen te leiden is er een Project Management Dossier (PMD) opgezet. Hierin is te vinden hoe de kwaliteit van het project gewaarborgd wordt. Het PMD is te vinden in bijlage I.
Het project is gefaseerd uitgevoerd wat gedaan is aan de hand van de volgende vijf fases:
In de eerste fase, genaamd de „Oriëntatie Fase‟ en te vinden in hoofdstuk 1, is vooronderzoek verricht naar de opdracht. De opvolgende „Concept Fase‟ in hoofdstuk 2 omvat afspraken over de eisen waaraan het ontwerp zich moet voldoen. In deze fase is de probleemstelling uitgekiemd en zijn deelproblemen geformuleerd. Hier zijn vervolgens deeloplossingen uit voortgekomen die samen het concept vormen. In hoofdstuk 3, de „Engineering Fase‟, wordt dit concept uitgewerkt tot een productierijp prototype dat in hoofdstuk 4, de „Realisatie Fase‟, wordt gerealiseerd. Als het prototype gebouwd is kan dit vervolgens getest worden in de laatste fase van het project, de „Test Fase‟. Deze fase is terug te vinden in hoofdstuk 5 van dit rapport.
1. Oriëntatie Fase
In deze fase wordt beschreven welk vooronderzoek er is gepleegd.
De probleemstelling en doelstellingen worden geformuleerd en er wordt een pakket van eisen opgesteld. De huidige mast wordt toegelicht en de functies van het te realiseren product worden opgesomd.
1.1 Vooronderzoek
1.1.1 Opdracht
De originele mast is een elektrische mast die vele toepassingsgebieden kent. Bij deze toepassingen kan men denken aan grond egaliseren met grondverzetmachines, plaatsing van tijdelijke
beveiligingscamera‟s of in de fotografie voor het fotograferen vanuit een hoog perspectief. De eerste toepassing, grond egaliseren met grondverzetmachines, is de sector waar deze mast het meest wordt toegepast.
Voordat er wordt geconstrueerd op bouwgrond wil men vanuit een vlak stuk grond van start gaan om een goede basis te hebben. Om deze zekerheid van vlakte te waarborgen wordt dit gedaan met behulp van lasertechniek.
De laserapparatuur bestaat uit een zender en ontvanger. De zender is een lasersysteem dat op een statief in het veld is geplaatst. De laser zendt over 360 graden een laserstraal over het veld uit. Op de grondverzetmachine is een elektrische mast geplaatst met daarop de laserontvanger die over een vlak van 360 graden ontvangt, zie afbeelding 1 . Tijdens het egaliseren wordt de ontvanger op de
gewenste hoogte ingesteld. Wanneer de grond ongelijk is en de ontvanger signaleert dat deze zich te hoog of te laag bevindt zal deze een melding aan de machine geven waarop deze automatisch het schaafblad omlaag of omhoog zal verplaatsen.
De vraag vanuit de klant is een nieuwe elektrische mast te ontwikkelen met een grote slag.
Afbeelding 1: Laserontvanger
1.1.2 Probleemstelling
De ontvanger moet boven de grondverzetmachine uitkomen om continue de lasterstraal te ontvangen. Bij grote machines dient de mast dan zo lang te worden dat dit met het huidige model niet
gerealiseerd kan worden. Als de mast met de huidige techniek wordt uitgebreid komen er een aantal zwakke punten naar voren. De dunne buis zal met een grotere lengte minder stabiel zijn en de inwendige spindel zal ook moeten worden vervangen worden door een zwaarder model, omdat er anders sprake zal zijn van uitknikken van de spindel. De spindel moet op deze afstand zo groot en lang worden dat het geheel niet te maken is of heel duur wordt.
Kort gezegd: De mast heeft een beperkte slag die met de huidige techniek niet kan worden uitgebreid.
1.1.3 Doelstelling
De doelstelling voor dit project is het ontwikkelen van een nieuwe elektrische mast waarbij het mogelijk is om uit te breiden naar een groter bereik.
Het project wordt in mijlpalen opgedeeld. Op deze momenten wordt het proces geëvalueerd en zal, indien nodig, de planning worden aangepast. De volgende mijlpalen zijn opgesteld:
PMD
Het project wordt gestart door een project management document (PMD) op te stellen. Hierin staat informatie over en om het project.
Nadat dit document is goedgekeurd door de bedrijfsbegeleider en docentbegeleider kan het project vervolgt worden. Het PMD is te vinden in bijlage I.
Ontwerpverslag
Nadat de eisen opgesteld zijn kan aan de hand hiervan een concept worden bedacht. Het concept wordt schriftelijk uitgewerkt met daarbij alle bijbehorende zaken.
Voldoet het concept niet aan de gestelde eisen, dan dient dit aangepast te worden zodat deze voldoet.
Prototype en testopstelling bouwen
Een prototype en testopstelling mag pas gebouwd worden wanneer de kosten van het uitgewerkte concept binnen de begrootte kosten vallen. Is dit niet het geval, dan dient het concept aangepast te worden.
Testrapport
Een testrapport word geschreven nadat de testopstelling is gebouwd en de elektrische mast naar behoren functioneert. De mast functioneert naar behoren wanneer een nauwkeurigheid van 1 mm haalbaar is.
Productverslag
Als de opdracht is voltooid kan het productverslag geschreven te worden.
1.1.4 Projecteisen
Omtrent het project is er sprake van een aantal projecteisen. Deze projecteisen geven aan wat wel en niet bij het te ontwikkelen product van toepassing is. De onderstaande projecteisen zijn opgesteld: Wel
- Aandrijving bedenken / toepassen die op een grote hoogte blijft functioneren. - Software ontwikkelen / aanpassen.
- Productie- en assemblagetekeningen maken.
- Testopstelling voor het te ontwikkelen prototype bouwen. Niet
- Iedere klant zal voor eigen meetapparatuur zorgen. Dit betreft zowel het lasersysteem als de laserontvanger.
- Aan het arbeidsproces van de klant dient niets te worden veranderd. Er dient alleen een nieuwe elektrische mast te worden toegepast door de klant.
1.2 Pakket van eisen
In deze paragraaf is het pakket van eisen vastgesteld en onderverdeeld in drie categorieën. De eisen zijn verdeeld over de functionele eisen, de fabricage-eisen en de milieueisen. In deze verdeling zijn alle eisen terug te vinden die gesteld worden aan de elektrische mast.
De categorieën zijn nog onderverdeeld in vaste en variabele eisen. De vaste eisen zijn eisen waaraan het ontwerp minimaal moet voldoen voor de opdracht. De variabele eisen zijn eisen die niet vast liggen, maar wel gewenst zijn om tot het beste eindresultaat te komen. De variabele eisen zullen een belangrijke rol spelen in de conceptkeuze aan de hand van de Kesselringmethode die uitgewerkt is in hoofdstuk 2.3.
1.2.1 Functionele eisen
Vaste eisen
Primaire taakvervulling: De laserontvanger dient te kunnen transleren in verticale richting.
Capaciteit: de meetapparatuur (ontvanger) die getransleerd moet worden weegt maximaal 1,5 kg.
De elektrische mast dient een hoogtebereik van minimaal 2000mm tot maximaal 5000mm te hebben.
De positie van de laserontvanger moet af te lezen zijn vanuit de bediening.
De bediening dient door één persoon gedaan te kunnen worden.
Het ontwerp dient op 1mm nauwkeurig te zijn.
De elektrische mast dient te voldoen aan de CE-markering (zie hoofdstuk 4.3).
De minimale snelheid van de translatie van de elektrische mast is 45 mm/s. Variabele eisen
De snelheid van de translatie van de elektrische mast dient zo hoog mogelijk te zijn.
De elektrische mast dient zo nauwkeurig mogelijk te zijn.
De elektrische mast dient zo betrouwbaar mogelijk te zijn.
1.2.2 Fabricage eisen
Vaste eisen
In het ontwerp dienen kwetsbare onderdelen uitwisselbaar te zijn.
De productiekosten mogen niet meer bedragen dan €1200, - Variabele eisen
Het gewicht van de elektrische mast dient zo laag mogelijk te zijn.
De elektrische mast dient zo compact mogelijk te zijn.
De productiekosten dienen zo laag mogelijk te zijn.
1. De onderdelen van de elektrische mast dienen zoveel mogelijk te worden geproduceerd met het eigen machinepark.
2. De elektrische mast dient zo veel mogelijk te bestaan uit materialen/onderdelen die in voorraad liggen bij het bedrijf.
3. Het fabricageproces van de onderdelen moet zo snel en eenvoudig mogelijk zijn. 4. Het assemblageproces dient zo snel en eenvoudig mogelijk te kunnen worden
uitgevoerd.
1.2.3 Milieu / Materiaal eisen
Vaste eisen
Het gebruikte metaal moet aluminium of RVS zijn.
Aluminium onderdelen moeten worden geanodiseerd.
De levensduur van de elektrische mast dient minimaal 7 jaar te zijn.
De elektrische mast moet voor minimaal 75% recyclebaar zijn, na afdanking. Variabele eisen
Het ontwerp dient zoveel mogelijk recyclebaar te zijn.
1.3 Analyse mast
Hier volgt een analyse van de bestaande elektrische mast. Het proces waarin de mast een rol speelt wordt opgedeeld in functies en deelfuncties, nadat de huidige werking van de mast is beschreven. In de daaropvolgende paragraaf wordt aan de hand van de functies een blokschema opgesteld.
Elektrische mast
De functie van de elektrische mast is het lineair omhoog en omlaag bewegen van een laserontvanger. De ontvanger wordt vastgeschroefd op een verwisselbare adaptor, die aan de zuil bevestigd is. Om de ontvanger in positie te krijgen transleert de zuil in verticale richting. Zie onderstaande afbeelding 2 voor een duidelijker beeld van de huidige mast.
Afbeelding 2: Elektrische mast
De translatie van de zuil wordt mogelijk gemaakt door een spindel met motoraandrijving. Dit is te zien in afbeelding 3 , waar een „exploded view‟ van de elektrische mast is weergegeven. Hierin is de mast van hierboven schematisch en gedetailleerd afgebeeld met daarbij alle componenten die tot de mast behoren.
De motor met planetaire vertraging is gelokaliseerd in de voet van de mast. In de centrale buis bevind zich de spindel die met een flexibele koppeling aan de motor bevestigd is. Dit geheel wordt
afgesteund door lagers.
Door het draaien van de spindel zal een spindelmoer, welke is bevestigd in een geleidingshuis in de centrale buis, een verticale beweging gaan maken wanneer de spindel wordt aangedreven. Aan dit huis is de zuil gemonteerd die de beweging van het huis volgt met als gevolg een translerende buis waardoor de ontvanger gepositioneerd kan worden. De geleidestrip zorgt ervoor dat de zuil niet kan ronddraaien in de centrale buis tijdens het transleren. Hier zijn tevens eindschakelaars in verwerkt wanneer de zuil op zijn einde loopt.
1.4 Functie overzicht
De hoofdfunctie van de mast is omzetten van energie naar een translatie. In het huidige model wordt deze energie door een motor opgewekt. De motor brengt een rotatie in gang die vervolgens wordt omgezet naar een translatie. In afbeelding 4 is een schematische weergave van de hoofdfunctie weergegeven.
Afbeelding 4: Hoofdfunctie
De deelfuncties zullen betrekking hebben op het meest voorkomende toepassingsgebied van de mast, grond egaliseren met grondverzetmachines. De mast is hier een geïntegreerd onderdeel van een compleet systeem. De onderstaande opsomming geeft alle deelfuncties van het systeem weer.
F1 = Plaatsen van elektrische mast aan de vaste wereld (grondverzetmachine). F2 = Bevestigen van laserontvanger op de adaptor van de elektrische mast. F3 = Lasersysteem opstellen op statief in het veld.
F4 = Lasersysteem aanzetten.
F5 = Laserstraal opzoeken met de laserontvanger door translatie van het geleidehuis. F6 = Bepalen positie
F7 = Schaafblad positioneren naar gewenste hoogte.
F8 = Laserstraal opzoeken met de laserontvanger door translatie van het geleidehuis. F9 = Bepalen positie
F10 = Grond egaliseren met grondverzetmachine.
F11 = Laserontvanger in juiste positie houden door op en neer bewegen van het schaafblad. F10 en F11 worden continue gelijktijdig uitgevoerd tot het einde van het proces om de grond te egaliseren. Het proces is ten einde wanneer alle grond geëgaliseerd is.
Hieronder is een functieblok schema te vinden van het complete systeem. Onderaan het schema is een legenda te vinden ter verduidelijking.
Afbeelding 5: Functieblok schema
Ter verduidelijking van het functieblok schema is er gebruikt van drie verschillende blokken, omdat niet alle functies betrekking hebben tot de elektrische mast. Onderstaand een verdere toelichting van de blokken.
Functie die vastligt aan de hand van de eisen
Deze functies dient het nieuwe ontwerp in zich te hebben. Deze zijn echter vastgelegd aan de hand van de eisen. Hierbij kan gedacht worden aan het noodzakelijk gebruik van gestandaardiseerde onderdelen.
Functie met alternatieven mogelijk
Deze functies dient het nieuwe ontwerp in zich te hebben. Voor deze functies zijn meerdere alternatieven mogelijk.
Functie die geen betrekking heeft tot het ontwerp
Dit zijn functies die tijdens het proces uitgevoerd worden, maar niet direct betrekking hebben tot het ontwerp van de elektrische mast.
Eerder is genoemd dat niet alle functies betrekking hebben tot het ontwerp. De functies die wel betrekking hebben zijn voor de duidelijkheid in een ander functieoverzicht opgesomd. Het nieuwe deelfunctie – overzicht is hieronder te vinden.
F1 = Plaatsen van elektrische mast aan de vaste wereld (grondverzetmachine). F2 = Bevestigen van laserontvanger op de adaptor van de elektrische mast.
F5 = Laserstraal opzoeken met de laserontvanger door translatie van het geleidehuis. F6 = Bepalen positie
F8 = Laserstraal opzoeken met de laserontvanger door translatie van het geleidehuis. F9 = Bepalen positie
Hieronder is het bijbehorende functieblok schema te vinden. Onderaan het schema is een legenda te vinden ter verduidelijking.
Afbeelding 6: Functieblok schema (vereenvoudigd)
1.4.1 Functionele relaties
Functionele relaties zijn verbanden tussen in- en uitgangskenmerken van een functie. Deze kenmerken zijn gedeeltelijk of geheel vastgelegd in het eisenpakket.
In deze functionele relaties wordt onderscheid gemaakt tussen de aard van de functie. Voorbeelden van termen die worden gebruikt zijn „verbinden‟, „transformeren‟ en „accumuleren‟. De aard van de functie geeft aan hoe het ingangskenmerk van de functie wordt omgezet naar het uitgangskenmerk van de functie. Voor een eenduidige omschrijving van de functionele relaties wordt een abstracte formulering gebruikt. Deze formulering is terug te vinden in afbeelding 7.
De begrippen die in deze afbeelding worden gebruikt voor de aard van de functie zijn verbinden, transformeren en accumuleren.
Verbinden
Verbinden geeft aan welke delen aan elkaar verbonden worden. Transformeren
Transformeren omvat de energie omzetting. Het geeft in dit geval aan dat elektrische energie wordt omgezet naar een mechanische translatie.
Accumuleren
Accumuleren is het opslaan van de gegevens die binnen komen. De positie wordt afgelezen, wat resulteert in een variabele waarde. Deze waarde wordt gebruikt voor het positioneren van de laserontvanger.
1.5 Nauwkeurigheid
In het ontwerp is nauwkeurigheid een belangrijke factor. Om het begrip nauwkeurigheid te begrijpen volgt hier een korte analyse wat het inhoudt en welke factoren hierbij een rol spelen.
Om het begrip nauwkeurigheid te verduidelijken wordt de uitleg visueel ondersteund. Het betreft hier pijlen die op een doel worden afgeschoten.
Nauwkeurigheid is te verdelen in twee groepen: Juistheid
De juistheid van een meting is de graad van overeenstemming van een gemeten of berekende hoeveelheid met zijn daadwerkelijke (ware) waarde. Hoe groter de nauwkeurigheid hoe kleiner de totale fout. Dit is te zien in het figuur hieronder.
Afbeelding 8: Grote nauwkeurigheid, maar lage precisie Precisie
De precisie van een meting is de mate waarin de verdere metingen of de berekeningen dezelfde resultaten zullen tonen. Hoe groter de precisie, hoe kleiner de toevallige fout (standaardafwijking) is. Dit is te zien in het onderstaande figuur.
Afbeelding 9: Grote precisie, maar lage nauwkeurigheid
Precisie is onder te verdelen in herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid.
Onder herhaalbaarheid verstaat men een maat voor de spreiding van meetwaarden die onder dezelfde omstandigheden werden uitgevoerd. Daaronder verstaat men: door dezelfde persoon, met dezelfde meetmethode, met dezelfde meetapparatuur en hulpstoffen, en binnen een kort tijdsbestek.
De reproduceerbaarheid van een meting is het steeds opnieuw kunnen bereiken van een vergelijkbaar resultaat wanneer een beschreven procedure wordt uitgevoerd.
Voor de elektrische mast geldt dat de metingen geldig moeten zijn op 1 mm. Dit is te zien in afbeelding 10.
Afbeelding 10: nauwkeurigheid elektrische mast
De bovenste en onderste meting mogen ieder 1 mm afwijken van de werkelijke waarde. Dit is 0,5 mm naar boven en 0,5 mm naar beneden. Tussen beide meting zit dus maximaal 1 mm afwijking. Op deze manier is de mast op 1 mm nauwkeurig.
2. Concept Fase
Nu de eisen bekend zijn en het vooronderzoek is uitgevoerd dient er een concept te worden bedacht. Om tot dit concept te komen worden er verschillende ideeën in het morfologisch overzicht geplaatst wat leidt tot verschillende structuren. Uit deze structuren wordt met behulp van de Kesselringmethode het beste concept voor de opdracht bepaald.
2.1 Morfologisch overzicht
Het functieblok schema beschrijft de functies die de nieuwe elektrische mast in zich moet hebben. Uit het schema blijkt dat er voor een aantal functies meerdere mogelijkheden zijn. Om een duidelijk overzicht te krijgen zijn alle functies in een morfologisch overzicht geplaatst. Hierin staan verschillende oplossingen voor de functies te vervullen. Uit deze oplossingen worden bepaalde structuren gekozen. De drie lijnen die zichtbaar zijn in het overzicht geven drie concepten aan. Later worden de concepten beschreven waarna het beste concept wordt gekozen. Het morfologisch overzicht is te vinden in afbeelding 11.
2.2 Alternatieve structuren
Uit het morfologisch overzicht zijn drie structuren voortgekomen. Deze structuren worden hier kort toegelicht.
Structuur 1 (rood)
In het concept wordt de mast bevestigd aan de vaste wereld met behulp van een voetplaat. De laserontvanger wordt vastgeschroefd op een adaptor (opname) die vastzit aan de mast. Een elektromotor met tandwiel zal over een tandheugel gaan lopen die op de buis is gemonteerd en op deze manier de ontvanger in verticale richting transleren. De positie van de ontvanger wordt bepaald aan de hand van een encoder die op de motor is geplaatst.
Structuur 2 (blauw)
In het concept wordt de mast bevestigd aan de vaste wereld met behulp van een voetplaat. De laserontvanger wordt vastgeschroefd op een adaptor (opname) die vastzit aan de mast. Een
elektromotor met kettingwiel zal langs een ketting lopen die in de buis is bevestigd. Aan het motorhuis is een buis gemonteerd waarop de ontvanger is bevestigd die hierdoor in verticale richting zal
transleren.
De positie van de ontvanger wordt bepaald aan de hand van een encoder die op de motor is geplaatst.
Structuur 3 (groen)
In het concept wordt de mast bevestigd aan de vaste wereld met behulp van een voetplaat. De laserontvanger wordt vastgeschroefd op een adaptor (opname) die vastzit aan de mast. Een elektromotor zal één of meerdere rubberen wielen aandrijven die lang de buis omhoog en omlaag zullen lopen. Wanneer deze wielen in een gesloten huis zijn gemonteerd kan hierop een ontvanger worden geplaatst.
De positie van de ontvanger wordt bepaald aan de hand van een elektronisch liniaal die op de buis is bevestigd.
2.3 Conceptkeuze
De Kesselringmethode is gekozen voor de keuze van het definitieve concept. Met deze methode worden de drie eerder behandelde concepten beoordeeld op de variabele eisen uit het eisenpakket van hoofdstuk 1.2. Er worden weegfactoren opgesteld per variabele eis zodat er onderscheidt wordt gemaakt welke het belangrijkste zijn. Nu zal elk concept worden beoordeeld op hoe goed deze aan een variabele eis voldoet. Deze score wordt vermenigvuldigd met de weegfactor van de betreffende eis. De totaalscore van het concept wordt in de Kesselringpiramide weergegeven en vergeleken met het ideale concept. Het concept met de hoogste score in alle categorieën is het meest ideaal. De weegfactoren geven de belangrijkheid van een variabele eis aan. Dit gebeurt ten opzichte van elkaar. In tabel 3 in bijlage II staan in de horizontale en verticale as de variabele eisen per categorie tegen elkaar uitgezet. Eis 1 wordt met de andere eisen van die categorie vergeleken, vervolgens wordt dit voor eis 2 gedaan, et cetera.
Bij het vergelijken van de eisen krijgt de belangrijkste eis waardering 1 en de andere eis waardering 0. Wanneer eis 1 met eis 2 wordt vergeleken en belangrijker is dan krijgt eis 1 waardering 1 en eis 2 waardering 0. Dit wordt voor elke categorie bij elke eis gedaan. De scores worden per eis opgeteld wat de weegfactor aangeeft. Om te voorkomen dat een weegfactor 0 kan worden krijgt elke eis een punt wanneer deze met zichzelf vergeleken wordt.
In de Kesselringpiramide is te zien welk concept het beste aan de variabele eisen voldoet.
Het ideale concept, de zwarte lijn, heeft de grootst mogelijke oppervlakte en daarmee de hoogste score in elke categorie. In tabel 4 in bijlage II is de puntentoekenning te vinden. Hier staan de
variabele eisen uitgezet tegen de verschillende structuren. Het punt wat toegekend wordt staat tussen haken. Het punt wat meetelt in de eindbeoordeling is het getal buiten de haken. Dit getal is
vermenigvuldigd met de weegfactor. Het beste concept zal zo goed mogelijk aan alle eisen voldoen en gemiddeld de hoogste score hebben.
Afbeelding 12: Kesselringpiramide
Uit de bovenstaande Kesselringpiramide blijkt dat de structuur 1 de beste oplossing levert. Hoewel structuur 3 het beste scoort bij de fabricage eisen, is structuur 1 nagenoeg ideaal bij de functionele eisen. Deze structuur scoort over het algemeen het best en is daarmee het gekozen concept. Het concept is globaal en is verder uitgewerkt in hoofdstuk 3.
3. Engineering Fase
Het gekozen concept uit de vorige fase wordt volledig uitgewerkt tot in de details. Er volgt eerst een uitleg van de werking van het nieuwe systeem. Vervolgens worden de toe te passen componenten bepaald en materialen gekozen voor de nieuwe onderdelen. Om het geheel aan te sturen is er hardware en software benodigd die wordt behandeld in de laatste paragrafen van dit hoofdstuk.
3.1 Uitgewerkt concept
Om de productiekosten van de elektrische mast te drukken wordt er zoveel mogelijk gebruikt gemaakt van bestaande onderdelen. Deze onderdelen worden al toegepast op andere producten. Deze
onderdelen brengen dus geen nieuwe kosten met zich mee zoals nieuw gereedschap en nieuwe mallen.
Afbeelding 14: Detailtekening uitgewerkt concept
Plaatsen van de elektrische mast
Het monteren van de nieuwe elektrische mast aan de vaste wereld zal op dezelfde manier gebeuren als bij de huidige elektrische mast. De mast zal door middel van een voetplaat aan de vaste wereld worden geborgd. De voetplaat wordt aan de behuizing van de mast gelast.
Plaatsen ontvanger
Elke producent van meetsystemen heeft zijn eigen ontvanger. Om deze ontvanger op de elektrische mast te plaatsen wordt er gebruikt gemaakt van adaptors. Het bedrijf heeft een range adaptors om deze verschillende ontvangers op te bevestigen. De kop van de adaptor is afhankelijk van de ontvanger, maar wel universeel. Op deze manier kan iedere ontvanger op iedere mast worden gefixeerd.
Zuil
De translerende zuil van het oude product verdwijnt. De inwendige spindel van het oude product wordt vervangen door een uitwendige tandheugel, welke is gemonteerd op de centrale buis, bij het nieuwe product. Dit is te zien in afbeelding 13. Er zal in plaats van een translerende zuil een geleidehuis over de centrale buis gaan transleren. Het geleidehuis, op afbeelding 14, komt in afbeelding 13 op de plaats van „*‟.
Aandrijving
In het geleidehuis die over de centrale buis transleert worden twee kunststof geleideringen gemonteerd, te zien in afbeelding 14. Deze ringen zorgen voor een soepele beweging in verticale richting. In het geleidehuis wordt een sleuf gefreesd waar de tandheugel in ligt. De werking en plaats van de sleuf is te zien in afbeelding 15 .Deze sleuf zorgt ervoor dat het geleidehuis niet kan roteren over de centrale buis. Door deze geleidingen toe te passen worden vijf van de zes vrijheidsgraden vastgelegd en zal het geleidehuis enkel nog in de verticale richting Z kunnen transleren. Voor een duidelijk beeld van de vrijheidsgraden is in afbeelding 16 een schematische tekening weergegeven.
Afbeelding 15: Geleidehuis / motorhuis
Afbeelding 16: De 6 vrijheidsgraden
Aan het geleidehuis is een motorhuis bevestigd waar de aandrijving in is verwerkt. De aandrijving in het motorhuis bestaat uit een elektromotor die met een flexibele koppeling aan de aandrijfas is bevestigd. Deze as is aan beide kanten gelagerd en hierop is in het midden het aandrijftandwiel gemonteerd. Door het motorhuis op het geleidehuis te bevestigen valt het tandwiel op de tandheugel. Wanneer het tandwiel aangedreven wordt zal deze een roterende beweging gaan maken. Dit heeft als gevolg een translerende beweging op de centrale buis door middel van de tandheugel.
Positie
De positie van de zuil van de oude mast werd vastgelegd door een liniaal die gedrukt is op de zuil en door een encoder op de elektromotor. De nieuwe mast heeft enkel een centrale buis en een
geleidehuis, maar de zuil vervalt. De liniaal zou op de centrale buis gedrukt kunnen worden, maar wanneer de ontvanger zich op een paar meter hoogte bevindt is het niet meer mogelijk om de positie via de liniaal af te lezen. Om deze reden vervalt de bedrukking. De huidige mast zal alleen digitaal, met behulp van de encoder, af te lezen zijn.
Demper
De centrale buis wordt staande gehouden door een stalen demper. Om de centrale buis zijn twee zwarte klemmen gemonteerd, te zien in afbeelding 18 en 19. Deze klemmen worden vastgezet in de demper, welke geel gekleurd is in afbeelding 13 . In afbeelding 19 is een half doorzichtige klem afgebeeld waarin te zien is dat de centrale buis geklemd wordt door middel van O – ringen. De klemmen worden met behulp van trillingsdempers vastgezet aan de demper. Op deze manier van bevestigen wordt het geen star geheel waardoor de buis niet zou kunnen afscheuren. Beide klemmen zijn vastgezet met bouten, maar de bovenste heeft hier borgringen zitten. Deze ringen zorgen ervoor dat de bovenste klem gemakkelijk uit de demper gehaald kan worden, terwijl deze onder enkel los gezet wordt om te scharnieren. Op deze manier is de mast simpel plat te leggen naast de
grondverzetmachine. In afbeelding 20 hieronder is een borgring en de werking hiervan visueel weergegeven.
Afbeelding 18: Klem boven Afbeelding 19: Klem onder
Afbeelding 20: Borgringen
De borgring is aangegeven met „*‟ en de pijl geeft de richting naar welke positie de borgring
verplaatst kan worden. Door de uitsparing in de gele demper is de ring geborgd wanneer deze wordt vastgezet met de moer.
Kabelsteun
De kabel loopt van de motor naar de besturing toe. Om geen loshangende kabels te krijgen, die ergens tussen kunnen komen, wordt er aan de demper een steun voor de kabel gemonteerd. De kabel zal hier worden opgevangen zodat deze naast de mast zal blijven hangen.
Afbeelding 21: Kabelsteun
3.2 Materiaalkeuze
Om de elektrische mast te vervaardigen zijn er verschillende maakdelen benodigd. Alle maakdelen worden op het eigen machinepark geproduceerd. De elektrische mast is opgebouwd uit aluminium, RVS, staal en POM onderdelen. De dempers, de borgringen en de behuizing zijn bestaande
onderdelen die ook worden gebruikt in een ander product. Door deze te gebruiken in het nieuwe product zijn er minder nieuwe onderdelen nodig. Dit spaart de ontwikkelingskosten voor nieuwe onderdelen uit. Tevens is voor deze onderdelen geen nieuw materiaal of gereedschap nodig. Ook blijft het assortiment aan onderdelen klein met relatief veel verschillende producten.
Het geleidehuis, de dempers en het motorhuis worden in eigen huis vervaardigd van automaten aluminium ST28. Dit materiaal is goed te verspanen. De draai- en freesproducten worden zwart of blank geanodiseerd voor een langere levensduur en een nette uitstraling.
De centrale buis is gemaakt van een aluminium legering met een hoge stijfheid. Deze buis wordt geleverd door het bedrijf Alu Menziken te Zwitserland. Doordat er een geleidehuis met geleideringen over de buitenkant van de buis loopt is het van belang dat de buis met precisie wordt getrokken, zodat deze maatvast is. De centrale buis wordt eerst bewerkt en vervolgens geanodiseerd.
Voor de geleiding van het geleidehuis op de aluminium buis wordt er gebruikt gemaakt van kunststof ringen. Deze kunststof is Polyoxymethyleen (POM). POM heeft een goede slijtageweerstand en een goede maatvastheid. Dit is benodigd om te voorkomen dat de speling tussen de ringen en de aluminium buis groter wordt. De grotere speling zou namelijk voor een klapperend effect kunnen zorgen. Verder is het bestand tegen benzine, oliën, vetten en dergelijke.
De borgringen om de mast rechtop vast te zetten en de aandrijfas worden gemaakt van roestvast staal (RVS). Dit vanwege de roestvaste eigenschap van het materiaal.
De kabelsteun en de behuizing met voet worden gemaakt van staal 37. Dit zorgt voor een stevige basis.
3.3 Componentkeuze
Voor de elektrische mast zijn er een aantal koopdelen benodigd. Hieronder wordt beschreven welke producten dit zijn en waarom deze zijn gekozen.
Motor
Bij de masten die het bedrijf produceert wordt er gebruik gemaakt van Transmotec motoren. De vraag vanuit het bedrijf was of deze motoren van het merk Transmotec ook gebruikt kunnen worden bij de nieuwe elektrische mast.
Na onderzoek gedaan te hebben naar deze motoren is eruit gekomen dat deze motoren ook gebruikt kunnen worden voor de elektrisch mast. Dit levert een prijsvoordeel op bij het inkopen van grotere aantallen van deze motoren. Voor het aansturen van de masten met deze motoren is elektronica ontwikkeld. Deze elektronica kan met aangepaste software ook de nieuwe elektrische mast aansturen. Het toepassen van deze motoren brengt een aantal voordelen met zich mee, namelijk:
Lage inkoopsprijzen
Geen nieuwe hardware, alleen software aanpassen
Grote productrange met weinig verschillende halffabricaten in voorraad
Afbeelding 22: Inkoopsprijzen bij x aantal motoren
Er is gekozen voor het Type WLD4383 vanwege de compacte vorm. Dit type motor is een standaard motor die in 12 en 24 VDC wordt geleverd. Voor deze motor zijn er een range haakse wormwiel vertragingen beschikbaar van 31 : 1 tot 86 : 1. De motor kan worden geleverd met een optische of magnetische encoder.
Er is gekozen voor de motor Transmotec WLD4383-12-86-ME. Dit is een 12VDC motor met een magnetische encoder en een vertraging van 86:1.
Dit is de grootste vertraging die er mogelijk is wat resulteert in de grootst mogelijke nauwkeurigheid voor dit type motor. De reden hiervoor is dat er per omwenteling van de uitgaande as in verhouding meer pulsen worden geteld dan bij een kleinere vertraging.
In bijlage III zijn berekeningen van het benodigde motorkoppel te vinden. Uit de berekening blijkt dat het bijbehorende koppel op de reductor as van de gekozen motor voldoende is om de geleiding aan te drijven.
De complete motorspecificatie is tevens terug te vinden in bijlage III .
Tandwiel/tandheugel
Het tandwiel dat gebruikt wordt is een ETG 88 module 2 tandwiel. ETG 88 is een staalsoort welke goed verspaanbaar is. Dit staal is ook sterk, waardoor het product zeer betrouwbaar en van hoge kwaliteit is
Om de geëiste snelheid te behalen diende aan de hand van de motor een tandwiel te worden berekend. Het toerental van de motor is omgerekend naar de minimaal benodigde steekcirkel, welke benodigd is voor de juiste loopsnelheid. Er is berekend dat de steekcirkel minimaal 28,65mm moet bedragen. Het tandwiel dat hier het dichtst bij in de buurt kom is 4C200150 en heeft een steekcirkel van 30mm. In bijlage III is de berekening van het tandwiel terug te vinden.
De tandheugel is gemaakt van Nylon, wat een handelsnaam is voor synthetisch polyamide 6 (PA6). De kunststof tandheugel is gekozen vanwege zijn makkelijke bewerkbaarheid. Ook dient de tandheugel als rechtgeleiding voor het geleidehuis. Wanneer de tandheugel van een metaalsoort zou zijn heeft deze een remmende werking in plaats van een smerende werking op het aluminium geleidehuis. Het type tandheugel is 4K202000 en is gekozen aan de hand van het tandwiel. De module van het tandwiel en de tandheugel moet overeen komen, anders zullen deze niet juist in elkaar passen. De specificatie van het tandwiel en de tandheugel zijn terug te vinden in bijlage IV .
Afbeelding 24: Tandheugel / tandwiel Lagers
Alle lagers worden besteld bij Akkermans Techniek bv vanwege de kortingen die het bedrijf krijgt. Om de kwaliteit van de lagers te waarborgen kiest men enkel voor de kwaliteit van SKF lagers.
Het aandrijftandwiel dat in het motorhuis is geplaatst is aan beide kanten afgesteund door lagers. Dit is gedaan voor een goede uitlijning van het tandwiel met de tandheugel en voor de opsluiting van het tandwiel. Hierdoor krijgt het geheel een soepele beweging. De grootte van de lagers is gekozen aan de hand van het motorhuis, het tandwiel en de aandrijfas. Het gekozen lager, 6201-2RSH, is met de bijbehorende lagerspecificatie te zien in bijlage V .
Voor het type lager is gekozen voor een eenrijig groefkogellager. Deze nemen radiale en axiale krachten op. Vanwege hun veelzijdige toepassingsmogelijkheden en voordelige prijsstelling is het groefkogellager de meest toegepaste lagersoort. De hoekinstelbaarheid van groefkogellagers is gering wat betekent dat de lagerpunten goed uitgelijnd moeten zijn. Groefkogellagers met lipafdichtingen maken eenvoudige constructies mogelijk. Tweezijdig afgedichte lagers worden tijdens de fabricage van een vetvulling voorzien waardoor ze onderhoudsvrij zijn.
Afbeelding 25: Groefkogellager Flexibele koppeling
Voor de koppeling tussen de as van de vertraging en de aandrijfas is gekozen voor een flexibele koppeling. Deze koppeling is noodzakelijk om de verbinding niet te stijf te maken. Dit is nodig om kleine uitlijnfouten te corrigeren. Als de koppeling niet flexibel zou zijn is er kans op hoog slijtage van lagers, vertraging en motor.
Afbeelding 26: „Helical‟ – koppeling
Er is gekozen voor de zogenaamde „Helical‟ – koppeling te zien op afbeelding 26. Deze koppeling heeft helische sneden. Deze sneden zorgen ervoor dat de koppeling in een aantal richtingen
bewegingsvrijheid blijft houden.
De reden voor deze koppeling is dat deze als enige de juiste vrijheidsgraden vrij laat. Uit afbeelding 27 hieronder kan men concluderen dat de X- en Y- as vastgelegd moeten worden.
Om de eventuele uitlijnfouten te verwaarlozen is het belangrijk dat de φ- en ψ- as vrij zijn.
De motor draait in de richting van de θ- as. De as van de vertraging, de koppeling en de tandwielas zullen deze beweging maken. Om het geheel toch torsiestijf te houden zal de flexibele koppeling de θ- as ook vast moet maken. Één van de eigenschappen van deze koppeling is dat deze redelijk torsiestijf is.
De koppeling legt dus drie van de zes vrijheidsgraden vast.
Afbeelding 27: De 6 Vrijheidsgraden
Connector
Voor de aansluiting van de motor naar besturing wordt gebruikt gemaakt van een militaire connector. Deze connector is geschikt voor zware industriële toepassingen en voldoet aan militaire eisen. De connectoren worden ook op masten geplaatst die zware trillingen van grondverzetmachines moeten kunnen verdragen. Deze connector is al in het magazijn opgenomen en neemt geen extra kosten met zich mee.
De connectoren zijn modulair op te bouwen. Er is gekozen voor een 11-polige stekker met bajonet aansluiting en soldeercontacten. De connector zal worden gemonteerd in de aluminium behuizing.
Afbeelding 28: Militaire connector
Afscherming
De motor met encoder wordt afgeschermd in een aluminium behuizing. Dit wordt gedaan tegen het binnendringen van vuil en spatwater wat de motor of encoder zou kunnen beschadigen. Water wordt tegen gehouden door de overlappende naden. Ook is deze geschikt voor het zware grondwerk vanwege zijn robuustheid. Verder is de behuizing licht zodat deze nagenoeg geen extra gewicht aan de mast zal toevoegen. De behuizing is tevens geschikt voor afscherming van de elektromagnetische compatibiliteit wat eventuele storingen, die door de motor kunnen worden veroorzaakt, tegengaat. De grootte van de behuizing is gekozen aan de hand van de motor met encoder die hierin geplaatst moet worden. Er is gekozen voor de kleinst mogelijke maat voor een nette uitstraling.
Afbeelding 29: Motorafscherming Bevestigingsmateriaal
Het gebruikte bevestigingsmateriaal wordt bij Akkermans Techniek bv besteld vanwege de kwaliteit en de kortingen die het bedrijf krijgt. Het bevestigingmateriaal omvat inbusbouten, zeskantbouten, moeren, veerringen, sluitringen en dergelijke. Een compleet overzicht is te vinden in de
onderdelenlijst.
3.4 Hardware
De hardware is opgesloten in een aluminium behuizing te zien in afbeelding 31. Aan de achterkant van de behuizing komt de voedingskabel voor de print binnen. Deze wordt gevoed door een 12VDC spanning en is afgezekerd met een 5 Ampère glaszekering. Ook is er een schakelaar aan de
achterzijde gemonteerd die de mast aan en uit kan zetten. Voor de communicatie tussen de besturing en de elektrische mast is er aan de achterzijde een militaire connector gemonteerd. Deze connector wordt aangesloten op de connector van de mast met behulp van een kabel. Aan de voorzijde bevind zich het display en de knoppen van de print om de mast te besturen.
Afbeelding 31: De besturing De knoppen
De MQ865 module heeft een vijftal knoppen. Iedere knop heeft een eigen functie en de knoppen zijn verdeeld als op de volgende afbeelding:
De “UP” knop: Deze knop heeft als primaire functie om omhoog te bewegen. Deze knop kan ook gebruikt worden om instellingen positief te wijzigen in het menu.
De “DOWN” knop: Deze knop heeft als primaire functie om omlaag te bewegen. Deze knop kan ook gebruikt worden om instellingen negatief te wijzigen in het menu.
De “STEP” knop: Deze knop heeft als primaire functie om een step uit te voeren. Deze knop wordt in het menu gebruikt om linksom door het menu te navigeren.
De “ZERO” knop: Deze knop heeft als primaire functie om de hoogte te nullen. De huidige hoogte wordt gecorrigeerd naar “00.0”. Deze knop wordt ook gebruikt om in het menu rechtsom te navigeren.
De “MENU” knop: Deze knop wordt gebruikt om in en uit het menu te gaan.
Indicatoren
De MQ865 module heeft drie indicatoren, namelijk het display, de “Power” LED en de “Status” LED. Deze zitten op de volgende locatie op het paneel:
Afbeelding 33: De indicatoren Het display
Het display wordt in eerste instantie gebruikt om de verplaatsing van de mast weer te geven. Het display bestaat uit vier zevensegment displays. Ieder display kan één cijfer of karakter bevatten. Het eerste display wordt gebruikt om de meters aan te geven en of de elektrische mast boven of onder het ingestelde nulpunt zit. Als de mast boven het nulpunt is geeft het eerste display het aantal meters weer, maar als de mast eronder zit en een waarde heeft van een meter of meer dan wordt deze waarde afgewisseld met een minteken. De volgende drie displays geven de verplaatsing onder een meter weer: de tweede geeft de decimeters weer, de derde de centimeters en het vierde display laat de millimeters zien. Tussen de centimeters en de millimeters is een scheidingspunt aangebracht. Ook wordt het display gebruikt om de parameters van het menu in te stellen. De menu items worden tekstueel weergegeven. De parameters worden numeriek of tekstueel weergegeven, dit ligt aan het geselecteerde item.
De led indicatoren
De module heeft twee indicatoren, namelijk de “Power” LED en de “Status” LED.
De power LED is een rode LED en deze geeft de status van de voeding weer. Als de benodigde spanning aan de module geleverd wordt brandt deze LED. Is de spanning te laag of niet aangesloten dan brandt de LED niet.
De status LED is een blauwe LED en geeft de toestand van het programma aan. Als het programma in de normale modus of het menu staat, dan brandt de LED continu. Op het moment dat de step functie wordt uitgevoerd knippert deze LED. Pas als de step functie voltooid is gaat deze weer continu branden. Als er vanuit het menu naar de stand-by functie wordt gegaan, dan gaat de status LED uit. Als de stand-by functie verlaten wordt gaat de LED weer branden.
Afbeelding 34: De hardware
3.5 Software
Modi
De module kent drie modi, namelijk; de normale modus, de step modus en de menu modus. De verschillende modi worden hieronder uitgelegd.
Normale modus
De module start op vanuit de normale modus. In deze stand kan er omhoog en omlaag bewogen worden en kan de hoogte op nul worden gesteld. Als de mast tegen één van de eindpunten aanloopt stopt de beweging automatisch. Dit wordt op het display weergegeven doordat de hoogte wordt afgewisseld met “----“. Ook wordt het stroomverbruik van de mast gecontroleerd. Als deze te hoog is stopt de mast automatisch en wordt de hoogte ook weer afgewisseld met “----“. Als er meer dan 100 millimeter achtereenvolgend is verplaatst beweegt de mast automatisch verder als de knop wordt losgelaten. Om de mast te stoppen moet de knop van de tegengestelde bewegingsrichting worden ingedrukt. Wanneer deze knop blijft ingedrukt zal de mast zich in de tegengestelde richting gaan bewegen.
Verder kan de step modus en de menu modus worden aangeroepen. Dit wordt gedaan door middel van de “STEP”- en “MENU” knop.
Step modus
De MQ865 heeft een “Step” functie. Als vanuit de normale modus op de “STEP” knop wordt gedrukt, dan beweegt de mast een aantal millimeter in de ingestelde richting. Als er nogmaals op de “Step” knop wordt gedrukt, dan verplaatst de mast hetzelfde aantal millimeters in de tegengestelde richting. Na deze handeling bevindt de module zich in de normale modus.
Deze hoogteverplaatsing en startrichting kunnen ingesteld worden in het menu. Standaard is de hoogteverplaatsing 10 millimeter en is de startrichting omhoog. Ook voor deze beweging geldt dat de verplaatsing stopt als één van de eindpunten wordt bereikt of wanneer het stroomverbruik te hoog wordt. Als de mast de eerste beweging heeft gemaakt, kan alleen maar de ”STEP” knop gebruikt worden. Alle andere functies vervallen in deze positie.
Menu modus
In het menu kunnen alle parameters van de module ingesteld worden. Als in de normale modus op de “MENU” knop gedrukt wordt gaat het programma naar de menu modus. Het menu bevat meerdere items die geselecteerd kunnen worden door linksom of rechtsom door het menu te navigeren. Dit gebeurt door middel van de “STEP”- en “ZERO” knop, waarin de “STEP”knop voor linksom staat en de “ZERO”knop voor rechtsom. Door op de “UP”- of “DOWN” knop te drukken kunnen de instellingen verandert worden. Het menu kan ieder moment weer verlaten worden door op de “MENU” knop te drukken. Alle instellingen worden opgeslagen op het interne geheugen en als er opnieuw opgestart wordt dan worden deze instellingen weer overgenomen. De grootte van de step functie wordt ingesteld op het moment dat het menu verlaten wordt. Het menu bevat de volgende instelbare parameters:
Parameters Step
De hoogteverplaatsing van de step functie kan hier ingesteld worden. Er kan maar één step grootte tegelijkertijd gebruikt worden, maar om zo min mogelijk bezig te zijn met instellen kunnen er negen instellingen worden opgeslagen. Zo kan er dus simpel en snel tussen de verschillende step grootten geschakeld worden. De minimale step grootte is 10 millimeter en de maximale step grootte is 250 millimeter. De hoogte neemt toe als er op de “UP” knop gedrukt wordt en neemt af als er op de “DOWN” knop wordt gedrukt. De laatst geselecteerde step grootte wordt gebruikt tijdens de step modus.
De step grootten hebben de volgende standaard instelling:
Step nummer: 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Grootte (mm): 10 20 30 50 100 150 175 200 250
Tabel 1: De standaard step grootten Stepstart
De step functie kan in de omhooggaande en in de omlaaggaande richting starten. Standaard start de step modus functie. Dit wordt in het menu weergegeven met “POS”. Door op de “DOWN” knop te drukken start de step modus in de omlaaggaande richting en dit wordt met “NEG” weergegeven in het menu. Door op de “UP” knop te drukken kan de omhooggaande richting weer worden geselecteerd. Telrichting
De beweging kan op twee manieren worden weergegeven. Standaard wordt de hoogteverplaatsing naar boven weergegeven als positief en naar beneden als negatief. Dit wordt in het menu
weergegeven als “POS”. Maar dit kan ook omgedraaid worden en dan is de verplaatsing naar beneden positief en naar boven negatief. Dit gebeurt als de “DOWN” knop wordt ingedrukt en wordt in het menu weergegeven als “NEG”. Om de omhooggaande beweging weer als positief te zien moet er op de “UP” knop gedrukt worden.
Instelbare snelheid 0-100%
De snelheid van de mast kan hier aangepast worden. De snelheid varieert van 1 tot 35 eenheden waarbij 35 de grootste snelheid voorstelt en 1 de kleinste. Door op de “UP” knop te drukken wordt de snelheid verhoogt en het drukken op de “DOWN” knop verlaagd de snelheid. Standaard staat de mast ingesteld op de hoogste snelheid.
Stroommeting
De stroommeting staat standaard altijd aan en er wordt op elk moment van de beweging stroom gemeten. Als er teveel gewicht verplaatst moet worden of motor geblokkeerd wordt loopt de stroom op. Als de stroom te hoog wordt zal de spanning van de motor worden gehaald. De mast bevat geen fysieke eindschakelaars maar door middel van de stroommeting wordt er softwarematig een
eindschakelaar gesimuleerd. Als de mast tegen zijn mechanische eindpunten aanloopt zal de motor meer stroom gaan verbruiken waardoor de spanning van de motor wordt gehaald. Er kan dan alleen nog maar in de tegenovergestelde richting worden bewogen.
Als er problemen zijn en de stroommeting moet worden uitgeschakeld kan dit alleen softwarematig. Dit is gedaan om geen schade aan te kunnen richten aan de mechanische eindpunten.
De bestaande handleiding is aangepast voor de nieuwe mast. De volledige handleiding is te zien in bijlage XIV.
4. Realisatie Fase
Het concept is volledig uitgewerkt en het prototype kan worden geproduceerd. Alvorens de productie te starten is het geheel in Solidworks uitgetekend en is er een kostenlijst samengesteld. Om een CE – keurmerk aan te kunnen brengen wordt er voor de mast een risicoanalyse uitgevoerd.
4.1 Samenstelling
Elk onderdeel van het prototype, uitgezonderd van de bestaande hardware, is digitaal uitgewerkt tot een 3D model en zijn te zien in bijlage VIII . De lijst van de gebruikte onderdelen voor de elektrische mast en besturing is te vinden in bijlage VII waar tevens de kostprijs is terug te vinden. Van de onderdelen die geproduceerd dienen te worden zijn werktekeningen gemaakt die te vinden zijn in bijlage IX . In bijlage X zijn nog enkele samenstellingstekeningen van de onderdelen van het prototype te zien.
Afbeelding 35: Prototype
4.2 Kostenlijst
De kostenlijst omvat alle kosten die de nieuwe mast met zich meebrengt. Het betreft hier de kostprijs van het product. De kosten van de mast en de besturing zijn apart berekend. Dit heeft als reden dat de mast ook zonder besturing geleverd kan worden.
Kosten elektrische mast € 764,69
Kosten besturing € 282,68 +
€ 1047,37
De kostprijs voor het totale systeem bedraagt € 1047,37. De mast kan verlengd worden naar wens. De kosten van verlengen zijn €99,09 per meter. In bijlage VII is een uitgebreide kostenlijst te vinden.
4.3 Risicoanalyse / FMEA (Failure Mode and Effect Analysis)
Door de uitvoering van een risicoanalyse wordt het product beoordeeld op de risico‟s die het met zich meeneemt. Aan de hand van de FMEA kan de betrouwbaarheid van het product beoordeeld worden. Met behulp van deze analyses kan een CE – keurmerk worden aangevraagd.
CE-algemeen
CE staat voor Conformité Européènne. Wanneer een bedrijf een CE – keurmerk aanbrengt, betekent dat dit bedrijf verklaart dat de geleverde machines voldoen aan de eisen die vastgelegd zijn in de Europese richtlijnen en daarmee de veiligheid van de gebruiker gegarandeerd is.
De elektrische mast
Voor de elektrische mast is vanaf 29 december 2009 de Machinerichtlijn 2006/42/EC verplicht. Volgens CE is de elektrische mast een machine: een samenstel, voorzien van of bestemd om te worden voorzien van een aandrijfsysteem – maar niet op basis van rechtstreeks aangewende menselijke of dierlijke spierkracht – van onderling verbonden onderdelen of componenten waarvan er ten minste één kan bewegen en die samengevoegd worden voor een bepaalde toepassing.
Volgens de Machinerichtlijn is de elektrische mast een niet-voltooide machine: Een niet voltooide machine is slechts bedoeld om te worden ingebouwd in of te worden samengebouwd met andere machines of andere niet voltooide machines of uitrustingen tot een machine waarop deze richtlijn van toepassing is.
De mast valt onder deze categorie, omdat er nog een ontvanger en een voedingsbron moeten worden toegevoegd om deze te laten functioneren. Voor de CE – markering zijn een aantal relevante technische documenten benodigd. Deze moeten voor een niet-voltooide machine aantonen welke eisen van de richtlijn zijn toegepast en vervuld. Deze documenten moeten inzicht geven in het ontwerp, de fabricage en de werking van de machine.
Het projectdossier omvat:
Constructiedossier met:
o Overzichtsplan van de niet-voltooide machine. o Tekeningen van besturingsschakelingen.
Gedetailleerde en volledige tekeningen, aangevuld met: o Berekeningen
o Testresultaten o Certificaten
Documentatie over de risicobeoordeling, met inbegrip van:
o Essentiële gezondheids- en veiligheidseisen van deze richtlijn die van toepassing zijn en vervuld zijn.
o De beschrijving van de beschermende maatregelen die zijn toegepast om vastgestelde gevaren weg te nemen of onderkende risico‟s te verminderen.
o De normen en overige toegepaste technische specificaties die zijn toegepast met opgave van de essentiële gezondheids- en veiligheidseisen die daaronder vallen. o Technische verslagen met de resultaten van de proeven die door de fabrikant dan wel
een door hem of zijn gemachtigde gekozen bevoegde instantie zijn verricht. o Kopie van de montagehandleiding van de niet-voltooide machine.
De risicoanalyse bestaat uit de volgende stappen:
De grenzen van de machines te bepalen, zowel uitgaande van het beoogde gebruik als van elk redelijkerwijs voorzienbaar verkeerde gebruik daarvan.
Na te gaan welke gevaren door de machines kunnen worden veroorzaakt en welke gevaarlijke situaties daaraan verbonden zijn.
De risico‟s in te schatten met inachtneming van de ernst van het mogelijke letsel of de aantasting van de gezondheid en de waarschijnlijkheid dat deze zich voordoet.
De risico‟s te beoordelen om zo, overeenkomstig de doelstelling van deze richtlijn, te bepalen of risicoreductie vereist is.
De gevaren weg te nemen of de aan deze gevaren verbonden risico‟s te verminderen door de toepassing van beschermende maatregelen.
Voor de risicoanalyse worden de volgende waarden gebruikt: Waarde Ernst van het
letsel (E) Blootstelling gevaar (B) aan Waarschijnlijkheid (W) Gevaarsafweniding (G)
1 Herstelbaar Zelden tot nooit Gering Mogelijk
2 Onherstelbaar Regelmatig tot vaak Gemiddeld Onmogelijk
3 Sterfte Groot
Tabel 2: Veiligheidswaarden
In bovenstaande tabel zijn waardes toegekend aan de verschillende factoren in de risicoanalyse. Uit deze analyse kan een risico-inventarisatie worden gemaakt. De waardes die eerder zijn toegekend, zijn in de tabellen in bijlage XI verwerkt. Het maximale risico dat uit deze tabellen blijkt, mag niet groter zijn dan factor 6.
Uit de tabellen blijkt een maximaal risico van vijf. Dit maximale risico wordt veroorzaakt door het lasersysteem. Wanneer de laserstraal in de ogen van de machinebestuurder straalt en dit in meerdere mate voorkomt, kan dit in het ergste geval leiden tot blindheid. Echter bij het juist uitvoeren van het proces is dit onwaarschijnlijk. Met het opstellen van de laser kan er al rekening worden gehouden dat de laserstraal zich niet op ooghoogte mag bevinden.
De laser dusdanig afschermen, dat deze nooit in de ogen van de machinebestuurder kan stralen, is niet mogelijk. Dit komt doordat op deze manier de laserstraal de laserontvanger ook niet meer kan bereiken.
Dit risico is wel aanwezig, maar kan niet worden verminderd door een aanpassing van de elektrische mast. Het positioneren van het lasersysteem valt tevens buiten de projectopdracht. Het hoogste risico rond de elektrische mast bedraagt slechts drie. Dit betreft het transleren van het geleidehuis.
De nieuwe elektrische mast voldoet hierdoor aan de veiligheidsvoorschriften en hoeft hier niet voor te worden aangepast.
Van de nieuwe elektrische is er een Failure Mode and Effect Analysis (FMEA) gemaakt. Door middel van deze analyse wordt de betrouwbaarheid van de elektrische mast in kaart gebracht. Bij deze analyse zijn alle mogelijke faalwijzen geformuleerd met daarbij de frequentie van falen en de
detectiewijze. Er is geen ervaring met de nieuwe onderdelen die gemaakt worden voor de elektrische mast. Bij deze onderdelen is daarom de waarschijnlijke frequentie van falen gebruikt. Uit tabel 10 van bijlage XII blijkt dat er geen actie hoeft te worden ondernomen wat betreft de betrouwbaarheid van de elektrische mast.
De complete FMEA is te vinden in bijlage XII.
Met het complete projectdossier en de risicoanalyse wordt voldaan aan de CE-markering. Hierbij is een FMEA gevoegd om zo ook de betrouwbaarheid van de hoogte-instelling te garanderen.
5. Test Fase
Hier zal alles worden besproken wat er gebruikt wordt/is met testen van het product.
Aan de hand van diverse testen wordt bepaald of de elektrische mast voldoet aan alle door MQ Statieven gestelde eisen. Dit betreft de nauwkeurigheid en de snelheid.
5.1 Testopstelling
Aan de elektrische mast zal over de gehele lengte van de tandheugel een rolmaat bevestigd worden. Deze dient als liniaal voor de mast. Op het geleidehuis is een strip geschroefd die als aanwijzer voor deze liniaal fungeert. Op deze manier kunnen metingen gaan plaatsvinden.
Afbeelding 36: De testopstelling
5.2 Testprocedure
Voor het testen is er gebrek aan een ontvanger vanwege de hoge kosten. De testen zullen worden uitgevoerd met een opname (adaptor) van vol materiaal. Deze opname simuleert het gewicht van de ontvanger. Bij het eindproduct zal deze opname van buis worden gemaakt.
Vergelijking telling Software – Werkelijkheid
Allereerst wordt er gekeken of de telling van de software overeenkomt met de werkelijke afgelegde weg van het geleidehuis. In praktijk blijkt dat de encoder – gegevens van de fabrikant niet exact overeenkomen met de werkelijkheid. Hier kan een afwijking naar boven of onder in zitten die door middel van testen moet worden gecorrigeerd.
Nauwkeurigheidstest
De nauwkeurigheid van de elektrische mast wordt getest door het geleidehuis verschillende malen dezelfde weg op en neer af te laten leggen. Dit wordt gedaan aan de hand van de step modus. Hierbij wordt zowel de afwijking naar boven als naar onder genoteerd. Deze werkelijke waardes worden vergeleken met de positie op het display. Hier mag maximaal 1 mm verschil in zitten. Zie hoofdstuk 1.5 voor een gedetailleerde uitleg over nauwkeurigheid.
Capaciteitstest
De motor zal worden aangestuurd om het geleidehuis, met de gesimuleerde opname, van de laagste naar de hoogste positie te laten gaan. Door te meten welke tijd het geleidehuis erover doet over een bepaalde afstand, kan de snelheid berekend worden. Deze test wordt diverse malen uitgevoerd om op een betrouwbare gemiddelde snelheid te komen. De test zal ook in de richting van boven naar beneden worden uitgevoerd.
6. Conclusie & Aanbeveling
Het egaliseren kan simpel en relatief goedkoop worden gedaan met behulp van een elektrische mast. De huidige elektrische mast heeft een beperkte slagbereik wat met de huidige techniek niet vergroot kon worden. In het geval van verlengen zal de spindel uitknikken.
De opdracht omvat het ontwikkelen van een nieuwe elektrische mast waarbij het mogelijk is om naar een groter bereik uit te breiden. De doelstelling is om een werkend prototype te realiseren dat aan de eisen van hoofdstuk 1.2 voldoet.
Na de conceptafweging, die werd gedaan met behulp van de Kesselringmethode, is gebleken dat het concept met de tandheugeloverbrenging het beste resultaat levert. Dit concept is vervolgens
uitgewerkt tot in de details. Aan de hand hiervan is er een prototype gefabriceerd. Kostprijs
Na de fabricage van het prototype is er een definitieve kostenlijst samengesteld. Hieruit blijkt dat de nieuwe elektrische mast aan de geëiste voldoet van €1200,-. De kostprijs van de nieuwe elektrische mast bedraagt €764,69 met besturing en €1047,37 zonder besturing.
De kostprijs is gebaseerd op een elektrische mast met een slagbereik van 2000mm. Deze lengte is aangehouden vanwege de noodzaak om het prototype per auto te vervoeren.
Berekend is wat de kostprijs is per meter verlengen van de mast. Deze kosten bedragen €99,09 per meter. Nu blijkt dat wanneer de mast wordt uitgebreid naar 3500mm of meer dat de kostprijs meer dan geëiste €1200 bedraagt.
Dit kan worden opgevangen door bepaalde producten in grotere aantallen in te kopen, zodat er geprofiteerd kan worden van kwantumkorting.
Om de kosten verder te drukken kunnen bepaalde complexe fabricaten gegoten worden in plaats van verspaand worden. Het voordeel hiervan is wanneer er eenmaal een gietmal is gefabriceerd de rest van de fabricaten goedkoper worden, omdat het minder tijd kost.
Testresultaten
Na de bouw van de testopstelling is de nieuwe elektrische mast op 3 aspecten getest. Snelheid
Allereerst is de elektrische mast getest op welke loopsnelheid maximaal behaald kan worden. De mast loopt naar beneden een stuk sneller als naar boven. Dit is te verklaren doordat naar boven de
zwaartekracht tegenwerkt en de elektrische mast dus meer weerstand krijgt. Naar beneden toe werkt de zwaartekracht mee en heeft de mast dus minder weerstand.
De gemiddelde snelheid omhoog bedraagt 48,04 mm/s en naar beneden bedraagt deze 63,20 mm/s. We gaan uit van de laagste snelheid, omdat deze snelheid aan de minimale loopsnelheid moet voldoen. De geëiste loopsnelheid bedraagt 45mm/s. Hieruit kan men concluderen dat de nieuwe elektrische mast aan de minimale loopsnelheid voldoet.
Vergelijking
De tweede test vergeleek de softwaretelling met de werkelijke waarde. Door het aantal pulsen per omwenteling van de encoder uit de datasheet van de motor te halen kan de telling van de encoder juist geprogrammeerd worden. In werkelijkheid blijkt de datasheet niet exact te kloppen. Om de vergelijking in orde te krijgen is proefondervindelijk de exacte waarde gevonden. Vervolgens is deze geprogrammeerd en uit tests bleek dat de waarde over de grootst mogelijk afstand nog steeds precies is. De vergelijking tussen de software en de werkelijkheid klopt.
Nauwkeurigheid perfect
Als laatste is de elektrische mast getest op de nauwkeurigheid. Tijdens deze test is er gekeken of de juistheid en reproduceerbaarheid goed is. Dit is gedaan met behulp van de “STEP” – functie.
Na het programmeren van een vertragingsfunctie is gebleken dat de mast zowel naar boven als naar onder een perfectie reproduceerbaarheid heeft met continue dezelfde waardes.
Er kan gezegd worden dat de mast naar behoren functioneert en de eis van 1mm nauwkeurig is behaald.
Literatuurlijst
Boeken en readers: De Beer, J.C.F. (2006). Methodisch Ontwerpen. 2e druk, Den Haag: SDU Uitgevers b.v.
Elling, R., Andeweg, B., De Jong, J., Swankhuisen, C. (2004). Rapportage techniek. 3e druk,
Groningen: Wolters-Noordhoff
Mulder, M. (09/2010), Handleiding “Afstuderen”.
Van Meulenbroek, B. (06/2009), Handleiding “Systeemdynamica A”. Vergaderingen en e-mail:
van den Hengel, Anton (2011), vergadering en e-mail, docentbegeleider. Van Dongen, Christ (2011), vergadering en e-mail, bedrijfsbegeleider. Elektronische bronnen:
MQ Statieven (2011).
http://www.mq-statieven.com/
Meerdere keren geraadpleegd gedurende de afstudeerperiode. Transmotec (2011). Motors_Planetary_Gear_DC_Catalogue.
http://www.transmotec.com/PDF/Catalogues/Motors_Worm_Gear_DC_Catalogue_25W-500W.pdf
Meerdere keren geraadpleegd gedurende de afstudeerperiode. Google (2011). Home.
http://www.google.nl/
Meerdere keren geraadpleegd gedurende de afstudeerperiode. Wikipedia (2011). Nauwkeurigheid en precisie.
http://nl.wikipedia.org/wiki/Nauwkeurigheid_en_precisie Meerdere keren geraadpleegd gedurende de afstudeerperiode. Euronorm (2011). Nieuwe machinerichtlijn.
http://www.euronorm.net/content/template2.php?itemID=2186 Meerdere keren geraadpleegd gedurende de afstudeerperiode. Europa (2011). Samenvattingen van de EU – wetgeving.
http://europa.eu/legislation_summaries/internal_market/single_market_for_goods/technical_h armonisation/l21001_nl.htm
Meerdere keren geraadpleegd gedurende de afstudeerperiode. FMEA info centre (2011). Failure mode and effects analysis.
http://www.fmeainfocentre.com/examples.htm
Meerdere keren geraadpleegd gedurende de afstudeerperiode. Steeltec (2011). Materiaaleigenschappen ETG 88.
http://www.steeltec.ch/en/products/product-overview.html Meerdere keren geraadpleegd gedurende de afstudeerperiode. Kik (2011). Materiaaleigenschappen POM / PA6.
http://www.kik.nl/werkstoffe
