Modulární jednotka řízení experimentálních zařízení pro měření mechanických vlastností materiálů

Diplomová práce České vysoké učení technické v Praze F6 Fakulta dopravní Ústav mechaniky a materiálů Modulární jednotka řízení experimentálních zařízení pro měření mechanických vlastností materiálů Jan Šleichrt Vedoucí: Ing. Daniel Kytýř, Ph.D., Ing. Tomáš Fíla Obor: Technika a technologie v dopravě a spojích Studijní program: Dopravní systémy Květen 2016

Poděkování V úvodu bych rád poděkoval všem, kteří mi pomáhali při vzniku této práce. Těm, kteří nade mnou drželi ochranou ruku a ochotně mi za každých okolností pomáhali při řešení jednotlivých problémů. Jmenovitě bych rád poděkoval vedoucím mé práce: Ing. Danielu Kytýřovi, Ph.D. a Ing. Tomáši Fílovi. Dále pak Ústavu teoretické a aplikované mechaniky, AV ČR, v.v.i. a Ústavu mechaniky a materiálů, FD ČVUT, kde se mi dostalo materiální podpory a zázemí pro vznik této práce a zároveň odborné pomoci od jeho pracovníků, Ing. Petra Zlámala, Ph.D., Ing. Nely Fenclové, Benjamina Wolfa a dalších. V neposlední řadě patří poděkování mé rodině a přátelům, kteří mi vždy věřili a podporovali mě v celé délce dosavadního studia. Prohlášení Předkládám tímto k posouzení a obhajobě diplomovou práci, zpracovanou v závěru studia na ČVUT v Praze, Fakultě dopravní. Prohlašuji, že jsem předloženou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací. Nemám závažný důvod proti užití tohoto školního díla ve smyslu 60 Zákona č.121/2000 Sb., o právu autorském, o právech souvisejících s právem autorským a o změně některých zákonů (autorských zákonů). Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS15/225/OHK2/T3/16 a institucionální podporou RVO 68378297. V Praze, 31. května 2016 iii ctuthesis t1506072002

Abstrakt Pokročilé experimentální metody v mechanice vyžadují vývoj vlastních experimentálních zařízení, jejichž nezbytnou součástí je řídicí systém. V této práci je popsán návrh a realizace modulární řídicí jednotky poskytující otevřené řešení pro ovládání experimentálních zařízení. Navržená jednotka umožňuje ovládat zařízení s polohováním pracujícím na principu krokového motoru, popř. servo-motoru včetně bezpečnostních prvků, ovládat periferie a vyčítat veličiny měřené během experimentu (signál typu mv/v). V rámci práce byly rovněž vytvořeny softwarové nástroje pro implementaci řídicí jednotky do stávajících ovládacích aplikací pracujících na principu OS Linux s real-time jádrem a jeho speciálním modulem pro řízení LinuxCNC. V závěru byl proveden pilotní experiment s instrumentovaným mikroindentorem, který potvrdil funkčnost navrženého řídicího systému. Klíčová slova: modulární jednotka, řízení krokových motorů, LinuxCNC, řízení experimentálních zařízení Vedoucí: Ing. Daniel Kytýř, Ph.D., Ing. Tomáš Fíla Ústav mechaniky a materiálů, FD ČVUT Na Florenci 25, 110 00 Praha 1 Abstract Advanced experimental methods in mechanics require development of custombased experimental devices with an appropriate control system. In this thesis a design-study and an actual implementation of an open-solution modular control unit for control of the experimental devices are described. The unit allows for motion control of stages equipped with stepper or servo motors including necessary safety equipment, control of peripherals, and acquisition of data measured during the experiment (mv/v signal type). The implementation of software tools needed for an integration of the control unit to existing control applications is also part of the thesis. The developed control unit and software tools are compatible with OS Linux with real-time application interface and the LinuxCNC numerical control system. A pilot experiment with an instrumented micro-indenter was performed and functionality of the control unit was verified. Keywords: modular unit, control of stepper motors, LinuxCNC, control of experimental devices Title translation: Modular Control Unit of Experimental Devices for Measurement of Material Properties iv ctuthesis t1506072002

Obsah Předmluva 1 1 Úvod 3 1.1 Cíle práce a její dílčí fáze....... 3 1.2 Požadavky na řídicí jednotku.... 4 2 Seznamení s problematikou a komponenty 6 2.1 Prvky pro polohování.......... 6 2.1.1 Krokový motor............. 6 2.1.2 Enkodér................... 8 2.2 Prvky pro měření během experimentu................... 10 2.2.1 Tenzometr................ 10 2.2.2 Siloměr................... 12 2.3 Řízení krokových motorů...... 12 2.3.1 Gecko G540............... 13 2.3.2 Univerzální karta Mesa 5i25. 14 2.3.3 Kombinovaná karta Mesa 7i76 15 2.3.4 Microstep drive M415B..... 16 2.3.5 Easy Servo Drive ES-D508.. 17 2.4 Prvky měřící elektrické veličiny. 18 2.4.1 LabJack T7............... 18 2.5 Software..................... 19 2.5.1 LinuxCNC................ 19 2.5.2 ProTuner................. 21 3 Související projekty 24 3.1 Řídicí jednotka pro 5osý stolek. 24 3.1.1 Popis stolku............... 25 3.1.2 Komponenty a zapojení..... 26 3.2 Zařízení pro vytváření 3D modelů metodou fotometrického sterea... 28 3.2.1 Popis zařízení............. 28 3.2.2 Komponenty a zapojení..... 29 4 Modulární jednotka 31 4.1 Koncepce modulární jednotky.. 31 4.2 Řídicí počítač................ 31 4.2.1 Komponenty.............. 31 4.2.2 Operační systém........... 32 4.3 Elektronika řízení motorů...... 33 4.4 Ostatní elektronika........... 33 4.4.1 Releová deska............. 33 4.4.2 Ventilátory................ 34 4.4.3 Tlačítko nouzového zastavení 35 4.5 Konstrukce.................. 35 4.5.1 Varianty.................. 35 4.5.2 Finální design............. 37 4.6 Shrnutí...................... 39 5 Zapojení a konfigurace prvků systému 42 5.1 Konfigurace Mesa karet........ 42 5.2 Řízení driverem M415B........ 43 5.2.1 Zapojení.................. 43 5.3 Řízení driverem ES-D508...... 45 5.3.1 Zapojení.................. 45 5.4 Konfigurace jednotky LabJack T7 46 5.4.1 Konfigurace programem Kipling....................... 46 5.4.2 Konfigurace jazykem Python 46 5.4.3 Vyčítání siloměru.......... 47 6 Pilotní experiment 48 6.1 Popis experimentálního zařízení 48 v ctuthesis t1506072002

6.2 Popis experimentu............ 49 6.2.1 Spolehlivost měření pomocí tvrdoměru.................... 50 6.2.2 Chyba měření............. 51 6.3 Dílčí závěr................... 52 7 Závěr 53 Seznam použitých zkratek a pojmů 55 Použitý software 57 Literatura 58 A Pinouty modulární jednotky 61 E-STOP....................... 61 Osy X, Y, Z, A................. 61 Osa B......................... 61 Siloměry 1, 2................... 62 Enkodér - osa A................ 62 Enkodér - osa B................ 62 Průběh experimentu............ 63 Vstupy 1-12.................... 63 Výstupy 1-4.................... 63 B Výkresy a schémata 64 vi ctuthesis t1506072002

Obrázky 2.1 Schéma krokového motoru...... 7 2.2 Schéma inkrementálního enkodéru 10 2.3 Příklad disku rotačního absolutního enkodéru............ 11 2.4 Schéma zapojení Wheatstonova můstku........................ 12 2.5 Schéma zapojení jednotky Gecko G540.......................... 13 2.6 Univerzální karta Mesa 5i25.... 15 2.7 Rozložení konektorů na kartě Mesa 7i76........................... 16 2.8 Driver Leadshine M415B...... 17 2.9 Driver Leadshine EasyServo D508 18 2.10 Grafické rozhraní programu ProTuner...................... 22 2.11 Znázornění reakce signálu..... 23 5.1 Testovací zapojení kontroléru M415B........................ 44 5.2 Testovací zapojení driveru ES-D508....................... 45 6.1 Instrumentovaný mikroindentor. 49 6.2 Porovnání polohy z enkodéru a polohy podle krokového motoru... 52 6.3 Porovnání potřebného vybavení k provedení stejného experimentu... 52 3.1 Schéma zapojení koncových optických spínačů............... 27 3.2 Otevřená řídicí jednotka....... 28 3.3 Interiér zařízení.............. 29 3.4 Schéma zapojení.............. 30 4.1 Návrh releové desky........... 34 4.2 Schéma zapojení ventilátorů.... 34 4.3 Návrh nosné konstrukce....... 38 4.4 Výsledné provedení nosné konstrukce..................... 39 4.5 Výsledné provedení modulární jednotky....................... 40 4.6 Konektorová deska............ 41 vii ctuthesis t1506072002

Tabulky 2.1 Tabulka parametrů driveru M415B........................ 17 2.2 Tabulka parametrů driveru ES-D508....................... 17 2.3 Tabulka nastavitelných parametrů v programu ProTuner........... 22 6.1 Tabulka naměřených a výsledných hodnot........................ 50 viii ctuthesis t1506072002

Předmluva Kvalitní výzkum materiálů je nutně podmíněn použitím vhodných experimentálních zařízení, jejichž nezbytnou a důležitou součástí je vlastní řídicí systém. Vezmeme-li obecně řídicí systém jako celek, lze jej rozdělit na hardwarovou část, která musí obsahovat všechny nezbytné komponenty sloužící k chodu zařízení; a softwarovou část, do které spadá jak operační systém řídicího počítače, tak i konkrétní programy pro ovládání a řízení experimentů. Samotné experimentální zařízení bývá povětšinou navrženo ke konkrétním úkolům či účelům a snaha o jeho univerzálnost může být kontraproduktivní. Oproti tomu řídicí jednotka těchto experimentálních zařízení může být navržena na širší oblast působení. Vytvoření jednoho řídicího systému pro více druhů experimentálních zařízení přináší minimálně výhodu úspor finančních či prostorových. V této práci bude popsán vývoj modulární řídicí jednotky, která bude schopna ovládat krokové motory, nebo servo motory, experimentálních zařízení a vyčítat signály z tenzometrických snímačů. Na začátku práce je čtěnář obeznámen s hardwarovým vybavením plánované řídicí jednotky. Další částí práce je návrh a realizace řídicí jednotky o vlastní konstrukci od prvotního návrhu na základě požadavků až k výslednému sestavení jednotky. V dalších kapitole je popsána konfigurace jednotlivých komponent, správná zapojení a ověření jejich funkčnosti. Na závěr je popsán pilotní experiment konkrétního experimentálního zařízení a jeho vyhodnocení. 1 ctuthesis t1506072002

... Předmluva V práci jsou zároveň nastíněny obdobné projekty a realizace řídicích systému ke konkrétním experimentálním zařízením, kde byly nabrány prvotní zkušenosti se systémy založenými na použití karet Mesa 5i25 a 7i76. 2 ctuthesis t1506072002

Kapitola 1 Úvod Ústav mechaniky a materiálů, FD ČVUT a Oddělení biomechaniky v Ústavu teoretické a aplikované mechaniky, AV ČR, v.v.i. společně spolupracují na projektech zaměřených na mechaniku heterogenních materiálů se složitou vnitřní strukturou, které vyžadují konstrukci vlastní experimentální techniky včetně měřících zařízení. Jednotlivá experimentální zařízení jsou specifická, nicméně obsahují podobná technická řešení a komponenty, kterými zejména jsou: krokové motory, siloměry, fotoaparát nebo kamera. V současném stavu je příprava experimentálního zařízení před samotným experimentem velmi zdlouhavá, a to zejména z důvodu složitého přepojování komponent, které nemají přesně definované rozhraní a jsou často tvořeny směsicí elektrických vodičů, u který byl kladen důraz pouze na funkčnost zapojení, nikoliv na praktičnost. S tím souvisí i komplikovanější transport experimentálních zařízení, a jejich řídicího počítače, při přemístění mezi jednotlivými pracovišti. 1.1 Cíle práce a její dílčí fáze Cílem práce je vytvoření nové řídicí jednotky pro ovládání experimentálních zařízení, která by svým uzpůsobením a provedením zjednodušovala práci při přípravě experimentů i v jejich samotném průběhu. S tím souvisí vytvoření unifikovaného rozhraní pro všechny již vzniklé experimentální zařízení na Ústavu mechaniky a materiálů, avšak bez většího zásahu do jejich současného 3 ctuthesis t1506072002

... 1.2. Požadavky na řídicí jednotku elektrického zapojení nebo konstrukce. Dílčími fázemi práce jsou:. nahradit současné řízení krokových motorů jednotkami Gecko G540 novým systémem s použitím karty Mesa 5i25 a kombinované karty Mesa 7i76,. ověřit možnosti využítí zpětnovazebního řízení Leadshine ze série Easy- Servo k možnému budoucímu použití v experimentálních zařízeních,. vytvořit návrh releové desky pro připojování periferních zařízení kompatibilní s kartou Mesa 7i76,. sjednotit pinout všech přípojných zařízení, tzn. krokových motorů, enkodérů 2.1.2, siloměrů, případně světel atp.,. navrhnout a sestavit modulární jednotku řízení obsahující všechny potřebné komponenty včetně řídicího počítače,. vyzkoušet modulární jednotku a její funkce na experimentu. 1.2 Požadavky na řídicí jednotku Na základě jednotlivých fází práce, a zároveň potřeb Ústavu mechaniky a materiálů, FD ČVUT, a Ústavu mechaniky a materiálů, AV ČR, byl sestaven souhrn požadavků na funkčnost nově vzniklé řídicí modulární jednotky:. výkonný řídicí počítač s osvědčenými komponenty,. možnost řízení minimálně čtyř nezávislých os pomocí karet Mesa (s jednou osou vybavenou polohovým enkodérem),. možnost řízení servomotoru Leadshine z řady EasyServo, kapitola 5.3,. vyčítání až dvou siloměrů, nebo zařízeních o ekvivalentních výstupních signálech, pomocí multifunkční jednotky LabJack T7, 4 ctuthesis t1506072002

... 1.2. Požadavky na řídicí jednotku. možnost připojení kamery Manta G-504B,. 12 analogových vstupních pinů,. 4 analogové výstupní piny (24 V),. odolnost celého systému proti vnějšímu poškození,. přenositelnost a. možnost připojení libovolného měřícího zařízení vlastní konstrukce. V práci jsou zároveň nastíněny nasbírané zkušenosti s obdobným řízením na dvou příkladech experimentálních zařízení, a jejich řídicích systémech. 5 ctuthesis t1506072002

Kapitola 2 Seznamení s problematikou a komponenty Kapitola poskytuje úvod do problematiky technického vybavení používaného pro konstrukci a řízení experimentálních zařízení. V jednotlivých podkapitolách jsou uvedeny nejdůležitější prvky celého systému, které se v modulární jednotce nacházejí, nebo s ní úzce souvisejí. Zároveň jsou zde stručně popsány výhody a nevýhody jednotlivých komponent. 2.1 Prvky pro polohování 2.1.1 Krokový motor Krokový motor je speciální druh elektromotoru, který je vzhledem ke své jednoduchosti, dostupnosti, přesnosti a principu řízení zvláště vhodný pro použití v číslicově řízených polohovacích zařízeních. Základem krokového motoru je rotor tvořený póly (permanentními magnety) a stator skládající se z několika párů cívek, obr. 2.1. Při přivedení napětí na jeden pár cívek dojde k natočení rotoru do nejbližší stabilní polohy dle jeho pólů, tedy do polohy, kde klade rotor nejmenší magnetický odpor. Při přepojení napětí na vedlejší cívku dojde k opětovnému pootočení rotoru. Pohyb je tak zajišťován postupným napájením cívek statoru. Každému impulsu k přepojení cívek motoru říkáme krok a je iniciován driverem motoru, který je nezbytnou součástí. Pohyb rotoru je tedy nespojitý [1, 2]. 6 ctuthesis t1506072002

... 2.1. Prvky pro polohování Obrázek 2.1: Schéma krokového motoru [3] Krokové motory se dále dělí dle jejich vnitřní konstrukce, popř. typu zapojení. Pro potřeby vysokých otáček (reálně max. 10 ot./s) a zároveň relativně velkého kroutícího momentu se povětšinou používají tzv. 2-fázové hybridní krokové motory. Stator motoru je tvořen čtyřmi páry cívek a rotor je obvykle tvořen z 50pólů (zubů). Tato konfigurace určuje úhel kroku motoru dle vzorce: α = 360 z f p, (2.1) kde z je počet zubů rotoru, f je počet fází a p je počet pólů rotoru. Po dosazení dostáváme úhel kroku, typicky α = 1, 8, tzn. 200 kroků na jednu celou otáčku motoru. Úhel kroku není nejmenší, kterého lze v krokokovém motoru docílit, nicméně je to nejmenší mechanicky aretovaný krok. Většího rozlišení lze dosáhnout elektronicky, a to použitím tzv. mikrokroků. Mikrokrokování řídí driver motoru. Principem je rozdělení napájení mezi dva sousední páry cívek. Například při nastavení krokování na hodnotu 2 je napětí na obou cívkách stejné a rotor se dostane do středové polohy mezi tyto dvě napájené cívky, resp. dva páry cívek. Při větším rozlišení mikrokrokování lze zajistit větší plynulost pohybu, ale přesnost polohy je nejisá, protože poloha mikrokroku mezi cívkami není aretována, narozdíl od celého kroku. Driver motoru s krokovým motorem představují tzv. open-loop systém, tedy systém, v němž neexistuje zpětná vazba od motoru ke driveru. Informace 7 ctuthesis t1506072002

... 2.1. Prvky pro polohování o poloze rotoru je odvozována z instrukce k jeho pohybu, tedy kolik měl udělat motor kroků a kde by se měl nacházet. Při vyšších otáčkách motoru nebo při překročení maximálního zatížení motoru může nastat situace, kdy rotující magnetické pole předběhne možnosti rotoru a dojde k takzvané ztrátě kroku. Ke sledování, že se krokový motor pohybuje dle průběhu řídicího signálu a neztrácí kroky, se používají enkodéry. Je-li krokový motor použit spolu s enkodérem, jedná se o systém s částečnou zpětnou vazbou, nebo o servomechanizmus, tedy closed-loop (zpětnovazební) systém. 2.1.2 Enkodér Enkodér je elektromechanická komponenta, které zpětně vyčítá polohu své pohyblivé části a předává tuto informaci v podobě standardizovaného signálu do řídicího systému. Pro přesné řízení krokových motorů tak lze porovnávat aktuální polohu vyčtenou z enkodéru s polohou vycházející z instrukce pro krokový motor. Enkodéry lze rozdělit dle různých kritérií, např. dle fyzikálního principu (magnetické, odporové, optické) nebo typu výstupního signálu: analogové, digitální [4]. Mezi nejpřesnější enkodéry s vysokým rozlišením se řadí především digitální optické enkodéry, s jejichž použitím se počítá na experimentálních zařízeních pro které je modulární jednotka navrhována. Digitální optické enkodéry se dělí na:. absolutní a. inkrementální. 8 ctuthesis t1506072002

... 2.1. Prvky pro polohování Inkrementální enkodér Inkrementální, nebo také relativní, enkodéry jsou nejjednoduššími pozičními senzory. Jsou založeny na principu dvou oddělených obdélníkových signálů navzájem fázově posunutých o 90. Základem pro generování signálu je pohyblivá část lineárního enkodéru - pravítko, které je tvořeno z průsvitných a neprůsvitných dílků o stejné velikosti. Z jedné strany pravítka se nachází zdroj světla (většinou LED dioda), jehož světlo je v závislosti na poloze pravítka buď absorbováno neprůsvitným dílkem nebo propuštěno dále. Přítomnost propuštěného světla snímají z druhé strany pravítka dvě fotodiody nebo fototranzistory. Aktivace optických členů vytváří dvoukanálový signál (A a B). Stejný princip lze aplikovat i na rotační enkodér. Inkrementální enkodér je dále vybaven interpreterem, který převádí detekované signály na počet impulzů přepočtených na jednotku posunutí (pootočení). Inkrementální enkodér sčítá impulzy detekované od posledního vynulování čítače. Schématické znázornění enkodéru, a jeho výstupního signálu, je na obrázku 2.2. Absolutní enkodér Enkodéry absolutní pracují na obdobném principu jako enkodéry inkrementální. Rozdíl spočívá v použítí více signálů. Každá poloha pohyblivé části enkodéru, omezená rozlišením, je definovaná jedinečným binárním kódem. Výhoda oproti inkrementálnímu enkodéru je ve znalosti aktuální polohy i po restartování systému, kdy není potřeba určit referenční bod. Příklad 12bitového disku rotačního absolutního enkodéru je na obrázku 2.3 9 ctuthesis t1506072002

... 2.2. Prvky pro měření během experimentu Zdroj světla Stopa A Stopa B 2 detektor světla Výstupní signál Kanál A 1 0 Kanál B 1 0 Obrázek 2.2: Schéma optického inkrementálního enkodéru a jeho výstupního signálu 2.2 Prvky pro měření během experimentu 2.2.1 Tenzometr Tenzometr je pasivní elektronická součástka, která umožňuje měřit malé velikosti deformace. Existuje několik různých typů dle jejich konstrukce, provedení či dle jejich konkrétního účelu. Obecně je tenzometr tvořen odporovým drátem, který je většinou pro snadnější manipulaci nalepen na podložce. Je-li tenzometr nalepen na deformované části konstrukce, dochází zároveň k deformaci odporového drátu tenzometru a změně jeho odporu. Změnu odporu lze zpětně přepočítat na velikost deformace konstrukce vztahem: R R = kɛ, 10 ctuthesis t1506072002

... 2.2. Prvky pro měření během experimentu Obrázek 2.3: Příklad disku rotačního absolutního enkodéru [5] kde R je původní odpor tenzometru, R je změna odporu vyvolaná deformací, ɛ je deformace nosné konstrukce tenzometru a k je tzv. K-faktor, který je udávaný výrobcem tenzometru. Ze vztahu lze vyvodit, že K-faktor je bezrozměrný, jedná se tedy pouze o proporcionální koeficient a pro odporové tenzometry je jeho hodnota přibližně 2 [6, 7]. Protože jsou malé změny odporu špatně měřitelné, využívá se zapojení tenzometrů do napájeného Wheatstonova můstku, obr. 2.4. Změna odporu tenzometrů se tak projeví jako změna napětí na můstku, kterou lze zpětně přepočítat na změnu odporu a následně na deformaci. Na obr. 2.4 lze vidět schématické zapojení tenzometrů (R 1, R 2, R 3 a R 4 ) do můstku. U N je velikost napájecího napětí můstku, U V napětí. je měřené (výstupní) Použití čtyř tenzometrů není podmínkou, některé tenzometry lze nahradit rezistory s konstantní hodnotou odporu. Podle počtu tenzometrů se možnosti zapojení dělí na:. plnomostové zapojení - použití 4 aktivních tenzometrů, 11 ctuthesis t1506072002

... 2.3. Řízení krokových motorů R 1 R 4 U N R 2 R 3 U V Obrázek 2.4: Schéma zapojení Wheatstonova můstku. půlmostové zapojení - náhrada dvou tenzometrů rezistory,. čtvrtmostové - použití pouze jednoho aktivního tenzometru. 2.2.2 Siloměr Siloměr je zařízení sloužící k měření velikosti síly. Základním rozdělením siloměrů je dle jejich technického provedení:. mechanické - např. pružinové,. elektrické - např. tenzometrické. Na Ústavu mechaniky a materiálů jsou používány siloměry HBM, typové řady U9C, pracující na principu tenzometrického měření. Siloměry obsahují úplný Wheatstonův můstek a jednotlivé tenzometry mají v nezatíženém stavu hodnotu odporu okolo 350 Ω. 2.3 Řízení krokových motorů V předchozích odstavcích byly popsány prvky používané pro konstrukci experimentálních zařízení. Ovládání krokových a servomotorů je realizováno pomocí driverů. V následujících odstavcích jsou popsány dva systémy řízení krokových motorů. Před realizací modulární řídicí jednotky byly pro řízení experimentálních zařízení na Ústavu mechaniky a materiálů používány jednotky řízení krokových motorů Gecko G540. V této práci je počítáno s náhradou 12 ctuthesis t1506072002

... 2.3. Řízení krokových motorů těchto jednotek systémem založeným na použití karty Mesa 5i25 v kombinaci s kartou Mesa 7i76. 2.3.1 Gecko G540 Univerzální jednotka Gecko G540 je driverem, kterým lze ovládat až čtyři krokové motory. Jednotka zároveň obsahuje piny k připojení tlačítka nouzového zastavení, tzv. E-STOPu. Ten je kvůli vyšší bezpečnosti připojen v režimu NC, tedy v provozním stavu je obvod mezi zdrojem napájení a vstupním pinem na jednotce uzavřen. Součástí jsou též piny k připojení koncových snímačů pro každou osu, opět v režimu NC. Detailní schéma zapojení ilustruje obrázek 2.5. Obrázek 2.5: Schéma zapojení jednotky Gecko G540 K počítači je jednotka připojena přes paralelní port LPT kabelem. Gecko je zároveň kompatibilní s řídicím softwarem LinuxCNC. Přestože jsou kontroléry Gecko velmi kvalitní, kompaktní a univerzálně řešené kontroléry, vykazují několik zásadních nedostatků, kvůli nimž bylo rozhodnuto 13 ctuthesis t1506072002

... 2.3. Řízení krokových motorů o jejich nahrazení a o stavbě řídicí jednotky na bázi jiných řídicích karet. Hlavní nevýhody jsou:. omezená podpora vlastních signálů (vstupy, výstupy, koncové spínače apod.),. latence systému závislá na chování počítače (při přímém propojení přes LPT port),. omezené možnosti mikrokrokování (konstantní hodnota 10 mikrokroků),. absence podpory enkodéru,. vysoká pořizovací cena. 2.3.2 Univerzální karta Mesa 5i25 Na základě zkušeností s jednotkami Gecko G540 bylo rozhodnuto o jejich nahrazení rodinou řídicích karet Mesa, která odstraňuje v podstatě všechny nedostatky systému s drivery Gecko G540, které jsou popsané v podkapitole 2.3.1. Mesa 5i25 (obr. 2.6) je FPGA karta navržená a optimalizovaná pro řízení krokových motorů/servomotorů, která podporuje všechny funkce potřebné pro pokročilé číslicové řízení strojů (autonomní generování krokovacího signálu, podpora enkodéru, interpolace pro křivkové pohyby, široké množství vlastních řídicích signálů apod.). Jedná se o autonomní kartu, která kompletně zabezpečuje číslicové řízení a počítač jí pouze předává instrukce bez rizika problémů s latencí systému apod. Karta zároveň obsahuje počítačový konektor IDC-26M pomocí kterého lze připojit redukci na DB-25F. Ten umožňuje připojit další zařízení přes paralelní port. 14 ctuthesis t1506072002

... 2.3. Řízení krokových motorů Obrázek 2.6: Univerzální karta Mesa 5i25 2.3.3 Kombinovaná karta Mesa 7i76 Jedná se o tzv. daughtercard pro FPGA kartu 5i25. Ke kartě 7i76 jsou přímo připojeny motorové drivery, vstupní a výstupní signály, enkodér a ostatní periferie řídicího systému. Pozici jednotlivých portů lze vyčíst z obrázku 2.7. V následujícím výčtu jsou stručně popsány jednotlivé konektory a jejich použití... 1 P1 - Host Connector - vstupní konektor pro komunikaci přes paralelní port1. TB1 - Field Power Connector poskytující volitelné napětí 8 32 V. Nelze použít klasický běžně dostupný LPT (Line Print Terminal) kabel, kde piny 18 až 25 jsou GND, protože funkce pinů 22 až 25 na kartě je závislá na poloze jumperu W2, viz obr. č. 2.7. 15 ctuthesis t1506072002

... 2.3. Řízení krokových motorů Obrázek 2.7: Rozložení konektorů na kartě Mesa 7i76 [8].. TB2 - hlavní výstupní konektor pro řízení 4 os (pro každou osu 6 pinů). TB3 - konektor je složen z více částí: řízení jedné osy, programovatelný enkodér, zdroj napětí 5 V a sadou pinů připravených pro případnou komunikaci s jiným produktem společnosti Mesa pomocí standardu.. RS-422. TB4 - konektor k řízení vřetenové osy. TB5, TB6 - konektory dohromady poskytují: 16 vstup, 8 výstup. 2.3.4 Microstep drive M415B Mikrokrokový driver M415B patří do skupiny levnějších driverů, nicméně jeho vlastnosti jsou plně dostačující pro krokování motorů na již existujících experimentálních zařízeních i na výhledový rozvoj experimentálních metod na Ústavu mechaniky a materiálů, FD ČVUT. Základní parametry driveru jsou popsány v tabulce 2.1. 16 ctuthesis t1506072002

... 2.3. Řízení krokových motorů Doporučené napětí: 24 36 V Výstupní proud: 0, 21 1, 5 A Použití: 2- a 4-fázový motor Mikrokrokové rozlišení: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 Rozměry: 86 55 20 mm Tabulka 2.1: Tabulka parametrů driveru M415B [9] Obrázek 2.8: Driver Leadshine M415B 2.3.5 Easy Servo Drive ES-D508 Série driverů ES od společnosti Leadshine umožňuje vysoce přesné zpětnovazební řízení servomotorů. Jednotka je uzpůsobena k řízení 3-fázových serveromotorů ze série ES-M3. Motory jsou vybaveny enkodérem vyčítajícím aktuální polohu a otáčky. Tyto informace jsou posílány do driveru, který provádí případnou korekci od požadované polohy [10]. Doporučené napětí: 20 45 V Výstupní proud: 0, 5 8 A Mikrokrokové rozlišení: 200 51200 steps/rev. Rozměry: 116 69 26 mm Tabulka 2.2: Tabulka parametrů driveru ES-D508 [10] 17 ctuthesis t1506072002

... 2.4. Prvky měřící elektrické veličiny Obrázek 2.9: Driver Leadshine EasyServo D508 2.4 Prvky měřící elektrické veličiny 2.4.1 LabJack T7 Multifunkční jednotka Labjack T7 představuje univerzální měřící systém elektrických veličin a bude v modulární jednotce využita pro vyčítání hodnot ze snímačů (siloměrů, tenzometrů apod.). K dostání je ve dvou základních verzích T7 a T7-PRO. Obě verze lze zakoupit i v provedení EOM, které nejsou oproti zákládní verzi zakrytované a neobsahují výstupní a vstupní konektory (USB, DB-37, DB-15 a svorkovnici), vyjma konektoru pro ethernetové připojení. Jedná se tedy pouze o součástkami osazenou DPS. Verze T7 nabízí:.... 14 single-ended analogových vstupů (nebo 7 při diferenciálním zapojení):.. dostupné rozsahy: ±10 V, ±1 V, ±0, 1 V nebo ±0, 01 V, vzorkovací frekvence: až 100 khz, 2 nastavitelné digitální výstupy 0 5 V, teoretické rozlišení 1 mv, 2 fixní proudové zdroje (10 µa a 200 µa), multiplatformí použití: Microsoft Windows, Linux, MAC OS X, 18 ctuthesis t1506072002

... 2.5. Software. možnost softwarové konfigurace,. možnosti připojení:. USB,. Ethernet,. 802.11b/g WiFi (pouze T7-Pro). 2.5 Software 2.5.1 LinuxCNC LinuxCNC (dříve Enhanced Machine Control) je volně šířitelný open-source software licencovaný pod GNU General Public License. Software slouží k počítačovému řízení technologií CNC např. obráběcích strojů, fréz atd. LinuxCNC vyžaduje linuxové jádro s rozšířením RTAI a s operačním systémem Ubuntu (popř. Debian) ve verzích LTS, které jsou ze strany vývojářů podporované na dobu většinou 3-5 let. LinuxCNC je schopen v základním rozhraní ovládat maximálně 9 motorizovaných os [11]. LinuxCNC zároveň umožňuje uživateli tvorbu vlastního grafického rozhraní, a to pomocí modulu GladeVCP (Glade Virtual Control Panel ), jenž je součástí instalace LinuxCNC. Latency test Latence ve výpočetní technice udává časový interval mezi odesláním požadavku ke zpracování a jeho realizací. Čím nižší hodnota latence je, tím je počítač vhodnější pro použití jako generátoru řídicích signálů. Pro ověření vhodnosti počítače k real-time řízení slouží Latency test, který je též součástí instalace EMC2 [12]. Výsledky testu latence lze přibližně ohodnotit: 19 ctuthesis t1506072002

... 2.5. Software. 15 20 µs - je-li výsledek v tomto rozmezí nebo nižší, je počítač vhodný pro softwarové krokování,. 30 50 µs - latence je dostačující na softwarové krokokování, ale použití vysokých počtů mikrokroků významně snižuje maximální rychlost polohování,. > 100 µs - počítač není vhodný pro softwarové krokování,. > 1 ms - počítač není vhodný pro LinuxCNC nezávisle na generátoru krokování [13]. Vzhledem k častým problémům s latencí systémů při použití nevhodných počítačových komponent byly pro konstrukci modulární jednotky použity karty Mesa, které problémy s latencí zcela řeší, protože řídicí signály se generují na procesoru řídicí karty. Architektura INI soubor Soubor s příponou.ini je základním inicializačním souborem pro konkrétní experimentální zařízení. Soubor obsahuje počáteční nastavení os, jako např. maximální rychlost, maximální zrychlení, měřítko atd. Dále jsou zde uvedeny cesty k souborům HAL, M-souborům, NGC souborům a souboru s grafickým uživatelským rozhraním. HAL soubory Soubor HAL zajišťuje virtuální propojení částí systému, obdobně jako se propojují komponenty elektrických obvodů na hardwarové úrovni (softwarová obdoba reléových řídicích obvodů). Nejprve musí být bloky systému načteny funkcí loadrt. Příkaz net pak již spojuje jednotlivé piny [14]. HAL soubory zároveň podporují logická operátory, např. and2, or2 nebo not. 20 ctuthesis t1506072002

... 2.5. Software NGC soubory NGC soubory obsahují řídicí kódy pro polohování, tzv. G-kódy. G-kód (nebo též RS-247) je programovací jazyk a obecně slouží k řízení CNC strojů. Každý příkaz kódu začíná písmenem G a následuje dvojciferným číslem identifikující konkrétní příkaz. M soubory Obdobou G-kódu jsou M-kódy, které mohou být vytvořeny uživateli. Syntaxe M-kódů je založena na jednom z unixových shellů - Bashi, který je spustitelný ve většine unixových operačních systémů [15]. Uživatel si tak může vytvořit vlastní skripty, které lze pomocí LinuxCNC spoustět. 2.5.2 ProTuner Program ProTuner byl vytvořen ke konfiguraci EasyServo driverů od firmy Leadshine. Software je určen pouze pro OS Windows, verze pro jiné operační systému doposud nebyly výrobcem vydány. Uživatel si pomocí programu může konfigurovat např. rozlišení mikrokroků, typ aktivní hrana (viz obr. 2.11), a to připojením k počítači pomocí kabelu, který je součástí balení EasyServo driveru. Na obrázku lze vidět grafické rozhraní 2.10, v něm lze vyzkoušet možnosti testovaného motoru, a to nastavením parametrů dle tabulky 2.3. V průběhu testu je vykreslován graf představující závislost tzv. PositionError na čase. 21 ctuthesis t1506072002

... 2.5. Software Veličina Rozmezí Jednotka Poznámka rychlost 1-5000 ot. min 1 otáčky za minutu počet otáček 1-3000 - pro konstantní rychlost počet opakování 1-65535 - zrychlení 1-3000 ot. s 2 směr pohybu kladný/záporný - pauza 1-10000 ms mezera mezi změnou směru časová osa 100-3000 ms velikost časové osy Tabulka 2.3: Tabulka nastavitelných parametrů v programu ProTuner [16] Obrázek 2.10: Grafické rozhraní programu ProTuner 22 ctuthesis t1506072002

... 2.5. Software Vstupní signál Reakce na rostoucí hranu Reakce na klesající hranu Obrázek 2.11: Znázornění reakce signálu 23 ctuthesis t1506072002

Kapitola 3 Související projekty Kapitola pojednává o souvisejících projektech víceosých systémů založených na nově používanými kartami Mesa 5i25 a 7i76. Tyto projekty vznikaly současně s touto prací a poskytly cenné poznatky využité při konstrukci modulární řídicí jednotky. Důvodů vyzkoušet a ověřit funkčnost nového řídicího systému bez využití driveru Gecko G540 bylo několik. Jedním z klíčových důvodů bylo vyloučit procesor počítače jako softwarového generátoru kroků s kvalitou závisející na latenci počítače (viz 2.5.1), a nahradit jej hardwarovým, tedy kartou Mesa 5i25. Druhým důvodem byla potřeba vytvořit dostatek výstupních a vstupních pinů, pomocí kterých by bylo možné ovládat periferie experimentálních zařízení, např. osvětlení. 3.1 Řídicí jednotka pro 5osý stolek Tato kapitola pojednává o prvním zavedení řízení za využití karet Mesa a driverů Leadshine M415B. Vzniklá jednotka slouží k řízení 5osého stolku určeného k polohování vzorku při experimentu. Při vývoji ovládacího softwaru a řídicí jednotky byly realizovány softwarové komponenty a způsoby zapojení karet, které byly dále využity při konstrukci jednotky. 24 ctuthesis t1506072002

... 3.1. Řídicí jednotka pro 5osý stolek 3.1.1 Popis stolku Konstrukce Stolek je složen z pěti autonomních dílců, které jsou samostatně prodejné. Každý dílec představuje jednu osu, přičemž ve výčtu se jedná o tři translační osy (XY Z) a dvě rotační (pracovně označené jako R1 a R2). Výrobcem jednotlivých komponent je společnost Standa Ltd. (Litva). Každý motor polohovacích os je osazen konektorem D-SUB, konkrétně DB-15M. Určení jednotlivých pinů je téměř identické pro všechny osy, a to následovně:. pin 1 - fáze motoru B,. pin 2 - fáze motoru B +,. pin 3 - fáze motoru A,. pin 4 - fáze motoru A +,. pin 7 - koncové spínače IN,. piny 8,9 - koncové spínače OUT. Piny 7, 8 a 9 jsou vývody koncových spínačů, které jsou paralelně zapojené typu NO. Znamená to, že při dojetí pohyblivé části do jedné z mezí dojde k propojení obvodu mezi pinem 7 a dvojicí pinů 8, 9. K aktivování spínačů u rotačních stolků dochází přibližně při úhlu 3 4, stupnice je vyznačena po obvodu pohyblivé částí. Výjimkou je pouze vertikální stolek (osa Z), která místo jednoduchých koncových spínačů používá optické brány. Brány musí být napájeny stejnosměrným napětím 5 V, z toho důvodu se využití pinů oproti ostatním osám mírně liší:. pin 1 - fáze motoru B, 25 ctuthesis t1506072002

... 3.1. Řídicí jednotka pro 5osý stolek. pin 2 - fáze motoru B +,. pin 3 - fáze motoru A,. pin 4 - fáze motoru A +,. pin 5 - napájení 5 V,. pin 7 - GND,. pin 8 - koncový spínač - horní úvrať,. pin 9 - koncový spínač - dolní úvrať. Koncová spínače jsou zapojeny v režimu NO, při jejich sepnutí dojde k propojení pinu 5 s pinem 8 nebo 9 v závislosti na aktuální úvrati. Individualitu vertikálního stolku bylo nutné proměřit a náležitě odzkoušet, neboť dokumentace ke správnému funkčnímu zapojení byla ze strany výrobce nedostatečná. 3.1.2 Komponenty řídicí jednotky a zapojení Jednotka obsahuje řídicí kartu Mesa 7i76 s pěti drivery M415B. Zapojení je identické se zapojením znázorněném na obr. 5.1, kapitola 5.2.1. Kontroléry mají přímý výstup ke konektorům DB-15F. Celý systém je napájen napětím 24 V dávané zdrojem WH S-120-24 o výkonu 120 W. Zdroj je od sítě 230 V oddělen kolébkovým spínačem s podsvícením indikující zapnutý stav. Dále byl použit ovladač nouzového zastavení (tzv. E-STOP) oddělující drivery od zdroje napětí. Způsob provedení koncových spínačů, resp. indukčních snímačů, na vertikální ose stolku mělo za následek nutný zásah do návrhu celého obvodu. Prvotní projekt nepočítal s užitím jiného napětí než 24 V, které ovšem k napájení optických bran vertikální osy není vhodné, neboť výrobce udává pouze napětí 5 V. Proto byl zapojen do obvodu regulátor napětí, který redukoval napětí zdroje na požadovanou hodnotu. Tím ovšem vznikl jiný problém, karta Mesa 7i76 dokáže na svých vstupních pinech identifikovat dle výrobce pouze napětí 26 ctuthesis t1506072002

... 3.1. Řídicí jednotka pro 5osý stolek v rozmezí 8 32 V. Možným řešením se nabízelo zapojení relé za výstup z optické brány, které by po sepnutí připojilo na vstup karty dostupných 24 V, bohužel při takto zapojeném obvodu relé nespínalo. Důvodem mohla být například vnitří proudová ochrana optické brány. Proto bylo nakonec zvoleno řešení s použitím tranzistoru NPN. Báze tranzistoru byla připojena k výstupu z optické brány, kolektor byl přes cívku relé spojen se zdrojem 24 V a emitor uzemněn. Jedná se o zapojení tzv. sinking type. Výsledkem bylo, že při sepnutí optické brány došlo k otevření přechodu tranzistoru a uzavření obvodu, neboť k otevření tranzistoru stačí na jeho bázi pouze malý proud, v našem případě byl spočten na hodnotu 4, 1 ma. Celé schéma zapojení lze vidět na obrázku 3.1. Obrázek 3.1: Schéma zapojení koncových optických spínačů Na obrázku 3.1 lze vidět mimo krycích diod D1-3 i dva rezistory R1 a R2. Pro oba rezistory byla vypočtena shodná hodnota odporu 1 kω. Veškeré komponenty byly umístěny do plastového boxu o vnitřních rozměrech 380 300 120 mm s výrobcem udávanou ochranou krytí IP56, která byla deklasována vyřezáním konektorových a kabelových otvorů. Výjimkou je pouze ovládač nouzového zastavení, který je vyveden mimo box kabelem. Otevřená řídicí jednotka je na obrázku 3.2. 27 ctuthesis t1506072002

... 3.2. Zařízení pro vytváření 3D modelů metodou fotometrického sterea Obrázek 3.2: Otevřená řídicí jednotka připravená k použití 3.2 Zařízení pro vytváření 3D modelů metodou fotometrického sterea 3.2.1 Popis zařízení Zařízení slouží k vytváření digitálních 3D modelů a textur objektů, a to pomocí metody fotometrického sterea. Tato metoda je založena na schopnosti dopočítat sklon povrchu ze znalosti sklonu nasvícení objektu a z velikosti intenzity světla odraženého. Základem jsou telecentrická světla, projekční mřížka, fotoaparát s makro-objektivem a difúzní světlo. Zařízení obsahuje dohromady osm polohovatelných os, kterými lze například měnit polohu vzorku vůči osvětlení. Vše je umístěno v konstrukci z hliníkových profilů, která je kvůli odstínění okolního světla opláštěna černými polykarbonátovými deskami [17]. 28 ctuthesis t1506072002

... 3.2. Zařízení pro vytváření 3D modelů metodou fotometrického sterea Obrázek 3.3: Interiér zařízení 3.2.2 Komponenty a zapojení Hardwarovým základem řízení systému je karta Mesa 5i25 ke které jsou připojeny dvě karty Mesa 7i76. Motorizované osy jsou zakončeny koncovými spínači - mechanickými nebo indukčními (bezdotykovými) snímači. Všechny osy jsou osazeny krokovými motory, které jsou řízeny drivery M415B. Kompletní schéma zapojení je na obrázku č. 3.4. 29 ctuthesis t1506072002

... 3.2. Zařízení pro vytváření 3D modelů metodou fotometrického sterea Obrázek 3.4: Schéma zapojení 30 ctuthesis t1506072002

Kapitola 4 Modulární jednotka 4.1 Koncepce modulární jednotky Na základě do součastnosti používaných neucelených řešení, popsaných v kapitole 1, byly definovány hlavní vlastnosti nové modulární řídicí jednotky. Zvolené komponenty byly vybrány z profesionálních zařízení, přičemž vychází z jejich používání v průmyslové sféře. Zároveň byl kladen důraz na možnost rozvoje v budoucnosti, a to především na možnosti vylepšování jednotlivých dílčích řešení či expanzi. Primárně jsou uvažována vylepšení: použití jednotky LabJack T7 v kombinaci s protokolem Modbus, přechod na low-level jádro LinuxCNC sloužící k samostatné tvorbně softwarových řešení bez využití nástavbových modulů, zpětnovazební real-time řízení krokových motorů. 4.2 Řídicí počítač 4.2.1 Komponenty Důležitým krokem byl výběr správných komponent pro sestavení řídicího počítače. Nejvyšší důraz byl kladen na výběr vhodné základní desky, která by byla plně kompatibilní s řídicí Mesa kartou. K finálnímu výběru tak posloužilo mnoho diskuzních internetových fór řešících problematiku řízení krokových motorů s použitím Mesa karty. Výsledkem tak byla nikoliv základní deska podporující nejnovější technologie (například nejmodernější procesory), ale 31 ctuthesis t1506072002

...4.2. Řídicí počítač deska ověřená pro bezproblémový provoz. Ostatní komponenty byly vybrány na základě kompatibility, popř. i jiných hledisek. Byly vybrány následující komponenty:. základní deska Gigabyte GA-H81M-S2PH - deska o velikosti micro- ATX podporuje procesory Intel s architekturou Haswell (procesory 4. generace) se socketem 1150,. procesor Intel Core i7-4790k - čtyřjádrový procesor disponující především základní frekvencí 4 GHz, cachem o velikosti 8 MB a integrovaným grafickým jádrem,. operační pamět Corsair 8GB KIT DDR3 1600MHz CL9 Red Vengeance Pro - vybrána na základě předešlých zkušeností s operačními pamětmi od tohoto výrobce,. disk SanDisk Ultra II 120GB - 2,5" SSD disk určený pro operační systém řídicího počítače,. disk WD Blue 1000GB 68MB cache - určený na ukládání dat z měření,. síťová karta AXAGO PCEE-GR,. zdroj Cooler Master 600W - tento zdroj byl vybrán pouze na základě potřebých výstupních napájecích konektorů a s ohledem na dostatečnou výkonnost z řady obdobných zdrojů. 4.2.2 Operační systém Po zapojení komponent počítače byl nainstalován operační systém. Za OS byl zvolen vyzkoušený a vhodný Debian Wheezy 2.7, který již ve své instalaci obsahuje předkompilovaný balík LinuxCNC a RTAI. Tento operační systém, stejně jako většina unix-like systémů, je volně dostupný jako open-source [18]. 32 ctuthesis t1506072002

...4.3. Elektronika řízení motorů 4.3 Elektronika řízení motorů Na základě požadavků a cílů práce (viz kapitola 1) byl zvolen následující seznam komponent:. 1 karta Mesa 7i76,. 1 karta Mesa 5i25,. 4 driver M415B,. 1 driver ES-D508. S tím souvisí i použití externího zdroje napájení pro drivery motorů a pomocnou elektroniku. Oba typy driverů (Leadshine M415B a Leadshine ES D508) lze napájet napětím 24 V, proto byl zvolen a zakoupen spínaný průmyslový zdroj HS-350-24 CARPSPA s výstupním proudem až 14.6 A a účinnosti 81 % [19]. 4.4 Ostatní elektronika 4.4.1 Releová deska Pro výstupní (napájecí) piny jednotky bylo zvoleno řešení s použitím ochraných relé, které zajišťují galvanické oddělení karty Mesa 7i76 a připojeného spotřebiče. K tomuto účelu byla navrhnuta jednoduchá oddělovací releová deska o čtyřech modulech. Návrh desky, konkrétně její vodivou stranu, lze vidět na obr. 4.1. 33 ctuthesis t1506072002

... 4.4. Ostatní elektronika Obrázek 4.1: Návrh releové desky Deska zároveň slouží k napájení konektorů pro připojení indukčních snímačů a jejich propojení se vstupními piny na kartě Mesa 7i76. 4.4.2 Ventilátory Návrh dále počítal se zajištěním dostačující ventilace uvnitř jednotky, proto bylo navrženo použití dvou ventilátorů, přičemž jejich poloha byla nastavena tak, aby jeden vháněl vzduch do jednotky a druhý odsával. Tím byla zajištěna dostatečná cirkulace vzduchu v modulární jednotce. Zároveň byl kladen důraz na možnost regulace otáček ventilátorů. K tomu bylo navrženo jednoduché schéma zapojení umožňující regulaci, viz obr. 4.2. Obrázek 4.2: Schéma zapojení ventilátorů 34 ctuthesis t1506072002

...4.5. Konstrukce Dle požadavků a vstupních parametrů použitých ventilátorů byla spočtena hodnota rezistoru R 2 = 1 kω a hodnota lineárně proměného rezistoru (potenciometru) R 1 = 1 kω. Tranzistorem v obvodu je bipolární tranzistor NPN. Prvky M1 a M2 symbolizují paralelně zapojené ventilátory. 4.4.3 Tlačítko nouzového zastavení Návrh počítá s použitím tlačítka nouzového zastavení, tzv. E-stopu, které v případě potřeby odstaví krokové motory od zdroje napětí. Tlačítko samotné je běžně dostupné v obchodech ve variantě odpovídající normě, tj. červené hřibovité tlačítko umístěné na žlutém podkladu. Tlačítko bylo dodatečně vybaveno jednoduchým reléovým obvodem s kontrolní dvoubarevnou diodou, signalizující aktuální stav systému. V případě, že je tlačítko nouzového zastavení sepnuté, je uživatel informován svícením červené LED diody. Je-li systém v provozu, svítí dioda zeleně. Z hlediska funkce odpovídá nouzové zastavení všeobecným požadavkům v normě, která uvádí: "Funkce nouzového zastavení musí být navržena tak, aby rozhodnutí o použití nouzového zastavení nevyžadovalo od obsluhy stroje uvažování o výsledných účincích" [20]. 4.5 Konstrukce 4.5.1 Varianty Profily z hliníkové slitiny s plastovým pláštěním Jedním z uvažovaných řešení bylo vytvořit nosnou konstrukci z profilů z hliníkové slitiny o čtvercových či obdélníkových průřezech. Profily poskytují mnoho výhod, např.: jednoduchost, odolnost, dostupnost a jednoduchá sestavitelnost do celků. Opláštění jednotky by mělo umožňovat rychlý vizuální kontakt s drivery 35 ctuthesis t1506072002

...4.5. Konstrukce a ostatní technikou uvnitř zařízení, protože drivery i kombinovaná karta Mesa 7i76 jsou vybaveny kontrolními LED diodami. Jedním z uvažovaných řešení bylo umístit všechny jmenované zařízení k okraji jednotky a LED diody vyústit mimo jednotku. Toto řešení by však bylo organizačně zbytečně náročné, a zároveň by nedostatatečně efektivně tento problém řešilo. Vhodnějším řešením by bylo komponenty umístit dle dispozic uvnitř modulární jednotky a jednotku krytovat jednou či více průhlednými, nebo částečně průhlednými, kryty. Mikrokrokové drivery M415B jsou vybaveny mikropřepínači pro nastavení rozlišení mikrokroků (viz. kapitola 2.3.4). Obdobně rozlišení servo-driveru je programovatelné softwarem ProTuner (kapitola 2.5.2) s RS-232 komunikací přes konektor RJ-11. I když se nepředpokládá časté přepínání rozlišení mikrokroků, je nutné umožnit snadný přístup k driverům bez nutnosti větší demontáže modulární jednotky. Hliníkový přepravní box Druhým uvažovaným řešením byl hliníkový přepravní box, který je snadno dostupný v různých rozměrech a provedeních. Boxy ve většině případech disponují:. ocelovými uchy pro snadnou manipulaci;. víkem, které jistí dva zámky proti náhodnému otevření například během přepravy;. vyztuženými rohy. Hlavní, a zároveň rozhodující, nevýhodou tohoto řešení je způsob, jakým by byly komponenty instalovány uvnitř přepravního boxu. Pro každou komponentu by musela být navržela specifická nosná konstrukce, která by musela být připevněna do stěn či spodní desky přepravního boxu. 36 ctuthesis t1506072002

...4.5. Konstrukce 4.5.2 Finální design Výsledné řešení bylo zvoleno jako kombinace obou návrhů slučujících jejich výhody. Základem je nosná konstrukce tvořená z hliníkových profilů obsahující všechny komponenty, která je pro snadnější manipulaci umístěna v přepravním hliníkovém boxu, obr. 4.5. Nosnou konstrukci lze z přepravního boxu snadno vyjmout, tím je zajištěna případná údržba komponent uvnitř jednotky nebo jejich přenastavení. Nosná konstrukce je tvořena z hliníkových profilů o různých průřezech, nejčastěji však 30 30 mm. Opláštění nosné konstrukce je pouze částečné a je tvořené pouze:. vrchní konektorovou deskou,. vrchními dvířky pro snadnější přístup k řídicímu počítači a jednotce LabJack,. jednou bočnicí. Interiér jednotky je rozdělen do několika pater. Rozmístění komponent vychází především z jejich velikosti a snahy o logické uspořádání.. Spodní patro obsahuje:. základní deska počítače,. počítačový zdroj,. zdroj 24 V,. karta Mesa 7i76,. HDD disk.. Střední patro obsahuje:. drivery M415B,. driver ES-D508, 37 ctuthesis t1506072002

...4.5. Konstrukce. releová deska,. SSD disk.. Vrchní patro obsahuje pouze jednotku LabJack. Návrh nosné konstrukce je na obrázku 4.3, finální podobu lze vidět na obrázku 4.4. Jednotku uloženou v přepravním boxu lze vidět na obrázku 4.5. Obrázek 4.3: Návrh nosné konstrukce Použité konektory, a jejich pinouty, vychází z již existujících experimentálních zařízení, aby byla zajištěna přímá kompatibilita bez nutnosti úprav těchto zařízení. Jednalo se především o konektory pro řízení motorů, vyčítání siloměrů a konektor pro enkodér. Výjimkou byla implementace kabelů koncových snímačů do konektorů, které doposud byly vedeny externě. Rozložení konektorů na desce vychází z logického uspořádání. V horní části se nacházejí tlačítka pro zapnutí řídicího počítače a zdroje napájení 24 V a konektor pro připojení tlačítka E-STOP. Dále jsou v levé části umístěny konektory na připojení os oběcně označených XY Z, v pravé části konektor pro připojení osy s enkodérem (označená symbolem A) a konektor pro připojení 38 ctuthesis t1506072002

... 4.6. Shrnutí Obrázek 4.4: Výsledné provedení nosné konstrukce servo-motoru s enkodérem. Další oddělení zahrnuje 2 konektory pro připojení nezávislých siloměrů. Konektorová deska dále obsahuje blikající diodu, upozorňující, že právě probíhá experiment. Nejspodnější část obsahuje počet releově oddělených výstupů od karty Mesa 7i76, vstupní 3pinové konektory, určené především k připojení externích indukčních snímačů a regulátor otáček ventilátorů. Návrh konektorové desky je na obrázku č. 4.6, kompletní pinout všech konektorů je v příloze A. 4.6 Shrnutí Následující výčet shrnuje veškeré možnosti a vlastnosti modulární jednotky... Řízení pro tři motorizované osy osazené krokovými motory, vč. koncových spínačů. Řízení pro jednu motorizovanou osu osazenou krokovým motorem, vč. koncových spínačů a enkodéru. 39 ctuthesis t1506072002

... 4.6. Shrnutí Obrázek 4.5: Výsledné provedení modulární jednotky...... Řízení pro jednu motorizovanou osu osazenou servo-motorem, vč. koncových spínačů a enkodéru. Schopnost vyčítání dvou signálů ze siloměrů, tenzometrů a obdobných zažízení. Čtyři releově oddělené výstupy s napětím 24 V. Dvanáct vstupních konektorů schopných napájet i indukční snímače. Podpora ovládání fotoaparátu, kamery Manta G504B aj. Přenosné, ucelené řešení ovládání experimentálních zařízení s možnostmi na jeho rozšíření. 40 ctuthesis t1506072002

... 4.6. Shrnutí Obrázek 4.6: Konektorová deska 41 ctuthesis t1506072002

Kapitola 5 Zapojení a konfigurace prvků systému Dalším krokem bylo zprovoznit komponenty řídicí jednotky a plně je integrovat do stávajícího SW vybavení vč. vyčítání siloměrů pomocí nové karty Labjack a funkčnosti všech periferií. 5.1 Konfigurace Mesa karet Prvním krokem bylo připojení karty Mesa 5i25 do příslušného slotu na základní desce počítače. Poté byly obě karty propojeny LPT kabelem. Správné provedení tohoto úkolu indikuje LED dioda na vrchní straně karty Mesa 7i76, a to jejím rozvícením po zapnutí PC. Nejprve bylo nutné zkontrolovat, zda-li je karta v PCI slotu viditelná příkazem: sudo mesaflash --device 5i25. Je-li odpověd kladná, je nutné porovnat nahraný firmware s tím na Mesa kartě: sudo mesaflash --device 5i25 --verify /lib/firmware/hm2/5i25/5i25_7i76x2.bit. V případě, že se soubory neshodují, je nutné přehrát firmware na kartu: sudo mesaflash --device 5i25 --write /lib/firmware/hm2/5i25/5i25_7i76x2.bit. Na závěr je potřeba provést reload: 42 ctuthesis t1506072002

... 5.2. Řízení driverem M415B sudo mesaflash --device 5i25 --reload. Dalším krokem je přesunutí složky 5i25_7i76x2 do /home/user/linuxcnc/configs/ V této složce je zapotřebí zakomentovat řádky v souboru.../5i25_7i76x2.hal, a to přidáním na začátek řádky symbolu mřížka neboli hash. #loadrt probe_parport #setp hm2_5i25.0.watchdog.timeout_ns 10000000 #addf hm2_5i25.0.pet_watchdog servo-thread Po splnění kontrolní procedury, bylo přistoupeno k samotnému zapojení obou typů kontrolérů, které je popsáno v následujících podkapitolách. 5.2 Řízení driverem M415B 5.2.1 Zapojení Zatímco Mesa karta obsahuje výstupy pro diferenciální signál přenosu, driver od společnosti Leadshine je uzpůsoben k single-ended signaling. Na základě těchto daných požadavků bylo zvoleno zapojení dle obrázku 5.1a. Vstupní port OPTO slouží k napájení optických členů, které chrání driver před poškozením ze strany kontroléru. Na volbě velikosti napájení závisí i velikost přidaného rezistoru, a to následovně:. pro V cc = 5 V, R = 0 Ω ;. pro V cc = 12 V, R = 1 kω ;. pro V cc = 24 V, R = 2 kω. V našem případě bylo zvoleno napájení o hodnotě 5 V, které produkuje přímo Mesa karta na portu TB3 (piny 21,22). Předřadný rezistor tedy nebylo nutné použít. 43 ctuthesis t1506072002

... 5.2. Řízení driverem M415B Vstupní port ENA 1 umožňuje zapnutí driveru přivedením logické 1, v případě použití logické 0 je driver odstaven. Zůstane-li ENA port nepřipojený ke kontroléru, je driver v provozním stavu. Zkušebním krokovým motorem byl zvolen 2-fázový motor SX17-1705 (MICRO- CON), který obsahuje vývody ze všech 4 párů vinutí. Uživateli tím umožňuje zvolit si, jak má být zapojen jedním z následujících způsobů:. unipolární,. bipolární,. paralelní,. sériové. Zvolený motor byl zapojen bipolárně paralelně, což zvýšuje moment oproti unipolárnímu zapojení až o 40 % [21]. Motor byl pote připojen dle manuálů s využitím mezilehlého konektoru DB-9, viz obr. 5.1 Mesa 7i76 Driver M415B VCC OPTO PUL+ PUL R PUL DIR+ DIR R DIR ENA+ ENA (a) schéma (b) realita Obrázek 5.1: Testovací zapojení kontroléru M415B 1 z angl. enable 44 ctuthesis t1506072002

...5.3. Řízení driverem ES-D508 5.3 Řízení driverem ES-D508 5.3.1 Zapojení Servo driver ES-D508 umožňuje zapojení pomocí diferenciálních signálů, což jeho zapojení ještě o trochu zjednodušilo. I v tomto případě byl konektor ENA ponechán nezapojený. Třífázový motor ES-M32309 byl připojen násuvnou svorkovnicí PTR 3, 5 mm, kterou byl již vybaven. K fungování sestavy je nezbytně nutné mít připojený enkodér motoru do driveru, zároveň je potřeba využít dodaný kabel (viz obr. 5.2b - černý stočený kabel), ve kterém dochází ke křížení několika pinů. Při jeho absenci nedochází ke správnému přenosu informace od enkodéru ke kontroléru a software snahu o pohyb servo motoru vyhodnocuje chybně. Mesa 7i76 Driver ES D508 VCC PUL+ PUL DIR+ DIR PUL+ PUL DIR+ DIR ENA+ ENA (a) schéma (b) realita Obrázek 5.2: Testovací zapojení driveru ES-D508 V motoru vestavěný enkodér má standardizovaný výstup (viz 2.1.2), tím umožňuje jeho snadné vyvedení na vyčítací externí zařízení. V našem případě lze použít vstup na enkodér přímo na kartě 7i76. Tím by bylo umožněno znát polohu v čase. 45 ctuthesis t1506072002

... 5.4. Konfigurace jednotky LabJack T7 5.4 Konfigurace jednotky LabJack T7 5.4.1 Konfigurace programem Kipling Ke konfiguraci jednotky LabJack slouží software Kipling, který je volně dostupný na stránkách výrobce. Software je k dispozici pro operační systémy Linux, Windows a Mac OS. Jednotka též podporuje řadu skriptovacích jazyků, především C/C++ a Python, které jsou praktičtější k využití, protože se dají implementovat do větších programovatelných celků a ovládat například přes LinuxCNC. Jednotlivé knihovny pro programovací jazyky jsou též dostupné na stránkách výrobce [22]. 5.4.2 Konfigurace jazykem Python Po stažení zip souboru [23], a jeho rozbalení do libovolné složky, je nutná instalace knihovny příkazem v konzoli: sudo python setup.py install. Složce Examples obsahuje řadu předpřipravených skriptů k vyčítání vstupů čí konfiguraci výstupů na jednotce. Příklad vyčtení hodnoty na analogovém vstupu AIN0 pomocí Pythonu: from labjack import ljm handle=ljm.opens("any","any","any") name="ain0" result=ljm.ereadname(handle,name) print("%s = %f"% (name,result)) Příklad nastavení hodnoty napětí na analogovém výstupu DAC1 pomocí Pythonu: from labjack import ljm handle=ljm.opens("any","any","any") 46 ctuthesis t1506072002

... 5.4. Konfigurace jednotky LabJack T7 name="dac1" value=2.5 result=ljm.ewritename(handle,name, value). Získané hodnoty ze vstupů pak lze již jednoduše dále zpracovávat nebo přímo archivovat, například ukládat do souborů. 5.4.3 Vyčítání siloměru V práci je uvažováno pouze s použitím tenzometrického siloměru, který obsahuje plný Wheatstonův můstek. Protilehlé uzly jsou napájeny konstantním napětím, zatímco na zbylých uzlech je měřena změna napětí a ta příslušně vyhodnocována. Jedním z výstupů jednotky LabJack je pin VS, který poskytuje napětí 5 V. Tato hodnota je k těmto aplikacím hojně využívána a výrobci často doporučována. Výstup VS je však veden přímo od vstupního portu USB, kterým je jednotka napájena, a jeho hodnota je velmi zatížena výrazným šumem a pro přesné měření změn napětí ve Wheatstonově můstku nevhodná. Přesnějším výstupem jsou piny DAC0 a DAC1, které lze nastavit v rozmezí 0 5 V, viz kapitola 5.4.2. Měřením byly zjištěny odchylky od požadovaného napětí až v řádech 10 µv. Ke správnému použití je třeba přepočíst výstupní hodnotu v milivoltech na velikost síly v jednotkách newton. Přepočet je dánem vztahem: F = x U v C cal F max, (5.1) kde F je výsledná síla, x je vstupní signál, U v je napájecí napětí, C cal je zkalibrovaná citlivost a F max je nominální síla. 47 ctuthesis t1506072002

Kapitola 6 Pilotní experiment Následující kapitola pojednává o přípravě, průběhu a vyhodnocení pilotního experimentu, jehož cílem je ověření funkčnosti modulární jednotky v kombinaci se stávajícím funkčním experimentálním zařízením. Tomuto kroku předcházela úprava existujícího řídicího softwaru, který byl založen na řízení pomocí jednotky Gecko G540. 6.1 Popis experimentálního zařízení Pro zjištění funkčnosti řízení modulární jednotky byl vybrán mikroindentor, obr. 6.1, jehož funkčnost a přesnost výsledku byla v minulosti ověřena [24]. Mikroindentor je vybaven dvěma motorizovanými osami určenými k polohování stolku se vzorkem. Třetí osa je osazena Vickersovým hrotem a siloměrem o nominální hodnotě 50 N. Každá osa je vybavena dvěma koncovými mikrospínači, které jsou zapojeny do série typu NC. Výjimkou je osa indentační, kde jsou jako koncové spínače použity indukční snínače. Pohyb indentační osy je kontrolován inkrementálním optickým enkodérem. Nosný rám konstrukce je zhotoven z profilů z hliníkové slitiny o průřezu 30 30 mm, [25]. Optická soustava je tvořena:. kamerou Manta G504B o vysokém rozlišení komunikující s modulární jednotkou přes ethernetové rozhraní [26] a. objektivem Navitar. 48 ctuthesis t1506072002

... 6.2. Popis experimentu Obrázek 6.1: Instrumentovaný mikroindentor Optická soustava je připevněna na posuvném stolku s mikrometrickým šroubem, kterým je umožněno zaostření kamery na vzorek. 6.2 Popis experimentu Pro ověření správné funkce řízení bylo provedeno měření tvrdosti podle Vickerse na referenční tvrdoměrné destičce. Tvrdost podle Vickerse se určí vztahem: HV = 0, 1891F, d2u (6.1) kde F je síla v newtonech a du je aritmetický průměr délek úhlopříček vzniklého vtisku v milimetrech. Ověření funkčnosti řídicí jednotky a tvrdoměru se provádí testem spolehlivosti a určením chyby měření na sérii pěti vtisků. Naměřené hodnoty tvrdosti a délek úhlopříček jsou shrnuty v tabulce 6.1, kde u1 a u2 jsou délky úhlopříček, du je aritmetický průměr délek úhlopříček a HV je výsledná hodnota 49 ctuthesis t1506072002

...6.2. Popis experimentu tvrdosti podle Vickerse. Velikosti úhlopříček byly získáný použitím poloautomatického vyhodnocovacího skriptu v programu Matlab na základě fotografií indentů z kamery Manta G504B a znalosti měřítka fotografií. u 1 [mm] u 2 [mm] d u [mm] HV 0,13542 0,13977 0,13759 299,64 0,13706 0,13730 0,13718 301,45 0,13656 0,13873 0,13764 299,42 0,13763 0,13774 0,13768 299,26 0,13574 0,13889 0,13731 300,85 Tabulka 6.1: Tabulka naměřených a výsledných hodnot 6.2.1 Spolehlivost měření pomocí tvrdoměru Spolehlivost tvrdoměru se stanoví z průměřných délek úhlopříček vtisků. Rozdíl nejdelší průměrné délky vtisku a nejkratší průměrné délky vtisku musí být menší nebo roven 0, 03 d str, kde d str je: d str = 1 5 d ui = (6.2) 5 i=2 0, 13749 + 0, 13718 + 0, 13765 + 0, 13768 + 0, 13732 = mm = 5 = 0, 13749 mm. Rozdíl nejdelšího a nejkratšího aritmetického průměru délek úhlopříček je: d rozdil = d 5 d 1 = (0, 13768 0, 13718) mm = 0, 00050 mm. Pro zajištění spolehlivosti tvrdoměru musí být d rozdil menší nebo roven spolehlivosti 0, 03 d str : spolehlivost = 0, 03 d str = 0, 03 0, 13749 = 0, 00412. 50 ctuthesis t1506072002

...6.2. Popis experimentu Spolehlivost tvrdoměru a řídicí jednotky je dostatečná, protože platí že: d rozdil spolehlivost 0, 00050 0, 00412. (6.3) 6.2.2 Chyba měření Druhá část ověření správné funkčnosti indentoru a řídicí jednotky je měření chyby tvrdoměru. Vzorec 6.1 udává výpočet tvrdosti podle Vickerse z délek úhlopříček. Přípustná chyba tvrdoměru pomocí tvrdoměrné destičky, o jmenovité tvrdosti 299,2 HV 3, je maximálně 3 %. Chyba tvrdoměru se vypočte vztahem: chyba = (H str H) 100, (6.4) H kde H je jmenovitá tvrdost tvrdoměrné destičky a H str je průměrná tvrdost série pěti vtisků: H str = 1 5 H i, (6.5) 5 i=1 kde H i jsou vypočtené hodnoty tvrdosti podle Vickerse jednotlivých vtisků. Po dosazení hodnot z tabulky 6.1 do vzorce 6.5 dostáváme průměrnou tvrdost: H str = 299, 64 + 301, 45 + 299, 42 + 299, 26 + 300, 85 5 Dosazením do vzorce 6.4 dostáváme chybu tvrdoměru: = 300, 12. (6.6) chyba = (300, 12 299, 20) 100 299, 20 = 0, 31%. (6.7) Chyba tvrdoměru ovládaného řídicí jednotkou je 0,31 %. Tato hodnota je menší než nejvyšší přípustná chyba 3 %. Rozdíl mezi skutečnou polohou pohyblivé částí indentační osy a přepočtenou polohou z kroků motoru lze vyčíst na obr. 6.2, kde červená křivka značí posunutí osy dle instrukce a zelená křivka je vyčtena z lineárního enkodéru. 51 ctuthesis t1506072002

... 30 6.3. Dílčí závěr krokování enkodér 25 Síla [N] 20 15 10 5 0 2.64 2.65 2.66 2.67 2.68 2.69 Posunutí [mm] 2.7 2.71 2.72 Obrázek 6.2: Porovnání polohy z enkodéru a polohy podle krokového motoru 6.3 Dílčí závěr Výsledky experimentu dokazují správnost provedení celého experimentu. Výsledná chyba měření je v toleranci s maximální přípustnou chybou. Použitím modulární jednotky došlo zároveň k výrazné úspoře počtu kompoment nutných k provedení experimentu, a tím i jeho zjednodušení při jeho přípravě či transportu vybavení. Dvojice obrázků (obr. 6.3) porovnává: výchozí stav s použitím jednotky Gecko G540 (vlevo), a potřebné vybavení v kombinaci s novou řídicí jednotkou (vpravo). Obrázek 6.3: Porovnání potřebného vybavení k provedení stejného experimentu 52 ctuthesis t1506072002

Kapitola 7 Závěr Na základě požadavků na funkcionality byla vytvořena modulární řídicí jednotka umožňující ovládat experimentální zařízení již vzniklá na Ústavu mechaniky a materiálů, FD ČVUT. Funkčnost a vlastnosti řídicí jednotky byly ověřeny na pilotním experimentu měření tvrdosti podle Vickerse na instrumentovaném mikroindentoru, který prokázal, že splnila očekávání a významně usnadnila měření a zvýšila kvalitu pořizovaných dat. Indentační zkouška probíhala na certifikované tvrdoměrné destičce o známe hodnotě tvrdosti podle Vickerse. Výsledky odpovídaly očekávaným hodnotám a maximální přípustná chyba měření se nacházela v toleranci. Řídicí jednotka byla vyvinuta s ohledem na výhled rozvoje řídicích systémů experimentálních zařízení na ústavu a podporuje tak pokročilé funkce, jejichž implementace do měření je na ústavu plánována v blízké době. Jedná se zejména o částečně a plně-zpětnovazební řízení krokových motorků, používání rozhraní ModBus pro vyčítání měřených veličin, tvorba řídicích SW a GUI pomocí semi-level programování LinuxCNC v jazyce Python. Přestože byla jednotka primárně vytvořena pro řízení experimentálních zařízení pomocí jádra LinuxCNC, použité komponenty zaručují její kompatibilitu i s jinými platformami pro řízení experimentů (např. LabView) a může tak být použita univerzálně. Modulární řídicí jednotka zároveň zavádí standarty konektorů, a jejich pi- 53 ctuthesis t1506072002

... 7. Závěr noutů, pro nově vzniklá zařízení, které v rámci kompatibility musí odpovídat definovaným předpisům uvedeným v této práci, příloha A. 54 ctuthesis t1506072002

Seznam použitých zkratek a pojmů CNC CPU DAQ DPS počítačové číslicové řízení Computer Numerical Control Centrální procesorová jednotka Central Processing Unit Sběr dat Data Acquistion Deska plošných spojů EOM FPGA GUI HAL LTS NC NO Originální zařízení výrobce Equipment Original Manufacturer Programovatelné hradlové pole Field-programmable Gate Array Grafické uživatelské rozhranní Graphical User Interface Hardwarová abstrakní vrstva Hardware Abstraction Layer Dlouhodobá podpora Long-Term Support Běžně sepnutý (výchozí stav spínače) Normally Closed Běžně rozepnutý (výchozí stav spínače) 55 ctuthesis t1506072002

... Seznam použitých zkratek a pojmů Normally Open pinout rozložení a pojmenování jednotlivých pinů na konektoru RTAI Real-time nadstavba pro linuxová jádra real-time application interface 56 ctuthesis t1506072002

Použitý software Autodesk c AutoCAD 2014 2D a 3D CAD software Autodesk c Inventor Professional 2014 parametrický modelář geda Project - Schematic Editor návrh a simulace elektronických obvodů geda Project - PCB Designer návrh DPS ProTuner ladění driveru ze série EasyServo LinuxCNC open-source software pro CNC řízení Kipling konfigurační a vyčítací software pro LabJack T7 57 ctuthesis t1506072002

Literatura [1] Wikipedia. Stepper motor wikipedia, the free encyclopedia, 2015. [Online; navštíveno 10. 9. 2015]. [2] Stepper motors. <https://www.circuitspecialists.com/ stepper-motor>. [Online; navštíveno 10. 9. 2015]. [3] Speciální krokové motory. <http://www.servo-drive.cz/specialni_ krokove_motory_krokove_motory_na_miru.php>. [Online; navštíveno 25. 05. 2016]. [4] Encoder guide. <http://www.anaheimautomation.com/manuals/ forms/encoder-guide.php#sthash.akzzqkhy.dpbs>. [Online; navštíveno 02. 03. 2016]. [5] Rotary encoders - understanding for practical implementation. <https://www.solo-labs.com/ rotary-encoders-understanding-practical-implementation/>. [Online; navštíveno 15. 03. 2016]. [6] Michal Polák. Experimentální ověřování konstrukcí 10. Vydavatelství ČVUT, Praha, 1999. [7] Jiří Klement, František Plánička, and Miloš Vlk. Modelová podobnost, elektrická odporová tenzometrie, experimentální určování zbytkových napětí, vyhodnocení experimentálně získaných dat. Západočeská univerzita v Plzni, Plzeň, 2004. 58 ctuthesis t1506072002

... Literatura [8] 7i76 step/dir plus i/o daughtercard. <http://www.mesanet.com/pdf/ parallel/7i76man.pdf>. [Online; navštíveno 12. 09. 2015]. [9] User s Manual for m415b. <http://www.leadshine.com/uploadfile/ Down/M415Bm.pdf>. [Online; navštíveno 7. 10. 2015]. [10] Datasheet of the Easy Servo Drive es-d508. <http://www.leadshine. com/uploadfile/down/es-d508d_v1.2.pdf>. [Online; navštíveno 7. 10. 2015]. [11] About LinuxCNC. <http://linuxcnc.org/docs/2.7/html/ getting-started/about-linuxcnc.html>. [Online; navštíveno 10. 12. 2015]. [12] Getting started v2.6.8. <http://linuxcnc.org/docs/2.6/pdf/ LinuxCNC_Getting_Started.pdf>. [Online; navštíveno 07. 04. 2016]. [13] Integrator manual v2.5. <http://linuxcnc.org/docs/2.5/pdf/ LinuxCNC_Integrator_Manual.pdf>. [Online; navštíveno 05. 04. 2016]. [14] Hal manual v2.5. <http://linuxcnc.org/docs/2.5/pdf/linuxcnc_ HAL_Manual.pdf>. [Online; navštíveno 20. 09. 2015]. [15] Wikipedie. Bash (unix shell) wikipedie: Otevřená encyklopedie. <https://cs.wikipedia.org/wiki/bash>, 2014. [Online; navštíveno 22. 05. 2016]. [16] Software Manual of the Easy Servo Drives. <http://www.leadshine. com/uploadfile/down/es-dsm_v1.0.pdf>. [Online; navštíveno 28. 11. 2015]. [17] Tomáš Fíla, Daniel Vavřík, Jaroslav Valach, Jan Šleichrt, Petr Zlámal, and Jan Bryscejn. Zařízení pro vytváření digitalizovaných 3d modelů pomocí metody fotometrického sterea s telecentrickými osvětlovači a projekční mřížkou. 2015. [Dokumentace funkčního vzorku]. 59 ctuthesis t1506072002

... Literatura [18] Getting linuxcnc. <http://linuxcnc.org/docs/2.7/html/ getting-started/getting-linuxcnc.html>. [Online; navštíveno 20. 04. 2016]. [19] Průmyslový zdroj 24v - 350 w. <http://www.aspa.cz/doc/d/o/c/ g593.pdf>. [Online; navštíveno 10. 2. 2016]. [20] ČSN EN ISO 13850: Bezpečnost strojních zařízení - Nouzové zastavení - Zásady pro konstrukci. Český normalizační institut, 2008. [21] Teorie řízení krokových motorů. <http://www.mdp.cz/nabidka.php? id=teorie_rizeni>. [Online; navštíveno 12. 2. 2016]. [22] Ljm libraby - t7, digit. <https://labjack.com/support/software/ installers/ljm>. [Online; navštíveno 02. 03. 2016]. [23] Python and ljm. <https://labjack.com/support/software/ examples/ljm/python>. [Online; navštíveno 02. 03. 2016]. [24] Nela Fenclová. Nástroje pro řízení a vyhodnocování mikroindentačních zkoušek. Ústav mechaniky a materiálů, FD ČVUT, Praha, 2015. [Diplomová práce]. [25] Tomáš Fíla, Daniel Kytýř, and Nela Fenclová. Instrumentovaný mikroindentor. 2014. [Dokumentace funkčního vzorku]. [26] Allied vision - manta g504 datasheet. <https://www.alliedvision. com/en/products/cameras/detail/manta/g-504/action/pdf. html>. [Online; navštíveno 7. 05. 2016]. 60 ctuthesis t1506072002

Příloha A Pinouty modulární jednotky E-STOP Konektor: XLR-3M číslo pinu signál 1 GND 2 napájení 24 V 3 výstup 24 V Osy X, Y, Z, A Konektor: DB-9F číslo pinu signál 1 koncový spínač - 24 V 3 koncový spínač - Mesa 7i76 (input) 6 signál B+ 7 signál B- 8 signál A+ 9 signál A- Osa B Konektor: MIC-6M 61 ctuthesis t1506072002

... A. Pinouty modulární jednotky číslo pinu signál 1 signál U 2 signál V 3 signál W 4 koncový spínač - 24 V 5 koncový spínač - Mesa 7i76 (input) Siloměry 1, 2 Konektor: DB-9F číslo pinu signál 5 výstup M+ 6 napájení 4, 5 V 7 GND 9 výstup M- Enkodér - osa A Konektor: DB-9F číslo pinu signál 1 výstup A+ 2 GND 3 výstup B- 4 výstup IDX- 6 výstup A+ 7 napájení 5 V 8 výstup B+ 9 výstup IDX- Enkodér - osa B Konektor: DB-15M 62 ctuthesis t1506072002

... A. Pinouty modulární jednotky číslo pinu signál 1 výstup A+ 2 výstup B+ 3 GND 11 výstup A- 12 výstup B- 13 napájení 5 V Průběh experimentu Konektor: CINCH-F číslo pinu signál 1 napájení 24 V 2 GND Vstupy 1-12 Konektor: XLR-3M číslo pinu signál 1 reference 24 V 2 GND 3 napájení 24 V Výstupy 1-4 Konektor: CINCH-F číslo pinu signál 1 napájení 24 V 2 GND 63 ctuthesis t1506072002

Příloha B Výkresy a schémata 64 ctuthesis t1506072002

L N PE zdroj 24 V +V V 24 V GND PC driver ES D508 GND +Vdc GND +Vdc PUL DIR OPTO GND +Vdc PUL DIR OPTO GND +Vdc PUL DIR OPTO GND +Vdc PUL DIR OPTO 24 V Mesa 7i76 TB3 TB5 TB2 TB5 driver M415B A+ A B+ B enkodér kabel TB1 1 4 8 PCIe Mesa 5i25 LPT kabel DB 25F TB6 TB6 TB3 TB2 TB5 TB2 TB5 TB2 TB5 3 2 5 4 5 2 4 6 4 8 9 11 14 7 12 10 13 8 10 12 1 14 16 18 2 20 22 24 3 (bílá) PUL- DIR Vcc KS (bílá) PUL- DIR Vcc KS (bílá) PUL- DIR Vcc KS TB 25F konektor XLR 3M U V W driver M415B A+ A B+ B A+ driver M415B A B+ B driver M415B A+ A B+ B 2 3 4 5 6 8 9 6 7 1 3 1 2 3 4 6 7 8 9 8 9 6 7 1 3 8 9 6 7 1 3 8 9 6 7 1 3 konektor XLR 3M konektor DB 15M konektor DB 9F konektor DB 9F konektor konektor konektor DB 9F DB 9F DB 9F (E STOP) TB6 1 USB kabel 5 konektor DB 9M 6 7 9 konektor DB 9M 5 6 7 9 2 konektor XLR 3M 3 1 konektor CINCH F + E M GND 24 V REF 24 V GND REF 1 12 OUT 1 4 M+ (bílá) E+ E M M+ (bílá) E+ LabJack T7 PUL+ PUL DIR+ (bílá) DIR- KS (bílá) PUL- DIR Vcc releová deska AIN1 DAC0 GND AIN0 AIN3 DAC1 GND AIN2 24 V GND 1 12 (INPUT) 18 21 (OUTPUT) EA (šedivǎ) EGND EB EIDX EA+ EVdc EB+ (bílá) EIDX- KS ENCA GND ENCB IDX ENCA+ +5VP ENCB+ IDX+ MODULÁRNÍ JEDNOTKA prodlužovací kabel ventilátory + regulátor E-STOP osa B enkodér osa A enkodér osa X osa Y osa Z

250.00 590.00 Kreslil Jan Šleichrt Kontakt sleicjan@fd.cvut.cz Poznámky 20.5.2016 Fakulta dopravní - Ústav mechaniky a materiálů Název Modulární jednotka - nosný rám Velikost A4 Měřítko Číslo výkresu 2 500.00

Č. 1 2 3 4 5 6 7 7 5 3 NÁZEV Počítačový zdroj Gigabyte H81M-S2PH Mesa 7i76 Zdroj 24 V Deska s drivery LabJack T7 Konektorová deska Kreslil Jan Šleichrt Kontakt sleicjan@fd.cvut.cz Poznámky 20.5.2016 Fakulta dopravní - Ústav mechaniky a materiálů Název Modulární jednotka - otevřená sestava Velikost A4 Měřítko Číslo výkresu 1 6 1 2 4

345.00 500.00 592.00 Kreslil Jan Šleichrt Kontakt sleicjan@fd.cvut.cz Poznámky 20.5.2016 Název Fakulta dopravní - Ústav mechaniky a materiálů Modulární jednotka - kompletní sestava Velikost A4 Měřítko Číslo výkresu 3