docLego – mój robot - Design News Polska
download 
Reklamacja Transkrypt
Lego – mój robot - Design News Polska
NOWOŚCI Nauka i technika Lego – mój robot TEKST: TERRY COSTLOW ROBOTY Mindstorm firmy Lego pomagają przekazywać uczniom wiedzę z dziedziny fizyki, matematyki, techniki i technologii Projekty interaktywne budzą w dzieciach i młodzieży zainteresowanie techniką Daniel Brillhardt wykorzystywał produkt firmy Lego- RoboLab podczas zajęć z uczniami klas czwartych szkoły podstawowej przez sześć lub siedem lat i prze- konał się, że pomoce praktyczne są narzędziem wyrównującym poziom uczniów w różnym stopniu uzdolnionych nie gorszym niż... pomoce dydaktyczne. Konstruowanie robotów stanowi takie samo wyzwanie zarówno dla uczniów utalentowanych, jak i uczniów mających problemy z nauką, którzy uczęszczają razem na zajęcia. 8 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] październik 2006 – Zajmowałem się dzieckiem, które miało poważne problemy z czytaniem. Pokazaliśmy mu, jak programować roboty, aby mógł od tej pory wyrażać swoją kreatywność w taki sposób. Został gwiazdą całej klasy, na równi z uczniami nadzwyczajnie uzdolnionymi – mówi Brillhardt, nauczyciel ze Szkoły Gattis w Austin, w stanie Teksas. NOWOŚCI Teraz pan Brillhardt czeka z niecierpliwością na zademonstrowanie swoim uczniom najnowszej wersji programu Mindstorm, NXT. Będzie ona miała swój debiut 1 sierpnia. Jako jeden ze 100 członków Programu Rozwojowego Mindstorms (Mindstorms Developer Program) miał szansę pomagać w kształtowaniu zabawki i przy okazji – nauczył się jej używać. Uważa, że nowa wersja wzbudzi zachwyt i zainteresowanie fizyką i matematyką, co będzie niejako przygotowaniem gruntu dla uczniów wybierających w przyszłości kierunki techniczne. – NXT jest prostszy, działa bardziej na zasadzie „przenieś i upuść”. Wcześniej dzieci musiały najpierw połączyć wszystkie części, co zajmowało im dużo czasu i mogło wywołać frustrację – mówi Brillhardt. Jego wysiłki pokrywają się z główną ideą wielu firm technologicznych, żeby obudzić zainteresowanie technologią u dzieci w każdym wieku. Globalizacja umożliwia setkom tysięcy chińskich i indyjskich inżynierów stanowienie skutecznej konkurencji dla ich amerykańskich odpowiedników, dlatego firmy starają się w coraz aktywniejszy sposób utrzymać nieprzerwany napływ uczniów technicznie uzdolnionych, którzy przeszli proces edukacyjny. Te firmy również zastosowały podejście praktyczne, poczynając od szkół podstawowych, a kończąc na poziomie uniwersyteckim. Takie firmy jak Avnet są jednak głównie aktywne na poziomie szkół podstawowych, gdzie organizują i przeprowadzają różnego rodzaju konkursy. – Pięć lat temu ograniczaliśmy się jedynie do przekazywania pieniądzy – mówi Teri Radosevich, dyrektor działu stosunków społecznych dystrybutora, mającego swoją siedzibę w Phoenix. Targi Nauka i Technika, organizowane przez firmę Avnet, to pozalekcyjna działalność dla uczniów ostatnich klas lokalnych szkół podstawowych (w Polsce odpowiednio dla gimnazjalistów – przyp. Redakcji). Avnet nie jest osamotniony w swoich wysiłkach. Większość firm z sektora high-tech i towarzystw z nimi współpracujących poświęca swój czas i pieniądze na to, by stworzyć atmosferę zainteresowania wokół matematyki i fizyki, w nadziei, że pomoże to uczniom w budowaniu podstaw niezbędnych do wkroczenia w dziedziny techniczne. – Jeśli uczniowie Konkursy na uczelniach w USA Na poziomie uniwersyteckim zaangażowanie firm zwykle koncentruje się wokół przekazywania środków finansowych na określony cel, grantów na prowadzenie badań i odbywanie staży. Organizowanych jest jednak również kilka konkursów praktycznych. W zeszłym roku firma General Motors połączyła siły z amerykańskim Departamentem Energetycznym, aby sponsorować konkurs Challenge X. W czasie tego trzyletniego konkursu, który zakończy się w następnym roku, drużyny uniwersyteckie starają się tak przebudować sportowy pojazd użytkowy, aby zminimalizować zużycie energii i emisję gazów, ale jednocześnie utrzymać lub poprawić jego użyteczność i osiągi. Konkurs zgromadził poparcie wielu firm, zaczynając od takich, jak Caterpillar, Freescale i National Instruments, a kończąc na mniejszych, jak Maxwell Technologies. Podejście praktyczne wychodzi poza ramy uczelni do rządu federalnego i absolwentów, dzięki konkursowi Wielki Wyścig Robotów DARPA Grand Challenge. DARPA przenosi swój niezależny wyścig pojazdów do zwariowanego miejskiego środowiska. Zwycięzca 60-milowego wyścigu, zaplanowanego na 3 listopada 2007 roku, wygra główną nagrodę do wykorzystania na działalność dodatkową, w wysokości – 2 000 000$. Podczas, gdy większość konkursów dysponuje dużo skromniejszą pulą nagród, dają one również satysfakcję, która przewyższa materialną wartość pieniędzy. – Momentem, w którym rozpierała mnie duma, była chwila, w której jeden z sędziów podszedł do uczestnika konkursu, podał mu swoją wizytówkę i powiedział: „mam dla ciebie pracę” – mówi Teri Radosevich z firmy Avnet. W Chandler-Gilbert Community w Arizonie 19. studentom przyznano stypendia w wysokości 1000$ z programu Avnet Technology Games. INTUICYJNE, bardzo łatwe w obsłudze oprogramowanie produktu Mindstorm powinno ułatwić budowę poprawnie funkcjonującego robota. Warto zwrócić uwagę na nieprzypadkowe podobieństwo do... LabView! [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 9 NOWOŚCI nie zainteresują się tym we wcześniejszym okresie, potem będzie za późno, aby zacząć się zajmować inżynierią w college’u – mówi Radosevich. Istnieją mocne dowody na to, że te programy docierają do uczniów. Ogólnoświatowa Olimpiada Robotów rozpoczęła się w 2004 roku i zgromadziła w zeszłym roku prawie 4000 drużyn. Inicjatywy tych firm są wspólne również dla długofalowych programów prowadzonych przez takie towarzystwa, jak IEEE (Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników) i ASME (Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Mechaników), sponsorujące programy, jak np. Narodowy Tydzień Inżynierii. Inne grupy, jak Stowarzyszenie Inżynieryjno-Techniczne Uczniów Szkół Podstawowych (Junior Engineering Technical Society) skupiają się jeszcze bardziej na krzewieniu zainteresowania techniką i technologią w szkołach, ponieważ promowanie tych idei jest podstawą ich istnienia. Czy to działa? Podczas gdy projekty interaktywne rzeczywiście wydają się stymulować zainteresowanie i umożliwiać uczniom zagłębianie się w dziedzinę techniki na poziomie uniwersyteckim, nie istnieją jednak dowody, że służą one temu celowi długookresowo. Liczba osób przyjmowanych na studia inżynieryjne w ciągu ostatniej dekady nie uległa znacznym zmianom. – Istnieje wiele czynników determinujących wybór kierunku na studiach – mówi Ray Almgren, wiceprezes ds. strategii produktu i kontaktów z uczelniami w firmie National Instruments, będącej partnerem firmy Lego Mindstorms z siedzibą w Austin. Zwolennicy takich działań zgadzają się, że bez pomocy dużych firm, szkołom podstawowym ubogim w przedmioty o takiej tematyce będzie ciężko zaszczepić zrozumienie i właściwą ku temu ciekawość, które są nieodzowne w pracy przyszłego inżyniera. Chociaż nie ma żadnej gwarancji, wysokość darowizn od firm i zaangażowanie w działalność wolontariacką rosną w ostatnich latach coraz szybciej. Jednym z największych programów skierowanych do uczniów szkół średnich jest program Dla Inspiracji i Poznania Nauki i Technologii (FIRST For Inspiration and Recognition of Science and Technology), stworzony przez twórcę pojazdu Segway – Deana Kamena (o tym ostatnim wsominaliśmy przy okazji Roboty składane w najprostszy sposób Lego sprzedaje swój zautomatyzowany system Mindstorm już 8 lat – niezwykle długo jak na produkt zawierający elementy elektroniczne. Nowsza wersja korzysta z postępów w rozwoju elektroniki i oprogramowania, a także z obserwacji producentów zabawek, psychologów i nauczycieli, którzy na co dzień widzą, w jaki sposób dzieci się bawią. Najważniejszą rzeczą jest maksymalne uproszczenie produktu, aby ludzie, którzy dopiero zaczynają się interesować elektroniką, nie zniechęcali się, tylko tworzyli coraz bardziej skomplikowane projekty. – To, co kiedyś wymagało poświęcenia półtorej godziny czasu na złożenie, teraz zajmuje tylko 30 minut – mówi Soren Lund, dyrektor projektu Lego Mindstorms NXT. Udoskonalenia oznaczają, że zalecenia dotyczące wieku, od którego można używać produktu obniżyły go z 12 na 10 lat. – Jest prostszy i bardziej intuicyjny, więc ludzie mogą w krótszym czasie osiągnąć wyższy poziom zaawansowania zarówno w pracy ze sprzętem komputerowym, jak i w programowaniu – mówi Lund. W miarę jak rośnie ich poziom UCZNIOWIE przedostatnich klas skomplikowania, są one wyposażane college’u sprawdzają warunki w coraz więcej opcji, pozwalających przystąpienia do programu Avnet rozwijać dodatkowe zdolności, dodaje. Technology Games, organizowanego Oprogramowanie Robolab, przez firmę Avnet oparte na graficznym środowisku programistycznym LabView, stworzonym przez firmę National Instruments, jest kluczową częścią kampanii promującej upraszczanie i zwiększanie możliwości. – Umieściliśmy specjalny intuicyjny interfejs w górnej części produktu LabView, który bardzo upraszcza korzystanie z niego – mówi Ray Almgren, wiceprezes ds. strategii produktu i kontaktów z uczelniami w firmie NI. Kiedy firma Lego ujawni światu nową wersję produktu obecnego na rynku przez dłuższy czas, zacznie się w niej proces wprowadzania daleko idących zmian. – Wykorzystujemy wiele pomysłów użytych we wcześniejszych produktach, jednak żaden kawałek tworzywa sztucznego, sprzętu komputerowego czy oprogramowania nie został wykorzystany po raz drugi – dodaje Lund relacji z NI Week 2006, Design News 10/ 2006, s.10 – przyp. redakcji). W programie skoncentrowanym wokół konstruowania zautomatyzowanych mechanizmów wzięło udział ponad 1100 drużyn złożonych z ponad 30000 uczniów. Do finałów odbywających się w Atlancie dostały się 343 drużyny i 8500 uczniów, co stanowiło znaczny wzrost w porównaniu z finałami zorganizowanymi w roku 1992, w których wzięło udział jedynie 28 drużyn. Sponsorzy zwrócili uwagę na fakt, że otrzymali wiele opinii, pokazujących, że projekty wywarły niezatarty wpływ na uczniów i pracowników firm. – To bardzo przyjemne uczucie, kiedy przychodzi do nas jakaś drużyna i chce zrobić sobie zdjęcie z oprogra- 10 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] październik 2006 mowaniem Autodesk – mówi Buzz Kross, wiceprezes działu rozwiązań produkcyjnych w firmie Autodesk Inc., mieszczącej się w Tualatin w stanie Oregon. Dostawca narzędzi cadowskich jest od kilku lat głównym sponsorem programu FIRST, który przekazuje narzędzia programowe wykorzystywane przez uczniów do budowania robotów. Podczas, gdy głównym celem jest stworzenie zabawnego i ciekawego programu dla młodzieży, większość dorosłych, którzy zdecydowali się poświęcić swój czas temu wydarzeniu, uznała je za bardzo satysfakcjonujące. – Większość sędziów pytała, czy mogliby uczestniczyć w tej imprezie ponownie w przyszłym roku – mówi Radosevich. NOWOŚCI Pneumatyka i hydraulika Kompaktowa pompa wysokociśnieniowa Dzięki obudowie z tworzywa sztucznego urządzenie ma różnorodne zastosowania Mała pompa wyporowa Flojet Triplex zapewnia maksymalne ciśnienie cieczy o wartości 10,21 atm. Niepowtarzalna konstrukcja obejścia daje pompie możliwość dostosowywania się do zakresu natężeń przepływów przy stałym ciśnieniu. Urządzenia zapewniają zakres natężeń przypływów do 7,6 l/min przy ciśnieniu roboczym przekraczającym 9,7 bara. Samozasysające pompy przeponowe mają wyłącznik, którego celem jest ograniczenie maksymalnego ciśnienia do 10,3 bara. Najważniejsze materiały zastosowane do budowy pompy to: nylon wypełniony szkłem, wykorzystany w konstrukcji głowicy pompy, elastomer Santoprene zastosowany na membranę i EPDM lub Viton na zawory zwrotne. Takie połączenie materiałów pozwala pompom obsługiwać wiele substancji chemicznych bez korodowania. Technologia membran z współwtryskami znacznie eliminuje potencjalne drogi wycieku, dzięki czemu wzrasta wydajność i żywotność pompy. Pompy te, przeznaczone do pracy cyklicznej, choć mogące pracować w sposób ciągły przez krótkie okresy, mogą pracować na sucho bez uszkodzenia. Praca na wyższym cyklu pracy zmniejsza jednak przewidywaną żywotność pompy. Urządzenia OBUDOWA z tworzywa sztucznego pompy Triplex i maksymalne ciśnienie 10,21 atm sprawiają, że pompa dostosowana jest do wykorzystania w wielu dziedzinach przemysłu obsługują płyny o minimalnej temperaturze 4°C i maksymalnej 60°C. Rozmiar kanału dla wlotu i wylotu wynosi 3/8 cala NPTF. Urządzenia mogą być zasilane prądem stałym o napięciu 12V i 24V lub prądem zmiennym o napięciu 115V i 230V. Typowe zastosowania pompy obejmują przemieszczanie, dostarczanie, rozpylanie, chłodzenie, filtrację, dozowanie oraz zwiększanie ciśnienia w sektorach ochrony podłóg, rolnictwie i w obsłudze samochodów. Dostępne są zarówno jako modele na żądanie, jak również modele opcjonalne, a certyfikacja konstrukcji membrany trójkomorowej obejmuje komponenty UL, CE i NSF. Randy Frank REKLAMA [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 11 NOWOŚCI Pneumatyka i hydraulika Mały, szybki zawór Zwarta konstrukcja wytrzymuje długie okresy żywotności Nowa linia zaworów Spider Valves o zwartej, płaskiej zworze firmy Humphery Products Company, zapewnia krótki czas reakcji z bardzo małym tarciem i długą żywotnością. Zaprojektowane w celu wstawiania do węzłów lub wykonywanych indywidualnie rozgałęzień rur, 2- i 3-drożne, bezpośrednio pobudzane zawory, dostarczane są w rozmiarach o średnicy 7, 15 i 21 mm w obu wersjach: jako normalnie zamknięte oraz normalnie otwarte. W przeciwieństwie do zaworów elektromagnetycznych, w których rdzeń wsuwa się do cewki magnetycznej w pozycji MAGNETYCZNE JARZMO wciąga płaską zworę z pozycji zasilenia, a sprężyna płytkowa wciska zworę z jej zintegrowanym elementem uszczelniającym do gniazda zaworu w pozycji wyłączenia zasilania pobudzenia, płaska zwora Spider Valve jest wciągana do magnetycznego jarzma. W pozycji wyłączenia, sprężyna płytkowa ustawia zintegrowany element uszczelniający zwory w gnieździe zaworu. Konstrukcję płaskiej zwory cechuje ruchomy element o bardzo niskiej masie, umożliwiający czasy przełączenia rzędu milisekund (ms). Dzięki uniknięciu nieodłącznego tarcia występującego w konstrukcji z rdzeniem solenoidu, zawór z płaską zworą osiąga ruch bliski beztarciowemu z żywotnością, w zależności od zastosowania, dochodzącą do 109 (miliard) cykli. Złącze elektromagnesu Obudowa wkładu Zespół cewki elektromagnesu R (wylot) Sprężyna płytkowa Element uszczelniający Otwór A Płaska zwora Gniazdo zaworu Otwór P 7 MM ZAWÓR Spider Valve posiada dwa pierścienie o-ring do uszczelnienia w węźle lub indywidualnym rozgałęzieniu Sterowane impulsami prądowymi w trybie modulacji szerokości impulsów, urządzenia działają jako zawory quasiproporcjonalne, umożliwiając uzyskanie zmiennych prędkości przepływu. Przy niskim poborze mocy, wynoszącym 0,5 W dla urządzenia 7 mm, zawory zaadresowane są do licznych zastosowań przepływowych, gdzie ważne są niewielkie rozmiary oraz mały pobór mocy, włączając neutralne oraz łagodnie agresywne ciecze, gazy i opary. Na przykład, bezpośrednio pobudzony, normalnie zwarty dwudrożny zawór elektromagnetyczny VA 204-7 posiada średnicę 7 mm z kryzami o średnicach 0,3; 0,5; 0,8; lub 1 mm do pracy przy odpowiadających zakresach ciśnienia 0 do 10, 0 do 8, 0 do 6 lub 0 do 3 barów. Przeznaczone do maksymalnej temperatury otoczenia 50°C urządzenia cechuje czas cyklu 0,5 do 4 ms i obsługują one media o maksymalnej lepkości do 21 mm/s, maksymalne ciśnienia statyczne 20 barów oraz maksymalną częstotliwość roboczą 500 cykli na sekundę. Randy Frank Materiały Tworzywa sztuczne coraz lepiej przewodzą... prąd elektryczny Większa przewodność oznacza więcej zastosowań dla tworzyw sztucznych przewodzących prąd elektryczny Aby mieć jakieś pojęcie o tym, jak wykorzystywać tworzywa sztuczne przewodzące prąd elektryczny i ciepło, nie trzeba daleko szukać, tylko obejrzeć ciągle rozrastające się portfolio patentów na materiały Elec- triPlast produkowane przez firmę Integral Technologies. Firma ta stworzyła technologię produkcji związków tworzyw sztucznych o dużej przewodności, mających dwa razy 12 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 taką przewodność elektryczną i cieplną jak najbardziej przewodzące metale. – Jesteśmy w stanie osiągnąć przewodność elektryczną srebra i miedzi – chwali się Tom Aisenbrey, wiceprezes ds. rozwoju ” Jesteśmy J w stanie osiągnąć przewodność elektryczną srebra i miedzi produktu i główny technolog w Integralu. – To samo dotyczy przewodności cieplnej – dodaje. Po wprowadzeniu na rynek materiałów ElectriPlast prawie trzy lata temu, pracownicy naukowo-techniczni opracowali długą listę potencjalnych zastosowań tworzyw sztucznych, które mogą być formowane wtryskowo, przewodzić prąd elektryczny i ciepło. Firmie przyznano już 12 patentów dla potencjalnych zastosowań materiałów ElectriPlast, np. kilka dla projektów anten odlewanych z tworzyw termoplastycznych. Ma jeszcze 88 złożonych wniosków patentowych na wiele innych zastosowań. Obejmują one cały wachlarz kształtowanych wtryskowo komponentów elektrycznych — takich jak układy scalone, kondensato- NOWOŚCI ry, nalepki RFID, trójwymiarowe osłony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i inne. Pod koniec kwietnia Integral Technologies sprzedało licencję na produkcję materiałów ElectriPlast firmie Heatron Inc., która jest producentem wysokoenergetycznych diod LED i komponentów dla zarządzania termicznego. Firma Integral produkuje swoje materiały przewodzące dodając przewodzące proszki i włókna wielkości mikrona do różnych żywic bazowych. – Ta technologia jest skuteczna w przypadku każdej żywicy FIRMA Integral Technologies opracowała tworzywa sztuczne, które mogą mieć przewodność elektryczną miedzi i srebra bazowej, a jest ich około 15000 rodzajów – mówi Aisenbrey. Firma dysponuje dużą liczbą receptur na produkcję swoich materiałów przewodzących i jest w stanie stworzyć właściwości elektryczne lub termiczne dla konkretnego zastosowania. Zwykle opór właściwy obejmuje zakres od grafitu (około 7.5 × 10-6 omów cm) do miedzi (1.7 × 10-8 omów cm), a przewodność cieplna osiąga wartość maksymalną na poziomie około 400 W/mK – dodaje Aisenbrey. Natomiast to, czego Aisenbrey nigdy nie zdradzi, to sposób, w jaki firma osiąga tak wysoki poziom przewodności, inny niż ogólne wyjaśnienie, że „opatentowana technologia pociąga za sobą dokonywanie ciągłych modyfikacji w wykorzystywanych dodatkach przewodzących, jak również wymaga uważnego mieszania składników”. Połączenie tych dwóch strategii powoduje homogeniczne rozproszenie materiałów przewodzących wewnątrz żywicy bazowej. Według Aisenbrey’a homogeniczne rozproszenie pozwala firmie Integral osiągać wysoką przewodność podczas napełniania wypełniacza dostatecznie niskiego, aby nie ryzykować jakiejkolwiek utraty mechanicznych właściwości tworzywa bazowego. – To jest właśnie piękno tej technologii – podkreśla Aisenbrey. Joseph Ogando REKLAMA [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 13 NOWOŚCI Elektronika przemysłowa Mechanizm sieciowy 1394b Nowe produkty koncentrują się na wykorzystaniu specyfikacji IEEE 1394b oraz wysiłkach na rzecz standaryzacji protokołu automatyzacji 1394 Firewire nadal ewoluuje jako rozwiązanie do sterowania ruchem, automatyzacji oraz zastosowań przyrządowych, dzięki kilku nowym produktom, zmierzającym w kierunku specyfikacji IEEE 1394b. Wraz z udoskonalaniem produktów, 1394 Trade Association sfinalizowała opracowanie protokołu warstwy aplikacji o nazwie 1394AP (1394 protokół automatyzacji), co ma na celu normalizację przemysłowego wykorzystania magistrali IEEE 1394. Najnowsza technika 1394 Zarówno Bosch Rexroth, po przejęciu z końcem 2005 r. Nyquist Control, jak i ORMEC Systems wprowadziły nowe produkty sterownika oraz napędów, wykorzystujące specyfikację IEEE 1394b. Sterownik NYCe 4000 firmy Bosch Rexroth jest montowanym na stojaku, przemysłowym rozwiązaniem do sterowania ruchem, stanowiącym połączenie sterownika z techniką kierowania, w celu ograniczenia zajmowanej przestrzeni, okablowania oraz złożoności integracji. – Opracowaliśmy system NYCe 4000, zawierający sterowniki i napędy, wykorzystujący protokół 1394AP do planowanych zastosowań pomiędzy 100 W i 1 kW – mówi Eric Hezemans, dyrektor naczelny nowej komórki Bosch Rexroth. Nowy sterownik wykorzystuje wersję IEEE 1394b i ma możliwość podłączenia czterech kart systemów napędowych. Karta dwuosiowa dostarcza 500W dla każdej z dwóch osi, a karta jednoosiowa rozwiązanie o mocy 1 kW. System działa przez sieć Firewire o przepustowości 800 Mb/s i zapewnia prędkość wystarczającą do śledzenia zmiennych w sterowniku ” ruchu lub napędach oraz przeglądanie w czasie rzeczywistym parametrów takich, jak prąd napędu. Oscyloskop programowy w PC może otwierać wiele kanałów i wyświetlać dane związane z napędem oraz ruchem, przy użyciu szybkiego podłączenia. Nowe sterowniki, napędy 1394b ORMEC Systems również wykorzystuje IEEE 1394b w swoich nowych sterownikach SMLC i wydaniach serwonapędach serii ServoWire® SD. Napędy zapewniają zakres mocy od 3 do 60 A RMS/na fazę, moc wyjściową od 600 do 24 000 W i pracują przy zasilaniu 230 lub 460 VAC. Według Marty Rademachera, specjalisty inżynierii badawczej w ORMEC, 1394b jest całkowicie cyfrową techniką, która eliminuje sygnały analogowe, wykorzystywane w poprzedniej wersji 1394a. W przyszłości dostępne będą wyższe prędkości, wraz z wyborem różnych mediów, w tym CAT5 oraz światłowody oferujące możliwość wyższych prędkości transmisji oraz/ lub większe odległości komunikacji sieciowej. Nowy schemat arbitrażu zapewnia metodę szybszego zerowania magistrali, a inne usprawnienia zwiększyły sprawność sieci. Sieć 1394b w nowym sterowniku SMLC oraz w napędach jest bardziej niezawodna, sprawniejsza oraz szybsza niż poprzednia sieć 1394a. Nie zamierzamy tworzyć normy ruchu lub CNC dla Firewire Zatwierdzenie protokołu 1394AP Na początku 2006 r. grupa robocza 1394 Trade Association zatwierdziła warstwę aplikacyjną, zwaną 1394AP (1394 protokół automatyzacji), w celu normalizacji wyko- 14 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 NYCEE 4000 zapewnia duże osiągi, sterowanie wieloosiowym ruchem, konfigurowalną funkcjonalność bezpieczeństwa i obsługuje do 10 osi przez jedno urządzenie rzystania IEEE 1394 do automatyzacji, sterowania ruchem oraz oprzyrządowania. Grupa firm europejskich opowiedziała się za otwarciem komunikacji Firewire, dzięki czemu wiele firm mogłoby projektować, wykorzystując Firewire do zastosowań sterowania ruchem oraz automatyzacji. Hezemans wspomina, że w przeciwieństwie do SERCOS oraz innych wysiłków na rzecz standaryzacji magistrali, grupa skoncentrowała się na objaśnieniu otwartości Firewire, aby wielu sprzedawców mogło wykorzystywać sieć Firewire w tym samym czasie bez wzajemnego przeszkadzania sobie. Komunikacja Firewire wykorzystuje standardowe komunikaty, zawierające informacje, szczegółowo określające typ komunikatu oraz informacje o nadawcy. W wyniku tego 1394AP nie próbuje opisywać, co informacja komunikuje w magistrali ani w jakim formacie, lecz tylko, jak komunikować się bez zakłócania pozostałych urządzeń w sieci. – W przeciwieństwie do SERCOS oraz innych nie zamierzamy tworzyć normy ruchu lub CNC dla Firewire – mówi Hezemans. – Nie ma potrzeby określać funkcjonalności w taki sposób, aby każdy musiał robić to tak samo. My jedynie objaśniamy, jak komunikować się przez magistralę, a gdy komunikujesz się zgodnie ze standardem, każdy może komunikować się bez przeszkadzania innym – dodaje. Al Presher ROZWIĄZANIA Koszenie... 26 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 autopilotem ROZWIĄZANIA Wraz z wprowadzeniem na rynek amerykański kosiarki RoboMower, dwóch wynalazców otworzyło drzwi raczkującemu rynkowi sektora robotyki TEKST: CHARLES J. MURRAY Udi Peless nie znosi kosić trawników. Może więc wydać się dziwnym fakt, iż pan Peless – pilot samolotu F-16 i odnoszący znaczne sukcesy przedsiębiorca — zacznie teraz pędzić żywot nierozerwalnie związany z... kosiarkami do trawników. Jeszcze bardziej kuriozalny wydaje się fakt, że pan Peless będzie to robił w... Izraelu, kraju niesłynącym raczej z rozległych przestrzeni pokrytych bujną zielenią przydomowych trawników. Ale pan Peless, posiadacz dyplomu licencjata z dziedziny elektrotechniki, wie również to i owo o nawigacji, dlatego jego wizja kształtowania krajobrazu zakłada użycie kosiarek do trawników sterowanych autopilotem. Z powodu swojej niechęci do koszenia pan Peless spędził ostatnią dekadę swojego życia, pracując ze swoim partnerem, Shai Abramsonem, nad stworzeniem projektu kosiarki, która łączyłaby w sobie silniki elektryczne, czujniki, oprogramowanie i mikroprocesor, a wszystko to wzięte razem – w pełni zautomatyzowałoby proces ścinania trawy. Ich pierwszy wspólny produkt – RL1000 RoboMower (przeznaczony dla zamożniejszej części nabywców, który ostatnio wszedł na rynek amerykański dzięki sprzedaży w portalu internetowym Sears.com) – jest tak niezależny, że może kosić trawę przez całe lato bez najmniejszej interwencji ze strony człowieka. RoboMower RL1000 samodzielnie przyłącza i odłącza się od ładowarki do akumulatorów i co tydzień bez problemu porusza się wkoło podwórka. Panowie Peless i Abramson wierzą, razem ze swoim amerykańskim dystrybutorem, że systemy koszące tego typu staną się w ciągu następnej dekady rozwiązaniem obecnym w każdym gospodarstwie domowym, tak jak odbyło się to w przypadku pilotów do drzwi garażowych w latach 60. – Pewnego dnia, kiedy będziesz kupować dom, powiesz: Nie chcę domu, który nie ma systemu koszącego – mówi Ames Tiedeman, kierownik sprzedaży Systems Trading Corp., dystrybutora produktów RoboMower. Rzeczywiście, znaleźli się inni, którzy także podzielają tę opinię. Do tej pory firma sprzedała około 50 000 egzemplarzy kosiarek do trawników, z czego jedna trzecia przypadła na Stany Zjednoczone. Co więcej, czołowi producenci — tacy jak Toro, John Deere, Stiga, a nawet Hoover — prowadzili rozmowy i/lub zawierali umowy z nowo powstałą firmą Friendly Robotics, założoną przez panów Peless’a i Abramsona. – Założeniu firmy towarzyszyło żywe zainteresowanie i duża doza ciekawości – mówi Peless. – Ludzie wyraźnie widzą, że ten pomysł ma przyszłość. Wyzwanie... czujnikowe Peless po raz pierwszy wpadł na ten pomysł w 1995 roku. Nie odstraszyły go wtedy opinie sceptyków, głównie dlatego, że wierzył mocno w istnienie rynku zbytu dla zautomatyzowanych kosiarek do trawy. – Jako właściciel domu nie znosiłem kosić mojego trawnika – wspomina. – Chciałem stworzyć urządzenie, które wykonałoby tę czynność za mnie i za wszystkich innych właścicieli posesji, którzy czują podobnie. Peless, któremu już wcześniej udało się odnieść ogromny sukces, związany z działalnością firmy medycznej Biosense, stwierdził, że pomysł stworzenia zautomatyzowanej kosiarki do trawników okaże się kolejnym strzałem w dziesiątkę o wielkim potencjale rozwojowym. W oparciu o swoje przypuszczenia o istnieniu popytu na zautomatyzowane kosiarki, swoją wiedzę i doświadczenie w projektowaniu systemów nawigacyjnych i kontrolnych, które mógł wnieść do projektu, powoli posuwał się naprzód, forsując pomysł, że zautomatyzowane kosiarki do trawników są zarówno realne do wykonania technicznie, jak i możliwe do sprzedania. Skontaktował się z Abramsonem, o którym wiedział, że ma wiedzę z dziedziny elektro-optyki i oprogra- mowania, po czym panowie rozpoczęli pracę nad prototypem garażowym. Nie minęło jednak wiele czasu, a już obaj zorientowali się, że ten projekt jest znacznie bardziej skomplikowany. – Na nasze nieszczęście, byliśmy zbyt pewni siebie – wspomina Peless. – W sumie zabrało nam to kilka lat i kilka milionów dolarów więcej, niż przypuszczaliśmy... Jednak podstawowa koncepcja zautomatyzowanej kosiarki do trawników powstała bardzo wcześnie i, z nielicznymi wyjątkami, pozostała nienaruszona. Oryginalny pomysł stworzenia kosiarki wymagał zastosowania dużej liczby różnych systemów czujnikowych, zawierających ultradźwiękowy czujnik zbliżeniowy, czujnik pola elektromagnetycznego i tak zwany „czujnik zderzakowy”, jak również niedrogi hodometr i busolę magnetyczną. Podczas działania kosiarki, najważniejszym elementem jej systemu był czujnik pola elektromagnetycznego, zaprojektowany tak, aby pracował w połączeniu z przewodem umieszczonym na obwodzie powierzchni, która ma być skoszona. W gruncie rzeczy, system pracował jak transformator, wykorzystując zwój pierwotny, znajdujący się na zewnątrz kosiarki, do wytwarzania sygnału o niskim napięciu w przewodzie umieszczonym na obwodzie, a zwój wtórny na części głównej kosiarki do określenia odległości od przewodu. Dzięki współpracy z hodometrem i busolą, system mógł także oceniać odległości, na jakich się porusza. Jednocześnie nieprzewidziane przeszkody, takie jak kamienie czy przechodnie, mogły zostać zauważone przez czujnik zbliżeniowy i wyczute przez czujnik zderzakowy, który wykorzystywał dętkę pneumatyczną, znajdującą się na głównej części maszyny i czujnik nacisku, wykrywający najmniejsze zderzenie na jej drodze. Aby wykryć sygnały wejściowe z każdego z czujników, Friendly Robotics umieściło wszystkie sygnały czujników na płytce obwodu drukowanego, wykorzystującej „Przewodowe” bezprzewodowe rozpoznawanie obszaru Fala elektromagnetyczna wewnątrz obszaru jest „pozytywna” Fala elektromagnetyczna na zewnątrz jest „negatywna” Obszar trawnika ograniczony obwodem CZUJNIK przewodu systemu wykorzystuje znajdujący się na urządzeniu głównym zwój do wyczuwania fal elektromagnetycznych w przewodzie biegnącym wokół obwodu trawnika [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 27 ROZWIĄZANIA MODEL RL1000 kosiarki RoboMower jest na tyle samodzielny, że może kosić trawę przez całe lato bez najmniejszej interwencji ze strony człowieka, samodzielnie przyłączając i odłączając się od ładowarki do akumulatorów 16-bitowy, 20-MHz mikrosterownik Hitachi HS8 do obciążania sygnałów wejściowych i wysyłania sygnałów sterujących do systemu napędowego i silników ostrza tnącego. Początkowo Peless i Abramson używali silników elektrycznych firmy Johnson Electric (Hong Kong): dwóch silniku o mocy 150W, po jednym na każde koło napędowe; i pokaźnych rozmiarów silnika o mocy 750W do zasilania ostrza tnącego. – Dzięki możliwości kontrolowania silników napędowych mogliśmy sterować urządzeniem i wpływać na jego szybkość – mówi Abramson, długoletni inżynier w wojsku izraelskim, posiadający dyplomy z dziedziny fizyki, matematyki i elektrotechniki. – Stosując zróżnicowaną szybkość pomiędzy silnikami byliśmy w stanie jednocześnie skręcać i kierować. układających się w nieco nachodzące na siebie pasy na trawniku. Pracując w taki sposób, system nie pozostawia nieskoszonych powierzchni, nawet jeśli porusza się po nierównym, wyboistym i pagórkowatym terenie. – To trawniki, nie korty tenisowe – mówi Abramson. – Utrzymywanie prostych linii na nierównym, pagórkowatym podłożu to niezwykle trudne zadanie. Istotnie, dopracowanie algorytmu pokrycia zajęłoby jednej osobie około 20 lat! 6-osobowemu zespołowi programistów udało się to w znacznie krótszym czasie. – W zwyczajnym ogrodzie można bez kłopotów sterować z jednego końca na drugi – mówi Abramson. – Ale jeśli w grę wchodzi bardziej skomplikowany ogród z przeszkodami i wąskimi przejściami, NOWSZE WERSJE kosiarki RoboMower wykorzystują trzy ostrza tnące, zasilane trzema elektrycznymi silnikami o mocy 150W Chodzenie po linie Jednak Peless i Abramson zgadzają się co do tego, że największym wyzwaniem dla inżynierów okazał się nie sprzęt komputerowy, lecz... oprogramowanie. – Prawdziwym przełomem w określeniu miejsca, w którym się znajdowaliśmy, było zastosowanie busoli i hodometru w połączeniu z sygnałami z przewodu umieszczonego na obwodzie – wyjaśnia Abramson. – Serce naszego systemu tworzy niedrogi system nawigacyjny, działający zgodnie z algorytmem pokrycia obszaru. Rzeczywiście, połączenie tych technologii umożliwia kosiarce poruszanie się po prostych, precyzyjnie określonych liniach, 28 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 ROZWIĄZANIA system musi uruchomić specjalne funkcje, aby poradzić sobie z określonym kształtem. Napisanie programu zabrało nam tak dużo czasu, ponieważ wymagało przeprowadzania wielogodzinnych testów i mozolnego zbierania danych o każdym możliwym kształcie”. – Skoszenie 80 procent jakiegokolwiek trawnika nie nastręczało żadnych trudności – dodaje Peless. – Ale osiągnięcie 100 procent pokrycia dla każdego możliwego kształtu oznaczało... lata pracy nad udoskonalaniem algorytmu. Wejście na rynek Jednak firmie Friendly Robotics udało się wprowadzić swój pierwszy produkt na rynek w 1998 roku. Chociaż jej założyciele przyznają teraz, że jego pierwsza wersja była nieporęczna i brakowało jej solidności późniejszych modeli, twierdzą również, że osiągnięte wyniki były imponujące jak na tamte czasy. – Bardzo szybko stało się jasne, że to był idealny pomysł na dobry początek, ale nie produkt, na którym można oprzeć długotrwałe funkcjonowanie całej firmy – mówi Peless. W latach 1998-2001 firma wyprodukowała około 4000 jednostek, zanim wypuściła na rynek drugą i trzecią wersję, które posiadały już w wyposażeniu różne ulepszenia. Te nowe wersje wykorzystywały proces formowania próżniowego, aby tworzyć formy do tworzyw sztucznych do kosiarek po mniejszych kosztach. Wymieniono także oryginalne agregaty tnące o mocy 750W na trzy mniejsze jednostki o mocy 150W, które zasilały trzy mniejsze ostrza tnące. Zespół projektowy kosiarki zrezygnował również z montowania w późniejszych modelach czujnika zbliżeniowego, a w zamian zainstalowano optyczny „czujnik spadania”, który umożliwia kosiarce RoboMower rozumienie, czy w danej chwili jest przechylona albo czy jedno z kół nie dotyka ziemi. W takich przypadkach mikrosterownik wyłącza silnik ostrza tnącego, aby nie dopuścić do powstania obrażeń ciała. Programiści zmienili także algorytm pokrycia obszaru, aby formować na trawie wzór zygzakowaty. – Po pierwszym przejściu pokrywamy obecnie 70 do 80 procent trawnika, wtedy GŁÓWNA PŁYTKA obwodu drukowanego kosiarki RoboMower odbiera sygnały wejściowe pochodzące z czujnika ciśnienia (zderzaki), czujników optycznych (płyta spadania), zwojów elektromagnetycznych (czujniki przewodów), hodometru i busoli. System wykorzystuje 16-bitowy układ sterowania procesora (MCU) do kontrolowania sygnałów wyjściowych skierowanych do dwóch silników napędowych i trzech silników tnących przełączamy się i pokrywamy ogród pod innym kątem, tworząc w ten sposób równoległe nachodzące na siebie pasy – mówi Abramson. Podczas prac nad stworzeniem kosiarki RoboMower, Peless i Abramson prowadzili jednocześnie negocjacje z czołowymi producentami na temat sprzedania licencji na technologię firmie posiadającej większy potencjał produkcyjny. Firma Friendly Robotics nawiązała oficjalną współpracę ze szwedzką firmą produkującą kosiarki do trawników Stiga i amerykańską firmą Toro. Firma Toro wyprodukowała i sprzedała kilkaset zautomatyzowanych kosiarek pod nazwą handlową iMo, ale ostatecznie zarzuciła ten pomysł ze względu na... brak zainteresowania ze strony klientów. Peless negocjował również z firmą Hoover Co. sprzedaż licencji na technologię użycia zautomatyzowanych odkurzaczy, ale rozmowy pomiędzy dwoma firmami zakończyły się w momencie przejęcia firmy Hoover przez firmę Maytag Corp. – Niestety, wszystkie trzy przypadki nas rozczarowały – mówi Peless. – W końcu zaczęliśmy produkować i sprzedawać produkt w ramach naszej własnej marki. Firmie Friendly Robotics udało się do tej pory sprzedać ponad 50 000 kosiarek, w większości w Europie i Stanach Zjednoczonych. Przynajmniej na razie będzie ona samodzielnie wytwarzać produkt. Prezesi firm deklarują, że kiedy zainteresowanie rynku zautomatyzowanym koszeniem wzrośnie, ponownie przemyślą koncepcję licencjonowania. Zanim to nastąpi, dystrybutorzy modelu RL1000 i mniejszego modelu RL850 liczą na duże cyfry, oznaczające wielkość sprzedaży. – W Stanach Zjednoczonych co roku sprzedaje się 6 milionów kosiarek do trawy – zauważył pan Tiedeman z amerykańskiej firmy Systems Trading Corp. – Naszym celem jest zdobycie 10 procent tego rynku. Peless i Abramson utrzymują, że sprzedaż hurtowa pomoże obniżyć cenę modelu RL1000, za który obecnie trzeba zapłacić w handlu detalicznym 1800$, i cenę modelu RL850, kosztującego w detalu 1200$. Bez względu na to, czy nowa firma będzie w stanie w niedługim czasie istotnie zwiększyć swoją sprzedaż, jej założyciele wierzą, że otworzyli drzwi raczkującemu rynkowi sektora robotyki w kraju. – Jest to zupełnie nowa dziedzina – mówi Abramson. – To nie to samo co produkcja telewizorów czy lodówek. Wcześniej istniała psychologiczna przepaść, którą należało przekroczyć w tym miejscu i teraz, gdy konsumenci zaczynają to robić, nie będą chcieli się już z tego wycofać. [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 29 Elektronika Wyczuć dotyk TRENDY Technika pojemnościowa ma do zaoferowania niskie koszty, nieskomplikowany montaż, nowoczesny wygląd Metody wyczuwania z zastosowaniem techniki pojemnościowej przeżywają nagły wzrost popularności, głównie dlatego, że oferują niskie koszty, względnie prosty montaż i nowocześniejszy wygląd w porównaniu z mechanicznymi przyciskami i przełącznikami. Producenci samochodów, którzy wykorzystali sensorykę pojemnościową do wykrywania obecności pasażera (która m.in. pozwala na bezpieczne rozwinięcie się poduszki powietrznej), przez długi czas cieszyli się ogromnym zainteresowaniem ze strony mediów, a producenci sprzętu elektronicznego zaczęli je wykorzystywać do produkcji ekranów dotykowych. Konstruktorzy iPoda firmy Apple również stworzyli powszechnie rozpoznawany, intuicyjny interfejs w oparciu o metody pojemnościowe. – iPod przebudził sektor elektroniki użytkowej uświadamiając zastosowanie pojemnościowej sensoryki dotykowej – zauważa Philip Sieh, specjalista z dziedziny zastosowań pola E-field w Dziale Rozwiązań dla Czujników i Serwomotorów w firmie Freescale Semiconductor. – Ta metoda pozwala na bardziej nowoczesny wygląd i daje projektantowi większą swobodę. Sieh dodaje, że niektóre szpitale zaczęły używać tej techniki do wykrywania pacjentów i monitorowania w łóżkach i materacach dmuchanych. Teraz także producenci samochodów stosują te metody w modułach drzwi do sterowania oknami, lusterkami i konsolami. – Coraz więcej projektantów zaczyna postrzegać sensorykę pojemnościową jako metodę alternatywną. Stanowi ono unikalne rozwiązanie dla wielu bezdotykowych zastosowań – mówi Sieh Czujnik pola elektrycznego E-field firmy Freescale Wraz z wprowadzeniem czujnika MC34940, firma Freescale rozszerzyła zastosowanie układów scalonych poza aktualnie produkowany asortyment czujników samochodowych o grupę urządzeń elektronicznych i przemysłowe pulpity sterowania. Jednochipowy układ scalony wytwarza pole elektryczne o niewielkim natężeniu, a następnie wykrywa zmiany zachodzące w tym polu i dlatego, w gruncie rzeczy, jest czujnikiem opartym na pojemności elektrycznej. Nowy model wymaga o 33 procent mniejszej obudowy w porównaniu z wcześniejszymi wersjami i jest wyposażony w większe odstępy – dla ułatwienia montażu. Może być wykorzystywany do wykrywania bliskości i wyczuwania trójwymiarowego pola. Może również uruchamiać funkcje, takie jak włączanie lub wyłączanie przycisków, włączanie alarmów w przypadku niebezpiecznych sytuacji związanych z takimi urządzeniami jak dzbanki do kawy, suszarki do włosów i kosiarki do trawy. Konwerter Pojemności Cyfrowej firmy ADI Programowalny 16-bitowy konwerter pojemności cyfrowej AD7142, wyprodukowany przez firmę Analog Devices, jest w stanie dostosować się do gwałtownie zmieniających się warunków klimatycznych, co automatycznie czyni z niego kandydata do wyczuwania dotyku w urządzeniach przenośnych, takich jak mikrotelefony komórkowe, odtwarzacze MP3 i aparaty cyfrowe. Producenci urządzenia zapewniają, że zużywa ono 50 procent mniej energii niż urządzenia produkowane przez firmy konkurencyjne, powodując, że są one mniej atrakcyjne do zastosowania w urządzeniach zasilanych za pomocą baterii. Czujnik CapSense firmy Cypress 30 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 MCU Moduł czujnika CapSense Analogowe/Cyfrowe GPIO Host Komunikacja Sygnały czujnika CapSense CapSense wyprodukowany jest przez firmę Cypress Semiconductor w oparciu o sygnały mieszane mikrokontrolera PSoC. Pozwala on projektantom połączyć różnorodne możliwości oferowane przez moduły sterujące LED i monitory LCD i taktować jako dodatek do wyczuwania dotyku. Rozwiązanie typu PSoC oferuje również takie korzyści, jak: prosta komunikacja szeregowa, możliwość tworzenia aplikacji trackpadowych, czy suwak liniowy. Mikrokontroler PSoC Materiały Wzrasta wykorzystanie materiałów ceramicznych TRENDY Rozwój materiałów ceramicznych i technologii przetwarzania tworzy nowe możliwości ich zastosowań Rozwój zaawansowanych materiałów ceramicznych, zwłaszcza w dziedzinie nanotechnologii, kreuje nowe zastosowania począwszy od elektroniki, do baterii i ogniw paliwowych. Rozwój technologii wytwarzania – jak formowanie wtryskowe – tworzy nowe dziedziny zastosowań mniej technicznych materiałów ceramicznych w mechanice. Firma Altair Nanotechnologies w Reno w Newadzie (USA) opracowuje nową generację akumulatorów litowo-jonowych w oparciu o nanostrukturalne litowo-tytanianowo-spinelowe elektrody wykonane z zaawansowanych materiałów ceramicznych. Badania wykazały, że akumulatory zachowują swoje parametry w temperaturze minus 5,6°C. Konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe oraz akumulatory typu nikiel-wodorek metalu stosowane w hybrydowych pojazdach elektrycznych, w temperaturach poniżej zera nie zachowują swoich parametrów lub nie dają się naładować. Nowe produkty z zastosowaniem materiałów ceramicznych zwiększają również bezpieczeństwo w wyższych temperaturach. Skoncentrowanie się na materiałach ceramicznych o wysokiej czystości otwiera nowe możliwości zastosowania dla tych materiałów w kondensatorach oraz urządzeniach produkcyjnych. Nowe, ulepszone właściwości dotyczą takich cech jak: super płaskość, najwyższa gładkość powierzchni, wysoka sztywność, mała rozszerzalność termiczna oraz najwyższa odporność na ścieranie. Należy również wspomnieć o technologii CIM (Ceramic Injection Molding – Formowanie wtryskowe materiałów ceramicznych), która powoduje zmniejszenie kosztów produkcji i umożliwia wykonywanie bardziej skomplikowanych kształtów. Technologia CIM łączy technologie proszków, prasowania i spiekania. Zwłaszcza ulepszone technologie spiekania otwierają nowe możliwości konstrukcyjne. Spiekanie zwiększa gęstość i wytrzymałość wyprasek. MŁYNEK DO PIEPRZU Technologie opracowane dla formowania wtryskowego z proszków metali coraz częściej stosuje się do proszków ceramicznych, zapewniając powtarzalność skomplikowanych kształtów w produkcji na wielką skalę. Przykładem może być… młynek do pieprzu, w którym elementy metalowe zostały zastąpione przez elementy ceramiczne. Ceramika zapewnia zwiększoną trwałość i odporność na ścieranie, będąc jednocześnie materiałem nie wywołującym alergii, jak twierdzi firma Arburg w Lossburg w Niemczech, która skonstruowała w 1961r. pierwszą specjalistyczną wtryskarkę do materiałów ceramicznych. MATERIAŁY NA BATERIE Altair Nanotechnologies z siedzibą w Reno w Newadzie (USA) opracowała elektrodę litowo-tytanianowo-spinelową w celu zastosowania jej w pakiecie własnej produkcji akumulatorów. Firma ta pracuje nad nowymi, różnorodnymi zastosowaniami opracowanej przez nią technologii kontrolującej rozmiar, kształt i fazę kryształu materiałów ceramicznych, co pozwala wpływać na ich optyczne, chemiczne, fizyczne i elektryczne właściwości. Firmy Altair i Electro Energy Inc., Danbury, Connecticut (USA) podpisały niedawno czteroletnią umowę dotyczącą wspólnego opracowania, produkcji i marketingu baterii litowo-jonowych dużej mocy oraz systemów akumulatorowych. Firmy początkowo zamierzają skoncentrować się na rynku elektrycznych urządzeń przenośnych, włącznie z elektrycznymi narzędziami ręcznymi dużej mocy. UCHWYT DO PŁYTEK MONOKRYSZTAŁU PÓŁPRZEWODNIKA Firma CoorsTek wprowadziła niedawno ultra-płaski, wykonany z materiału ceramicznego wysokiej czystości próżniowy uchwyt do płytek półprzewodnika, który ma zwiększać wydajność produkcji podczas przetwarzania płytek z monokryształu półprzewodnika. Konfiguracje z małą powierzchnią kontaktu minimalizują ryzyko naruszenia geometrii płytki przez cząsteczki na jej tylnej stronie w przypadku zastosowań precyzyjnych. Uchwyt taki jest od trzech do pięciu razy wytrzymalszy niż uchwyty wykonane ze szkła lub metalu. Dodatkowymi zaletami zaawansowanych materiałów ceramicznych są: odporność na korozję, mała rozszerzalność termiczna oraz duża przewodność cieplna. 32 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 Kontrola bezprzewodowa Konstruowanie aplikacji bezprzewodowych TRENDY Konferencja firmy Siemens na temat automatyki podkreśla istotę użycia technik bezprzewodowych w przemyśle W dzisiejszych czasach automatyka bezprzewodowa cieszy się dość dużym zainteresowaniem. Ale w jakim stopniu technika ta jest używana w praktyce? Sądząc po konferencji firmy Siemens na temat automatyki, która odbyła się w lipcu w Las Vegas, to w dość dużym. – Techniki bezprzewodowe są szeroko używane. Oferujemy je już od 2 lat – mówi Jeremy Bryant, specjalista Siemensa w dziedzinie automatyzacji łączności sieciowej. Podczas swej prezentacji na konferencji Bryant omówił około dwunastu bezprzewodowych aplikacji, które Siemens dostarczył już swoim klientom. Niektóre z nich są aplikacjami bardzo prostymi, bazującymi na zdalnym dostępie do danych automatyzacji oraz monitorów. Bryant poruszył jednak również kwestie bardziej zaawansowanych technologii bezprzewodowych, takich jak kontrola deterministyczna, a nawet – bezpieczeństwo urządzeń. BEZPIECZEŃSTWO TECHNIK BEZPRZEWODOWYCH Techniki bezprzewodowe oraz bezpieczeństwo urządzeń naprawdę mogą iść w parze. Jeden z klientów Siemensa, CAMotion, dostarczył bezprzewodowy system zabezpieczeń jako część układu sterowania suwnicy bramowej. Układ ten łączy urządzenia zabezpieczające na części ruchomej suwnicy, w tym zasłony świetlne, z nieruchomym urządzeniem sterującym suwnicy. – Jest to pierwszy zdalny system zabezpieczający, o którym wiemy – mówi Bryant. Dlaczego zdalny? Podłączenie przewodów do systemu zabezpieczającego byłoby trudne, biorąc pod uwagę Cabinet 57300 CPU konstrukcję suwnicy. Bryant Access Point szacuje, iż instalacja systemu bezprzewodowego kosztuje PC Access >200 Ft ok. 60% mniej niż instalacja Point Sentence Switch podobnego systemu z użyMicroSafety I/O ciem przewodów. Dodaje, processor iż protokoły komunikacyjMonitor Keyboard ne Siemensa PROFINet Motor i PROFISafe działają Controller Camera przy użyciu sieci bezprzePanel Mounted wodowych, umożliwiając On the Gantry Camera w ten sposób instalację ZDALNE STEROWANIE Do tej pory rozwiązania bezprzewodowe znajdowały zastosowanie do zdalnego monitorowania różnego typu oraz – jak twierdzi Bryant – do pozyskiwania danych. Były także używane do zdalnego monitorowania systemów SCADA. Mogły w ten sposób pobierać dane poprzez przemieszczanie układu I/O, który dawniej trzeba było podłączyć do sieci przewodami podwieszanymi bądź kablami wleczonymi. Bryant wskazał jednak na niedawną poprawę jakości aplikacji obsługujących zdalne sterowanie, zwłaszcza w systemach przemieszczania materiałów. Przykładem są tutaj wózki sterowane automatycznie (AGV). Zdolność szybkiej transmisji radiowej przemysłowych urządzeń bezprzewodowych Siemensa pozwala ruchomym węzłom na szybkie przemieszczanie się pomiędzy poszczególnymi komórkami radiowymi, podczas gdy sterowany automatycznie wózek porusza się po zakładzie. Bryant twierdzi, iż czas transmisji wynosi zazwyczaj poniżej 50 ms. Dla porównania, czas transmisji dla biurowych urządzeń bezprzewodowych wynosi... kilkaset ms. – Szybka transmisja radiowa zapewnia przede wszystkim nieprzerwaną komunikację – twierdzi. Źródło: Design News USA 34 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 S7-400 Radio Cell 1 Radio Cell 2 Industrial Ethernet SCALANCE W 788-1PRO Client Module SCALANCE W 7881PRO SCALANCE W 788-1PRO Field PG/ Notebook With CP 7517 Automatic Guided Vehicle System (AGVS) SIMATIC HMI Źródło: Design News USA MOŻLIWOŚCI KONTROLI DETERMINISTYCZNEJ Może nam się wydawać, iż technologie bezprzewodowe tak naprawdę nie są rozwiązaniem, które mogłoby znaleźć zastosowanie w aplikacjach sterujących. Jednak Bryant twierdzi inaczej. Zwraca on uwagę na to, iż norma 802.11, dotycząca komunikacji bezprzewodowej, zawiera postanowienia dotyczące kontroli deterministycznej. Kluczem jest tutaj użycie chipsetów, elementów elektronicznych organizujących przepływ informacji, które wspierają PCF (Point-Coordination-Function), protokół transmisyjny, w którym punkt dostępu komunikuje się z klientami w określonym tempie. Bezprzewodowe urządzenia biurowe nie wspomagają dostarczania danych w określonym czasie. Siemens włączył swoją własną przemysłową wersję protokołu PCF do jego bezprzewodowych punktów dostępu i klientów. – Pozwala to klientom korzystającym z sieci bezprzewodowych wpływać na układ I/O podobnie, jak na kablową sieć komputerową – wyjaśnia Bryant. TEMAT Z OKŁADKI Tworzywa sztuczne stają do walki TEKST: JOE OGANDO Nikt nie wykonuje wielkich, złożonych części z tworzyw sztucznych tak, jak John Deere Firma John Deere w 2000 r. zaczęła stosować wielkie komponenty z tworzyw sztucznych dla produkowanego sprzętu rolniczego. Początek wiąże się z opracowaniem SMC oraz poliuretanowych powierzchniowych paneli obudów dla wielkich kombajnów STS. Od tego czasu firma nie spoczęła na laurach, a ostatnio poszła nawet dalej, jeśli chodzi o wielkie elementy z tworzyw. Wykorzystuje je do produkcji nowych elementów traktorów i kombajnów, realizując z ich pomocą ważne cele projektowe, takie jak integracja funkcji, [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 35 TEMAT Z OKŁADKI TEN nowy moduł wewnętrznego dachu średniej wielkości traktorów użytkowych łączy w sobie ponad dwanaście elementów konstrukcyjnych i funkcjonalnych. Własny proces formowania z przenoszeniem nacisku czyni możliwym tworzenie tej złożonej części całość konstrukcji, estetyka oraz redukcja kosztów. Aby osiągnąć cele projektowe związane z tworzywami, inżynierowie z Deere oraz dostawcy firmy przyjęli niekonwencjonalne materiały i metody przetwarzania do produkcji swoich najbardziej innowacyjnych części. Na niektóre z tych części zwrócono uwagę podczas konferencji oraz konkursu projektów nowych produktów, przeprowadzonego przez Alliance of Plastics Processors w Columbus, Ohio. Dach kabiny traktora Wewnętrzny moduł dachu kabiny traktora do jednego z traktorów z instalacją klimatyzacyjną firmy Deere zdobył nagrodę za projekt w katewgorii maszyn rolniczych. Nietrudno dostrzec, dlaczego. Projektanci części poradzili sobie z integracją ponad dwunastu (!) funkcjonalnych elementów w tej pojedynczej części – włączając obudowy oraz punkty montażowe dla komponentów HVAC (ogrzewnictwo, wentylacja i klimatyzacja), radia, wewnętrznego i zewnętrznego oświetlenia oraz zewnętrznego dachu. – Moduł dachu działa jako konstrukcyjny kręgosłup wewnętrznego systemu kabiny – zauważa Darin Grinsteinner, kierownik inżynierii partnera projektowego i wytwórcy form do części, firmy Composite Products Inc. (CPI) Aby ta skomplikowana część ujrzała światło dzienne, wielką rolę odegrało przetwarzanie. CPI opracowała opatentowany proces formowania z bezpośrednim przenoszeniem sprężania, oznaczający, że w jednej zintegrowanej linii produkcyjnej przebiegają oba procesy – mieszania i formowania. Zwykle formowanie tłoczne rozpoczyna się od wstępnie spreparowanego półwyrobu z tworzywa, pochodzącego od dostawcy materiału. Ten rodzaj zintegrowanego procesu, mimo iż niezbyt powszechny (w USA – przyp. redakcji), daje CPI ścisłą kontrolę nad formowanymi materiałami. W tym przypadku, dach traktora zbudowano z homopolimeru polipropylenu z 30procentowym (wagowo) dodatkiem chemicznie powiązanych, półcalowych wzmocnień szklanych. Proces formowania z bezpośrednim przenoszeniem tłoczenia, który CPI nazywa „Advantage”, może dać również korzyści ekonomiczne – częściowo dlatego, że firma miesza tylko te składniki, które wymagane są dla danego elementu i nie inwestuje w drogie materiały, przygotowane na zamówienie. Jednakże prawdziwym wyzwaniem, związanym z wytwarzaniem tej części, było nie tyle mieszanie, co... formowanie. ABY utrzymać niewielkie ścinanie (podczas wypełniania) i jednocześnie pomóc w wypełnieniu delikatnych elementów konstrukcyjnych dachu, Composite Products Inc. wykorzystuje instalację z centralnym otworem wtryskowym zamiast bardziej tradycyjnego końcowego otworu wtryskowego. Ta metoda wlewania zmniejsza również zużycie materiału przez eliminację kanałów doprowadzających 36 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 Grinsteinner objaśnia, że część o wymiarach 120 x 150 cm zawiera bardzo cienkie, głębokie, trudne do wypełnienia elementy – takie jak żebra o wymiarach 27 x 1 mm. – Wiele z delikatnych, głęboko tłoczonych elementów po prostu nie mogłoby być formowanych przy użyciu innych metod formowania długich włókien, takich jak standardowe formowanie tłoczne – stwierdza. Ścianki części miały przejścia od grubych do cienkich warstw, co sprawiało, że nominalne grubości ścianek zmieniały się od 1 mm do 7,5 mm, a w niektórych sekcjach miały nawet grubość 12,5 mm. I wreszcie, integracja funkcji oznacza również, że część zawierała liczne wymyślne elementy, które stanowiły wyzwanie dla wielu operacji formowania. Pomimo trudności, CPI nie tylko wypełniła część, ale uczyniła to ze wspaniałym rozprowadzeniem wzmacniających włókien szklanych. Grinsteinner informuje, że testy CPI ujawniły, iż rozprowadzenie szkła w całej części utrzymane jest z dokładnością do 1 procenta. Transfer Molding (Advantage™) TEMAT Z OKŁADKI Na powodzenie firmy w wykonywaniu tego trudnego podzespołu wpłynęły w dużej mierze własne metody formowania. Najważniejsza z nich wymagała użycia wielkiego centralnego otworu wtryskowego, przez który cały materiał wsadowy jest wprowadzany do wykończonej części. W przeciwieństwie do zwykłego systemu końcowego otworu wtryskowego oraz kanału doprowadzającego, ten centralny otwór wtryskowy składa się z „wstrzeliwującego kotła”, w gruncie rzeczy hydraulicznej platformy poniżej szczeliny pośrodku dolnej wnęki formy. Gdy podnosi się ona podczas procesu formowania, aby dostarczyć materiał, platforma ta w rzeczywistości tworzy część powierzchni dolnej wnęki. Według Grinstaeinnera, technika centralnego otworu wtryskowego sprzyja, by najgłębsze, najcieńsze żebra tej części były wypełnione z niewielkim ścinaniem. Otwór wtryskowy wyeliminował również nadmiar materiału, który mógłby generować krańcowe otwory wtryskowe i kanał doprowadzający oraz uprościł konstrukcję oprzyrządowania. Grinsteinner szacuje, że metoda formowania ze środkowym otworem wtryskowym oszczędza około 10 procent kosztów materiałowych na jedną część, jak również zmniejsza o 10 procent koszt samych narzędzi. Inne pomysłowe krzywizny narzędzia wymagały użycia dwuetapowego wtrysku do wydobycia z niego delikatnych żeber, dodania bocznego naciągania do tworzenia wymyślnych części oraz użycia technik zmniejszania grubości, w celu zaoszczędzenia materiału i skrócenia czasu stygnięcia. Podczas gdy proces „Advantage” firmy CPI miał do tej pory największe zastosowanie do produkcji zewnętrznych części maszyn rolniczych i pojazdów, może on zostać użyty również do produkcji innych elementów. Na przykład ostatnio CPI produkuje wnęki na torby do wózków golfowych, zderzaki oraz pokrywy akumulatorów. Nowy asortyment paneli dla kombajnu W konstrukcji kombajnu zbożowego STS firmy Deere już od ponad pięciu lat wierzchnie panele korpusu wykonywane DACH traktora Deere ma wiele wymyślnych elementów, wymagających bocznych mechanizmów, jak te wyciągane rdzenie dla zintegrowanej wiązki okablowania są z tworzywa. Ponieważ okazało się, iż konieczne jest wprowadzenie nowych zmian, inżynierowie firmy musieli przerobić dwa istniejące panele i dodali całkowicie nowy komponent z tworzywa. Jedną z przyczyn, która wymusiła zmianę, było zaostrzenie wymagań dotyczących emisji spalin przez silniki diesla. Według Briana Millera, szefa integracji łańcucha dostaw i konstruktora elementów niemetalicznych w Deere, nowe wymagania skutkowały potrzebą zwiększenia miejsca na platformie silnika o 45 cm (w porównaniu do poprzednich modeli). Ta konieczność wydłużenia spowodowała konieczność zmiany dwóch paneli – tworzących tylną ściankę oraz pokrywę chłodnicy. Co więcej, testy funkcjonalne Deere wykazały, że kombajny mogłyby pracować dobrze przy słabszym oczyszczaniu powietrza, jeżeli powietrze chłodzące byłoby pobierane wyżej nad poziomem ziemi niż w poprzednich konstrukcjach. Inżynierowie Deere dodali więc do maszyny komponent nowego kanału (tzw. „czerpaka powietrza”). W celu wybrania najlepszego materiału na te trzy komponenty inżynierowie Deere przeprowadzili porównawcze analizy materiałowe. Co ciekawe, wyniki tych analiz wskazały na inny materiał niż był wykorzystywany do produkcji poprzednich paneli. Miller objaśnia, że pierwsze kombajny STS wykorzystywały zarówno ciśnieniowo formowany i malowany SMC, jak i formowany wtryskowo z reakcją chemiczną poliuretan z powlekaniem w formie. Jednak wszyst- kie trzy nowe panele zbudowano z mniej znanego materiału, przeznaczonego do formowania wtryskowego z reakcją chemiczną, zwanego polydicyclopentadiene (PDCPD). Jak wyjaśnia Miller, nowe panele były ocenione zarówno pod względem konstrukcyjnym, jak i estetycznym. Po pierwsze, panele musiały wytrzymać siłę zderzenia podczas pracy, jak również mieć wystarczającą rozciągliwość, aby wytrzymać znaczące obciążenia wiatru podczas transportu ciężarówką. – Kombajn poruszający się po autostradzie na przyczepie mógłby być narażony na działanie wiatru o prędkości dochodzącej do 160 km/godz. – mówi Miller. Jeżeli chodzi o estetykę, nowe panele musiały odpowiadać pozostałym panelom SMC maszyny i stalowym konstrukcjom pod względem koloru, połysku oraz wykończenia. W każdym przypadku, lakierowany PDCPD okazał się najlepszy (patrz diagramy matrycy decyzyjnej na sąsiedniej stronie). Dla tylnej ścianki o wymiarach 300 x 180 x 60 cm (którą wcześniej tworzyły dwie części z poliuretanu RIM) inżynierowie Deere odkryli, że wytrzymałością na uderzenia PDCPD przewyższa zarówno SMC, jak i poliuretan RIM. Analogicznie, PDCPD uzyskał akceptację dla wlotu powietrza o wymiarach 180 x 105 x 45 cm, ze względu na lepsze zrównoważenie właściwości udarowych i estetycznych w porównaniu z materiałami konkurencyjnymi – w tym przypadku, formowanym termicznie ABS z akrylowym CAP i malowanym SMC. [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 37 TEMAT Z OKŁADKI NOWE panele korpusu dla kombajnu STS firmy Deere stworzono w odpowiedzi na federalne wymagania dotyczące emisji spalin. Nowe panele – oraz całkowicie nowy kanał powietrzny na górze maszyny – zostały wykonane z PDCPD, alternatywy dla poliuretanu oraz SMC W przypadku drzwiczek chłodnicy o wymiarach 270 x 180 x 30 cm, PDCPD nie ma większej technicznej przewagi nad SMC. – Panel jest sztywno zamocowany do maszyny, więc jego sztywność nie była istotna, poza ugięciami spowodowanymi przez opierające się na nim osoby – wyjaśnia Miller. – Jednak Deere wykorzystało PDCPD również w tym przypadku, ze względu na „szereg przyczyn komercyjnych”. A mówiąc o przyczynach komercyjnych, Miller wskazuje, że PDCPD mogłoby nie być wykorzystane z punktu widzenia kosztowego, gdyby Deere oraz dostawcy firmy nie odeszli od konwencjonalnego myślenia o sposobie projektowania części z tego materiału. Zwykle panele PDCPD posiadają jednolitą grubość ścianki, podczas gdy elementy usztywniające są zazwyczaj formowane osobno i spajane z panelem w oddzielnej operacji. – Ustaliliśmy, że to podejście mogłoby nie pozwolić nam na spełnienie naszych celów kosztowych – wspomina Miller, przytaczając dodatkowe koszty oprzyrządowania, formowania i mocowania, związane ze spajaniem usztywnień. Więc Deere ostatecznie formował żebra, zgrubienia oraz inne elementy usztywniające, wymagane do sprostania potrzebom konstrukcyjnego obciążenia paneli. Te dodatkowe elementy czyniły część trudniejszą do formowania i wprowadzały ryzyko odbijania się żeber i zgrubień na zewnętrznej powierzchni części. Lecz Miller dowodzi, że zdolność eliminowania dodatkowych kosztów formowania i montowania usprawiedliwia ryzyko i pozwala firmie Deere wykorzystać właściwości materiałowe PDCPD. – Przełamaliśmy konwencjonalne zasady projektowania – mówi Miller. – Lecz zadziałało to na naszą korzyść... Wlot powietrza Formowany termicznie ABS Formowany ciśnieniowo SMC PDCPD RIM Udarowość – – + Wygląd – + + Moduły – + – Formowany ciśnieniowo SMC PU RIM PDCPD RIM Udarowość – – + Wygląd + – + Moduły + + – Tylna ścianka Drzwiczki chłodnicy Formowany ciśnieniowo SMC PDCPD RIM Wygląd + + Moduły + – O CZYM MYŚLELI inżynierowie materiałowi firmy John Deere, wybierając PDCPD? No cóż, te matryce decyzyjne pozwolą wam zrozumieć, jak dochodzili do dokonania wyboru materiału na zewnętrzne części kombajnu STS. W przypadku pokrywy chłodnicy, SMC rzeczywiście sprawia wrażenie lepszego materiału, lecz Deere wybiera PDCPD ze względów komercyjnych. 38 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 ARTYKUŁ SPONSOROWANY System DELCAM przy produkcji konstrukcji z materiałów kompozytowych. W wyniku rozwoju inżynierii materiałowej oraz zwiększenia potrzeb współczesnych technologii obserwujemy tendencję polegającą na stopniowym odchodzeniu od stosowania tradycyjnych materiałów konstrukcyjnych. Coraz szersze możliwości wykorzystania zaawansowanych technik wytwarzania przynoszą korzyści w postaci coraz powszechniejszego stosowania materiałów kompozytowych zaawansowany modeler, umożliwiający tworzenie skomplikowanych geometrii w oparciu o dokumentację lub istniejący fizycznie model przy pomocy ramienia pomiarowego i modułu PS-Arm. PowerSHAPE jest doskonałym narzędziem do analizy, weryfikacji i naprawy potencjalnych błędów w geometrii jeszcze przed przystąpieniem do generowanie technologii. Umożliwia również szybki podział i wyko- MODEL 3D samochodu, który będzie wykonany z materiałów kompozytowych we współczesnych konstrukcjach. Rynek kompozytów jest znacząco duży i w dalszym ciągu obserwujemy jego rozwój obejmujący swoim zasięgiem coraz to nowe gałęzie przemysłu. Materiały kompozytowe odgrywają dominującą rolę nie tylko w przemyśle motoryzacyjnym, lotniczym czy maszynowym, ale ich obecność jest również istotna przy produkcji łodzi, jachtów, sprzętu sportowego czy mebli. Możliwości systemu DELCAM są zbieżne z potrzebami i wymaganiami jakie stawiają dziedziny techniki, które wykorzystują materiały kompozytowe. Skomplikowane i aerodynamiczne kształty, krótkie serie, możliwość dokonywania błyskawicznych modyfikacji oraz pojawiające się wciąż nowe technologie to tylko niektóre z wielu wyzwań, którym potrafią sprostać aplikacje należące do środowiska Delcam Power Solution: PowerSHAPE – samodzielna aplikacja CAD, PowerMILL – zaawansowany moduł CAM oraz Power-INSPECT – aplikacja służąca do weryfikacji i inspekcji modeli 3D. Już na pierwszym etapie procesu pojawia się podstawowy problemem, jakim jest przeniesienie idei modelarzy i myśli konstruktorów na cyfrowy model 3D. Z pomocą przychodzi aplikacja PowerSHAPE, nanie oprzyrządowania produkcyjnego wraz z pomocniczymi elementami technologicznymi. Narzędzia dostępne w tej aplikacji pozwalają także na wykonywanie rozwinięć powierzchni modeli, co kompletnie spełnia potrzeby technik formowania kompozytów. Kolejną aplikacją wykorzystywaną na następnych etapach procesu jest PowerMILL umożliwiający zastosowanie wielu zaawansowanych technik obróbczych. Aplikacja ta jest wykorzystywana zarówno przy generowaniu technologii do wykonania oprzyrządowania produkcyjnego jak i w procesach wycinania i okrawania detali kompozytowych. Ponadto PowerMILL oferuje szybką kalkulację skomplikowanych 5-osiowych ścieżek narzędzia. Drastyczne obniżenie kosztów oraz redukcja czasu wykonania procesu technologicznego to niektóre z korzyści, jakie niesie wykorzystanie aplikacji Dystrybucja i serwis techniczny TORUS Spółka z o.o., ul. Rydygiera 12, 01-793 Warszawa, tel./fax (22) 832 47 09 www.toruscadcam.com.pl OBRÓBKA poszczególnych elementów formy do materiałów kompozytowych PowerMILL w procesie produkcji konstrukcji z materiałów kompozytowych. Pomiar i weryfikację gotowego wyrobu zapewnić może PowerINSPECT umożliwiający szybką i łatwą inspekcję w oparciu o model 3D. Aplikacja to współpracuje ze wszystkimi typami maszyn pomiarowych, a raporty pomiarowe można dostosować do potrzeb swoich i odbiorcy. Wysoka funkcjonalność aplikacji należących do systemu DELCAM pozwala na wdrożenie tego środowiska praktycznie w każdy rodzaj procesu formowania kompozytów. Zdolność adaptacji powoduje, że obszar zastosowania środowiska DELCAM Power Solution jest potężny i obejmuje: design, tworzenie oprzyrządownia produkcyjnego, technologię oraz inspekcję. Wykorzystanie aplikacji: PowerSHAPE, PowerMILL, PowerINSPECT, przynosi wymierne korzyści w postaci oszczędności czasu i materiału oraz wysokiej jakości konstrukcji kompozytowych. Artur Pest GOTOWY MODEL samochodu zbudowanego z materiałów kompozytowych [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 39 PROGRAMY TEKST: MICHAŁ BACHAN, WOJCIECH BIENIASZEWSKI, ADAM BUDZYŃSKI, SZYMON KOŚCIANOWSKI Polskie śruby II Kompletna biblioteka 3D MCAD podstawowych łączników gwintowych wykonana według polskich standardów konstrukcyjnych PN, dedykowana dla systemu UGS Unigraphics NX Na podstawie obserwacji rozwoju branży konstruowania i wytwarzania wyrobów, zauważa się zwiększenie tendencji, mających na celu radykalne skrócenie czasu wprowadzania produktów na rynek. Szybka i wydajna realizacja zamówień jest powodem uzyskania szeregu korzyści materialnych oraz wzrostu zadowolenie klienta, co przyczynia się do tworzenia atmosfery wzajemnego zaufania pomiędzy kontrahentami. Efektem powyższego jest doskonalenie renomy oraz zewnętrznego wizerunku firmy, oznaczające wzrost liczby zamówień od dotychczasowych i nowych klientów. Podmioty gospodarcze, które skutecznie realizują transformację procesów wprowadzania innowacji, uzyskują znaczną przewagę nad konkurencją i mogą współzawodniczyć z najlepszymi z branży. Najważniejszym etapem rozwoju produktu, z punktu widzenia skracania czasu wprowadzania produktu na rynek, jest etap projektowania i konstruowania. Na podstawie analizy metod pracy konstruktorów z różnych branż przemysłowych, wyodrębniono najczęściej wykonywane i najbardziej czasochłonne zadania inżynierskie. Spośród nich wyróżnia się proces wprowadzania do modelowanych zespołów części standardowych, ze szczególnym uwzględnieniem podstawowych łączników gwintowych, tj. śrub, podkładek i nakrętek. Powyższe elementy pojawiają się masowo w zróżnicowanych projektach, pochodzących ze wszystkich monitorowanych branż przemysłowych. Uwagę zwraca fakt, iż najczęściej stosowanymi w Polsce łącznikami gwintowymi są elementy zgodne z Polskimi Normami (PN-EN, PN EN-ISO, PN/M), definiowanymi przez Polski Komitet Normalizacyjny. Pomimo względnie nieskomplikowanej postaci konstrukcyjnej ww. łączników, ich ręczne modelowanie i wprowadzanie do zespołów jest procesem żmudnych i czasochłonnym. Dodatkowo, błędna interpretacja danych zawartych w odpowiedniej normie, spowoduje powstanie niedopuszczalnych błędów. Autorzy są członkami Koła Naukowego Solid Edge na Wydziale Mechanicznym Akademii Techniczno-Rolniczej w Bydgoszczy Należy również pamiętać, iż poprawne funkcjonowanie wdrażanego na rynek wyrobu, uwarunkowane przez liczbę błędów konstrukcyjnych, zależy w dużej mierze od koncentracji projektanta. Długotrwały proces wprowadzania do modelowanego zespołu znacznej liczby łączników gwintowych, może powodować niepotrzebną dekoncentrację inżynierów. Zdarzeń takich należy za wszelką cenę unikać, ponieważ błędy powstałe na etapie konstruowania są najtrudniejsze i najkosztowniejsze do zniwelowania. Poza tym, są często powodem niepotrzebnych, nawet wielomiesięcznych przestojów produkcji. Uwzględniając potrzeby swoich klientów, firma UGS stworzyła kompletną i intuicyjną w obsłudze bibliotekę łączników gwintowych wg PN, dedykowaną dla systemu Unigraphics NX pod nazwą „UGS Unigraphics NX – Fasteners Library 2006”. Dzięki takiemu narzędziu, w chwili obecnej, najbardziej czasochłonne etapy procesu wprowadzania do zespołu części danego łącznika gwintowego (ewentualnie ich stosów, tj. zbiorów śrub, podkładek i nakrętek), realizowane są automatycznie. Założenia projektowe, narzucone podczas tworzenia biblioteki złączy gwintowych wg PN „UGS Unigraphics NX – Fasteners Library 2006” Na podstawie wytycznych, otrzymanych dzięki ścisłej współpracy z przemysłem i wynikających z zaistniałych potrzeb, pracownicy firmy UGS sformułowali założenia, będące wytycznymi do tworzenia opisywanej biblioteki łączników gwintowych wg PN. W jednym z podstawowych założeń stwierdzono, że stosowanie biblioteki „UGS Unigraphics NX – Fasteners Library 2006” ma przyczynić się do usprawnienia pracy jak najszerszej grupy użytkowników. Dlatego też zawarto w niej zapisy kon- 42 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 strukcji śrub, podkładek i nakrętek, opisane przez wszystkie obowiązujące obecnie w kraju Polskie Normy. Pełen asortyment biblioteki przedstawiono w artykule z marcowego wydania Design News DN 3 (10) 2006, s. 44, Tablica 1. Łącznie uwzględniono 108 Polskich Norm, zawierających 1836 typoszeregów części. Cała gama zawartych norm zawiera zarówno elementy powszechnego zastosowania (śruby z łbem walcowym i gniazdem sześciokątnym, nakrętki sześciokątne, podkładki okrągłe), jak też części stosowane w specyficznych branżach przemysłowych, jak np. branża meblarska (podkładki tapicerskie). Dodatkowo przeniesienie pełnych zasobów PN umożliwia generowanie łączników gwintowych o wartościach gwintów, należących do zakresu od M1,2 do M90. Uwzględniono również wszystkie wartości ich skoku. Powoduje to możliwość stosowania opisywanej biblioteki zarówno w przemyśle precyzyjnym, jak i ciężkim. Przykładowe modele śrub, nakrętek i podkładek, możliwe do umieszczenia w modelowanym zespole części systemu UGS Unigraphics NX, przedstawiono na Rys. 1. Ze względu na mnogość konfiguracji systemu CAD/CAM/CAE UGS Unigraphics NX, założono, iż biblioteka złączy gwintowych wg PN, dedykowana dla tego systemu, będzie tak wykonana, aby mogli z niej korzystać wszyscy użytkownicy, niezależnie od wykorzystywanych modułów i narzędzi systemu NX. Wobec powyższego, w celu pełnego wykorzystania zasobów biblioteki „UGS – Unigraphics NX Library – Fasteners 2006” nie jest wymagane posiadanie dodatkowych modułów, dedykowanych dla specyficznych branż przemysłowych, jak np. NX Mold Wizard (projektowanie form wtryskowych), czy też NX Progressive Die Wizard (projektowanie postępowych wykrojników i tłoczników). Opisywana biblioteka może więc zostać uruchomiona już w najprostszej konfiguracji systemu NX, a także bezpo- PROGRAMY RYS. 1. Wybrane przykłady łączników gwintowych wg PN, możliwych do wstawienia w projektowanym zespole części systemu UGS Unigraphics NX: a) śruby, b) nakrętki, c) podkładki średnio w jego specjalizowanych środowiskach, jak np. NX Mold Wizard. Udało się tego dokonać ze względu na wykonanie biblioteki łączników gwintowych wg PN z zastosowaniem jednego z prostszych narzędzi systemu NX, dostępnego już w jego podstawowej konfiguracji, tj. polecenia Part Family służącego do tworzenia rodzin części. Kolejną wytyczną stosowaną podczas tworzenia opisywanej biblioteki było ułatwianie użytkownikowi doboru łącznika gwintowego poprzez możliwość szybkiego sortowania setek tysięcy (!) wystąpień części standardowych na podstawie wprowadzonych kryteriów oraz przejrzystego wylistowania zawartych zasobów. Również w tym przypadku pomocne było zastosowanie tak znanej i szeroko stosowanej funkcji Unigraphics NX, jaką jest Part Family. Dzięki niepodważalnym zaletom tej funkcji dobór łącznika gwintowego w bibliotece jest nieporównywalnie szybszy i bardziej komfortowy od metod tradycyjnych. Dodatkowo odpowiednie skonfigurowanie plików wsadowych powoduje, że na wykonywanych przekrojach, zgodnie z kanonami i zasadami polskiego rysunku technicznego gwintowe elementy złączne są domyślnie przedstawiane w widoku. Eliminuje to kolejne czasochłonne konfigurowanie tworzonych przekrojów przez konstruktora (Rys. 2). a) b) c) Innym czasochłonnym elementem pracy konstruktora jest wypełnianie list części w dokumentacji płaskiej. Dzięki odpowiedniemu skonfigurowaniu w pliku wsadowym takich atrybutów zastosowanych modeli łączników gwintowych, jak np.: nazwa normy, czy materiał, znacznie skraca się proces tworzenia asocjatywnej dokumentacji 2D (Rys. 2). W celu nadania większego realizmu w projekcie 3D MCAD, odkształcalne łączniki gwintowe takie jak np.: podkładki sprężyste, są przedstawione w dwóch nastawach referencyjnych: jako odkształcone i nieodkształcone (Rys. 3). Ma to duże znacznie m.in. ze względu na konflikt zasad tworzenia klasycznej dokumentacji RYS. 2. Fragment dokumentacji płaskiej – przekrój przykładowego złącza gwintowego wraz z listą części śruby złożeniowej oraz „rozstrzelonych” dokumentów montażowych. W dokumentacji klasycznej podkładka taka powinna być przedstawiona jako obciążona (odkształcona), natomiast na widokach „rozstrzelonych” – wręcz przeciwnie. Stwierdzono, że miarą elastyczności i nowoczesności oprogramowania jest możliwość ingerowania w jego zasoby. Dzięki wykorzystaniu powszechnie stosowanego i prostego w użyciu narzędzia Part Family, możliwe jest spełnienie kolejnego założenia dotyczącego ułatwienia personalizacji zasobów biblioteki. Możliwe jest więc łatwe uzupełnianie jej zasobów lub ich pomniejszenie o modele łączników nie stosowanych w danej firmie. Metoda tworzenia biblioteki „UGS Unigraphics NX – Fasteners Library 2006” Tradycyjny sposób tworzenia wirtualnych bibliotek części standardowych polega na importowaniu modeli wybranych elementów w postaci plików o formatach pośrednich (np. *.igs, *.stp) ze stron WWW lub katalogów CDR producentów lub dostawców danych części. Pomimo spopularyzowania tej metody, cechuje się ona szeregiem wad, do których należy przede wszystkim fakt, iż zaimportowane pliku zajmują znaczną część przestrzeni dyskowej, ze względu na konieczność [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 43 PROGRAMY zapisywania każdego z wariantów danej części w osobnych dokumentach. Metoda ta uniemożliwia również łatwe przypisanie atrybutów konstrukcyjnych (np. rodzaj i skok gwintu) i wymusza każdorazowe przeprowadzenie procesu translacji. Celem wyeliminowania wad związanych z powyższą metodą, wykorzystano możliwości zaawansowanej parametryzacji części projektowanych w środowisku NX. W pierwszym etapie tworzenia biblioteki „UGS Unigraphics NX – Fasteners Library 2006”, w środowisku Modeling systemu NX stworzono modele łączników gwintowych opisywanych poszczególna normą. Następnie w tablicy zmiennych Expressions wyodrębniono najistotniejsze dla geometrii łącznika gwintowego parametry sterujące poszczególnymi operacjami składowymi modelu, dotyczące odpowiednich cech konstrukcyjnych, opisanych w danej Polskiej Normie, jak m.in.: całkowita długość trzpienia śruby, długość nagwintowania, wysokość łba, czy wymiaru „pod klucz”. Wartości tych parametrów przeniesiono do wewnętrznego arkusza kalkulacyjnego systemu NX. Na Rys. 4 przedstawiono poszczególne czynności pierwszego etapu tworzenia opisywanej biblioteki. a) b) RYS. 3. Przykład zastosowania dwóch nastaw referencyjnych: a) odkształconej, b) nieodkształconej W następnym etapie wprowadzono wartości parametrów poszczególnych wystąpień łączników gwintowych. Dodatkowo, w arkuszu kalkulacyjnym uwzględniono informacje niezbędne podczas automatycznego wypełniania listy części w dokumentacji płaskiej (Rys. 5). Wszelkie pliki pochodne powstałe podczas stosowania ww. biblioteki są dodatkowo kopiowane do wskazanego folderu – w celu wyeliminowania wielokrotnego generowania geometrii elementu pochodnego. Efektem wyposażenia systemu UGS Unigraphics NX w bibliotekę łączników gwintowych wg PN będzie ostateczne zażegnanie trudności w stosowaniu modeli części znormalizowanych. Na podstawie RYS. 4. Wybrane czynności, związane z tworzeniem biblioteki łączników gwintowych wg PN: a) tworzenie wirtualnego modelu części standardowej, b) wyróżnienie w oknie dialogowym Expressions najważniejszych parametrów sterujących geometrią modelu, zgodnie z wytycznymi PN, c) przeniesienie wybranych parametrów modelu do arkusza kalkulacyjnego za pomocą funkcji Part Family b) a) 44 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 c) przeprowadzonych badań, stwierdzono, iż wykorzystanie opisywanej biblioteki przez konstruktorów, spowodowało skrócenie czasu wykonywania ich zadań projektowych o około 30%. Należy dodatkowo wspomnieć o zgłaszanym przez użytkowników znacznym zwiększeniu komfortu ich pracy. Interface i korzystanie z biblioteki „UGS Unigraphics NX – Fasteners Library 2006” W celu umieszczenia modelu wybranego łącznika gwintowego w danym projekcie 3D MCAD, należy skorzystać ze standardowego narzędzia, służącego do wstawiania wykonanych uprzednio elementów do zespołu części w systemie NX, tj. Add Existing Component. Kolejnym etapem procesu wstawiania modelu wybranego łącznika gwintowego do zespołu jest wskazanie pliku *.prt, w którym zdefiniowano odpowiednią rodzinę części, tj. kompletny zbiór typoszeregów ww. łącznika, opisanych daną Polską Normą. Dla ułatwienia nawigacji użytkownika, nazwy wykorzystanych plików *.prt są analogiczne do nazw odpowiednich Polskich Norm, obecnie obowiązujących. Po wykonaniu powyższych czynności, system NX rozpoczyna procedurę umieszczania w zespole komponentów rodziny części. Podczas tego procesu możliwe jest łatwe i wydajne sortowanie zasobów biblioteki, w celu odnalezienia konkretnego rodzaju i wariantu łącznika gwintowego. Sortowanie zachodzi na podstawie wprowadzonych przez Użytkownika kryteriów wyszukiwania, którymi są wartości odpowiednich wymiarów modeli łączników gwintowych wg PN. Możliwe jest przeglądanie parametrów geometrycznych wstawianych łączników (np. długość części nagwintowanej trzpienia PROGRAMY śruby, wysokości podsadzenia, wysokości łba, rozmiaru „pod klucz” itd.) oraz łatwy dobór ich odpowiednich wartości. Okno dialogowe narzędzia Part Family, gdzie możliwe jest sortowanie zasobów biblioteki przedstawiono na Rys. 6. Wobec powyższego, proces doboru odpowiedniego modelu łącznika, mający miejsce w systemie UGS Unigraphics NX uznać należy za szybki i „przyjazny dla użytkownika”.Po dokonaniu wyboru łącznika gwintowego system Unigraphics NX przechodzi to standardowej procedury umieszczania gotowej części w zespole. Podsumowanie Wykonano kompletną bibliotekę numeryczną podstawowych łączników gwintowych według standardów konstrukcyjnych obowiązujących na terenie Rzeczypospolitej Polskiej, przeznaczoną dla systemu UGS Unigraphics NX. Uwzględniono w niej wszystkie Polskie Normy dotyczące śrub, nakrętek i podkładek, co oznacza nagromadzenie danych geometrycznych 1836. typoszeregów elementów opisanych 108. normami. Poprzez wykorzystanie zaawansowanej parametryzacji części bazowych, bogata w zasoby biblioteka zajmuje na dysku niewiele miejsca – około 16 MB. Dzięki odpowiednio sprecyzowanym założeniom, stworzonym w wyniku ścisłej współpracy firmy UGS z przemysłem, opisywana biblioteka charakteryzuje się następującymi zaletami: ● usprawnianie pracy możliwie szerokiej grupy użytkowników z wielu różnych gałęzi przemysłu, bez potrzeby posiadania specjalizowanych modułów takich jak NX Mold Wizard lub NX Progressive Die Wizard, ● przyspieszanie użytkownikom doboru modelu łącznika gwintowego poprzez możliwość sortowania zasobów na podstawie wprowadzanych kryteriów, ● ułatwienie czynności dotyczących tworzenia dokumentacji płaskiej poprzez przedstawianie łączników w widoku na przekrojach zespołów (wymóg polskiego rysunku technicznego), a także wypełnianie list części odpowiednimi atrybutami, określonymi przez PN, ● nadanie większego realizmu widokom rozstrzelonym poprzez wprowadzenie nastaw referencyjnych modeli elementów sprężystych jako odkształcone i nieodkształcone. Poprzez zastosowanie łatwych w edycji plików wsadowych, możliwa jest szybka i wydajna aktualizacja zasobów biblioteki w wyniku wprowadzenia nowych rozporządzeń Polskiego Komitetu Normalizacyjnego. Opisana tutaj Biblioteka nie jest pierwszym tego typu narzędziem przeznaczonym do wspopmagania prac inżynierów korzystających z oprogramowania UGS. W numerze 3(10) z marca br., na stronach 44–46 opisywaliśmy „KNSE – Solid Edge – Fasteners Library 2006”. RYS. 6. Okno dialogowe narzędzia Part Family podczas doboru łącznika gwintowego z zastosowaniem kryteriów wyszukiwania: a) lista parametrów geometrycznych, b) odfiltrowane wartości ww. parametrów, c) zbiór wszystkich wystąpień a) RYS. 5. Plik arkusza kalkulacyjnego z informacjami, dotyczącymi wymiarów geometrycznych modelu łącznika gwintowego, oraz danymi, które są niezbędne podczas automatycznego wypełniania listy części w asocjatywnej dokumentacji płaskiej b) c) [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 45 PROGRAMY Elementarz modelowania powierzchniowego (cz. I) Ewolucja systemów CAD powoduje, że konstruktor znajduje w nich coraz częściej takie funkcje, które umożliwiają definiowanie inteligentnych i parametrycznych obiektów geometrycznych. Parametrycznych, bo definicja oraz modyfikacja geometrii odbywa się przez zmianę wartości parametrów, a nie przez bezpośrednią ingerencję w model matematyczny. Inteligentnych, bo w modelach asocjatywnych, a takie są definiowane w większości dzisiejszych systemów CAD, zmiana jednego obiektu geometrycznego pociąga za sobą stosowne zmiany we wszystkich obiektach od niego zależnych Taka struktura modelu przestrzennego nabiera szczególnego znaczenia w przypadku modeli powierzchniowych, bo użytkownik systemu CAD widzi w coraz mniejszym stopniu model matematyczny krzywej lub powierzchni. To, co jest zaletą systemów klasy Feature-Based Design (Rys. 1), a więc odejście od czysto matematycznego opisu geometrii (stopień krzywej, kierunki główne powierzchni, sieć punktów kontrolnych, itp.) w kierunku pracy z cechami konstrukcyjnymi (feature), parametrami oraz asocjatywnie powiązanymi elementami zależnymi powoduje, że konstruktor nie zawsze zdaje sobie sprawę z tego, jak jego decyzje projektowe wpływają na geometryczną jakość finalnego modelu powierzchniowego projektowanej części. Obiekty projektowe mogą mieć kilka różnych reprezentacji graficznych, a to co widzimy na ekranie komputera nie musi być w pełni zgodne z wymaganiami konstrukcyjnymi nawet, jeśli na pierwszy rzut oka wydaje się nam poprawne. Matematyczna część opisu krzywej lub powierzchni zawiera zazwyczaj definicje geometrii i topologii obiektu. Definicja geometryczna to kształt i położenie w przestrzeni 3D, czyli model matematyczny (równania kanoniczne lub parametryczne), punkty charakterystyczne, wektory lub kąty. Element topologiczny opisu matematycznego zapewnia poprawne powiązanie obiektów geometrycznych, czyli ich orientację oraz warunki brzegowe, na przykład zgodność wierzchołków lub styczność wzdłuż krawędzi. Dla większości konstruktorów, którzy tworzą modele powierzchniowe w systemach 3D jest rzeczą zupełnie oczywistą, że powierzchnia jest tak dobra, jak dobre są krzywe zastosowa- RYS. 1 TEKST I RYSUNKI: ANDRZEJ WEŁYCZKO ne do jej definicji. Jeśli dysponujemy krzywymi złej jakości i zastosujemy te krzywe do definicji powierzchni, to oczywiście rezultat będzie również złej jakości. Dlatego tak ważne jest, aby konstruktor dysponował w systemie CAD nie tylko narzędziami do modelowania przestrzennego krzywych lub powierzchni, ale także możliwościami analizy ich jakości. Mówiąc „dobra krzywa” musimy zdefiniować, czym różni się dobra krzywa od złej krzywej. Pierwszym kryterium oceny jakości krzywej jest jej ciągłość. W teorii modelowania przestrzennego mówimy o czterech rodzajach ciągłości: ● Ciągłość geometryczna (G0): dwie krzywe mają wspólny punkt początkowy lub końcowy, a dwie powierzchnie mają wspólną krawędź. Jeśli dwie krzywe elementarne nie są ciągłe, to należy zmodyfikować odpowiednio punkt końcowy przynajmniej jednej z nich (Rys. 2). RYS. 2 ● Ciągłość styczności (G1): dwie krzywe ciągłe według kryterium G0 są wzajemnie styczne w punkcie wspólnym, a dwie powierzchnie ciągłe według kryterium G0 są wzajemnie styczne w każdym punkcie krawędzi wspólnej. Kąt pomiędzy kierunkami stycznymi do obu krzywych w punkcie wspólnym może mieć wartość 0° lub 180°. Jeśli dwie krzywe elementarne nie są styczne, to należy odpowiednio zmodyfikować kierunek styczności przynajmniej jednej z nich w punkcie wspólnym (Rys. 3). ● Ciągłość krzywizny (G2): dwie krzywe ciągłe według kryterium G1 mają taki sam promień krzywizny w punkcie wspólnym. 46 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 PROGRAMY Klasycznym przykładem nieciągłości krzywizny jest przypadek dwóch łuków okręgów o różnym promieniu – w punkcie wspólnym tych krzywych promień krzywizny zmienia się skokowo, a ciągłość krzywizny oznacza, że nie ma skokowych zmian promienia krzywej. Jeśli dwie krzywe elementarne nie maja ciągłości krzywizny, to w obszarze przyległym do punktu wspólnego należy zdefiniować krzywą „przejścia”, która zapewni ciągłość zmian promienia krzywej (Rys. 4). ● Ciągłość gradientu zmian krzywizny (G3): dwie krzywe ciągłe według kryterium G2 mają w częściach przyległych do punktu wspólnego podobny charakter (gradient) zmian krzywizny. Oczywiście dotyczy to tylko takich przypadków, w których analizowana krzywa jest rezultatem połączenia kilku innych krzywych, bo z definicji algorytmy definiowania krzywej elementarnej w systemach CAD gwarantują jej ciągłość. W każdym systemie CAD krzywa elementarna, czyli taka, która jest opisana jednym równaniem lub układem równań parametrycznych, jest zawsze ciągła – zazwyczaj według kryterium G2. Może się jednak zdarzyć, że krzywa będąca rezultatem zastosowania jakiegoś polecenia, pomimo tego, że jest jednym obiektem w modelu CAD, składa się z kilku krzywych elementarnych – na przykład krzywa przecięcia dwóch powierzchni. Każda z tych krzywych elementarnych ma ciągłość typu G2, ale pomiędzy krzywymi elementarnymi może być zachowana tylko ciągłość G1 lub nawet G0. Możliwe jest też, że to konstruktor zdefiniuje kilka krzywych elemen- RYS. 5 RYS. 3 RYS. 4 tarnych, które potem zamierza ze sobą połączyć w jeden obiekt. Właśnie dlatego analiza ciągłości krzywej jest na etapie definiowania elementów bazowych nowotworzonej powierzchni niezbędna. Oczywiście nie każdy system CAD oferuje wszystkie wymienione wyżej rodzaje ciągłości. Trzeba też dodać, że ciągłość typu G3 jest wymagana w wyjątkowych zastosowaniach, na przykład przy projektowaniu karoserii niektórych typów samochodów i dlatego, nawet jeśli system CAD pozwala uzyskać ciągłość typu G3, to nie można oczekiwać, że każda krzywa, która posłuży do definicji powierzchni, musi mieć najwyższy z dostępnych rodzaj ciągłości. W większości zastosowań ciągłość typu G2, RYS. 6 a niekiedy tylko G1 zapewnia spełnienie wymagań konstrukcyjnych. Opisane wyżej problemy ciągłości krzywych pozwalają rozwiązać narzędzia typu Curve Connect Checker (Rys. 5). Użytkownik systemu musi jedynie wskazać krzywą lub zestaw krzywych, a następnie dla wybranego typu analizy (Distance = ciągłość G0, Tangency = ciągłość G1 lub Curvature = ciągłość G2) ustalić dokładność (tolerancję) analizy. Na przykład, jeśli dla typu Tangency użytkownik zada wartość 0,5°, to pomiędzy krzywymi, których kierunki styczne w punkcie wspólnym mają kąt większy od 0,5° system oznaczy punkt nieciągłości według kryterium G1 (Rys. 6). Podobnie dwie krzywe, których kierunki styczne w punkcie wspólnym mają kąt mniejszy lub równy 0,5° będą oznaczone jako ciągłe według kryterium G1. Takie inżynierskie, bo oparte na zdefiniowanej przez użytkownika tolerancji, podejście do zagadnień analizy i oceny jakości modelu geometrycznego przypomina konstruktorowi, że w świecie rzeczywistym nie zawsze jest potrzebna bezwzględna ciągłość. Teoretycznie bezwzględna ciągłość może być uzyskana po zastosowaniu innego typu funkcji, odpowiedniej metodologii projektowania lub zmianie warunków brzegowych zastosowanych w definicji krzywych elementarnych. Rolą konstruktora jest, aby w oparciu o swoje doświadczenie i rezultat analizy wygenerowanej przez system CAD zaakceptować zgodność modelu geometrycznego z założeniami i wymaganiami projektowymi lub podjąć odpowiednie decyzje projektowe, aby zapewnić wymaganą ciągłość krzywych. [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 47 PROGRAMY Spełnienie warunków ciągłości krzywej nie musi jednak oznaczać, że jest ona najlepsza z możliwych. Analiza ciągłości krzywej poprzedza zazwyczaj kolejny typ analizy: rozkład zmian krzywizny wzdłuż krzywej (funkcja Porcupine Curvature Analysis). To narzędzie stosujemy do wykrywania niepożądanych zmian krzywizny, szczególnie takich miejsc na krzywej, w których krzywizna zmienia znak, a które z racji swojego lokalnego charakteru nie są widoczne gołym okiem. Inaczej mówiąc, rezultatem analizy typu Porcupine Curvature Analysis jest wizualizacja przebiegu zmian krzywizny lub promienia krzywizny krzywej oraz identyfikacja punktów przegięcia krzywej (Rys. 7). To właśnie w tych punktach promień zmienia znak, a krzywa, która zazwyczaj powinna mieć ciągły i w miarę monotoniczny charakter zmian krzywizny, ma niepożądane lokalne minimum lub maksimum. Interpretacja wyników takiej analizy jest bardzo intuicyjna. W każdym punkcie analizowanej krzywej system oblicza promień krzywizny i generuje odcinek linii prostej prostopadły do krzywej w tym punkcie o długości proporcjonalnej do obliczonego promienia krzywizny. Gęstość i długość prążków może być w łatwy sposób skalowana, aby wyraźnie zobaczyć przebieg zmian promienia krzywizny, który dodatkowo może być pokazany w postaci obwiedni poprowadzonej przez punkty końcowe prążków. Punkty przegięcia analizowanej krzywej łatwo zidentyfikować, bo są to punkty, w których obwiednia krzywizny przecina analizowaną krzywą. Oczywiście może być tak, że krzywizna w sposób zamierzony zmienia znak wzdłuż krzywej, dlatego należy jasno powiedzieć, że funkcja Porcupine Curvature Analysis ułatwia jedynie analizę zmian krzywizny, ale to konstruktor decyduje, czy akceptuje kształt krzywej. Na przykład na Rys. 8 krzywa pokazana po lewej stronie ma zbyt wiele (niepotrzebnych!) punktów przegięcia, a krzywa po prawej stronie, chociaż „na oko” bardzo podobna do tej po lewej stronie, ma tylko tyle punktów przegięcia, ile potrzeba do poprawnego zdefiniowania charakteru krzywej. Modyfikacje krzywej można przeprowadzać przez stosowne zmiany jej elementów nadrzędnych (rodziców) – na przykład współrzędnych punktów bazowych krzywej typu Spline lub stosując lokalnie wygładzanie krzywej w celu uzyskania ciągłości zadanego typu (Rys. 9). W tym celu można posłużyć się funkcją Curve Smooth (Rys. 10), która poza RYS. 7 możliwością wyboru kryterium wygładzania (Point, Tangent lub Curvature, czyli odpowiednio G0, G1 lub G2)) umożliwia zdefiniowanie maksymalnej deformacji krzywej oryginalnej (Maximum deviation). Rodzaj ciągłości przed „wygładzeniem” jest podany w linii In (Input) a po „wygładzeniu” w polu Out (Output). Co więcej, jeśli nie jest możliwe takie wygładzenie krzywej, aby spełnione były wszystkie zdefiniowane wymagania (np.: Maximum deviation = 0,01mm i Continuity = Curvature), to system sygnalizuje to przez czerwone tło opisu lub żółte, kiedy możliwa jest tylko częściowa RYS. 9 48 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 RYS. 8 poprawa geometrii (np.: uzyskanie ciągłości typu G1, ale nie G2). Na zakończenie części dotyczącej krzywych kilka wniosków: 1. Ocena jakości krzywej nie może być wykonywana jedynie wzrokowo. 2. Analiza jakości krzywej (ciągłość i rozkład krzywizny) powinny być nieodłącznie związane z definiowaniem krzywych. 3. Dobre krzywe są podstawą dobrej jakości powierzchni. W kolejnym numerze Design News kontynuacja tematu w zakresie analizy jakości powierzchni. RYS. 10 Jak to zrobić GŁĘBOKIE ZANURZENIE ZGODNOŚĆ z RoHS, czyli „zielonej inżynierii” ciąg dalszy Zgodność z RoHS jest tylko jedną z kwestii branych pod uwagę przez projektantów Bez względu na to, gdzie dzisiaj spojrzymy, zauważymy, że w wielu reklamach, kartach danych oraz katalogach coraz częściej pojawia się znany symbol zgodności z dyrektywą RoHS (Removal of Hazardous Substances – ograniczenie użycia substancji niebezpiecznych). Dyrektywa 2002/95/EC Parlamentu Europejskiego nabiera pełnej mocy w tym roku, mimo że wydana była 27 stycznia 2003. Przy całym pośpiechu związanym z uzyskaniem zgodności z RoHS, istnieją jeszcze dwie inne kwestie zgodności, które warto rozważyć. Pierwszą jest zgodność sił elektromotorycznych (SEM), znana również jako „szereg napięciowy”. Gdy metale wchodzą w kontakt ze sobą, pomiędzy ich powierzchniami zachodzi wymiana elektronów. Jeżeli potencjał napięcia pomiędzy dwoma metalami jest zbyt duży, wystąpi korozja. Korozja wpłynie na integralność metalu i poważnie uszkodzi przewodzący styk. Wyznaczony przez RoHS kierunek galwanicznego pokrywania srebrem płytek obwodów drukowanych może pogorszyć zgodność z SEM, jeżeli jednocześnie nie będą uwzględniane charakterystyki powierzchni ram montażowych. Gdy płytki obwodów drukowanych są powlekane lutami ze stopu cynowo-ołowiowego, powierzchnia ramy montażowej, taka jak powłoka cynkowa ma zwykle zgodność SEM. Galwaniczne pokrywanie srebrem wywołuje zupełnie odmienny skutek. Określanie zgodności SEM i zapobieganie korozji oraz poważnemu pogorszeniu (wraz z upływem czasu) przewodności elektrycznej wymaga przeglądu szeregu sił elektromotorycznych. Istnieją dwie możliwości wyrażenia szeregu SEM: TEKST: W. Michael King, niezależny doradca projektowania systemów 1) jako wskaźnik przybliżenia wartości w porównaniu ze złotem, gdzie złoto stanowi wartość zerową wskaźnika odniesienia, lub 2) jako sekwencja rzeczywistych potencjałów elektrody, które mogłyby być wymienione w ogólnie znanych źródłach, takich jak podręczniki chemii lub fizyki. Z tych dwóch metod wersja z ogólnym przybliżeniem wskaźników daje bardzo funkcjonalną listę wartości odniesienia, często pogrupowanych w klasy metali. Podejście z przybliżeniem wskaźników, mimo że szeroko wykorzystywane w przemyśle, wymaga typowego zgrupowania potencjałów w przybliżone klasy metali i zaokrąglenia wyników w sumarycznym formularzu, co skutkuje obniżeniem dokładności. Dodatkowo, ponieważ wersja ze wskaźnikiem stanowi listę odniesioną do złota, w celu określenia potencjałów standardowych elektrod wymagana jest ponowna konwersja do szeregu elektromotorycznego elementów. Z powodu niedokładności podejścia z przybliżeniem wskaźników, w przekształceniach tych zostaną stwierdzone dychotomie. Przybliżenie wskaźników kontra potencjał elektrod Metoda przybliżenia wskaźników wymienia w tabeli grupy metali, ze złotem stanowiącym odniesienie. Tabela ta zdobyła popularność począwszy od roku 1960 i jest często wykorzystywana jako odniesienie dla różnych materiałów w kontekście EMI. W tabeli można dostrzec, że luty cynowoołowiowe przedstawiają wskaźnik wartości napięcia równy -0,65V. Z drugiej strony, cynk przedstawia wartość -1,25V. Wartość Artykuł ten dostarcza użytecznych i aktualnych wskazówek dotyczących obszernego tematu degradacji wywoływanej przez korozję, która mogłaby być dopustem bożym dla inicjatywy RoHS w nadchodzącym okresie przejściowym. Faktycznie, wykończone srebrem płytki obwodów drukowanych muszą być oceniane w kontekście połączenia z innymi metalicznymi powierzchniami, na wypadek gdyby promieniowanie i podatność na EMI stały się z czasem problematyczne. Gdy potencjał elektrochemiczny nadaje początkowego impetu, szybkość korodowania może być powstrzymana środkami łagodzącymi, takimi jak reakcja określonych stałych Tafel’a oraz tworzenie na powierzchni warstwy pasywnej. Praktyczne efekty pasywacji powierzchni są doskonale omówione traktatem artykułu o przewodności powierzchniowej oraz efektem głębokości warstwy naskórkowej. Peter Pagliaro, SrEE GMS Engineering Pitney Bowes Własności SEM produktu oraz współzależnych powierzchni bezołowiowych wykończeń płytek obwodów drukowanych w odniesieniu do ostatecznego opakowania i ekranowania powinny być określone we wczesnej fazie projektowania. Inżynierowie mechanicy, elektrycy, specjaliści od EMI/ESD oraz opakowań, wszyscy mają w tym swój udział, lecz kto ma rozwiązanie? Shawn Arnold, CTO, ChipStack Inc. [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 49 GŁĘBOKIE ZANURZENIE różnicy potencjałów SEM pomiędzy tymi powszechnie stosowanymi materiałami wynosiłaby około 0,6V. Teraz spójrzmy na wartość srebra. Potencjał SEM sięga wartości -0,15V, która znacznie odbiega od cynku. Różnica potencjałów SEM pomiędzy cynkiem i srebrem, jaka występuje w przypadku płytek obwodów drukowanych powlekanych galwanicznie srebrem, osiągnęłaby Jak to zrobić gigantyczną wartość 1,1V. Przy połączeniu tych metali korozja byłaby gwarantowana. Bardziej dokładną metodą byłoby raczej wykorzystanie szeregu potencjałów elektrod niż przybliżonych wskaźników. Wersja rzeczywistego szeregu elektrochemicznego sił elektromotorycznych definiuje potencjał elektrody w woltach dla elementów TABELA 1. METODA PRZYBLIŻEŃ WSKAŹNIKÓW (od najbardziej katodowych do anodowych) – ukazuje szereg wartości wskaźników napięć EMF dla kilku wybranych rodzajów metali Wartość wskaźnika Napięcie EMF (V) Metale (KATODOWE) Złoto, lite i powłoki; stopy złota i platyny; obrobiona platyna +0,15 do 0,00 Powłoka rodowa na powlekanej srebrem miedzi -0,05 Srebro, lite lub powłoki; stopy o dużej zawartości srebra -0,15 Nikiel, lity lub powłoki; tytan, stop Monela, stopy o dużej zawartości niklu -0,30 Miedź, lita lub powłoki; stopy miedzi z cynkiem lub brązy; lut srebrny; alpaka stopy miedzi z niklem o dużej zawartości miedzi; stopy niklu z chromem; austenityczna stal nierdzewna -0,35 Przemysłowe gatunki mosiądzu lub brązu -0,40 Mosiądze lub brązy wysokogatunkowe; mosiądz okrętowy; mosiądz alfa/beta -0,45 Odporne na korozję stale o 18% zawartości chromu -0,50 Powłoki chromowe; powłoki cynowe; odporne na korozję stale o 12% zawartości chromu -0,60 Powłoki cynowe; luty cynowo-ołowiowe; blacha biała matowa -0,65 Ołów lity lub powłoki; stopy wysokoołowiowe -0,70 Aluminium, przerabiane plastycznie duraluminium (serii 2000) -0,75 Żelazo, obrabiane plastycznie, szare lub ciągliwe; stal węglowa oraz stal niskostopowa; żelazo Armco -0,85 Aluminium, stopy odlewnicze typy krzemowego; aluminium inne niż duraluminium (serii 2000) -0,90 Aluminium, stopy odlewnicze inne niż typu krzemowego; kadm, powlekany i chromianowany -0,95 Stal galwanizowana; blachy powlekane ogniowo cynkiem -1,20 Cynk, obrobiony plastycznie lub powlekany; oparte na cynku stopy do odlewania kokilowego -1,25 Magnez odlewany lub obrabiany plastycznie; stopy magnezu -1,75 Beryl -1,85 (ANODOWE – najbardziej podatne na korozję) 50 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 porównywanych z elektrodą wodorową, użytą jako punkt odniesienia. Elektroda wodorowa znana jest również jako „półogniwo wodorowe”. Elektroda wodorowa, wykorzystywana jako bazowe odniesienie do określenia potencjału elektrod elementów, składa się z platynowej folii powleczonej 1,0 molowym roztworem jonów wodoru przy ciśnieniu 1 atmosfery. Wodór w postaci gazowej podczas powlekania bąbelkuje na folii. Jako wynik pomiaru brany jest potencjał elektrody przy 25°C. Mogliście spotkać się z określeniem „potencjały redukcji” w odniesieniu do potencjałów elektrod. Porównanie cyny lub ołowiu o przybliżonej wartości -0,130V do cynku o wartości -0,763V daje różnicę 0,633V, która jest bardzo zbliżona do porównania wykonanego „metodą wskaźników”. Porównanie srebra o potencjale +0,799V z cynkiem o potencjale -0,763V daje wartość nawet większą niż 1,562V! Wartość ta jest prawdopodobnie bardziej reprezentatywna dla tego, co mogłoby zdarzyć się w prawdziwych produktach. Osiągi parami Celem jest ułożenie w pary kombinacji powierzchni metali, które są rozumiane jako zgodne, po to, aby udaremnić wystąpienie korozji, która mogłaby z czasem znacząco osłabić lub pogorszyć przewodność styku powierzchnia-powierzchnia. Rozważając najważniejsze wzajemne oddziaływania, które wywołują efekty naskórkowości (i związane z nimi grubość warstwy, w której on występuje, oraz rezystancja efektu naskórkowości) w skuteczności ekranowania wysokich częstotliwości, oraz biorąc pod uwagę, że ściskane przewodzące powierzchnie styku stanowią podstawę przy wdrażaniu konstrukcji ekranujących, warto podkreślić, że przy doborze metalu podczas projektowania należy koniecznie uwzględnić kompatybilność połączeń metalowych. Faktyczna akceptowalna wartość różnicy potencjałów SEM, która może być wykorzystywana z domniemaną niezawodnością zależy od kilku czynników. Czynniki te obejmują naturę ściśle przylegających lub stykowych powierzchni, GŁĘBOKIE ZANURZENIE TABELA 2. POTENCJAŁY ELEKTROD (od najbardziej katodowych do anodowych) dla powszechnie używanych metali ukazane w odniesieniu do wodoru Metale Reakcja półogniwa POTENCJAŁ ELEKTROD Napięcie EMF (V) (KATODOWE) Złoto Au+ + e- +1,50 Złoto Au3 + 3e- +1,498 (zależne od jonów) Złoto Au 3+ +e +1,36 - Platyna Pt + 4e +1,20 Platyna Pt2 + 2e- +1,18 (zależne od jonów) Srebro Rtęć 4 - Ag+ + eHg 2+ 2 +0,799 + 2e +0,789 +e +0,77 - Żelazo Fe Miedź Cu2+ + 2e- 3+ - + +0,34 - Wodór 2H + 2e 0,00 Odniesienie Ołów Pb - + 2e - 0,126 Cyna Sn2+ + 2e- - 0,137 Nikiel Ni2+ + 2e- - 0,257 Żelazo Fe + 3e - 0,37 Kadm Cd - + 2e - 0,40 Żelazo Fe2+ + 2e- - 0,44 Chrom Cr + 3e - 0,744 Cynk Zn + 2e - 0,763 + 2e 2+ 3+ 2+ 3+ 2+ - - - 0,913 Chrom Cr Tytan Ti3+ + 3e- - 1,37 Tytan Ti2+ + 2e - 1,63 (zależne od jonów) Aluminium Al + 3e - 1,66 Beryl Be +e - 1,69 Magnez Mg2+ + 2e- Magnez Mg + e 2+ 3+ 2+ + - - -2,37 -2,7 (zależne od jonów) - (ANODOWE) na przykład statycznie-spoczynkowych lub ruchomych i ściernych oraz spodziewanego środowiska roboczego. W wysoce zasolonych środowiskach (takich jak ledwo dostrzegalne ruchy fal oceanicznych) wymagane potencjały elektrod, aby mogły być zaakceptowane, mogą być bardzo niskie (środowiska morskie lub Marynarka Wojenna mogłyby z pewnością zakwalifikować je do rygorystycznych), często w zakresie tylko 0,1 do 0,25V maksymalnej różnicy. W bardziej typowych środowiskach komercyjnych, gdzie występują nieruchome powierzchnie, wyniki doświadczalne wskazują, że akceptowalne mogą być różnice o maksymalnym zakresie w przybliżeniu 0,35 do 0,40V. Sugeruje się, że różnice SEM bliskie 0,50V w środowiskach przemysłowych mogą być akceptowalne dla powierzchni będących przedmiotem wzajemnego ścierania się, chociaż należy ich unikać w odniesieniu do powierzchni nieruchomych. W każdej sytuacji należy unikać wartości różnicowych powyżej 0,60V. Inny czynnik zgodności z RoHS Kwestie zgodności elektromagnetycznej stanowią drugi czynnik w kontekście RoHS. Zgodność elektromagnetyczna ma dwa czynniki: przewodność (rezystancję) powierzchniową oraz występujący przy wysokich częstotliwościach efekt naskórkowości. Rezystancja powierzchniowa jest kwestią nacisku wymaganego do wejścia w kontakt powierzchni przewodzących. Znając „powierzchnię uderzenia” (w mm2) oraz nacisk zastosowany na dwie przylegające powierzchnie, możliwe jest zmierzenie rezystancji powierzchniowej (w omach/kwadrat). Dla możliwości pracy przy najwyższych częstotliwościach celem są wartości rezystancji powierzchniowej równe lub mniejsze od 50 mq/kwadrat, lecz w różnych przypadkach mogą być wystarczające wartości takie jak 100 mq/kwadrat. Zanim zapytacie „na kwadrat czego?”, warto jest zdać sobie sprawę, że w modelu rezystywnej siatki kwadratowych powierzchni, szeregowe i równoległe ekwiwalentne elementy rezystywne zawsze się równoważą. Tak długo, jak długo jest to kwadrat, nie ma znaczenia, czy jest to kwadratowy cal, centymetr czy furlong. Moim zadaniem jest uświadomienie, że zdolności zależą od materiału, który zamieniacie, chcąc uzyskać zgodność z RoHS i wyrównać lub przewyższyć wymagania RoHS. Ostateczna kwestia kompatybilności ekranowania EMC dotyczy efektu naskórkowości. Zmieńcie przewodność, grubość i przenikalność względną swoich powierzchni metalowych, a prawie na pewno zmienicie ekranowanie. Jeżeli przewodność powłoki powierzchni jest taka sama lub lepsza niż tej, którą zastępujecie, a przenikalność względna jest taka sama, zmieniony produkt RoHS prawdopodobnie będzie zgodny z EMC. Jeżeli nie jest ona taka sama lub jej nie znacie, musicie ocenić konstrukcję. Ekrany o grubości będącej wielokrotnością głębokości efektu naskórkowego zasadniczo składają się z dwóch obszarów [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 51 GŁĘBOKIE ZANURZENIE Jak to zrobić PSI Polerowane, odprężone miedź 1 do 5 1 do 5 miliomów/kwadrat Bazowy materiał odniesienia Jasna elektroCyna na stali 5 do 10 10 miliomów/kwadrat Dobre osiągi 50 do 100 miliomów/kwadrat (wyniki niestabilne poniżej 20 PSI) Marginalnie akceptowany 50 do 1000 omów/kwadrat (Nieakceptowalny) Cynk, niski poziom Chromian na stali Cynk, wysoki poziom Chromian na stali 60 100 do 200 Wynik Powierzchnia Komentarz Materiał/powłoka TABELA 3. Skuteczna rezystancja powierzchniowa w odniesieniu do ciśnienia, gdzie próbką wzorcową był kwadrat odprężonej miedzi podawany do różnych powierzchni granicznych powleczonych powierzchni oraz jednego rdzenia. Aby rozważyć funkcje na i wewnątrz struktury ekranującej wytworzonej z arkusza metalu, właściwym jest postrzeganie ekranu jakby był angażowany przez uderzenie fali elektromagnetycznej. Z punktu widzenia fali elektromagnetycznej istnieją trzy składniki wbudowane w metal: ● dwie przeciwne powierzchnie, które mogłyby być określone „powierzchniami efektu naskórkowego”, oraz ● materiał rdzenia. Pierwszym efektem jest wpływ „naskórkowości powierzchni” na impedancję dla fali elektromagnetycznej. Zmiana warstwy KOMPONENTY ekranu elektromagnetycznego dla różnych głębokości warstwy naskórkowej składają się z dwóch powlekanych powierzchni granicznych oraz jednego rdzenia powierzchniowej, taka jak powleczenie, może wymagać ponownej certyfikacji zgodności z normami EMC. Obliczenie głębokości warstwy, w której zachodzi zjawisko naskórkowości, może zapewnić pewien wgląd w wielkość zmian, które zaszły. Zgodnie z „danymi referencyjnymi dla inżynierów radiowych” ITTC (Międzynarodowa Korporacja Poczty i Telegrafu), wartość głębokości warstwy naskórkowej „d” jest obliczana jako: d = (2/mrsrv) (w metrach, ponieważ wartości mr oraz sr są wyrażone w odniesieniu do metrów). (Pełne omówienie znajduje się na stronie internetowej http: //rbi.ims.ca/4928-577 – przyp. redakcji) RoHS nie jest jedynie kwestią zgodności Zanim stwierdzimy, że został ukończony projekt zgodny z RoHS, należy się upewnić, że jest on również zgodny z szeregiem siły elektromotorycznej oraz ze ściśnięciem powierzchni wymaganym do uzyskania niskiej rezystancji, oraz że wartości efektu naskórkowości nie zmieniają osiągów EMC. W przeciwnym razie jest tylko kwestią czasu, zanim te kwestie zgodności starszych projektów staną się widoczne. W. Michael King jest niezależnym doradcą projektowania systemów oraz autorem EMCT: High Speed Design Tutorial (ISBN 0-7381-3340-X) (Lekcje Szybkiego Projektowania), książki opublikowanej przez Elliott Laboratories, oznakowanej przez IEEE Standards Information Network. Można kontaktować się z nim pod adresem [email protected] EFEKT ekspotencjalny do przybliżania bieżącej gęstości przechwytywanej w kierunku powierzchni przewodnika dla różnych głębokości warstwy naskórkowej 52 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 KĄCIK TECHNIKA, KTÓRĄ ŁATWO ZASTOSOWAĆ PROJEKTANTÓW REZYSTOR KALIBRACYJNY O NISKIM TWR Standardowe układy półprzewodnikowe oraz przetwarzanie MEMS (System Mikro-Elektro-Mechaniczny) zapewnia wysoce stabilne, dostrajalne rezystory Precyzyjne systemy wymagają minimalnego wpływu różnic temperatury na zmiany uchybu oraz wzmocnienia. Niestety, rezystory wykorzystywane przy różnych napięciach lub technikach kalibracji prądu mają temperaturowy współczynnik rezystancji (TWR), który na ogół nie jest mierzony lub dostrajany. Tradycyjne sposoby dostrajania na poziomie płytki lub układu scalonego wykorzystują cienkowarstwowe dostrajanie laserem lub przedmuchiwanie stapialnych połączeń. Produkty hybrydowe lub na poziomie płytek wykorzystują – oprócz cienkowarstwowego dostrajania laserem – dodatkowe potencjometry dostrajające i układy cyfrowego dostrajania. Miniaturowy elektromechaniczny precyzyjny rezystor, bazujący na MEMS, zapewnia wysoce stabilne podejście do dostrajania bardzo dokładnych systemów. Rejustor – mikro-rezystor firmy Microbridge Technologies składa się z mikro-membrany (lub mikro-membran) zawieszonej nad wnęką wytrawioną w krzemowym podłożu z elektrycznym mikro-grzejnikiem wytworzonym na powierzchni membrany, wykorzystującym przewodzącą, rozpraszającą ciepło warstwę polikrzemową. Zawieszenie mikro-grzejnika nad wnęką powietrzną zapewnia dobrą izolację termiczną dla mikro-struktury i umożliwia jednostce uzyskiwanie bardzo wysokich temperatur (od 800°C do 1000°C), przy bardzo niskim poborze mocy, bez wpływu na otaczające obwody. Bardzo niska bezwładność cieplna małej struktury, w połączeniu z izolacją, umożliwia szybkie nagrzewanie. Specjalnie opracowana technika sprzętowo-programowa zapewnia wysokiej precyzji elektryczne programowanie elementów rezystywnych w zawieszonej mikrostrukturze z dokładnością od 5 do 20 milionowych części, a nawet lepszą. Typowy przemysłowy test produkcyjny przeprowadza operację dostrajania Rejustora w sondzie płytki, ostateczny test po obudowaniu oraz/lub podczas testowania na poziomie płytki obwodów. Dostrajanie na poziomie systemu lub testowanie podczas produkcji wymaga specjalnie zaprojektowanego obwodu kalibracyjnego. Obie techniki pomijają drogi laserowy sprzęt dostrajający. Przy użyciu w obwodzie kalibrującym Rejustora współczynnik TWR wynosi 0 ± 100 cząstek/milion/°K dla dostrojonych i niedostrojonych elementów, a zmiana współczynnika temperaturowego mieści się w tolerancji ± 30 cząstek/ milion/°K. Konstrukcja zapewnia stały TWR w zakresie dostrajania dla wartości rezystancji od około 200 do 1 M Ohma, z zakresem dostrajania 30% w dół od wartości fabrycznej. Elementy cechuje rozdzielczość regulacji do 0,01 procenta. Kontakt: Tim Warland, inżynier zastosowań, Microbridge Technologies SiNt Polysilicon SiO2 Cavity Si WYTWORZONE POWYŻEJ Wytrawiona wnęka, rezystory oraz polikrzemowe rezystywne elementy grzejne zapewniają wysoce stabilny system, nieczuły na temperaturę roboczą R1 R2 e e R2TRIM PARA REJUSTORÓW oraz ich oddzielne wejścia strojenia mogą być zapakowane do wielkoobjętościowej, 8-nóżkowej obudowy SOIC H-GND R1 R2 [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 53 FLESZ NOWE TECHNOLOGIE Określenie „przyjazny użytkownikowi”, związane zazwyczaj z elektroniką cyfrową, jest bardziej właściwe w stosunku do obwodów analogowych, ponieważ wszyscy użytkownicy są... analogowi. Oto pięć udostępnionych analogowo produktów cyfrowych... TEKST: RANDY FRANK SYNTEZATOR MUZYCZNY Dave Smith – twórca instrumentów Aby uzyskać cieplejszy, bardziej naturalny dźwięk, ten monofoniczny syntezator wykorzystuje dwa analogowe, jak również dwa cyfrowe oscylatory. W celu połączenia części cyfrowej z analogową, konstruktor Dave Smith wybrał układ AD1836A, wielokanałowy 24-bitowy kodek z częstotliwością próbkowania 96 kHz. Kodek posiada dwa stereofoniczne przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) oraz trzy stereofoniczne przetworniki cyfrowoanalogowe. Przetworniki ADC działają z całkowitym poziomem zniekształceń harmonicznych (THD) + N równym -92 dB oraz ze stosunkiem sygnału do szumu i zakresem dynamiki 105 dB. Przetworniki DAC posiadają THD + N na poziomie 95 dB oraz SNR i zakres dynamiki na poziomie 108 dB. SAMOSTROJĄCA SIĘ GITARA TransPerformance The Performer Klawiatura oraz wyświetlacz ciekłokrystaliczny (LCD) na tej gitarze są oczywistą oznaką... wbudowanej elektroniki. Bliższe spojrzenie ujawnia, że mostek oraz gryf są również całkiem inne. Sześć strun gitary przechodzi przez zespół regulatora strojenia do tyłu gitary, gdzie sześć silników krokowych (!) jednocześnie reguluje naciąg każdej ze strun. Cały system jest sterowany przez mikrosterownik, lecz analogowe układy scalone stanowią sprzężenie do silników krokowych. Prędkości silników są regulowane z pełną zmianą prędkości podczas jednego kroku w ciągu sekundy. Dokładność dostrajania wynosi ± 2 centy (cent jest jednostką logarytmiczną do mierzenia interwałów muzycznych, przy czym 1200 centów odpowiada jednej oktawie). 54 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 STEREOFONICZNA STACJA DOKUJĄCA iPOD Apple iPOD HiFi Odłączmy słuchawki i wetknijmy iPOD-a do stacji dokującej, która... wypełni dźwiękiem cały pokój! Taki spektakl dźwiękowy to efekt połączenia audio w obudowie konstrukcji audio oraz cyfrowych i analogowych obwodów z układami scalonymi. Inżynierowie Apple wybrali dwa 24-bitowe stereofoniczne przetworniki DAC PCM1754 firmy Texas Instruments do przejścia od cyfrowych do analogowych warunków pracy. Jeden DAC steruje kanałami prawego oraz lewego głośnika, a drugi steruje kanałem subwoofera. Aby uzyskać wspaniały, dynamiczny spektakl i zwiększoną tolerancję na fluktuacje zegara, układy DAC wykorzystują wielopoziomową architekturę delta-sigma z obwiednią zakłóceń opisaną równaniami czwartego rzędu oraz ośmiopoziomową kwantyzacją amplitudy. Urządzenia obsługują częstotliwości próbkowania do 200 kHz FLESZ PRZENOŚNE GŁOŚNIKI iPOD Logitech MM50 Inna opcja dokowania iPOD-a wykorzystuje przetwarzanie 3-D dźwięku w celu uzyskania szerszego efektu stereo. Przenośne głośniki wykorzystują ciśnieniowe mechanizmy wykonawcze o średnicy 7,5 cm do maksymalizacji basów oraz minimalizacji zniekształceń. Dwa stereofoniczne wzmacniacze TPA3004D2, o mocy 12W na kanał, pracujące w klasie D, zasilają głośniki. Zaprojektowane do sterowania połączonych mostkowo głośników stereofonicznych TPA3004D2 mogą obsługiwać głośniki stereofoniczne tak niskie, jak 4q. Zintegrowana 32-krokowa regulacja siły głosu zapewnia wzmocnienie od -40 dB do 36 dB. Praca w klasie D z dużą sprawnością eliminuje potrzebę zewnętrznych radiatorów. PRZENOŚNA JEDNOSTKA PRZECHOWYWANIA ZDJĘĆ Digital Foci Media Buddy Bazujące na 2,5 calowym napędzie dysku twardego, o dostępnych pojemnościach 20, 40, 60 oraz 80 GB, urządzenie przechowuje prawdziwy ogrom zdjęć, muzyki oraz danych. Wieloformatowy czynnik kart pamięci USB 2.0 urządzenia zapewnia dostęp do danych z kart pamięci flash cyfrowych kamer, odtwarzaczy MP3, telefonów komórkowych oraz urządzeń PDA (palmtopów). Zintegrowany odtwarzacz MP3 ma dostęp do przechowywanych plików i jest w stanie je odtwarzać. Aby ujrzeć szczegółowe informacje o plikach, nawet w słabych warunkach oświetleniowych, LCD wykorzystuje do podświetlenia obwody analogowe. Dodatkowy analogowy obwód zawiera trójkolorowy wskaźnik LED stanu zasilania oraz ładowania akumulatorka. Kolor zielony wskazuje włączone zasilanie; czerwony – ładowanie, a pomarańczowy – włączone zasilanie oraz ładowanie... [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 55 AKADEMIA DESIGN News Wpływ obciążenia kabiny dźwigu elektrycznego na reakcje działające na prowadnice kabinowe TEKST I ILUSTRACJE: PAWEŁ LONKWIC, AGNIESZKA CZERKAWSKA Dźwigi elektryczne są urządzeniami służącymi do transportu nie tylko towarów, ale również ludzi. O ile transport towarów jest z góry ustalony (towar w czasie transportu nie przesuwa się w kabinie), tak transport ludzi prowadzi do ciągłej zmiany obciążenia kabiny, z uwagi na możliwość przemieszczenia się w kabinie. W związku z powyższym reakcje sił generowanych na prowadnicach są ściśle powiązane i uzależnione od rozmieszczenia obciążenia w kabinie. W artykule zostały przedstawione wyniki teoretycznej analizy wpływu obciążenia na wartość reakcji Dźwigi stosowane do transportu pionowego istnieją od dawna. Znaczący przełom w tej branży został zapoczątkowany w około 1850 roku przez E. G. Otisa co spowodowało, że dźwigi stały się praktycznym, bezpiecznym i godnym zaufania środkiem transportowym [2], [5]. W późniejszych latach ten środek transportu rozwijał się bardzo szybko – obecnie istnieją na świecie duże koncerny oferujące coraz to nowsze, bezpieczniejsze urządzania transportowe zwane potocznie... windami. Do największych producentów tych urządzeń można zaliczyć min.: ThyssenKrupp Elevator, Otis, Schindler, Kone. Wszyscy producenci dźwigów borykają się z tymi samymi problemami technicznymi. Wpływ rozmieszczenia obciążenia w kabinie na reakcje występujące na prowadnicach jest jednym z wielu problemów , które należy ściśle analizować. Analiza obciążeń prowadnic Kabina dźwigu elektrycznego jest zamocowana w ramie, która jest prowadzona w dwóch prowadnicach umieszczonych po bokach ramy kabinowej (rys. 1). Prowadzenie jest realizowane za pomocą suwaków ślizgowych lub rolkowych. Wybór prowadzenia zależy od wymaganego komfortu jazdy oraz reakcji na prowadnicach. Cała konstrukcja kabiny z ramą jest zawieszona na stalowych linach za pomocą zawiesi linowych. Wytrzymałość prowadnic kabinowych, ich zamocowania i połączenia powinny zapewnić przenoszenie bez odkształceń siły (reakcji) występujących w momencie: zadziałania chwytaczy, urządzeń zakleszczających i podchwytów oraz ugięcia w wyniku występowania nierównomiernego rozkładu obciążeń w kabinie. Prowadnice są produkowane jako ciągnione lub są obrabiane mechanicznie. 56 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 RYS. 1. Rozmieszczenie głównych podzespołów dźwigu elektrycznego. Opracowanie autorskie Polska Norma [7] dopuszcza stosowanie prowadnic zgodnych z normą europejską ISO 7465 [6] o następujących dopuszczalnych wartościach naprężeń σperm: TABELA 1. Naprężenia dopuszczalne dla prowadnic wg. ISO 7465 [6] Wariant obciążenia Rm 370 440 520 Załadunek podczas normalnego użytkowania 165 195 230 Działanie chwytaczy 205 244 290 W czasie użytkowania dźwigu na prowadnice działają siły, których wartość jest uzależniona od: rozmieszczenia ładunku w kabinie, współczynników dynamicznych, masy pustej kabiny wraz z ramą, udźwigu nominalnego oraz innych. Na rys. 2. przedstawiony został schemat obciążenia układu wraz z obciążeniem prowadnic. AKADEMIA DESIGN News Jak wynika z rys. 2., bezpośredni wpływ na wartości reakcji generowanych na prowadnicach mają: udźwig nominalny, którego położenie nie zawsze można przewidzieć (transport ludzi) oraz środek masy kabiny, który jest przeważnie znany z geometrii kabiny. Warunkami brzegowymi nierównomiernego obciążenia kabiny mogą być „ściany kabiny”, gdyż ładunek nie jest w stanie przesunąć się poza nie. Teoretycznie najbardziej niekorzystnie na obciążenie prowadnic wpływa sytuacja, gdy kabina nie jest obciążona symetrycznie, co jest najczęstszym zjawiskiem w dźwigach osobowych. RYS. 2. Schemat obciążeń układu i prowadnic [1] Warunki wytrzymałości prowadnic kabinowych Ze względu na złożoność obliczeń prowadnic, tok obliczeń przedstawiony jest w Polskiej Normie [7]. Prowadnice kabinowe muszą spełnić trzy warunki obciążenia jednocześnie w różnych sytuacjach użytkowania: 1. w czasie zadziałania chwytaczy, 2. w czasie normalnego użytkowania, w czasie jazdy, 3. w czasie normalnego użytkowania, w czasie załadunku, Każdy z w/w trzech warunków jest jeszcze podzielony na 6 dodatkowych. Dla poprawnego i kompletnego toku obliczeń prowadnice muszą bowiem spełnić wymagania dotyczące: 1. naprężenia zginającego względem osi Y wywołanego siłą boczną Fx, 2. naprężenia zginającego względem osi X wywołanego siłą boczną Fy, 3. wyboczenia prowadnic, 4. naprężeń złożonych, 5. zginania szyjki prowadnicy, 6. odkształceń. TABELA 2. Wartość współczynników dynamicznych w zależności od działania urządzeń bezpieczeństwa [7] Czynnik wywołujący przeciążenie RYS. 3. Rozkład obciążeń w kabinie dźwigu [7] Prowadzenie kabiny w prowadnicach jest realizowane w sposób nie zależny od konfiguracji urządzenia oraz warunków budowlanych. W celu zobrazowania problemu przyjmiemy założenia, że kabina jest prowadzona centralnie w stosunku do prowadnic i zawieszona jest w środku prowadnic, co przedstawia rys. 3, gdzie: Dx – wymiar kabiny w kierunku osi X, Dy – wymiar kabiny w kierunku osi Y, xQ – położenie udźwigu nominalnego Q w stosunku do środka symetrii prowadnic, xP – położenie masy kabiny P w stosunku do środka symetrii prowadnic względem osi x, yP – położenie masy kabiny P w stosunku do środka symetrii prowadnic względem osi y, C – środek kabiny, S – zawieszenie kabiny, Q – udźwig nominalny, P – masa kabiny Współczynnik dynamiczny Wartość Działanie chwytaczy blokujących lub urządzeń zakleszczających blokujących oprócz typu rolkowego 5 Działanie chwytaczy blokujących typu rolkowego lub urządzeń zakleszczających blokujących typu rolkowego albo podchwytów ze zderzakiem akumulującym energię lub zderzaków akumulujących energię 3 k1 Działanie chwytaczy poślizgowych lub urządzeń zakleszczających poślizgowych, podchwytów ze zderzakiem rozpraszającym energię lub zderzaków rozpraszającym energię 2 Działanie zaworu zabezpieczającego przy pękniecie przewodów 2 Jazda k2 1,2 Części pomocnicze k3 (…)1) Wartość powinna być określona przez wytwórcę w odniesieniu do rzeczywistej instalacji dźwigu 1) [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 57 AKADEMIA DESIGN News Poszczególne warunki w zależności od sytuacji obciążenia są porównywalne z wartościami przedstawionymi w tabeli 1. Dodatkowo na wartość otrzymanych reakcji oraz naprężeń mają wpływ czynniki zwane tutaj współczynnikami dynamicznymi, które przedstawiono w tabeli 2. Czynniki wywołujące przeciążenia układu kabiny w prowadnicach są dodatkowymi czynnikami, jakie mogą powodować niesymetryczne obciążenia, które z kolei obciążają prowadnice. Schemat obliczeń dla poszczególnych warunków przedstawiony jest poniżej. Dla wszystkich sytuacji użytkowania warunki do spełnienia są takie same, różnią się tylko zmiennymi umieszczonymi we wzorach. I tak: 1.2.3. Naprężenia zginające działające w kierunku osi x: (11) (12) 1.3. Wyboczenie prowadnic: 1.3.1. Siła pionowa działająca wzdłuż prowadnicy: (13) 1.3.2. Naprężenia w prowadnicy od ściskania: (14) 1. Dla obciążenia kabiny przy zadziałaniu chwytaczy: 1.3.3. Siła pionowa pod prowadnicą działająca na podszybie: 1.1. Wartość naprężeń zginających względem osi Y prowadnic, wywołanych siłą boczną Fx, przedstawiona jest poniżej: (15) 1.4. Naprężenia złożone działające na prowadnice: 1.1.1. Siła działająca względem osi x: 1.4.1. Naprężenia dopuszczalne: (1) (16) (17) (2) (18) 1.1.2. Moment zginający względem osi y: (19) (3) (20) (21) (4) 1.1.3. Naprężenia zginające działające w kierunku osi y: (22) 1.5. Zginanie szyjki prowadnicy: (23) (5) (6) (24) 1.6. Odkształcenia prowadnic: (25) 1.2. Kolejne wzory przedstawiają wartość naprężeń zginających względem osi X prowadnic, wywołane siłą boczną Fy: (26) 1.2.1. Siła działająca względem osi y: (28) (7) (27) 2. W czasie normalnego użytkowania, w czasie jazdy: 2.1. Wartość naprężeń zginających względem osi Y prowadnic, wywołane siłą boczną Fx, przedstawiony jest poniżej: (8) 1.2.2. Moment zginający względem osi x: 2.1.1. Siła działająca względem osi x: (29) (9) (10) 58 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 (30) AKADEMIA DESIGN News 2.6. Odkształcenia prowadnic: 2.1.2. Moment zginający względem osi y: (48) (31) (32) 2.1.3. Naprężenia zginające działające w kierunku osi y: (33) 3. W czasie normalnego użytkowania, w czasie załadunku: 3.1. Naprężenia zginające względem osi Y prowadnic wywołane siłą boczną Fx: 3.1.1. Siła działająca na próg kabiny: (34) (49) 2.2. Kolejne wzory przedstawiają wartość naprężeń zginających względem osi X prowadnic wywołane siłą boczną Fy: 3.1.2. Siła działająca względem osi x: 2.2.1. Siła działająca względem osi y: 3.1.3. Moment zginający względem osi y: (50) (51) (35) 3.1.4. Naprężenia od zginania względem osi y: (52) (36) 2.2.2. Moment zginający względem osi x: (37) 3.2. Naprężenia zginające względem osi X prowadnic wywołane siłą boczną Fy: 3.2.1. Siła działająca względem osi y: (53) (38) 3.2.2. Moment zginający względem osi y: 2.2.3. Naprężenia zginające działające w kierunku osi x: (54) (39) 3.2.3. Naprężenia od zginania względem osi y: (55) (40) 2.3. Wyboczenie prowadnic: w czasie normalnego użytkowania wyboczenie prowadnic nie występuje. 3.3. Wyboczenie prowadnic: w czasie załadunku wyboczenie prowadnic nie występuje. 2.4. Naprężenia złożone działające na prowadnice 3.4. Naprężenia złożone działające na prowadnice: 2.4.1. Naprężenia dopuszczalne 3.4.1. Naprężenia dopuszczalne (41) (59) (42) (60) (43) (61) (44) 3.5. Zginanie szyjki prowadnicy: (62) (45) 3.6. Odkształcenia prowadnic: 2.5. Zginanie szyjki prowadnicy: (46) (47) (63) (64) [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 59 AKADEMIA DESIGN News (65) W warunkach praktycznych wartości naprężeń zależą również od innych czynników, ale w naszych rozważaniach mamy na celu pokazanie wpływu rozmieszczenia poszczególnych mas na wartości naprężeń. Analiza obciążeń prowadnic W celu dokonania analizy wpływu nierównomiernego obciążenia kabiny na wartość naprężeń w prowadnicach posłużymy się danymi otrzymanymi z firmy Lift Service dla dźwigu elektrycznego o udźwigu 630 kg [4]. Dane do obliczeń: Udźwig nominalny Q = 630 kg, Masa kabiny Pk = 550 kg, Masa ramy kabinowej Pr = 300 kg, Teoretyczna masa przeciwwagi Mcwt = 1190 kg, Prędkość dźwigu v = 0,63 m/s, Załóżmy wstępnie, że w fazie początkowej środek ciężkości kabiny, ramy oraz ciężar wynikający z udźwigu jest w tym samym punkcie, na środku kabiny (pkt 1). Kabinę podzielmy teoretycznie na cztery ćwiartki – dla lepszego zobrazowania problemu. Główne wymiary kabiny są przedstawione na rysunku 4. Wartości reakcji zostały wyznaczone na podstawie powyższych wzorów. Następnie będziemy analizować wpływ umieszczenia środka ciężaru wynikającego z przemieszczenia masy udźwigu Q. W całej analizie punkty C, S, P będą w tym samym punkcie 1. W następnych fazach analizy, punkt Q będzie się przemieszczał w I ćwiartce w kierunku narożnika kabiny co 100 mm w kierunku x i y. Następnie punkt Q przeniesiemy do II, III i IV ćwiartki, a następnie będziemy go kolejno przemieszczać w kierunku narożników poszczególnych ćwiartek. Według wstępnych założeń większość reakcji będzie największa wtedy, gdy punkt Q będzie w pobliżu narożników kabiny. Na poniższych wykresach przedstawione są wyniki tylko niektórych wartości naprężeń oraz odkształceń, jakie generują się na prowadnicach. Analiza obciążenia ma na celu pokazanie, jaki 60 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 RYS. 4. Rozmieszczenie środków ciężkości w kabinie oraz główne wymiary wpływ ma położenie obciążenia na generowane wartości reakcji na prowadnicach. Na wykresie 1 przedstawione są wyniki obliczeń rozkładu naprężeń złożonych σ1 w czasie zadziałania chwytaczy. Jak wynika z powyższego wykresu, największe wartości naprężeń generują się w I i III ćwiartce obciążenia kabiny, z czego w I ćwiartce wartości naprężeń są większe niż... w III ćwiartce. Na wykresie 2 przedstawiony jest rozkład naprężeń złożonych σ2 w czasie zadziałania chwytaczy. Porównując go z wykresem 1 można zauważyć zmiany w wartościach wyliczonych naprężeń, natomiast rozkład naprężeń generuje się podobnie. Zgodnie z tym, odkształcenie prowadnicy w kierunku „x” i kierunku „y” powinny przebiegać analogicznie, tzn. im bardziej odsunięty punkt obciążenia, tym większe odkształcenie prowadnicy. Rezultaty obliczeń przedstawione są na wykresie 3 i 4. Jak można zauważyć, prowadnice odkształcają się w kierunku osi „x” oraz „y” z rożnymi wartościami. Nie można się dopatrywać analogii do naprężeń prowadnic. W naszych założeniach ładunek WYKRES 1. Zależność wartości naprężeń złożonych σ1 od przemieszczenia obciążenia w czasie zadziałania chwytaczy σ1 Wszystkie oznaczenia zawarte w powyższych wzorach opisuje Polska Norma [7]. Jak wynika z analizy powyższych zależności, wartości siły, które są generowane na prowadnicach w czasie użytkowania dźwigu, są uzależnione od wielu czynników. Jako stałe czynniki możemy przyjąć min.: masę kabiny, ramy kabinowej, przeciwwagi, współczynniki dynamiczne, wartości wskaźników prowadnic na zginanie. Do zmiennych czynników możemy zaliczyć min.: położenie środka kabiny [C] w stosunku do osi symetrii prowadnic, położenie zawieszenia kabiny [S] w stosunku do osi symetrii prowadnic, położenie środka masy kabiny [P] w stosunku do osi symetrii prowadnic, położenie środka masy ramy [R] w stosunku do osi symetrii prowadnic, położenie progu drzwi względem osi prowadnic. W związku z tym, biorąc pod uwagę czynniki stałe i czynniki zmienne, można zapisać zależność matematyczną, która opisze zależność naprężeń w prowadnicach: σ2 AKADEMIA DESIGN News WYKRES 2. Zależność wartości naprężeń złożonych σ2 od przemieszczenia obciążenia w czasie zadziałania chwytaczy jest punktowy, w rzeczywistości masa – jaką przewozi dźwig – rozłożona jest na pewnej powierzchni. Wartości odkształceń w kierunku poszczególnych osi rozkładają się w różnym stopniu. W przypadku osi „x” największe wartości można zaobserwować w I i IV ćwiartce, podobnie jak rozkład naprężeń. Największe odkształcenia w kierunku osi „y” generują się w I i II ćwiartce. Jednakowy trend wzrostu poszczególnych wartości można zaobserwować w kierunku narożników, co wydaje się być logiczne z punktu widzenia wytrzymałości konstrukcji. Wnioski Wartość naprężeń w prowadnicach nie zależy tylko od rozmieszczenia masy w kabinie, ale również od wartości momentów zginających, współczynników zawartych w normie [7] oraz od wartości wskaźników wytrzymałości na zginanie. Stąd zasadne wydaje się stwierdzenie, iż nie należy wyciągać daleko idących wniosków z wstępnych obliczeń. Odkształcenia prowadnic są bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na bezpieczeństwo dźwigu. W obliczeniach należy zwracać szczególnie uwagę na najsłabsze punkty prowadnic (szyjkę prowadnicy – przyp. autorów). Obliczenia potwierdzają jedynie fakt, że im dalej od środka zawieszenia tym większe generują się wartości naprężeń oraz odkształceń. W rzeczywistych warunkach pracy dźwigu na wartości naprężeń mają również wpływ takie czynniki jak: pionowość prowadnic, stan techniczny prowadnic, czy dźwig pracuje na prowadnicach smarowanych czy na sucho (np.: z braku odpowiedniej konserwacji), stan techniczny suwaków kabiny oraz... stanu technicznego całego urządzenia. W celu wyeliminowania większości przypadków niewłaściwego doboru warunków pracy dźwigu, została opracowana nowa norma, która zaostrzyła warunki jakie należy spełnić dla prowadnic. Zgodnie z wymogami Europejskimi, zagadnienia w normie [7] są potraktowane obszerniej, niż w normie poprzedniej. Zagadnienia obliczeń prowadnic, cierności, warunków bezpieczeństwa są poparte skomplikowanymi wzorami, które starają się odzwierciedlić warunki panujące w czasie rzeczywistej pracy dźwigu [3], [8]. Literatura [1] Janovsky L.: Elevator Mechanical Design, Published by: Elevator World, Inc 1970 [2] Kwaśniewski J., Dźwigi osobowe i towarowe, Budowa i eksploatacja, UWND, Kraków 2004 [3] Lonkwic P.: Analysis of elevator configuration influence on the operation and safety conditions of lifting ropes. Lift Report 6/2004 [4] Materiały firmy Lift Service S.A., www.lift.pl [5] Materiały firmy Otis, www.otis.com [6] Norma ISO 7465 [7] Polska Norma PN EN 81-1 Przepisy bezpieczeństwa dotyczące budowania i instalowania dźwigów, Część 1: Dźwigi elektryczne. [8] Sturgeon G.: Vertical Transportation: Elevators and Escalators. 2nd edition. John Wiley&Sons, New York, 1983. WYKRES 4. Wartości odkształceń prowadnicy σy w czasie zadziałania chwytaczy Wartość odkształcenia Wartość odkształcenia WYKRES 3. Wartości odkształceń prowadnicy σx w czasie zadziałania chwytaczy [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 61 KATASTROFY Historie prawdziwe Sprawa pewnego... akumulatora Gdy na kanale Discovery oglądałem program poświęcony katastrofie Hindenburga, przypomniałem sobie o sile wybuchowej wodoru, jakiej można doświadczyć, gdy nie zachowuje się odpowiedniej ostrożności podczas obchodzenia się z tym gazem. Kilka lat temu zostałem wezwany, aby zbadać przyczynę wybuchu... akumulatora. Na skutek tego wybuchu mechanik, który ładował akumulator wyjęty uprzednio z podnośnika widłowego napędzanego silnikiem Diesla, doznał poparzeń od błysku i kwasu. Miejsce przestępstwa Mój klient reprezentował firmę handlową, która sprowadziła wózek podnośnikowy (w żargonie motocyklistów „metryczny” widłowy wózek podnośnikowy), jak również akumulator samochodowy, używany do uruchomiania silnika widłowego wózka podnośnikowego. Swoje dochodzenie zacząłem od przejrzenia kompletu zdjęć akumulatora po wybuchu, prostownika i ogólnego otoczenia warsztatu. Na zdjęciach było widać doszczętnie rozerwany akumulator. Wkrótce otrzymałem kopię raportu rzeczoznawcy powołanego przez powoda, w którym rzeczoznawca ten, bez zbadania akumulatora, wyraził opinię, że wybuch był następstwem wybuchu wodoru zapalonego przez łuk elektryczny, co było spowodowane niewłaściwym wewnętrznym podłączeniem akumulatora. Mój klient miał nadzieję na szybkie rozwiązanie tej sprawy i poprosił mnie o zakończenie sprawdzania akumulatora. Chciałem się zastanowić nad wszystkimi źródłami iskry lub płomienia i poprosiłem o to, aby prostownik używany przez powoda też był dostępny do sprawdzenia. Powód twierdził, że nie palił papierosów w czasie eksplozji, tak więc w tym momencie wykluczyłem otwarty ogień jako źródło zapłonu. Dochodzenie Gdyby akumulator ołowiowo-kwasowy mógł się rozładować i naładować, zachowując idealną sprawność elektrochemiczną, nie byłoby żadnej emisji wodoru lub tlenu. Byłaby tylko bezszumna konwersja płyty materiału, jednej ołowiowej i drugiej tlenku ołowiu – na siarczan ołowiu, podczas gdy elektrolit kwasu siarkowego zamieniłby się w wodę w trakcie rozładowywania. I oczywiście, byłby proces odwrotny – podczas ładowania. O stuprocentowej sprawności, co należy traktować jako doskonałość, można tylko marzyć. Nadmierne lub szybkie ładowanie/rozładowywanie, wiek elektrody i jej stan, zbyt duża temperatura oraz inne przyczyny mogą spowodować, że z akumulatora ołowiowo-kwasowego będzie wydzielać się wodór lub tlen. W tym przypadku nie było wątpliwości, że wewnętrzna eksplozja spowodowała rozerwanie obudowy akumulatora, rozrzucając jej fragmenty, 62 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 a także kwas na powoda. Zaproponowałem sporządzenie protokołu, przyjętego przez wszystkie strony, aby przetestować akumulator i prostownik. W miejscu przechowywania urządziłem laboratorium polowe. Użyłem układu opornika, aby rozładować przykładowy akumulator przed przeprowadzeniem testów prostownika. Wykorzystałem tym razem bliskie badanie wzrokowe (szkło powiększające itd.) oraz testy oporu wewnętrznych, międzykomorowych złączy akumulatora, który wybuchł. Nie znalazłem żadnych dowodów jakiegokolwiek rozerwania lub jakiegokolwiek miejsca, w którym końcówki o przeciwległej biegunowości mogły się zetknąć, doprowadzając w ten sposób do powstania iskry. Podłączyłem prostownik do przykładowego akumulatora i zapisałem prąd ładowania, napięcie i temperaturę podzespołów. Nie było żadnej nieprawidłowej pracy lub iskrzenia podczas ładowania. Testy statyczne wykazały właściwe działanie diody prostownika. Powód powiedział, że wyciągnął wtyczkę prostownika 120V prądu zmiennego, oddaloną o ponad 34 cm od miejsca wybuchu akumulatora, zanim odłączył zaciski krokodylkowe od końcówek akumulatora, zmniejszając tym samym prawdopodobieństwo, że było to źródłem iskry. Powiedział, że akumulator wybuchł, kiedy wyciągnął zaciski Wynikało z tego, że w prostowniku znajdowała się pewna ilość nagromadzonej energii, która mogła doprowadzić do powstania iskry. Przegląd schematu prostownika i badanie wzrokowe potwierdziły, że nie było podzespołów, w których mogłaby się zgromadzić energia (kondensatory lub cewki), zdolna do wytworzenia łuku elektrycznego! Musiałem jednak przetestować prostownik, aby udowodnić to twierdzenie. Urządziłem małą ciemnię fotograficzną wokół zacisków krokodylkowych, podłączonych do końcówek przykładowego akumulatora. Asystent odłączył sznur przyłączeniowy prostownika, a następnie ja odłączyłem każdy zacisk, sprawdzając zarówno zacisk dodatni, jak i ujemny. Wewnątrz wspomnianej małej ciemni fotograficznej znajdowała się kamera z taśmą filmową o dużej prędkości i z otwartą migawką w celu nagrania jakiegokolwiek wyładowania łukowego, ale ostatecznie nie znalazłem żadnego dowodu wyładowania. Dowód rzeczowy Wróciłem do swojego biura, przygotowałem i wydałem raport z opinią, konkludując, że nie było ani uszkodzonego akumulatora, ani uszkodzonego prostownika. Tym razem mój klient był zajęty zeznawaniem przed sądem oraz innymi dochodzeniami. Zgłosiło się wystarczająco dużo świadków, którzy twierdzili, że powód – palacz papierosów wypalający dziennie kilka paczek – w rzeczywistości palił papierosa w czasie wypadku. Po wyeliminowaniu prostownika i akumulatora jako źródła zapłonu (zgodnie ze zdrowym rozsądkiem inzynierskim), a także dzięki zeznaniom świadków dotyczącym palenia papierosów, sprawa powoda wygasła i zadowolił się on... małą częścią początkowego żądania. Myron J. Boyajian, P.E., ([email protected]) jest prezesem Konsultantów Mechanicznych (Engineering Consultants), świadczących usługi konsultingowe na potrzeby sądowe i działań projektowych. Przypadki przedstawione tutaj pochodzą z jego archiwum PRENUMERATA ZAPRASZAMY DO BEZPŁATNEJ PRENUMERATY! Jedynym warunkiem uzyskania prenumeraty jest wypełnienie poniższej ankiety lub formularza dostępnego na stronie www.designnews.pl. Ankietę w wersji papierowej prosimy przesłać faksem (22) 653 36 12 lub pocztą tradycyjną pod adresem redakcji. Prenumerata rozpocznie się od następnego wydania. Wszystkie dane, po ich uważnej analizie, posłużą starannemu przygotowaniu kolejnych edycji magazynu. Jestem zainteresowany poruszeniem i opisaniem Imię i nazwisko: Stanowisko: w Design News następujących tematów i zagadnień: Nazwa firmy: ..................................................................................................................... Adres firmy ..................................................................................................................... Kod pocztowy i miejscowość: ..................................................................................................................... Ulica: ..................................................................................................................... tel./faks: ..................................................................................................................... e-mail: ..................................................................................................................... 1. Główny produkt końcowy wytwarzany w Państwa firmie – pod wskazanym w ankiecie adresem .................................................................... 2. Z poniższych kategorii proszę wybrać jedną (lub więcej) najlepiej opisującą podstawową działalność prowadzoną pod tym adresem: Działalność produkcyjna Składowanie Handel hurtowy Usługi transportowe Badania i rozwój (projektowanie albo inżynieria) na potrzeby: Zakładu produkcyjnego Zakładu nieprodukcyjnego Dyrekcja albo dział sprzedaży lub inne działy należące do: Zakładu produkcyjnego Zakładu nieprodukcyjnego 3. Jaka jest przybliżona liczba pracowników zatrudnionych pod danym adresem? (Proszę zaznaczyć tylko jedną możliwość) 1000 lub więcej 500–999 250–499 100–249 1–99 4. Proszę wybrać jedną z podanych poniżej funkcji projektowych najlepiej opisujących działalność Państwa pod wskazanym adresem: Projektowanie systemów lub produktów Funkcje związane z pracami badawczo-rozwojowymi Projektowanie urządzeń dla zakładów przemysłowych Testowanie i ocena, zapewnienie niezawodności, kontrola jakości i standaryzacja Inne aplikacje konstrukcyjno-projektowe (proszę podać przykłady) Komponenty do montażu, mocowania i łączenia Oprogramowanie CAD/CAM/CAE Części do komputerów/obwody 6. Projektuje, zatwierdza bądź wybiera Pan/Pani produkty i sprzęt w obszarze następujących gałęzi przemysłu: Motoryzacja/ciężarówki Sterowanie/części maszyn Opakowania Przemysł medyczny/służba zdrowia Komputery/sprzęt biurowy Komunikacja AGD/produkty konsumpcyjne Przemysł lotniczy/militaria Produkcja półprzewodników Procesy produkcyjne .................................................................... .................................................................... 5. Czy jako projektant jest Pan/Pani odpowiedzialny/a za wybór bądź zatwierdza Pan/Pani zakup: Części elektryczne i elektroniczne Części napędów Elementy urządzeń przenoszenia mocy i łożysk Sterowanie ruchem Wysyłając powyższy formularz, wyrażam zgodę na przetwarzanie moich danych osobowych, zgodnie z Ustawą z dnia 29.08.1997 r. O Ochronie Danych Osobowych (Dz.U. nr 133, poz. 883). data........... podpis.......................... [www.designnews.pl] DESIGN NEWS Polska 63 NA MARGINESIE Komentarze Tomasz Gerard Innowacje i wtórnoœæ Ostatnio często powtarzane są „rewelacje”, że Polska jest gdzieś w ogonku państw pod względem... innowacyjności. Pojawia się przy tym dużo głosów „ekspertów” wykazujących, że nasza mentalność już taka jest i że trzeba coś zrobić, aby „przywrócić szacunek społeczny do innowacyjności” itd. Gdyby poszukać bardziej wnikliwie, to okazałoby się, że w tych, bardziej innowacyjnych od naszego krajach, państwo dopłaca do „nowatorskich” produktów. A do których? Rzecz jasna do tych, które samo uzna za „innowacyjne”. Oczywiście nie jakieś abstrakcyjne „państwo” uzna, ale jak najbardziej konkretny urzędnik. Innowacyjność wiąże się z inwestowaniem i to zwykle raczej długo- niż krótkoterminowym. Inwestowaniu z kolei, sprzyjają stabilne warunki ekonomiczne. I, oczywiście, pewna przewidywalność tych warunków. A jak jest pod tym względem na naszym krajowym podwórku? Zaraz, zaraz..., stabilne warunki, przewidywalność..., no chyba nie tak całkiem. – Czy w waszym kraju trwa permanentna rewolucja? - zapytali parlamentarzyści brytyjscy w Sejmie RP podczas wizyty, gdzieś w początkach lat 90-tych ub. wieku... Tony regulacji, tysiące nowych przepisów ustanawianych w tempie zawrotnym jakby chodziło o wyrobienie jakichś norm ilościowych, wiele z nich z mocą wsteczną (!), to raczej nie jest klimat sprzyjający długoterminowym inwestycjom, próżno by też szukać tu stabilności. No to już mamy większą nieco jasność... A więc może przyczyną nie jest „brak szacunku do innowacyjności w Polsce” jak powiadają niektórzy, ani też „taka już mentalność społeczeństwa” – jak chcieliby inni. Ale przecież mamy ustawę o innowacyjności, więc już nic chyba nie stoi na przeszkodzie innowacjom w Polsce. Jest tam czarno na białym, krok po kroku – gdzie należy kupować wyniki prac badawczych (żeby dostać zwrot kosztów), w jakim banku brać kredyty na innowacje (żeby były odpowiednio korzystne), szkoda tylko, że nie wskazano, skąd brać nowatorskie pomysły, ale to chyba wyłącznie przez niedopatrzenie pomysłodawców – bo przecież ktoś, kto wymyśla takie rozwiązania, musi mieć i inne ciekawe pomysły. Taaak… krok po kroku… niemal za rękę… innowatorów, pionierów… to rzeczywiście nowatorski projekt. Polska Agencja Rozwoju Przedsiębiorczości – to też świetna sprawa. Zajmuje się ona wdrażaniem środków na rozwijanie innowacyjności. Ale według urzędujących „innowatorów” jedna centralna placówka to za mało. Powinny być bowiem regionalne PARP-y, a na poziomie centralnym – większa ilość instytucji. No tak, ale to już było – to nic nowego. Mam inną propozycję: agencje rozwoju przedsiębiorczości w każdym bloku, na każdym osiedlu, w każdym zakładzie pracy! I zaraz za nimi organy kontrolujace ich obecność… a potem organy kontrolujące kontrolerów… Szaleństwo w służbie innowacji! Ale zaraz, zaraz… coś chyba jest na rzeczy. No bo tak po prawdzie, to każdy wynalazca jest przecież odrobinę... szalony. Jak zwykle więc rozbija się o to samo. Gdyby innowacyjność w naszym kraju miała się dobrze, to czy potrzeba byłoby całych instytucji „dbających” o rozwój innowacyjności, licznych „ciał doradzających” jak pobudzić innowacyjność w ludziach? I choć to dla zawodowych specjalistów od „poprawiania warunków” jest z pewnością intratne zajęcie, to nie jest ono absolutnie nowatorskie, ani z innowacyjnością nie ma nic wspólnego. Przez dziesięciolecia skutecznie oduczani byliśmy myślenia samodzielnego. Jedynie słuszna linia, jeden program nauczania dla wszystkich – ze słynnym: co autor miał na myśli... itd. Takie metody zaowocowały powstaniem w naszym społeczeństwie dwóch silnie reprezentowanych postaw. 64 DESIGN NEWS Polska [www.designnews.pl] listopad 2006 Z jednej strony rzesze „myślących bezrefleksyjnie”, „myślących inaczej” – jak byśmy dziś powiedzieli, posłusznych na rozkaz i spolegliwych, zapatrzone były, wraz z ideowymi komunistami, w Związek Sowiecki i jego dokonania na wszystkich polach. Z drugiej strony, większość spośród myślących w ogóle, broniąc się przed bombardowaniem ideologicznym, popadła w pewien automatyzm. Traktując z obrzydzeniem wszechobecną propagandę sukcesu odrzucała bowiem w całej rozciągłości meldunki m.in. z zakresu gospodarki i przemysłu, w tym doniesienia prawdziwe i ważne. Sytuacja ta spotęgowała działanie starej prawdy – cudze chwalicie, swego nie znacie – a ostatnie -naście lat, ze szczególnie nasilonym importem kolorowego wszystko-jedno-co ale „made in zagranica” (ta „cywilizowana”, „markowa” ma się rozumieć), nasiliły to zjawisko do granic. Oczywiście przy usłużnej pomocy niektórych mediów masowych (najwyraźniej zainteresowanych w pogłębianiu tego stanu rzeczy). I taki np. Optimus jest kojarzony bardziej z niejasnymi operacjami finansowymi niż z jego nowoczesnymi i nowatorskimi rozwiązaniami implementowanymi w różnych zakątkach świata. Innowacyjność to przeciwieństwo wtórności. A wokoło – w rzeczywistości społeczno-medialnej – prawdziwa pandemia wtórności (pozorna kolorowa pstrokacizna i krzykliwość nie powinny mylić) i to we wszystkich niemal dziedzinach życia. W poglądach także. Oto na jednym z dworców kolejowych, z megafonu rozlega się komunikat: pociąg taki, a taki jest opóźniony o 30 minut. Zaraz też jeden z oczekujących rzucił z pogardą w głosie – „Ech, Polska, Polska”, na co siedzący obok poprawił go spokojnie, acz stanowczo, mówiąc – „Nie Polska ale Polskie Koleje Państwowe”. I oto chodzi. Nie jakaś próba generalizowania i przeniesienia swojego niezadowolenia na to, co wskażą „kreatorzy rzeczywistości”, ale spojrzenie normalne, według zasady przyczyna – skutek. Patrzmy więc normalnie, bo wszystko ma przecież swoje przyczyny. Nie poszerzajmy tego i tak już zbyt dużego obszaru wtórności. Bo bezrozumne powtarzanie, że nie jesteśmy innowacyjni... oprócz tego, że to nieprawda, to też wtórność.
