Moja praca inżynierska

Moja praca inżynierska

Pisanie pracy inżynierskiej było dla mnie pierwszym tak ważnym i złożonym projektem w życiu. Jako, że lata lecą, a pamięć jest ulotna, to chciałbym zapisać tutaj wszystkie związane z moją pracą wspomnienia. Zapraszam Cię na historię wzlotów i upadków, łez szczęścia i smutku, niespodziewanych eksplozji i buntu maszyn, ale przede wszystkim historię ostatecznego zwycięstwa, do której sam co jakiś czas chętnie wracam. Oto Moja Praca Inżynierska.

Elastyczne… co?

Każda praca ma jakiś tytuł. Kopernik miał swoje ,,O obrotach sfer niebieskich”, Darwin ,,O powstawaniu gatunków„, a ja miałem o… układanicy magazynowej i to nie byle jakiej, bo o układnicy elastycznej! Pełny tytuł mojej pracy inżynierskiej brzmiał:

Układ sterowania elastyczną układnicą magazynową

Promotor, do którego udałem się w listopadzie 2014r. z nadzieją otrzymania tematu, miał zasadniczo dwie propozycje: układnica magazynowa, albo robot rysujący na kartce zadany kształt. Każdy normalny człowiek bez wahania wybrałby robota! Ja jednak postąpiłem inaczej. Może dlatego, że układnica wydawała mi się prostsza? A może była ona bardziej związana z interesującą mnie automatyzacją i przemysłem?

A czymże jest wspomniana układnica? Jak sugeruje nazwa jest to urządzenie układające, konkretnie towary na półkach magazynowych. Oczywiście urządzeń takich nie kupuje się do magazynów sklepowych, czy małych hurtowni, a do naprawdę dużych centrów logistycznych i przerzutowych. Wielkie hale i wysokie półki to idealne środowisko dla takiej maszyny.

Jak wygląda układnica? Najprościej rzecz ujmując jest to wózek jeżdżący w te i we w te po szynie, między regałami magazynowymi. Regały są oczywiście wysokie i mają wiele półek, stąd do wózka zamocowany jest maszt, a do masztu kolejny, mały wózek z mechanizmem pozwalającym chwytać paczki (zwany narzędziem).

Układnica ma za zadanie dojechać do wybranej półki, podnieść paletę, karton czy co tam się na niej znajduję i dostarczyć pakunek do punktu zrzutu. Brzmi prosto, prawda? Moje zadanie było jednak nieco bardziej skomplikowane, a wszystko przez ukryte w temacie słowo ,,elastyczna”.

Nie raz słyszałem, jak na narzędzia i maszyny wykonane z cienkiej blachy i kiepskiej jakości materiałów mówi się, że wykonane są z ,,papieru” lub ,,marchwi”. Tego typu urządzeń strach jest dotknąć i jasnym jest, każdy wolałby trzymać w dłoniach tylko solidne narzędzia i pracować na maszynach, które strach kopnąć, żeby nie złamać sobie nogi. Problem polega na tym, że im coś jest solidniejsze, tym automatycznie staje się cięższe. W wielu przypadkach nie jest to wadą, ale dla układnicy ważna jest szybkość z jaką jest ona w stanie przywieźć nam paczkę. Solidne i ciężkie urządzenie wolniej przyspiesza, musi też wcześniej zacząć hamować. Każda sekunda opóźnienia to dla maszyny pracującej 24/7 całe godziny w skali miesiąca.

Czy jednak ultra lekka układnica to rozwiązanie wszystkich problemów? Nie do końca, bo najcięższym elementem układnicy jest niestety jej wysoki maszt. Jeśli spróbujemy go ,,uszczuplić”, to układnica zyska sporo dynamiki, ale nie wiadomo, czy nasz maszt to wytrzyma. Maszyna będzie w stanie przyspieszać i hamować w mgnieniu oka, jednak towarzyszące tym ruchom potężne szarpnięcia mogą doprowadzić do wykrzywienia masztu, a jeśli będzie on zbyt słaby, nawet do jego złamania. Nie mówiąc już o tym, ze maszyna będzie musiała poczekać z podniesieniem paczki, aż rozbujany maszt nieco się uspokoi i ustabilizuje – to kolejna strata czasu, która dla tego typu urządzeń jest niedopuszczalna.

Zaprojektowanie i budowa układnicy wymaga więc odpowiedniego kompromisu – nie może ona być zbyt ciężka, ale nie może też być zbyt słaba. Mój promotor zdawał się nie zauważać tego problemu. Wbrew wszelkim prawom fizyki wymyślił sobie, że ja, biedny student trzeciego roku Automatyki i Robotyki zbuduję lekką i zwinną układnicę, która będzie ,,zasuwała” w tę i z powrotem niczym gepard goniący antylopę, a jej cieniutki, odchudzony maszt nawet tego nie odczuje. Ideą było zatem stworzenie takiego sposobu sterowania układnicą, by automatycznie wykrywała ona drgania oraz odkształcenia masztu i poruszała się tak, by je zniwelować. Wtedy jeszcze nie miałem tak wykształconego zmysłu samoobrony, by powiedzieć ,,Ale proszę pana, tego się nie da zrobić”, więc zamiast tego ochoczo zabrałem się do pracy.

Podstawą jest… podstawa

Po tym przydługim wstępie przejdźmy do konkretów. Zacytuję tutaj (gwoli ścisłości) pełny, szczegółowy cel mojej pracy, jaki otrzymałem od promotora. Brzmiał on w oryginale następująco:

Celem pracy jest zaprojektowanie oraz zbudowanie modelu układnicy magazynowej z elastycznym masztem, poruszającego się w osi pionowej oraz poziomej. Program sterujący urządzeniem powinien realizować pozycjonowanie narzędzia w oparciu o równoległą strukturę regulacji z regulatorami typu P oraz PID, generowanie zadanej trajektorii położenia wózka w osi poziomej oraz komunikację z komputerem nadrzędnym w celu zadawania i odczytu żądanych parametrów (pozycji, prędkości, odkształcenia masztu).

Jeżeli studiujesz kierunek inżynierski, to może powyższy opis coś ci mówi. Jeśli nie, to nie masz się czym przejmować – nie jest on w całej tej historii istotny. Zacznijmy może od tego, że kiedy zabrałem się za pracę, a było to wiosną 2015 roku, to 3 rok studiów zmierzał już ku końcowi. Na wakacje wracałem do domu i nie za bardzo chciałem w tym okresie cokolwiek rozgrzebywać. Stąd przyjąłem metodę małych kroczków, bo skoro wszystkiego na raz i tak nie opanuję, to może do wakacji uda mi się chociaż jedną rzecz zrobić dobrze. Z tym nastawieniem zacząłem od podstawy, czyli szyny, po której miała jeździć moja układnica. Pomysł na ten element był w gruncie rzeczy prosty i wyglądał mniej więcej tak:

Silnik napędza koło zębate, koło napędza pas, a do pasa przyczepiony jest wózek, do którego w przyszłości miałem przymocować też maszt. Teraz, kiedy już z tego typu układami napędowymi mam do czynienia w pracy zawodowej, wiem jak trudno jest coś takiego zbudować i jak kosztowne może to być. Dlatego nie dziwię się promotorowi, że postanowił on kupić gotową szynę, szczególnie, że miałem z niej korzystać nie tylko ja, ale też kolega budujący tzw. odwrócone wahadło.

Jak działa wahadło odwrócone zobaczyć możesz na powyższym filmie. Jest to zasadniczo balansujący kijek, który na pewno nie działałby na topornej, zbudowanej przez studentów szynie. Dlatego pomysł promotora z zakupieniem profesjonalnego sprzętu był naprawdę dobry, z tym że… szyna nie miała w zestawie silnika. Dla mojego promotora nie był to żaden problem, bowiem dosłownie na dniach jeden ze studentów obronił pracę, która polegała na stworzeniu systemu sterowania silnikiem idealnie wręcz skrojonym pod nasze potrzeby.

Studencka twórczość

Owy student nie budował oczywiście silnika od podstaw – ten zakupiony został od firmy Unimotor (zdjęcie poniżej). Silnik taki to jednak diabelnie skomplikowana w obsłudze maszyna, stąd zaskoczony byłem jak dobrze działał stworzony przez tego studenta system sterowania. Z napędem ,,rozmawiało się” za pomocą programu Matlab – potężnie rozbudowanego kombajnu, który normalnie wykorzystuje się do symulowania różnych zjawisk fizycznych, chemicznych i biologicznych, ale bez trudu można w nim też napisać takie ,,proste” aplikacje. Samo sterowanie było zasadniczo banalne i dzięki przygotowanej przez wspomnianego studenta liście komend mogłem np. kazać silnikowi kręcić się z określoną prędkością lub wykonać konkretną liczbę obrotów.

Silnik PMSM firmy Unimotor – waga 6,3 kg, prędkość maksymalna 4200 obr/min, moment obrotowy 3,9 Nm, moc 1,23 kW

Nie zapominajmy jednak, że to jak świetnie napisany jest dany program nie ma tak naprawdę znaczenia. Pierwsze prawo wszechświata stanowi bowiem, że KAŻDA aplikacja zawiera jakieś błędy i ta nie była wyjątkiem. Szczególnie zapamiętałem jeden z nich, mianowicie okazjonalne nie reagowanie na wpisywane komendy. Czy to duży problem? To zależy. Pierwszą komendą, którą trzeba było wysłać do sterownika zawsze, był rozkaz włączenia zasilania. Jeśli sterownik tego nie dosłyszał, to zwyczajnie nic się nie działo. Gorzej było, kiedy sterownik posłusznie włączał zasilanie, ale z jakiegoś powodu nie potrafił przetrawić rozkazu wykonania silnikiem kilku obrotów. Napęd zaczynał wtedy delikatnie brzęczeć i przysiągłbym, że nawet lekko wibrować. Dlaczego? Bo sterownik zamiast zauważyć, że coś jest nie tak i rozłączyć zasilanie, próbował silnikiem za wszelką cenę zakręcić. Z jakiegoś powodu uznał on też, że najlepszym sposobem na to jest podawanie na obwody silnika coraz większego prądu. Mój błąd polegał na tym, że kompletnie nie byłem na taką sytuację przygotowany.

Zdarzyło się to chyba drugiego dnia testów. Zadowolony, że nauczyłem się obsługiwać silnik, wysyłałem do sterownika kolejne rozkazy. Kręć w lewo, potem w prawo, przyspiesz, zwolnij, zatrzymaj się. Gdy za którymś razem uruchamiałem go ponownie, zdarzył się opisany wyżej problem. Siedząc przed monitorem usłyszałem brzęczenie. Kiedy zaciekawiony hałasem odwróciłem się w lewo, w stronę silnika, po swojej prawej stronie usłyszałem głośny huk. Podskoczyłem na równe nogi i natychmiast zwróciłem wzrok w kierunku modułu zasilania i całej sterującej elektroniki – huk musiał dobiegać właśnie stamtąd. Po chwili za moimi plecami pojawił się zaalarmowany hałasem promotor, który skierował swe kroki w stronę unoszącego się nad elektroniką czarnego dymu. Otworzył obudowę, po czym na jego ręce wysypał się ciemny proszek – pozostałość po rezystorze mocy (takim ,,dużym oporniku” wielkości palca wskazującego). Na szczęście rezystor nie był jakimś nietypowym, kosztownym elementem i szybko znaleźliśmy zamiennik, stąd więcej było szoku i strachu, niż rzeczywistej tragedii. Mimo to warto z każdej sytuacji wyciągać należyte wnioski, dlatego od tamtej pory kiedy uruchamiałem napęd, rękę trzymałem zawsze blisko głównego wyłącznika zasilania. Oczywiście w trakcie wspólnie spędzonego roku prac nad inżynierką dłoń stopniowo odsuwała się, aż wreszcie zaufałem temu napędowi (i swojej wiedzy) na tyle, że mogłem tych praktyk całkowicie zaprzestać.

Układ jezdny

Po wakacjach przyszedł czas na ostatni semestr studiów i mechaniczne złożenie mojej inżynierki. Kiedy już wraz z kolegą budującym wahadło przypomnieliśmy sobie przedwakacyjne sterowanie silnikiem, to przyszedł czas na zamocowanie go do zakupionej przez promotora szyny. Nasz model jednostki liniowej (fachowa nazwa szyny) wyglądał tak:

Jednostka liniowa KLE-8.

Jak widać cały mechanizm zębaty ukryty jest w eleganckiej, aluminiowej obudowie, z której na górze wystaje jedynie ruchomy wózek. Jednostka ta, robiona na zamówienie, może mieć dowolną długość – nasza miała 2,6 metra. Miejsce, do którego podłącza się silnik znajduje się za widocznym po lewej stronie okrągłym, szarym korkiem. Oczywiście nie można zrobić tego tak bezpośrednio. Trzeba zamocować sprzęgło, dwie przejściówki i wszystko ze sobą idealnie spasować.

Montaż silnika do jednostki liniowej – widok rozstrzelony

W tym momencie podstawa układnicy była niemal gotowa i pozostało jedynie wyposażyć ją w odpowiednie czujniki. Silnik miał sporą moc, dlatego potrzebne było coś, co bezwzględnie go wyhamuje, kiedy wózek dojedzie do któregoś skrajnego położenia. Dalsze napieranie silnika w momencie gdy wózek nie ma już gdzie pojechać mogłoby skończyć się nieciekawie, dlatego jednostkę liniową wyposażyliśmy w tak zwane czujniki krańcowe. Były to zwykłe czujniki magnetyczne wykrywające wszelkie metalowe obiekty. Kiedy wózek na taki czujnik najechał, silnik otrzymywał nadrzędną komendę STOP. Oczywiście wciąż istniało niezerowe ryzyko, że silnik z jakiegoś powodu może nie wyhamować, dlatego czujniki odpowiednio odsunąłem od obu końców, a za nimi założyłem jeszcze solidne kątowniki z gumowymi odbojnikami. Wszystkie te zabiegi skróciły możliwy zakres ruchu mojej układnicy do około 1,5 metra, ale ważniejsze było dla mnie to, by maszt z rozpędu nie przeleciał na drugi koniec sali i nie doszło do jego bliskiego spotkania ze stojącą tam frezarką CNC.

Jeden z dwóch zamontowanych na szynie odbojników

Drugim istotnym czujnikiem był liniał optyczny. Do czego służył? Wspominałem, że potrafię kręcić silnikiem z określoną prędkością lub zadać mu wykonanie określonej liczby obrotów. Rozkazanie układnicy, by podążyła do konkretnej pozycji to jednak zupełnie inna bajka. Po pierwsze, system musi wiedzieć gdzie w ogóle wózek się znajduję, żeby określić, czy punkt do którego chcę go wysłać jest z przody, czy może za nim. Następnie musi on obliczyć brakującą do celu odległość, a po ruszeniu kontrolować zmniejszający się dystans i w odpowiedni sposób wyhamować. Sporo tego, ale na szczęście wszystkie punkty załatwia nam wspomniany wcześniej liniał optyczny.

Schemat działania liniału optycznego

Zasada działania takiego liniału jest banalnie prosta. Posiada on ruchomą głowicę wyposażoną w diodę i czujnik świetlny. Głowica jeździ po taśmie wyposażonej w przezroczyste i nieprzezroczyste pola, które czujnik optyczny potrafi rozróżnić. Pola te są upakowane tak gęsto, że jestem w stanie wykryć przesunięcie głowicy nawet o 1 mikrometr. Wystarczyło zatem zamocować liniał do szyny, a jego głowicę do ruchomego wózka. Niestety sam liniał był dość krótki – zaledwie 1240 mm, co znowu zmniejszyło moje pole manewru i musiałem się z tym faktem pogodzić.

Liniał L18 firmy Precizika Metrology; źródło: https://labster.com.pl

Budowa masztu

To co robiłem do tej pory przypominało raczej składanie gotowych klocków, aniżeli prawdziwe projektowanie. Poziom trudności wzrósł jednak znacząco, kiedy zająłem się budową masztu. Musiałem wymyślić z czego zrobię jego konstrukcję, jak przymocuję go do szyny, skąd wezmę wózek jeżdżący w górę i w dół po maszcie, i czym będę go napędzał. Aha, i jeszcze najważniejsza rzecz: jak u licha mam w ogóle ,,zmierzyć” bujanie się masztu? Promotor nie miał już więcej gotowych podzespołów do wykorzystania i wszystko musiałem zrobić od podstaw, dlatego wtedy dopiero zaczęło się prawdziwe kombinowanie.

Stwierdziłem, że jak już wymyślę z czego zrobię maszt, to resztę bez trudu wokół niego obuduję. Na szczęście przypomniałem sobie, że szukając kiedyś w internecie sklepu z elektroniką trafiłem na taki, który specjalizował się w częściach do budowy różnego rodzaju maszyn (od robotów po obrabiarki CNC). Widziałem tam fajne szyny z hartowanej stali, do których można było dokompletować wózek, pas zębaty i koła zębate.

Typowy wózek na szynie z hartowanej stali

Zdecydowałem, że maszt musi być odpowiednio wysoki, stąd zamówiłem dwie szyny o długości 1,5 m każda. Dlaczego dwie? Baliśmy się z promotorem dwóch rzeczy. Po pierwsze maszt zbudowany z jednej, długiej ,,tyczki” zamiast bujać się do przodu i do tyłu mógł nagle zacząć się skręcać, z czym układ sterowania nie dałby sobie rady. Po drugie do masztu trzeba było przymocować bardzo delikatne czujniki (o których później). Przy zbyt mocnym wygięciu masztu mogły one zwyczajnie pęknąć, a wtedy nici z jakiejkolwiek pracy inżynierskiej. Dlatego zdecydowaliśmy się na solidną podstawę, dwa mocne kątowniki i dwie prowadnice ustawione jedna za drugą, co miało zapobiec opisanym wyżej problemom. Widoczne poniżej zdjęcia pochodzą z grudnia 2015 roku.

Na samym dole widać aluminiową podstawę – była ona niezbędna przez to, że całe mocowanie masztu zajmuje sporo miejsca i nie było szans, by zmieściło się ono na oryginalny wózku jednostki liniowej. Wymiary podstawy to 300 mm na 500 mm, a grubość blachy to aż 8 mm i z tym związana jest pewna ciekawa historia.

Kiedy zamawiałem podstawę wiedziałem, że aluminium jest metalem drogim. Biedny student pomyślał więc, że znacznie taniej będzie kupić blachę stalową i tak też zrobił. Swój błąd zrozumiałem w momencie, w którym chwyciłem zamówiony kawał żelastwa. Okazało się, że blacha ta waży jakieś 10 kg, co po dodaniu kilku kilogramów samego masztu całkowicie zaprzeczyłoby idei zwinnej i lekkiej układnicy. Stąd też promotor siłą swojego autorytetu zmienił moje myślenie i już tydzień później maszt stał na podstawie aluminiowej. Przy tych samych wymiarach była ona 4 razy lżejsza od stalowej, co uratowało sytuację. Stara blacha nie poszła jednak na złom i ciągle leży w garażu mojego rodzinnego domu, służąc za uniwersalny blat do majsterkowania.

Napęd pionowy

Po złożeniu masztu przyszedł czas na wymyślenie koncepcji napędu małego wózka. W internecie można kupić całą masę różnego rodzaju silniczków, z tym że ja potrzebowałem czegoś mocnego i zarazem niezbyt wielkiego. Najlepszym stosunkiem mocy do rozmiarów cechują się silniki prądu stałego i udało mi się takowy znaleźć za (o zgrozo) 995 zł. Kiedy promotor po usłyszeniu ceny już jako tako ochłonął, musiał przystać na moją propozycję. Nie dało się bowiem znaleźć niczego tańszego o podobnej mocy, a tutaj w zestawie był już od razu sterownik.

Silnik dotarł na uczelnię zaraz po przerwie świątecznej – w styczniu 2016r. Wtedy wykłady i laboratoria się już prawie skończyły, a w lutym czekały mnie jeszcze ostatnie egzaminy w mojej studenckiej karierze. Był to idealny czas, żeby wziąć się ostro do pracy i złożyć wreszcie całą układnicę. Zacząłem od przykręcenia masztu do szyny, zaprojektowałem też mocowanie silnika składające się z trzech aluminiowych blach (których wykonanie zleciliśmy warsztatowi na uczelni) i całość złożyłem. Efekt widać na powyższym zdjęciu.

Wymyśliłem sobie, że wózek jeżdżący po maszcie napędzę za pomocą pasa zębatego. Jedno koło zębate trzeba było nałożyć na silnik, a drugie w jakiś cudowny sposób przymocować na szczycie masztu. W tym celu zaprojektowałem prosty ceownik przykręcany do obu szyn, na którym założyłem dwa łożyska, między nimi pręcik, a na pręciku koło zębate:

Żeby zrobić to zdjęcie konieczne było odkręcenie masztu od szyny widocznej w tle i postawienie go na podłodze

Pozostało już tylko naciągnąć pas, założyć wózek i sprawdzić jak to wszystko działa. Nagrałem nawet krótki film, na którym widać sporo elektroniki potrzebnej do odpalenia tego ustrojstwa, a także fakt, że potwornie trzęsły mi się wtedy ręce. Ale wózek jeździł!

Pomiar wibracji masztu

Układnica była już niemal gotowa – potrafiła jeździć do przodu i do tyłu, a także w górę i w dół. Teraz czekało mnie największe wyzwanie – pomiar odchylenia masztu. Jeśli chodzi o odkształcenia to najpopularniejszym sposobem ich pomiaru są czujniki tensometryczne. Normalnie nie są to jakieś drogie i skomplikowane rzeczy – znajdziesz je chociażby w każdej wadze elektronicznej jaką masz w domu. My jednak musieliśmy zastosować małą, delikatną i znacznie droższą wersję tych czujników – tensometry foliowe:

Tensometr foliowy przyklejony do masztu

Tensometr foliowy to nic innego jak metalowa ścieżka nadrukowana na foliowym podłożu. Pod wpływem odkształcenia rezystancja ścieżki zmienia się, co jesteśmy w stanie zmierzyć i odpowiednio przeliczyć na odkształcenie. Widoczny na zdjęciu ,,gigant” to tensometr o wymiarach 24 mm wysokości na zaledwie 5 mm szerokości. Niestety nie znalazłem teraz dokładnej instrukcji naklejania czegoś takiego na szynę, ale pamiętam, że było z tym sporo zabawy. Podłoże musiało być nieskazitelnie czyste, klej równiutko rozprowadzony i podgrzany, naklejony tensometr nie mógł być dotykany przez 24 godziny, a na koniec i tak nie było pewności, czy przez trzęsące ręce po prostu go nie uszkodziliśmy.

Czujniki takie były dwa (przyklejone w 1/3 i 2/3 wysokości masztu) ale ich prawidłowe zamocowanie to dopiero połowa sukcesu. Następny etap to stworzenie odpowiednio czułego układu pomiarowego, bowiem tensometr przy odkształceniu zmienia swoją rezystancję ze 120 Ω do na przykład… 120,4 Ω. Do tego dochodzi walka z zakłóceniami od silników i całej reszty elektroniki, dlatego aby zmierzyć tak niewielką zmianę rezystancji stosuje się różne sztuczki w postaci stabilizatorów napięcia, mostków Wheatstone’a, wzmacniaczy operacyjnych, ekranowania i tym podobnych. Zamiast wchodzić w niepotrzebne i nudne szczegóły pokażę może gotową płytkę, jaką udało mi się ,,ulepić”:

Układ pomiaru odkształcenia tensometrów

Podoba mi się tutaj biała podstawka, bo sam wykonałem ją na frezarce CNC. Zieloną płytkę też wykonałem sam, ale tutaj raczej nie ma się czym chwalić. Powiedzmy, że nie było czasu na zamówienie gotowej płytki PCB i trzeba było skleić coś na szybko. W każdym razie to małe ustrojstwo wystarcza, bym mógł zmierzyć zmianę rezystancji tensometrów, bez owijania wszystkich kabli folią aluminiową (choć i tego sposobu próbowałem).

Układnica w pełnej krasie

W ten oto sposób nadszedł kwiecień 2016r. i część mechaniczna mojej pracy była gotowa. Cały złożony układ podziwiać możecie w poniższej galerii. Oczywiście okablowanie sprzętu to jeden wielki bałagan, ale do dalszych testów najważniejsze było, aby wszystko po prostu działało. Przewody i tak trzeba było co chwilę przepinać, a elektronika wymagała przeróbek, stąd nie chciałem tego wszystkiego niepotrzebnie chować i utrudniać sobie dalszych prac.

Kliknij na wybrane zdjęcie, aby je powiększyć

W przypadku mojej pracy budowa działającego urządzenia była dopiero połową sukcesu. Pamiętajmy, że prawdziwym celem tego projektu było stworzenie układu sterowania zdolnego zapobiegać bujaniu się masztu. Nie będę tutaj jednak szczegółowo opisywał nudnej części programistycznej. Dla zainteresowanych wspomnę, że oprogramowanie tworzyłem na sterowniku STM32F4 i pisałem je w języku C. Przygotowałem przy tym dwa algorytmy sterowania układnicą – jeden w oparciu o dwa równoległe regulatory P/PID (typu P kasował odkształcenia masztu, typu PID sterował ruchem całej układnicy), drugi zaś to klasyczne profilowanie trajektorii trzeciego rzędu, innymi słowy łagodny rozruch i hamowanie. Na tej podstawie chciałem sprawdzić, czy lepiej jest aktywnie niwelować bujanie masztu (regulacja P/PID), czy może zapobiegać jego powstawaniu (łagodna trajektoria ruchu). A jako, że mam jeszcze w zanadrzu jakieś filmiki i kilka fajnych wykresów to mogę o etapie badań powiedzieć kilka słów.

Etap badań

Na początek wypadałoby sprawdzić, czy pomiar odkształcenia masztu w ogóle działa. W tym celu puknąłem w niego ręką i taki oto wynik uzyskałem:

Jak widać maksymalne odchylenie czubka masztu od pionu to około 3 milimetry, a uspokojenie drgań trwało jakieś 4 sekundy. DZIAŁA. Teraz przyszedł czas przetestowanie wspomnianej regulacji niwelującej owe drgania. Poniżej dla lepszego porównania przedstawiam dwa wykresy – na górze regulator wyłączony, na dole regulator włączony:

Kiedy regulator był włączony, drgania ustawały w ciągu dokładnie 0,27 sekundy, czyli ponad 10 razy szybciej. Nie wspomniałem właściwie jak układnica to robi, że jest w stanie wytłumić drgania, a jest to w praktyce bardzo proste. Jeśli maszt odchyla się w jedną stronę, to układnica wykonuje niewielki, ale bardzo szybki ruch w tym samym kierunku, by przywrócić go do pionu. Zupełnie jak balansowanie cienką tyczką na wierzchu wyciągniętej dłoni. Oczywiście układnica odczytuje odchylenie masztu 16 tysięcy razy na sekundę i z tą samą prędkością reaguje na jego zmiany. Jest to zdecydowanie zbyt szybki proces, by ludzkie oko mogło go zaobserwować. Dlatego kiedy układnica się porusza, to maszt wygląda tak jakby w ogóle nie drgał.

I choć filmy tego do końca nie oddają, to układnica potrafiła być naprawdę dynamiczna. Za każdym razem obawiałem się, czy przypadkiem napisany przeze mnie program nie zrobi mi niemiłej niespodzianki, a czujniki krańcowe w porę zatrzymają urządzenie. Naciskanie na klawiaturze ENTER i patrzenie jak niemal kilogramów stali rusza prosto na mnie potrafiło przyspieszyć tętno. Poniżej fragment pokazujący układnicę wykonującą sekwencję kilku ruchów:

W trakcie ruchu odkształcenia masztu były znacznie większe niż przy próbach na sucho i przekraczały 5 mm, co jednak nie robiło większego wrażenia na tak szybkim układzie regulacji. Jeśli zaś chodzi o wspomniane wcześniej porównanie aktywnej regulacji z łagodnym przyspieszaniem i hamowaniem urządzenia, to nie ma tutaj jednogłośnego zwycięzcy. Aktywna regulacja szybko tłumiła drgania, ale były one przy tym znacznie większe (tak jak pisałem, jakieś 5 mm). Łagodna trajektoria sprawiała, że odkształcenia nie przekraczały 0,5 mm, ale czas dojechania do pozycji zadanej wydłużał się o około 60%. Także w tym wypadku wszystko ma swoje wady i zalety, i nie da się niestety ,,zjeść ciastka i mieć ciastka”.

Trzeba to wszystko jeszcze zapisać

Urządzenie działało, udało mi się zebrać sporo danych, miałem wykresy, narysowałem schematy, a przede mną leżał cały stos książek i prac zwany dumnie ,,bibliografią”. Teoretycznie więc moja praca została zakończona, w praktyce jednak trzeba było jeszcze to wszystko udokumentować. Oczywiście nie zostawiłem wszystkiego na ostatnią chwilę – był już maj, a ja bardzo chciałem do wakacji zakończyć ten projekt i się obronić. Dlatego też pracę zacząłem pisać w lutym, tak aby po skończeniu prac nad układnicą mieć już 90% gotowe. W praktyce więc na dopisanie reszty, poprawki, drukowanie i obronę miałem nieco ponad miesiąc – bardzo komfortowy zapas.

Dla wszystkich tych, którzy zastanawiają się jakich narzędzi używać przy pisaniu pracy dyplomowej przedstawiam pełną listę tego, z czego ja korzystałem:

  • Model 3D – aby spasować ze sobą całą mechanikę i nie robić wszystkiego na oko postanowiłem stworzyć trójwymiarowy model mojej układnicy. Zrobiłem go w programie Solidworks firmy Dassault Systems, bo taki akurat miałem do dyspozycji w firmie, w której zacząłem pracę na ostatnim roku studiów. Program ten jest potwornie drogi, dlatego jeżeli szukacie darmowego odpowiednika, to całkiem niezły jest FreeCAD. Przy okazji model 3D, który stworzycie dostarczy wam fajne grafiki koncepcyjne, które potem możecie umieścić w pracy.
  • Wykresy – te przygotowałem w programie, który zbierał wszystkie dane, czyli wspomnianym wcześniej Matlabie. Oczywiście jego funkcje z powodzeniem zastąpi zwykły Excel, czy nawet Arkusze Google.
  • Diagramy i schematy blokowe – jeżeli coś składa się z dużej liczby współpracujących ze sobą elementów, to zależności między nimi najłatwiej jest pokazać przy pomocy schematu blokowego. Osobiście korzystałem z pełni darmowego i prostego w użyciu programu Diagram Designer.
  • Schematy elektryczne – te początkowo rysowałem w dostępnym na uczelni Eplanie, ale po utracie rocznego, studenckiego dostępu musiałem przerzucić się na coś innego. Tutaj do wyboru albo darmowy program typu CAD o nazwie DraftSight, albo, co jest znacznie lepszym wyborem, darmowy Qelectrotech, z którego do dziś korzystam zawodowo i sprawdza się on świetnie. Być może kiedyś napiszę o nim więcej.
  • Obróbka grafiki – ze zdjęć trzeba było wycinać tła, schematy delikatnie przerabiać, a czasami dorysować tu i tam strzałkę z objaśnieniem. Do takich celów przydają się dwa programy. Pierwszy to zapewne wszystkim znany GIMP, w którym wycięcie tła ze zdjęcia i jego późniejsza kompresja to bułka z masłem. Drugi, do grafiki wektorowej czyli wszelkiego rodzaju strzałek i objaśnień, to albo płatny CorelDraw, albo jego darmowy odpowiednik Inkscape. Tyle wam tak naprawdę wystarczy.

Nie chcę tutaj umieszczać całej mojej pracy inżynierskiej, bo mogą z tego w przyszłości wyniknąć jakieś problemy, ale żeby pokazać wam efekt końcowy zamieszczę w poniższej galerii kilka pochodzących z niej stron:

Kliknij na wybrane zdjęcie, aby je powiększyć

Jestem naprawdę zadowolony z estetyki jaką udało mi się osiągnąć – naprawdę fajnie i przyjemnie się tę pracę przegląda nawet po tych kilku latach. Jak osiągnąłem ten efekt? Większość moich kolegów pracę pisała w Wordzie, więc na pewno jest to jakaś opcja. Osobiście podejrzewałem, że będzie to niezwykle irytujące doświadczenie, dlatego poszedłem w tym temacie zupełnie inną drogą.

Od studentów wydziału matematyczno-informatycznego dowiedziałem się o programie LaTex, który to, jak to ładnie ujmuje Wikipedia, służy do zautomatyzowanego składu tekstu i formatowania dokumentów tekstowo-graficznych. Praca na nim polega zasadniczo na zdefiniowaniu kilku zasad jakimi ma rządzić się nasz dokument (krój czcionki, odstęp między liniami, wielkość marginesów, sposób umieszczania grafik, wygląd tabel itd.), a następnie po prostu pisaniu. Program sam dopasuje miejsce wstawienia obrazków, odpowiednio wyskaluje tabele i pozwoli bez trudu wstawiać znaki specjalne (jak greckie litery, czy symbole matematyczne). Do tego wykrywa on fragmenty wstawionego kodu programistycznego, a także automatycznie numeruje równania, grafiki, czy odnośniki z bibliografii. Nie jest to oczywiście program dla każdego, bo to taka mieszanka pisania i programowania w jednym. Do nauczenia się go potrzebowałem kilku kartek z podstawowymi komendami oraz ciągłej pomocy internetu, kiedy coś nie wyglądało tak jak chciałem. Dlatego muszę przyznać, że na początku nie było łatwo, ale kiedy udało mi się już wszystko poustawiać, to pisanie kilkudziesięciu-stronicowej pracy okazało się być czystą przyjemnością.

Linków do wszystkich wymienionych programów nie wstawiam, bo Google ma wszystko i na pewno bez trudu wszystko znajdziecie sami, nie mówiąc już o całej masie poradników na Youtube.

I tak to właśnie było

Zbudowanie, zaprogramowanie i przetestowanie układnicy magazynowej wraz z napisaniem pracy i obroną zajęło mi około rok – od lutego 2015r. do czerwca 2016r. z wyjęciem przerwy wakacyjnej. I choć w artykule tym zawarłem jedynie najważniejsze etapy pracy, to dzięki niemu przypomniałem sobie ile to wszystko wymagało czasu, jak wiele rzeczy trzeba było załatwić, wymyślić, poprawić i usprawnić, i naprawdę nie mam pojęcia jak udało mi się to wszystko wtedy ,,ogarnąć”. Ciekawostką może być też fakt, że mój czas nie był tak naprawdę jedynym poniesionym wydatkiem, bo o ile większość rzeczy fundowała uczelnia, o tyle zawsze znalazła się jakaś drobnica, którą znacznie szybciej było mi kupić samemu (drobna elektronika, śruby, nakrętki, przewody itp.). Zapisałem sobie nawet, że na całą moją prace inżynierską, wraz z opłatami za zdjęcia, dyplomem i inną papierologią wydałem około 415 zł.

I choć wcale nie tęskno mi do bycia studentem i właściwie nie miałbym ochoty przechodzić przez to wszystko ponownie, to myślę, że ta praca była jednym z fajniejszych projektów w jakich przyszło mi brać udział. Zdarzały się dni, w których ,,ślęczałem” na uczelni nawet 10 godzin, dłubiąc przy elektronice, walcząc z zakłóceniami, szukając błędów w programie, czy dodając kolejne funkcje. Wychodząc jednak z obrony z oceną bardzo dobrą, czy widząc zaciekawienie mojego pracodawcy na rozmowie kwalifikacyjnej wiedziałem, że warto było doprowadzić ten projekt do końca i przez ponad rok poświęcać mu sporą część wolnego czasu. Polecam!


Dzięki za przeczytanie artykułu i w razie pytań zapraszam do komentowania!


Czekasz na więcej?

Napisanie jednego artykułu zajmuje mi około dwa tygodnie. Chcę by moje treści były maksymalnie przydatne, rzetelne i poparte wiedzą naukową. Jeśli masz ochotę dołączyć do grona znawców Teorii Elektryki to zapraszam do zapisania się na newsletter lub do zajrzenia na facebook’a. W ten sposób nie umknie ci żaden nowy artykuł!

.

Dodaj komentarz