Planung, Projektierung und Konstruktion eines hochdynamischen 2-Achsen-Antriebs mit Sprachsteuerung

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Valentin Graf
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1 Planung, Projektierung und Konstruktion eines hochdynamischen 2-Achsen-Antriebs mit Sprachsteuerung Ziel Es soll ein hochdynamischer 2-Achsen-Antrieb projektiert, konstruiert und realisiert werden. Dieser Antrieb soll in der Lage sein, eine Person in eine gewünschte x-y- Position zu bewegen. Bei einer angenommenen bewegten Masse von 200 kg beträgt die maximale Verfahrgeschwindigkeit ca. 3 m/s. Bei einer x-länge von 6 m ist der Antrieb somit in der Lage, die Person innerhalb von 2 s über 6 m zu transportieren. Die dabei auftretende maximale Nenn-Beschleunigung beträgt 3,4 m/s². Der Verfahrweg in y-richtung soll 2 m betragen. Realisierung Das Verfahren der Person in x-richtung wird durch einen Linearantrieb realisiert. Ausgesucht wurde dafür ein Synchronmotor der Firma Siemens. Angetrieben wird die Lineareinheit von einem geregelten Stromrichter der Firma Siemens. Das Verfahren in y-richtung soll durch einen Servomotor der Firma Siemens in Verbindung mit einem Spindelantrieb realisiert werden. Die Befehlsverarbeitung zum Verfahren in die gewünschte Richtung erfolgt sprachgesteuert durch ein Spracherkennungsmodul VD 364 der Firma sensory mit übergeordneter SPS. Funktion (Leuchtfeld) Um ein sinnvolles Verfahren zu gewährleisten, soll der 2-Achsen-Antrieb mit einem Reaktionsspiel kombiniert werden. Dazu befindet sich in Blickrichtung des Probanden auf der gesamten x-länge von 6 m ein tischähnliches Leuchtfeld, in dem nach einem programmierbaren Ablauf nacheinander an räumlich unterschiedlichen Positionen Leuchtspots angesteuert werden. Diese Spots bleiben für eine bestimmte Zeit leuchtend und müssen von dem Probanden angefahren werden je zügiger und je exakter, desto besser. Erkennt ein an der Fahrkabine montierter optischer Sensor die Position des angefahrenen Spots, dann wird dieses von der übergeordneten Steuerung als Treffer gewertet und gespeichert. Nach Ablauf einer programmierbaren Zeit (5 min) werden die Anzahl der Treffer und der Name des Probanden angezeigt und in eine aktuelle Highscore-Liste eingeordnet. Gewonnen hat der Fahrer, der in der vorgegebenen Zeit die meisten Treffer erreicht hat.

2 Funktion (Wegverfolgung) Um ein sinnvolles Verfahren zu gewährleisten, soll der 2-Achsen-Antrieb mit einem Reaktionsspiel kombiniert werden. Dazu befindet sich in Blickrichtung des Probanden auf der gesamten x-länge von 6 m ein programmiertes Leuchtfeld an der Wand, welches über einen pc-gesteuerten Beamer an die Wand projeziert wird. Nach einem programmierten Ablauf werden nacheinander an unterschiedlichen x-y-positionen Leuchtspots angesteuert. Diese Spots bleiben für eine bestimmte Zeit leuchtend und müssen von dem Probanden angefahren werden je zügiger und je exakter, desto besser. Erkennt ein zu programmierendes PC-Programm mittels x-y-wegaufnehmer die Position des angefahrenen Spots, dann wird dieses von der übergeordneten Steuerung als Treffer gewertet und gespeichert. Auf der projezieren Wandfläche wird der Verfahrweg justin-time dargestellt (ähnlich einer Mausspur) so das der Proband und die Zuschauer den gesamten Verfahrweg zum Anfahren einer jeweiligen Position nachvollziehen können. Nach Ablauf einer programmierbaren Zeit (5 min) werden die Anzahl der Treffer und der Name des Probanden angezeigt und in eine aktuelle Highscore-Liste eingeordnet. Gewonnen hat der Fahrer, der in der vorgegebenen Zeit die meisten Treffer erreicht hat. Inhalt der Diplomarbeit Auswahl aller tragenden und nichttragenden, führenden und nichtführenden, aktiven und inaktiven mechanischen Komponenten wie Rahmen, Abdeckungen, Lagerungen, Führungsschienen, Führungswagen, Spindeleinheiten, Bremssysteme, Fahrkabine usw. auf der Grundlage einer spezifischen Studienarbeit durch Studenten des FB Maschinenbau Planung, Auswahl, Projektierung und CAD-Konstruktion (EPLAN) aller energie- und antriebstechnischen Komponenten wie Einspeisung, Schaltanlagen, Antriebsmotoren, Stromrichter, Drehzahl- und Positionserfassungssysteme, Bremssysteme, Sicherheitssysteme usw. Planung, Projektierung, CAD-Konstruktion (EPLAN) und Programmierung (Step 7) der Antriebe, des Leuchtfeldes, des Steuerungssystems, des Sensorsystems, der Spracherkennung und -verarbeitung usw. Planung, Projektierung, CAD-Konstruktion (Ariadne) und Programmierung (Step 7) des Highscore-Liste incl. Eingabe- und Ausgabeeinheit Erstellen der Frontplattenlayouts und Übergabe der Daten in ein plotterfähiges Format Multimediale Aufbereitung des fertigen Projektes zu Schulungs- und Werbezwecken innerhalb und ausserhalb der FH Stralsund; eventuelle Anbindung an das Controlnet24-Projekt

3 Aufteilung der Entwicklungs- und Fertigungsarbeiten in Modulen (Leuchtfeld)

4 Aufteilung der Entwicklungs- und Fertigungsarbeiten in Modulen (Wegverfolgung)

5 Standort Der gesamte Antrieb incl. Stromversorgung und Befehls- und Regeleinrichtungen soll im Raum 009 (Kellergeschoss) des Hauses 4 der FH Stralsund aufgebaut werden. Siehe auch: Modifikationen Stand: Es wurde sich für das System mit Wegverfolgung entschieden. Dabei soll eine optische Zielvorgabe windowsbasiert programmiert und mittels PC und Beamer an eine Projektionsfläche in X-Richtung des Linearantriebs projeziert werden. Der Proband ( Jäger ) hat die Aufgabe das dargestellte (feste oder bewegliche) Ziel ( Hase ) in möglichst kurzer Zeit durch aktives Verfahren der Fahrkabine in X- und Y-Richtung zu schnappen. Die aktuelle Position der Fahrkabine wird dabei ebenfalls dargestellt, so dass der Fahrer und die Zuschauer in der Lage sind, die Positionsdifferenz zwischen Hase und Jäger zu erkennen. Der vom Jäger zurückgelegte Weg kann dabei ebenfalls dargestellt werden. 2. Die Standortfrage wurde aus finanziellen Gründen modifiziert. Da eine notwendige Umgestaltung des ursprünglichen Aufbauortes (Raum 009/Haus 4) bzw. des Alternativraumes 010/Haus 4 nicht möglich ist, wurde sich für den Raum 117/Haus 4 als endgültiger Aufbauort für den 2- Achsen-Linearantrieb entschieden. Dieser Raum bietet nach einer (mit minimalen finanziellen und personellen Aufwand) entsprechenden räumlichen Umgestaltung alle Voraussetzungen für einen ordnungsgemäßen örtlichen und elektrischen Aufbau des Linearantriebs. 3. Für die 7 m lange X-Achse wurde als Primärteil ein Asynchronlinearmotor Typ DLM 6719/b Doppelstator der Firma EAAT GmbH Chemnitz ausgewählt. Dieser Motor liefert eine Dauerschubkraft von 900 N und eine Spitzenschubkraft bei v = 0 m/s von 2700 N. Bestromt wird dieser Motor von einem Frequenzumrichter Typ UD 7045 mit RS232 der Firma Berges GmbH. Als Sekundärteil dient eine segmentierte Aluminiumschiene mit den Abmaßen 6500 x 500 x 6 mm (L x H x B). Als lineares Längenmeßsystem kommt das magnetische Meßsystem SIKO, Typ LE100 zum Einsatz. Für die 2 m lange Y-Achse soll ein Synchronlinearmotor der Firma EAAT GmbH angeschafft werden. 4. Der mechanische Unterbau, die Fahrkabine und die Auswahl des elektromechanischen Bremssystems ist beim FB Maschinenbau in Arbeit. Dazu sind bereits 2 Projektarbeiten durchgeführt und durch Prof. Volkmar

6 Schwanitz betreut und bewertet worden. Um diese Arbeit zu forcieren und auf ein höheres Qualitätsniveau zu heben, soll dieser Bereich durch eine oder mehrere Diplomarbeiten weiter bearbeitet werden. 5. Ebenfalls im Rahmen einer Diplomarbeit (Abgabetermin: Februar/2004) wurden die ersten notwendigen grundlegenden Betrachtungen zu den vorgesehenen Verfahrprofilen und den sich daraus ergebenen Kraft- und Momentenanforderungen an die einzelnen Achsen durchgeführt. Es wurde ein Excel-Programm erstellt welches es erlaubt, auf Grund von Nutzervorgaben die für die vorgesehenen Verfahraufgaben notwendigen Motoren und Stromrichter aus einer Datenbank auszuwählen. Desweiteren wurde für eine konkrete Anlage der elektrische Stromlauf- und Anschlussplan mit allen notwendigen elektrischen Komponenten projektiert. Auf dieser ersten Diplomarbeit werden alle weiter folgenden Arbeiten aufbauen.

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