thema | Mechatronica

Marc Engels: ‘Het toepassingsgebied voor draadloze techniek is enorm groot, alleen mag het geen ‘latency’ met zich brengen.’ (foto: Paul Paulus).

De uitdaging zit ‘m voornamelijk in ‘package’ en ‘price’

Mechatronica en de vier p’s

Paul Paulus

Je kunt je afvragen wat je onder mechatronica moet verstaan. Een goed presterend domoticasysteem is niet wat ik – en met mij hopelijk anderen – onder mechatronica versta. Ook FPGA-ontwikkel- en programmeertechnieken vallen niet direct onder mechatronica. Dit behoort eerder tot het vakgebied elektronica. Dat de FPGA naast de ASIC een belangrijke rol speelt in de huidige mechatronica zal niemand betwijfelen. Dat de FPGA echter gebruikt kan worden als een besturingstechnische component, een alternatief voor de PLC of andere controller, sluit wel weer aan bij mechatronica. Ook wordt heel wat ontwerp- en simulatiesoftware onder de noemer mechatronica gepresenteerd. Hoe je het kaf van het koren moet scheiden, is me niet altijd duidelijk. Met de regel ‘als het traditioneel uit één van de specialisaties mechanica of elektronica komt, is het geen mechatronica’, kom je er niet, want dan hou je niet veel software over.

Je moet het per toepassing bekijken. Simulatiesoftware waarbij men nieuwe mechanische ontwerpen toepast, met een hoger dynamisch karakter en een hogere herhaalnauwkeurigheid, is als mechatronica op te vatten. Om mechatronische eisen te halen, moet men de mechanische component vooral lichter maken. Dit brengt een herontwerp met zich mee. Maar lichtere constructies in een zeer dynamische omgeving bieden niet altijd de stijfheid die ervan wordt verwacht. Denk maar aan een robotarm: indien onvoldoende aandacht aan de stijfheid is besteed in functie van gewichtvermindering, dan laat door de vervorming de positionering te wensen over, ongeacht de aandrijving. Dit kan worden opgevangen met de besturing, maar dan vermindert de prestatie.

Prijs-prestatieverhouding

De OEM’er die actief op onderzoek uitgaat naar mechatronica, hoeft niet te worden overtuigd van het nut ervan. Kleine OEM’ers die slechts een tiental machines per jaar omzetten, zijn echter niet in staat de aanzienlijk investering op te brengen die ermee gepaard. Deze investering moet via de prijs van de machine worden terugverdiend. Als de prestatie van de machine echter niet tegen de prijs opweegt, is het risico groot dat de OEM’er zijn machine niet kwijtraakt. Hetzelfde verhaal geldt een niveau lager, bij de inkoper/technicus die een mechatronicacomponent onder ogen krijgt. Zijn probleem is zelfs twee keer zo groot. De component ziet eruit als één van de vele die regelmatig door zijn handen gaan. Indien men hem er niet op attent maakt, zou hij niet eens merken dat het om mechatronica gaat. Daarnaast is er de prijs. Voor een industriële markt gaat het zelden om grote serieproductie. Ook hier geldt dat als het prijsverschil te hoog ligt, men zich al snel tevreden zal stellen met hoe het tot op heden ging. Dit probleem zal door seminars worden verholpen.

Draadloze techniek in alle aspecten

Tijdens het seminar georganiseerd door het Flanders Mechatronics Technology Centre (FMTC) bleek er heel wat onder de noemer mechatronica te vallen. Veelal kwam er meer overigens elektronica dan mechanica aan te pas. Wat ‘motion control’ betreft, viel de voordracht ‘Wireless Control Systems’ van Marc Engels vooral in de smaak. Draadloze techniek is ‘in’, maar op het vlak van onderzoek en ontwikkeling is men al aardig gevorderd. De grenzen van draadloze techniek zijn volgens Marc Engels theoretisch niet af te bakenen. Er zijn 1001 toepassingen te bedenken. Zo moet men draadloze techniek niet alleen zien als communicatietool tussen actoren en sensoren op bijvoorbeeld een robot. Deze actoren en sensoren kunnen ook draadloos communiceren met actoren, sensoren en stuursystemen van andere robots, waardoor ze meteen een proces aansturen. Het probleem van ‘latency’ door bijvoorbeeld het verlies van data is voor de industrie echter niet aanvaardbaar. Uit verschillende toepassingen, zoals bijvoorbeeld de draadwikkelmachines van Bekaert waarin zowel draadloze data als draadloze energie wordt gebruikt, blijkt dat men verder is dan menigeen denkt. Toegegeven, de bandbreedte van de meeste standaarden is onvoldoende, wil men latency vermijden. Maar er zijn andere standaarden op komst: een voorbeeld is WiMedia met een datarate van 480 Mbps en een theoretische PER (‘packet error rate’) van 10 tot 8, bij een gegarandeerde responstijd van 2 ms. Door deze draadloze technologie te gebruiken, offert men de datarateoverdimensionering op ten voordele van communicatie met een minimale latency. WiMedia werd onder meer gebruikt bij het Wicor-project, een plaatsingsrobot met draadloze data- en energieoverdracht.

Het Wicor-project

Jef Horijon van Assembléon lichtte het Wicor-project op Hightech Mechatronica in detail toe. Het Wicor-project is een initiatief van Assembléon, een producent van ‘pick&place’-machines voor de elektronica-industrie. Assembléon richtte een consortium op waar onder meer ook Philips Applied Technologies, Imec Nl en het FMTC, de TU Eindhoven en NTS Mechatronics deel van uitmaakten. De doelstelling van Assembléon was  technologieën te ontwikkelen om op termijn een pick&place-robot (machine) te construeren zonder bewegende kabels. Kabels die met hoge snelheid heen en weer bewegen, vormen een belangrijke onderhoudspost. Hierdoor zouden de machines bedrijfszekerder worden, een betere output en nauwkeurigheid vertonen, tegen een lagere kostprijs. Hiervoor dienden een aantal specifieke problemen te worden opgelost: draadloze datatransfer, draadloze energie, een gedistribueerde architectuur en een XY-robot op basis van lineaire motoren. Hoewel het project veel meer omvatte dan draadloze communicatie en draadloze energieoverdracht, beperken we ons hier nu toe. Bij de bouw van het demonstratiemodel diende ook de XY-robot te worden aangepast. Men eiste een verdubbeling van de acceleratie van de Y-as. De temperatuurstijging die mede wordt veroorzaakt door de draadloze energieoverdracht, mocht niet hoger zijn dan tien graden Celsius.

Voor de controle en de databus opteerde men voor Ethernet, in een hybride oplossing: gedeeltelijk RF en gedeeltelijk optisch (draadloos). Ook de huidige IEEE1394-communicatie werd optisch uitgevoerd, via een camera. De camera vereist een datatransfer van minstens 200 Mbps. Op de demonstrator van de robot zijn twee optische links geïmplementeerd (‘open air, in line of sight’): één voor de IEEE1394-verbinding (‘firewire’) en één voor de 100 Mbps Ethernet-verbinding. Deze laatste loopt alleen tussen de X- en de Y-as. De communicatie verloopt verder via een RF-verbinding. De optische firewireverbinding loopt van de X-as over de Y-as naar een optische repeater op een statische component van de robot.

WiMediaDraadloze energieoverdracht

WiMedia is een standaard in ontwerp. Door een verschil van mening in de werkgroep, voornamelijk op het vlak van codering, werd de standaardisatie stopgezet en laat men de markt zijn werk doen. Toch is het al mogelijk de standaard toe te passen. Toen het project werd uitgevoerd, waren er nog geen componenten in de handel. Tegenwoordig zijn ze wel voorradig, voornamelijk voor de ICT-markt. Men opteerde voor WiMedia vanwege de hoge bandbreedte, waardoor de strenge eisen aan de latency ingelost zouden kunnen worden. WiMedia definieert 14 banden van telkens 528 MHz gegroepeerd in vijf zogenaamde bandgroepen (niet alle bandgroepen zijn overal vrij beschikbaar), tussen het zendbereik van 3,43 tot 10,29 GHz. Elke bandgroep heeft 256 kanalen, met een bandbreedte van telkens 480 Mbps, waardoor de latency kan worden teruggebracht tot 1 ms. Er werd geopteerd voor point-to-point communicatie met één master en één slave-gateway (Ethernet). Beide modules werden door IMEC/FMTC ontwikkeld, uitgaande van destijds beschikbare Wisair-componenten (bandgroep BG1). Doordat het om een pilot-ontwikkeling ging, diende de evaluatie apart te gebeuren. De resultaten waren hoopgevend: een latency van 1 ms bij een PER van 10-3 bij maximaal drie hertransmissies bleek haalbaar. Voorlopig is er echter geen commerciële module beschikbaar. De modules zullen geïntegreerd en geminiaturiseerd moeten zijn om de mechanische robuustheid te kunnen garanderen, naast het feit dat de oplossing betaalbaar moet zijn.

De draadloze overdracht van vermogen gebeurt via magnetische koppeling (inductie). Men gebruikt hiervoor twee hoogfrequente spoelen, één voor de Y-as (120 KHz, 200 V DC) en één voor de X-as (120 KHz, 80 V DC). De gelijkstroom wordt via een gelijkrichter verkregen. Tevens is er gelijkstroom voor de voeding van de controller (24 DC). Op deze manier was het mogelijk zonder geforceerde koeling een continu vermogen van 350 W te leveren, met een piekvermogen tot 600 W. Het rendement blijkt zelfs aanzienlijk hoger dan 80 procent. Voorlopig is de kostprijs nog hoog. Daarnaast bleek de lange primaire spoel van de Y-as door te buigen. Er is dus nog werk aan de winkel.

Weefgetouwen en mechatronica

Een andere motion-control-oplossing die eveneens op Hightech Mechatronica werd toegelicht, is de ontwikkeling van een PsiControl Mechatronics in opdracht van moederbedrijf Picanol. Brecht Pauwels, verantwoordelijk voor de cluster Motoren, Actuatoren en Mechanica bij PsiControl Mechatronics, gaf tekst en uitleg. Alles draait om de zogenaamde ‘tucking-in’-component die op weefmachines is te vinden. Bij het gebruikelijke weven begint men met een reeks lengtedraden, de zogenaamde schering, waardoorheen dan in de breedte een reeks draden worden geschoten, geweven. Deze draden in de breedte zijn wat langer dan vereist, waardoor men steeds met een draadoverschot zit. Om te vermijden dat de zijkant gaat rafelen, worden deze losse eindjes in de stof geweven. Tot voor kort gebruikte Picanol hiervoor de zogenaamde tucking-in-eenheid: een mechanisch aangestuurde naald die het draadeindje oppikt en het via een complexe beweging in de stof stopt. Een dergelijke insteekeenheid heeft een aantal nadelen. Zo is er de mechanische koppeling tussen de weefmachine en de naald. Ook is de eenheid vrij groot en complex. Doordat de insteekbeweging snelheidafhankelijk is, krijgt men allerlei dynamische effecten waarop de mechanica berekend moet zijn. De insteekeenheid is ook niet altijd nodig, terwijl het demonteren al snel een half uur in beslag neemt.

De PMS-actuator

Picanol gaf de opdracht voor de ontwikkeling van een elektrisch gekoppeld alternatief. Dit was geen eenvoudige taak als je kijkt naar de zeer complexe bewegingen die de naald maakt. Deze zijn het resultaat van gecombineerde translatie- en rotatiebewegingen. Eerst speurde men de markt af naar beschikbare oplossingen. Geen enkele van de beschikbare drie varianten - allemaal gecombineerde systemen - voldeed echter, al was het maar omdat ze geen van allen een onafhankelijke translatie- en rotatiebeweging boden. Waar PsiControl naar zocht, was een elektronisch gestuurd systeem met één actieve component (geen ontdubbeling), die zowel translatie als rotatie aankon. Uiteindelijk ging de ontwikkeling in de richting van een PMS-actuator: een permanent magnetische synchrone actuator. Deze is te vergelijken met een borstelloze DC-motor, maar waarbij de statorspoelen worden aangestuurd met een sinusgolf (geen blokgolf). Een groot voordeel van de PMS-motor is, dat deze het stuursignaal één op één volgt. Men koos voor een synchrone motor, omdat deze eenvoudiger is te positioneren. De ontwikkelde motor is opgebouwd uit 54 magneten en 18 spoelen. De motor heeft een translatiebereik van 45 millimeter en kan continu ronddraaien. Deze volledige bewegingsvrijheid stelt hem in staat de zeer complexe bewegingen te maken die vereist zijn voor het insteken van de draad. Lineair kan de motor tot 40 N leveren bij een maximale snelheid van twee meter per seconde. Het koppel bedraagt 1 Nm en de motor haalt een rotatiesnelheid tot 1000 rpm. De rotor weegt amper 131 gram. Het geheel is maar 120 millimeter lang bij een diameter van 100 millimeter. Kan het compacter?