Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Hitsaussuojakaasujen tehokas ja taloudellinen käyttö

Suojakaasun päätehtävänä on suojata hitsaustapahtumaa ympäröivän ilman vaikutukselta. Päätehtävän lisäksi suojakaasullavoidaan vaikuttaa suoraan tai välillisesti lähes kaikkiin hitsauksen asioihin, joista laatu, tehokkuus ja taloudellisuus muodostuvat. Suojakaasuja tarvitsevat hitsausmenetelmät ovat: kaasukaarihitsausprosessit (MIG/MAG-, TIG- ja plasmahitsaus), laserhitsaus sekä näiden yhdistelmät eli hybridihitsausmenetelmät sekä MIG-juotto. Hitsaussuojakaasujen peruskaasu tänä päivänä on argon, johon hitsausprosessista tai materiaalistariippuen sekoitetaan hiilidioksidia, heliumia, vetyä tai happea. Pääsääntöisesti hitsaussuojakaasut ovat kahden komponentin kaasuja, mutta 3-komponenttikaasut ovat yleistymässä. Sopivalla suojakaasuseostuksella saadaan erittäin merkittävä hyöty tuottavuuden lisääntyessä ja laadun parantuessa. Suojakaasujen oikealla toimitusmuodolla on merkittävä vaikutus kokonaiskustannuksiin. Uudet, kehittyneet sekoitinlaitteet mahdollistavat tarkat osakomponenttien sekoittamiset hitsauspaikalla. Seokset ovat jatkuvasti analysoitavissa ja jäljitettävissä. Suojakaasujen kierrätys on erityisesti kalliiden kaasujen, kuten helium ja argon, kohdalta tulevaisuuden haaste ja mahdollisuus. Suojakaasulla on suuri merkitys hitsauksen tuottavuuteen, taloudellisuuteen ja myös hitsausympäristöön ja työturvallisuuteen. Robottihitsauksen lisääntyminen asettaa vaatimuksia, joihinoikein valitulla suojakaasulla voidaan myönteisesti vaikuttaa. Tehokashitsaus on valmistusprosessin tärkeä osa, jossa oikein valituilla suojakaasuilla saavutetaan merkittävä tuottavuuden lisäys vaikuttamalla kaariominaisuuksiin, tunkeumaan, roiskeisiin, nopeuteen, hitsimetallurgiaan, lämmöntuontiin ja hitsausympäristöön. Diplomityössä tutkittiin casena Peikko Finland Oy:n suojakaasujärjestelmät, niiden tehokkuus, toimivuus ja sopivuus konepajan tuotantoon ja erityisesti robottihitsaukseen.

Paperin pinnan karakterisoinnin ja painettavuuden tutkimusmenetelmät

Työn tarkoituksena on ollut tutkia paperin pinnan karakterisoinnin menetelmiä ja tehdä katsauspaperin painettavuuden ennustamisen tutkimuksiin. Kaikkien kehitettyjen menetelmien tarkoituksena on tavalla tai toisella mitata paperin visuaalista vaikutelmaa loppukäyttäjän kannalta sekä ennustaa paperin painettavuutta. Menetelmiä on kehitetty aina 1940-luvulta lähtien ja tekniikan kehittyessä markkinoille tulee uusia menetelmiä, jotka ovat nopeampia ja tarkempia kuin edeltäjänsä. Työssä tarkasteltavat menetelmät on jaoteltu mekaanisiin, optisiin ja elektronisäteilyn läpäisyyn perustuviin menetelmiin. Lopuksi on tarkasteltu tutkimuksia, joiden pääasiallinen tarkoitus on ollut kehittää mittalaitteita ennustamaan paperin painotulosta todellisissa painatusolosuhteissa. Laboratoriolaitteita ja on-line-mittareita ei ole jaoteltu erikseen, koska menetelmän perusteella on helppo havaita, voiko laite mitata jotakin paperin ominaisuutta jopa yli 40 metriä sekunnissa liikkuvalla paperirainalla.

Kaivoskoneiden kustannusseurannan ja -raportoinnin kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää kaivoskoneita valmistavalle yritykselle raportointimalli uusittujen tuotteiden kustannusten seuraamiseksi. Raporttien toivottiin olevan tarvelähtöisiä, sisällöltään luotettavia, vaivattomia päivittää sekä helposti saatavissa. Tutkimuksen toisena tavoitteena oli kartoittaa kohdeyrityksen tuotekohtaisenkustannusseurannan nykytilaa ja sen kehityskohteita. Tutkimuksen aineistoa kerättiin strukturoimattomilla haastatteluilla, yrityksen dokumentteihin tutustumalla, havainnoinnilla, keskusteluilla sekä benchmarking-menetelmällä. Luonteeltaan tutkimus oli konstruktiivinen eli sen tavoitteena oli luoda uusi ratkaisumalliongelmalliseksi koettuun tilanteeseen. Tutkimuksen tuloksena syntyi pitkälle automatisoitu kustannusraportointimalli, joka sisältää kaksi tuotekohtaista kustannusraporttityyppiä. Raportit ovat ns. on-line -raportteja eli käyttäjien on mahdollisuus lukea niitä yrityksen intranetin kautta haluamanaan aikana. Prototyyppiraportit laadittiin erään nykyisen tuoterakenteen mukaisen koneen tiedoilla.Raporttien avulla voidaan tehokkaasti seurata konekohtaisia kustannuksia ja tunnistaa ne tekijät joihin vaikuttamalla voidaan saavuttaa asetetut tavoitekustannukset. Mallissa määriteltiin myös raporttien käyttäjät, jakelu, vastuut ja päivitykset. Todellinen hyöty raportointimallista saadaan siinä vaiheessa, kun sen avulla voidaan seurata uuden tuoterakenteen kustannuksia. Tutkimuksen perusteella annettiin lisäksi suosituksia kohdeyrityksen kustannusseurannan kehittämiseksi tulevaisuudessa.

Methods for Region Based Paper Surface Roughness Measurement

Paperin pinnan karheus on yksi paperin laatukriteereistä. Sitä mitataan fyysisestipaperin pintaa mittaavien laitteiden ja optisten laitteiden avulla. Mittaukset vaativat laboratorioolosuhteita, mutta nopeammille, suoraan linjalla tapahtuville mittauksilla olisi tarvetta paperiteollisuudessa. Paperin pinnan karheus voidaan ilmaista yhtenä näytteelle kohdistuvana karheusarvona. Tässä työssä näyte on jaettu merkitseviin alueisiin, ja jokaiselle alueelle on laskettu erillinen karheusarvo. Karheuden mittaukseen on käytetty useita menetelmiä. Yleisesti hyväksyttyä tilastollista menetelmää on käytetty tässä työssä etäisyysmuunnoksen lisäksi. Paperin pinnan karheudenmittauksessa on ollut tarvetta jakaa analysoitava näyte karheuden perusteella alueisiin. Aluejaon avulla voidaan rajata näytteestä selvästi karheampana esiintyvät alueet. Etäisyysmuunnos tuottaa alueita, joita on analysoitu. Näistä alueista on muodostettu yhtenäisiä alueita erilaisilla segmentointimenetelmillä. PNN -menetelmään (Pairwise Nearest Neighbor) ja naapurialueiden yhdistämiseen perustuvia algoritmeja on käytetty.Alueiden jakamiseen ja yhdistämiseen perustuvaa lähestymistapaa on myös tarkasteltu. Segmentoitujen kuvien validointi on yleensä tapahtunut ihmisen tarkastelemana. Tämän työn lähestymistapa on verrata yleisesti hyväksyttyä tilastollista menetelmää segmentoinnin tuloksiin. Korkea korrelaatio näiden tulosten välillä osoittaa onnistunutta segmentointia. Eri kokeiden tuloksia on verrattu keskenään hypoteesin testauksella. Työssä on analysoitu kahta näytesarjaa, joidenmittaukset on suoritettu OptiTopolla ja profilometrillä. Etäisyysmuunnoksen aloitusparametrit, joita muutettiin kokeiden aikana, olivat aloituspisteiden määrä ja sijainti. Samat parametrimuutokset tehtiin kaikille algoritmeille, joita käytettiin alueiden yhdistämiseen. Etäisyysmuunnoksen jälkeen korrelaatio oli voimakkaampaa profilometrillä mitatuille näytteille kuin OptiTopolla mitatuille näytteille. Segmentoiduilla OptiTopo -näytteillä korrelaatio parantui voimakkaammin kuin profilometrinäytteillä. PNN -menetelmän tuottamilla tuloksilla korrelaatio oli paras.

Direct torque control of permanent magnet synchronous machines - analysis and implementation

Thedirect torque control (DTC) has become an accepted vector control method besidethe current vector control. The DTC was first applied to asynchronous machines,and has later been applied also to synchronous machines. This thesis analyses the application of the DTC to permanent magnet synchronous machines (PMSM). In order to take the full advantage of the DTC, the PMSM has to be properly dimensioned. Therefore the effect of the motor parameters is analysed taking the control principle into account. Based on the analysis, a parameter selection procedure is presented. The analysis and the selection procedure utilize nonlinear optimization methods. The key element of a direct torque controlled drive is the estimation of the stator flux linkage. Different estimation methods - a combination of current and voltage models and improved integration methods - are analysed. The effect of an incorrect measured rotor angle in the current model is analysed andan error detection and compensation method is presented. The dynamic performance of an earlier presented sensorless flux estimation method is made better by improving the dynamic performance of the low-pass filter used and by adapting the correction of the flux linkage to torque changes. A method for the estimation ofthe initial angle of the rotor is presented. The method is based on measuring the inductance of the machine in several directions and fitting the measurements into a model. The model is nonlinear with respect to the rotor angle and therefore a nonlinear least squares optimization method is needed in the procedure. A commonly used current vector control scheme is the minimum current control. In the DTC the stator flux linkage reference is usually kept constant. Achieving the minimum current requires the control of the reference. An on-line method to perform the minimization of the current by controlling the stator flux linkage reference is presented. Also, the control of the reference above the base speed is considered. A new estimation flux linkage is introduced for the estimation of the parameters of the machine model. In order to utilize the flux linkage estimates in off-line parameter estimation, the integration methods are improved. An adaptive correction is used in the same way as in the estimation of the controller stator flux linkage. The presented parameter estimation methods are then used in aself-commissioning scheme. The proposed methods are tested with a laboratory drive, which consists of a commercial inverter hardware with a modified software and several prototype PMSMs.

Metal surface and subsurface inspection using nondestructive optical methods

This thesis considers nondestructive optical methods for metal surface and subsurface inspection. The main purpose of this thesis was to study some optical methods in order to find out their applicability to industrial measurements. In laboratory testing the simplest light scattering approach, measurement of specular reflectance, was used for surface roughness evaluation. Surface roughness, curvature and finishing process of metal sheets were determined by specular reflectance measurements. Using a fixed angleof incidence, the specular reflectance method might be automated for industrialinspection. For defect detection holographic interferometry and thermography were compared. Using either holographic interferometry or thermography, relativelysmall-size defects in metal plates could be revealed. Holographic techniques have some limitations for industrial measurements. On the contrary, thermography has excellent prospects for on-line inspection, especially with scanning techniques.