Production Control Principles in Printed Wiring Board Fabrication

Työn tavoitteena oli kuvata piirilevyvalmistaja Aspocomp Oy:n Espoon tehtaan tämän hetkinen tuotannonohjausperiaate ja tunnistaa siinä esiintyvät puutteet sekä kehittää vaihtoehtoinen tuotannonohjausperiaate piirilevyvalmistukseen. Vaihtoehtoisen ohjausperiaatteen lähtökohtana oli tuotannonohjauksen sopeuttaminen vaativaan ja jatkuvasti muuttuvaan liiketoimintaympäristöön. Työn teoreettinen osa keskittyi tuotannonohjauksen eri lähestymistapoihin. Kirjallisuuskatsauksessa esitetään eri tuotannonohjausperiaatteiden keskeiset sisällöt, jotka muodostavat rungon toimivalle tuotannonohjauskäytännölle. Työn kokeellinen osa keskittyi Espoon piirilevytehtaan tuotannonohjausperiaatteen selvittämiseen. Espoon piirilevytehtaan nykyisessä tuotannonohjausperiaatteessa havaittujen ongelmakohtien ja liiketoimintaympäristön vaatimusten perusteella kehitettiin vaihtoehtoinen tuotannonohjaustapa. Vaihtoehtoisen tuotannonohjaustavan päämääränä oli läpimenoajan lyhentäminen sekä tuotannon parempi hallittavuus. Vaihtoehtoinen toimintamalli tavoitteiden saavuttamiseksi perustuu pullonkaulateoriaan, jossa keskeisin muutos nykyiseen toimintamalliin oli puolivalmisteiden varastointi toimitusajan lyhentämiseksi sekä tuotantovolyymin heilahdusten vaikutusten vähentämiseksi. Työn kokeellisessa osassa ilmeni, että kysynnän muutokset ja kapasiteetin suunnittelun puute aiheuttivat ongelmia piirilevytehtaan tuotannonohjauksessa.

Kolmiulotteinen visualisointi mikromaailman konenäköjärjestelmässä

Työssä oli tarkoituksena saada toteutettua kolmiulotteiseen visualisointiin soveltuva ohjelmisto mikrokokoluokkaa olevien kappaleiden konenäköjärjestelmään. Työssä jouduttiin myös jatkokehittämään menetelmää kolmiulotteisen kuvan hankkimiseksi yhdellä kameralla mikrokokoisesta kohteesta. Kohteen kolmiulotteisella kuvalla voitaisiin suorittaa automaattista järjestelmäohjausta. Työssä tutkittiin ja selvitettiin laitteistolla saavutettavia tarkkuuksia ja nopeuksia, sen soveltamiseksi esimerkiksi mikromanipulaattorin ohjaamiseen. Lisäksi tutkittiin erilaisia kohteita joissa voitaisiin hyödyntää kolmiulotteista visualisointia. Tällaisia kohteita on kappaleiden laadunvalvonnassa tai niiden tutkimisessa ja esittämisessä. Syvyystiedon keräävällä menetelmällä oli saavutettava riittävä nopeus, jotta sillä voitaisiin tarvittaessa ohjata reaaliaikaisesti toimilaitteita. Menetelmänä käytettiin "Depth from Focusing" -menetelmää, johon VTT:llä oli jo aiemmin kehitetty automaattinen fokusointiohjelmisto. Työn puitteissa suoritettiin laitteisto- ja menetelmäkehitystä järjestelmän nopeuttamiseksi. Visualisoinnin toteuttamisen eri mahdollisuuksia kartoitettiin ja sellainen toteutettiin rakennettuun konenäköjärjestelmään.

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

System Investigation for Hybrid Electric Vehicle

A hybrid electric vehicle is a fast-growing concept in the field of vehicle industry. Nowadays two global problems make manufactures to develop such systems. These problems are: the growing cost of a fuel and environmental pollution. Also development of controlled electric drive with high control accuracy and reliability allows improving of vehicle drive characteristics. The objective of this Diploma Thesis is to investigate the possibilities of electrical drive application for new principle of parallel hybrid vehicle system. Electric motor calculations, selection of most suitable control system and other calculations are needed. This work is not final work for such topic. Further investigation with more precise calculations, modeling, measurements and cost calculations are needed to answer the question if such system is efficient.

Kalman Filtering in Online Paper Quality Assessment

Controlling the quality variables (such as basis weight, moisture etc.) is a vital part of making top quality paper or board. In this thesis, an advanced data assimilation tool is applied to the quality control system (QCS) of a paper or board machine. The functionality of the QCS is based on quality observations that are measured with a traversing scanner making a zigzag path. The basic idea is the following: The measured quality variable has to be separated into its machine direction (MD) and cross direction (CD) variations due to the fact that the QCS works separately in MD and CD. Traditionally this is done simply by assuming one scan of the zigzag path to be the CD profile and its mean value to be one point of the MD trend. In this thesis, a more advanced method is introduced. The fundamental idea is to use the signals’ frequency components to represent the variation in both CD and MD. To be able to get to the frequency domain, the Fourier transform is utilized. The frequency domain, that is, the Fourier components are then used as a state vector in a Kalman filter. The Kalman filter is a widely used data assimilation tool to combine noisy observations with a model. The observations here refer to the quality measurements and the model to the Fourier frequency components. By implementing the two dimensional Fourier transform into the Kalman filter, we get an advanced tool for the separation of CD and MD components in total variation or, to be more general, for data assimilation. A piece of a paper roll is analyzed and this tool is applied to model the dataset. As a result, it is clear that the Kalman filter algorithm is able to reconstruct the main features of the dataset from a zigzag path. Although the results are made with a very short sample of paper roll, it seems that this method has great potential to be used later on as a part of the quality control system.

The effects of real time control of welding parameters on weld quality in plasma arc keyhole welding

Joints intended for welding frequently show variations in geometry and position, for which it is unfortunately not possible to apply a single set of operating parameters to ensure constant quality. The cause of this difficulty lies in a number of factors, including inaccurate joint preparation and joint fit up, tack welds, as well as thermal distortion of the workpiece. In plasma arc keyhole welding of butt joints, deviations in the gap width may cause weld defects such as an incomplete weld bead, excessive penetration and burn through. Manual adjustment of welding parameters to compensate for variations in the gap width is very difficult, and unsatisfactory weld quality is often obtained. In this study a control system for plasma arc keyhole welding has been developed and used to study the effects of the real time control of welding parameters on gap tolerance during welding of austenitic stainless steel AISI 304L. The welding tests demonstrated the beneficial effect of real time control on weld quality. Compared with welding using constant parameters, the maximum tolerable gap width with an acceptable weld quality was 47% higher when using the real time controlled parameters for a plate thickness of 5 mm. In addition, burn through occurred with significantly larger gap widths when parameters were controlled in real time. Increased gap tolerance enables joints to be prepared and fit up less accurately, saving time and preparation costs for welding. In addition to the control system, a novel technique for back face monitoring is described in this study. The test results showed that the technique could be successfully applied for penetration monitoring when welding non magnetic materials. The results also imply that it is possible to measure the dimensions of the plasma efflux or weld root, and use this information in a feedback control system and, thus, maintain the required weld quality.

Performance Evaluation and Calibration of Machine Vision Measurement

This thesis presents the calibration and comparison of two systems, a machine vision system that uses 3 channel RGB images and a line scanning spectral system. Calibration. is the process of checking and adjusting the accuracy of a measuring instrument by comparing it with standards. For the RGB system self-calibrating methods for finding various parameters of the imaging device were developed. Color calibration was done and the colors produced by the system were compared to the known colors values of the target. Software drivers for the Sony Robot were also developed and a mechanical part to connect a camera to the robot was also designed. For the line scanning spectral system, methods for the calibrating the alignment of the system and the measurement of the dimensions of the line scanned by the system were developed. Color calibration of the spectral system is also presented.

The Detector Control Systems for the CMS Resistive Plate Chamber at LHC

The RPC Detector Control System (RCS) is the main subject of this PhD work. The project, involving the Lappeenranta University of Technology, the Warsaw University and INFN of Naples, is aimed to integrate the different subsystems for the RPC detector and its trigger chain in order to develop a common framework to control and monitoring the different parts. In this project, I have been strongly involved during the last three years on the hardware and software development, construction and commissioning as main responsible and coordinator. The CMS Resistive Plate Chambers (RPC) system consists of 912 double-gap chambers at its start-up in middle of 2008. A continuous control and monitoring of the detector, the trigger and all the ancillary sub-systems (high voltages, low voltages, environmental, gas, and cooling), is required to achieve the operational stability and reliability of a so large and complex detector and trigger system. Role of the RPC Detector Control System is to monitor the detector conditions and performance, control and monitor all subsystems related to RPC and their electronics and store all the information in a dedicated database, called Condition DB. Therefore the RPC DCS system has to assure the safe and correct operation of the sub-detectors during all CMS life time (more than 10 year), detect abnormal and harmful situations and take protective and automatic actions to minimize consequential damages. The analysis of the requirements and project challenges, the architecture design and its development as well as the calibration and commissioning phases represent themain tasks of the work developed for this PhD thesis. Different technologies, middleware and solutions has been studied and adopted in the design and development of the different components and a big challenging consisted in the integration of these different parts each other and in the general CMS control system and data acquisition framework. Therefore, the RCS installation and commissioning phase as well as its performance and the first results, obtained during the last three years CMS cosmic runs, will be

Lasikuituputkien kelauslinjan automatisointi

Lasikuituputkien kelaamiseen tarkoitettu automaatio voidaan toteuttaa suorakulmaisen kolmion trigonometrian perusteella. Kelaaminen tapahtuu pyörittämällä muottia ja liikuttamalla samalla muottia sivuttain. Näin tehdessä saadaan kelattavat lasikuitulangat leviämään koko muotin leveydelle. Jos langat halutaan saada kelattua tiiviisti toistensa viereen, on muotin liikuttava tietty matka yhtä muotin pyörähdystä kohden. Matkaa kutsutaan nousuksi. Nousu riippuu lankojen muodostaman kimpun leveydestä, kelauskulmasta ja muotin säteestä. Kelauskulmalla voidaan vaikuttaa kelattavan tuotteen aksiaaliseen ja pitkittäiseen lujuuteen. Kelauskoneen automaatiojärjestelmä koostuu sähkökäytöistä, ohjaavasta yksiköstä, valvomosta ja erilaisista antureista. Eri osat yhdistetään toisiinsa väylätekniikalla. Sähkökäytöt ovat yleensä servokäyttöjä, koska niiltä vaaditaan tarkkuutta ja nopeutta. Ohjaavana yksikkönä toimii yleensä teollisuus logiikka. Anturointia tarvitaan esimerkiksi hartsin lämpötilan säätöön ja lankojen ratakireyden säätöön. Anturoinnilla ja säädöillä pyritään parantamaan kelattavan tuotteen laatua. Koneen ohjelmallinen toteutus vaatii kelauskoneen mekaniikan ja kelausprosessin ymmärtämistä. Lisäksi on huomioitava koneen käyttäjät ja heidän turvallisuus.

Joustavan särmäyssolun kehittäminen

Tässä diplomityössä esitellään robotisoinnin teoria ja robottisolun oheislaitteet, vaihtoehdot, toiminta ja turvallisuus. Joustavalla tuotantosolulla tarkoitetaan automaattista valmistusjärjestelmää, jossa on useita toisiinsa liitettyjä koneita yhteisellä ohjausjärjestelmällä. Solun komponentteja ovat tuotantolaitteet ja -koneet, ohjausjärjestelmät, valvontalaitteet ja anturit, toimi- ja säätölaitteet sekä ohjelmointijärjestelmä. Joustavaa tuotantosolua voidaan kehittää tehostamalla työntekijöiden koulutusta, ohjelmointia, asetusten tekemistä ja layouttia. Diplomityöhön liittyvä kehitystehtävä koskee heinäveteläisen alihankintakonepajan, Metalliset Oy:n, tuotannon tehostamista robotisoinnin avulla. Metalliset Oy:n joustavan särmäyssolun kehittämiskeinoiksi valittiin nykyisen järjestelmän tehostaminen, uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen ja tulevaisuuden tuotantosolun kehittäminen. Vertailussa parhaimmaksi osoittautui uuden tuotantosolun luominen olemassa olevia laitteita hyödyntäen.

Uuden robottisolun ohjelmointitavan mahdollisuudet pienille ja keskisuurille yrityksille

Robotin ohjelmointi on aikaa vievää ja tarvitsee robotin ohjelmoinnin tuntevan operaattorin toimimaan robotin opettajana. Saadakseen robottisolun kustannustehokkaaksi operaattorilla olisi hyvä olla useampi solu hoidettavanaan samaan aikaan. Tämä ei ole suuri ongelma suurille yrityksille, joissa voi olla kymmeniä robottisoluja. Jos kyseessä on pieni tai keskisuuri yritys, automatisointi-investointi voi jäädä tekemättä ohjelmoinnin vaikeuden aiheuttaman ongelman vuoksi. Diplomityössä keskityttiin tutkimaan robotisointia pienten ja keskisuurten yritysten kannalta. Teoriaosassa on keskitytty robottisolun suunnittelun kannalta tarvittaviin perustietoihin robotin rakenteesta, ohjausjärjestelmästä, ohjelmoinnista sekä turvallisuudesta. Näiden perustietojen lisäksi on huomioitu hitsauksen automatisointia sekä taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun tekninen konsepti. Taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun konseptin käsittelyosassa on myös perehdytty taluttamalla ohjelmoinnin vaatimiin komponentteihin kuten voima/vääntö-anturi. Robottisolun suunnittelu on tehtävä koneasetuksen vaatimusten mukaan. Turvallisuus osiossa on käsitelty koneasetuksen vaatimuksia koneensuunnittelulle ja käytännön osassa on käsitelty Winnovan taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun suunnittelua koneasetuksen ohjeiden mukaan. Käytännön osassa on tutkittu taluttamalla ohjelmoinnin tuomia etuja muihin ohjelmointimenetelmiin nähden sekä suoritettu investointilaskelmat taluttamalla ohjelmoitavasta ja opettamalla ohjelmoitavasta robottisolusta. Koetuloksista nähdään taluttamalla ohjelmoinnin olevan nopeampi ja yksinkertaisempi tapa ohjelmoida robottia kuin opettamalla ohjelmointi. Investointilaskelmien vertailusta nähdään taluttamalla ohjelmoinnin tulevan opettamalla ohjelmointia edullisemmaksi vaihtoehdoksi käyttökustannusten edullisuuden ansiosta.

Luistonestojärjestelmän ja elektronisen tasauspyörästön testaus ja implementointi hybridityökoneympäristöön

Työssä toteutettiin C-kielellä luistonestojärjestelmä ja elektroninen tasauspyörästö Simulinkmallien pohjalta hybridityökoneeseen. Hybridityökoneen sähkökäytöt mahdollistavat tarkan vääntömomentin säädön, joka mahdollistaa työssä kuvatun kaltaisen järjestelmän toteuttamisen. Toteutettua järjestelmää simuloitiin MeVEA Oy:n ajoneuvomallinnukseen kehitetyssä simulaattorissa. Lisäksi järjestelmästä kehitettiin Visedo Oy:n sähkökäyttösimulaattoriin sopiva versio, jota testattiin Visedon sähkökäyttöjä simuloivan ohjelman kanssa. Simulointituloksien mukaan luistonesto estää vetäviä pyöriä luistamasta liukkaalla alustalla eikä toisaalta vähennä aiheetta kuljettajan asettamaa vääntömomenttia. Myös sähköinen tasauspyörästö toimi kuten oli suunniteltu. Työssä kehitetty luistonesto tarvitsee toimiakseen tiedon ajoneuvon kokonaismassasta, joten työssä kehitettiin myös tapa ajoneuvon massan estimoimiseksi ajoneuvon kiihdyttäessä. Massan estimointia testattiin pitävällä ja liukkaalla alustalla. Massan estimointi toimi simulaattoriympäristössä hyvällä tarkkuudella.

Virtuaalimallin hyödyntäminen harvesteripään tuotekehityksessä

Virtuaalimallinnuksella tarkoitetaan koneen simulointia, jossa huomioidaan koneen mekaniikka, toimilaitteet ja ohjausjärjestelmä. Työn tavoitteena oli luoda virtuaalimalli harvesteripäästä. Kyseinen virtuaalimalli sisälsi harvesteripään tärkeimmät mekaaniset osat, pituusmittalaitteen hydrauliikkapiirin ja tämän ohjauksen. Luodussa virtuaalimallissa huomioitiin myös harvesteripään ja puun väliset kontaktit. Lisäksi työssä tutkittiin mahdollista virtuaalimallinnuksen implementoimista osaksi yrityksen tuotekehitysprosessia. Työssä suoritettiin verifiointimittaukset pituusmittalaitteen hydrauliikkapiirille sekä virtuaalimallin hydrauliikkakomponentit parametrisoitiin. Mittauksista saatuja tuloksia verrattiin virtuaalimallista saatuihin tuloksiin. Työssä esitellään myös ehdotus kuinka virtuaalimallinnusta kannattaisi hyödyntää osana yrityksen tuotekehitysprosessia. Virtuaalimallin eri osa-alueilla saavutetut tulokset osoittavat, että virtuaalimallinuksen hyödyntäminen tuotekehitysprosessin aikana mahdollistaa harvesteripään toimintojen tarkastelun ennen prototyypin rakentamista ja testaamista. Lisäksi hydrauliikkapiirin parametrisoimisella pystytään tutkimaan parametrien vaikutusta kokonaisuuteen.

Modeling and Control of the Power Conversion Unit in a Solid Oxide Fuel Cell Environment

In this doctoral thesis, a power conversion unit for a 10 kWsolid oxide fuel cell is modeled, and a suitable control system is designed. The need for research was identified based on an observation that there was no information available about the characteristics of the solid oxide fuel cell from the perspective of power electronics and the control system, and suitable control methods had not previously been studied in the literature. In addition, because of the digital implementation of the control system, the inherent characteristics of the digital system had to be taken into account in the characteristics of the solid oxide fuel cell (SOFC). The characteristics of the solid oxide fuel cell as well the methods for the modeling and control of the DC/DC converter and the grid converter are studied by a literature survey. Based on the survey, the characteristics of the SOFC as an electrical power source are identified, and a solution to the interfacing of the SOFC in distributed generation is proposed. A mathematical model of the power conversion unit is provided, and the control design for the DC/DC converter and the grid converter is made based on the proposed interfacing solution. The limit cycling phenomenon is identified as a source of low-frequency current ripple, which is found to be insignificant when connected to a grid-tied converter. A method to mitigate a second harmonic originating from the grid interface is proposed, and practical considerations of the operation with the solid oxide fuel cell plant are presented. At the theoretical level, the thesis discusses and summarizes the methods to successfully derive a model for a DC/DC converter, a grid converter, and a power conversion unit. The results of this doctoral thesis can also be used in other applications, and the models and methods can be adopted to similar applications such as photovoltaic systems. When comparing the results with the objectives of the doctoral thesis, we may conclude that the objectives set for the work are met. In this doctoral thesis, theoretical and practical guidelines are presented for the successful control design to connect a SOFC-based distributed generation plant to the utility grid.

One chip solution for low-cost active magnetic bearing system

In this work the implementation of the active magnetic bearing control system in a single FPGA is studied. Requirements for the full magnetic bearing control system are reviewed. Different control methods for active magnetic bearings are described shortly. Flux and the current base controllers are implemented in a FPGA. Suitability of the con-trollers for a low-cost magnetic bearing application is studied. Floating-point arithmetic’s are used in the controllers to ease designing burden and improve calculation precision. Per-formance of the flux controller is verified with simulations.