Novel Robot Solutions for Carrying out Field Joint Welding and Machining in the Assembly of the Vacuum Vessel of ITER

It is necessary to use highly specialized robots in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) both in the manufacturing and maintenance of the reactor due to a demanding environment. The sectors of the ITER vacuum vessel (VV) require more stringent tolerances than normally expected for the size of the structure involved. VV consists of nine sectors that are to be welded together. The vacuum vessel has a toroidal chamber structure. The task of the designed robot is to carry the welding apparatus along a path with a stringent tolerance during the assembly operation. In addition to the initial vacuum vessel assembly, after a limited running period, sectors need to be replaced for repair. Mechanisms with closed-loop kinematic chains are used in the design of robots in this work. One version is a purely parallel manipulator and another is a hybrid manipulator where the parallel and serial structures are combined. Traditional industrial robots that generally have the links actuated in series are inherently not very rigid and have poor dynamic performance in high speed and high dynamic loading conditions. Compared with open chain manipulators, parallel manipulators have high stiffness, high accuracy and a high force/torque capacity in a reduced workspace. Parallel manipulators have a mechanical architecture where all of the links are connected to the base and to the end-effector of the robot. The purpose of this thesis is to develop special parallel robots for the assembly, machining and repairing of the VV of the ITER. The process of the assembly and machining of the vacuum vessel needs a special robot. By studying the structure of the vacuum vessel, two novel parallel robots were designed and built; they have six and ten degrees of freedom driven by hydraulic cylinders and electrical servo motors. Kinematic models for the proposed robots were defined and two prototypes built. Experiments for machine cutting and laser welding with the 6-DOF robot were carried out. It was demonstrated that the parallel robots are capable of holding all necessary machining tools and welding end-effectors in all positions accurately and stably inside the vacuum vessel sector. The kinematic models appeared to be complex especially in the case of the 10-DOF robot because of its redundant structure. Multibody dynamics simulations were carried out, ensuring sufficient stiffness during the robot motion. The entire design and testing processes of the robots appeared to be complex tasks due to the high specialization of the manufacturing technology needed in the ITER reactor, while the results demonstrate the applicability of the proposed solutions quite well. The results offer not only devices but also a methodology for the assembly and repair of ITER by means of parallel robots.

Tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistuksen ja valmistuskustannusten arviointi

Diplomityössä on käsitelty tuulivoimalan generaattorin roottorin valmistusta ja magneettien kiinnitystä. Työ on osa projektia, jonka tarkoituksena on ollut tuottaa kohdeyritykselle vaihtoehtoinen tuulivoimalan generaattorin roottorirakenne. Työhön on koottu projektissa käsitellyt asiat roottorin valmistustekniikan osalta. Työssä on selvitetty kustannuksien kannalta paras vaihtoehto roottorin valmistamiseksi sisältäen kuljetukset ja magneettien kokoonpanon. Valmistusmenetelminä on vertailtu hitsausta ja valamista. Magneettien osalta tarkasteltiin uuden vaihtoehtoisen kiinnitysmenetelmän tuomia säästöjä nykyiseen ratkaisuun verrattuna. Uusien roottorien kustannuksia on verrattu nykyiseen rakenteeseen. Tutkimusmenetelminä on käytetty projektiryhmän palavereja, haastatteluja ja kirjallisuusselvityksiä. Lopputuloksena kohdeyritykselle luotiin uusi roottorikonsepti, jossa yhdistyvät edullisempi roottorin valmistus ja magneettien kiinnitys. Roottorin valmistaminen valamalla osoittautui selvästi edullisemmaksi kuin hitsaaminen levyistä. Magneettien kiinnitystä yksinkertaistettiin käyttämällä seostettuja magneetteja ja magneettikehyksiä. Roottorin konstruktiomuutoksien avulla mahdollistettiin suurempi magneettien määrä, joka mahdollistaa suuremman tehontuoton.

Fraktioinnin tehostaminen lajittelussa

Painelajittimet ovat yleisimpiä hiokkeen lajitteluun käytettyjä lajittimia. Painelajittimien suorituskyky on parantunut viimeisten vuosikymmenien aikana niin paljon, että pyörrepuhdistuksesta on pääosin voitu luopua osana hiokkeen lajittelua. Painelajittimen erinomaisuus perustuu siihen, että sillä voidaan erottaa massasta hyvinkin erilaisia epäpuhtauksia. Nykyään vallitsevia painelajittelun trendejä ovat sakeuden nosto, energiankulutuksen vähentäminen sekä eri fraktioiden erottumisen tehostuminen. Kaikilla pyritään vähentämään vedenkäyttöä ja parantamaan massan ominaisuuksia jatkoprosesseja silmälläpitäen. Tässä työssä tarkasteltiin painelajittimen roottorin kierrosnopeuden vaikutusta akseptimassan laatuun. Luodaan malli freeness-pudotukselle lajittimen yli. Sekä tarkastellaan myös automaatioon pohjautuvan säädön käyttöönottoa lajittimen akseptimassan freenesvaihteluiden tasaamiseksi. Toisaalta tehdään myös suppea selvitys lajittimien energiankulutuksista erilaisilla roottorin pyörimisnopeuksilla. Tuotantokäytössä oleviin lajittimiin asennettujen invertterisäätöjen ja koepisteistä saatujen tulosten avulla voidaan todeta, että laskemalla roottorin pyörimisnopeutta voidaan lajittimessa tapahtuvaa freenespudotusta kasvattaa. Samalla saavutetaan hyötyjä myös muissa massan ominaisuuksissa, kuten vetolujuudessa. Automaattisäädön käyttöönotolla saavutetaan huomattavasti pienempi hajonta akseptimassan freeneksessä. Rejektilinjan lajittimissa hajonta lähes puolittui ja päälinjan lajittimissa päästiin noin kolmanneksen parannukseen. Energian kulutuksia tutkittaessa huomataan, että roottorin kierrosnopeutta alentamalla voidaan merkittävästi vähentää lajittimien energian kulutusta. Parhaassa tapauksessa voidaan säästää neljännes lajittelun energiakustannuksissa.

Hiontarobotti-solun tietojärjestelmä

Hiontarobotteja käytetään nopeuttamaan hiontaprosessia ja vähentämään henkilöiden tarvetta tehdä kuluttavaa ja raskasta työtä. Yleensä hiottavat kappaleet ovat suuria, jolloin hionta robotillakin kestää kauan. Kun hiottavat kappaleet ovat pieniä, robotti hioo kappaleen nopeasti. Tällöin tarvitaan automaattinen varastointi, jotta hiontarobotti pystyy jatkamaan nopeasti seuraavan kappaleen hiontaa. Automaattinen varastointi tarvitsee tiedonhallintajärjestelmän, jolla hallitaan varastossa olevien kappaleiden tietoja. Hiottava kappale täytyy esimerkiksi pystyä tunnistamaan ennen hionnan aloittamista. Yhtenä tunnistusmenetelmänä voidaan käyttää radiotaajuudella toimivia RFID-tunnisteita. Kun kappale tunnistetaan ennen hiontaa niin voidaan varmistua, että robotti suorittaa oikean hiontaohjelman kappaleelle. Diplomityö liittyy Master Automation Groupin ensimmäiseen automaattista varastoa hyödyntävään FlexMill™-hiontarobotti-soluun. Työssä on suunniteltu ja toteutettu tietokanta ja siihen liittyvä tietojärjestelmä. Kehitettävä ohjelma toimii solun toiminnasta vastaavan soluohjaimen tiedonhallintaosana. Ohjelma hyödyntää RFID-laitteita kappaleiden tunnistuksessa.

Learning Robot Motions from Visual Sensing

Learning from demonstration becomes increasingly popular as an efficient way of robot programming. Not only a scientific interest acts as an inspiration in this case but also the possibility of producing the machines that would find application in different areas of life: robots helping with daily routine at home, high performance automata in industries or friendly toys for children. One way to teach a robot to fulfill complex tasks is to start with simple training exercises, combining them to form more difficult behavior. The objective of the Master’s thesis work was to study robot programming with visual input. Dynamic movement primitives (DMPs) were chosen as a tool for motion learning and generation. Assuming a movement to be a spring system influenced by an external force, making this system move, DMPs represent the motion as a set of non-linear differential equations. During the experiments the properties of DMP, such as temporal and spacial invariance, were examined. The effect of the DMP parameters, including spring coefficient, damping factor, temporal scaling, on the trajectory generated were studied.

Mallinsovitusta käyttävä konenäköohjelmisto teollisuusrobotin ohjaukseen

Tässä työssä kehitettiin teollisuusrobottijärjestelmiin soveltuva, mallinsovitusta hyödyntävä konenäköohjelmisto. Yleiskäyttöiseksi tarkoitettuun ohjelmistoon tehtiin toiminnot konenäköjärjestelmän kalibrointiin, mallinsovitukseen käytettävien mallien hallintaan ja tulosten välitykseen teollisuusroboteille. Ohjelmiston tuli olla myös niin helppokäyttöinen, että sen käyttö onnistuu lyhyellä koulutuksella. Ohjelmistoa sovellettiin puuikkunapuitteiden robotisoituun maalausjärjestelmään. Maalausjärjestelmästä onnistuttiin tekemään automaattinen, tuotteisiin mukautuva ja virhetilanteista toipuva pitkälti toimitetun konenäköjärjestelmän ansiosta.

Membrane emulsification in preparation of single site catalyst

In the theory part the membrane emulsification was studied. Emulsions are used in many industrial areas. Traditionally emulsions are prepared by using high shear in rotor-stator systems or in high pressure homogenizer systems. In membrane emulsification two immiscible liquids are mixed by pressuring one liquid through the membrane into the other liquid. With this technique energy could be saved, more homogeneous droplets could be formed and the amount of surfactant could be decreased. Ziegler-Natta and single-site catalysts are used in olefin polymerization processes. Nowadays, these catalysts are prepared according to traditional mixing emulsification. More homogeneous catalyst particles that have narrower particle size distribution might be prepared with membrane emulsification. The aim of the experimental part was to examine the possibility to prepare single site polypropylene catalyst using membrane emulsification technique. Different membrane materials and solidification techniques of the emulsion were examined. Also the toluene-PFC phase diagram was successfully measured during this thesis work. This phase diagram was used for process optimization. The polytetrafluoroethylene membranes had the largest contact angles with toluene and also the biggest difference between the contact angles measured with PFC and toluene. Despite of the contact angle measurement results no significant difference was noticed between particles prepared using PTFE membrane or metal sinter. The particle size distributions of catalyst prepared in these tests were quite wide. This would probably be fixed by using a membrane with a more homogeneous pore size distribution. It is also possible that the solidification rate has an effect on the particle sizes and particle morphology. When polymeric membranes are compared PTFE is probably still the best material for the process as it had the best chemical durability.

Numerical modelling of small supersonic axial flow turbines

Supersonic axial turbine stages typically exhibit lower efficiencies than subsonic axial turbine stages. One reason for the lower efficiency is the occurrence of shock waves. With higher pressure ratios the flow inside the turbine becomes relatively easily supersonic if there is only one turbine stage. Supersonic axial turbines can be designed in smaller physical size compared to subsonic axial turbines of same power. This makes them good candidates for turbochargers in large diesel engines, where space can be a limiting factor. Also the production costs are lower for a supersonic axial turbine stage than for two subsonic stages. Since supersonic axial turbines are typically low reaction turbines, they also create lower axial forces to be compensated with bearings compared to high reaction turbines. The effect of changing the stator-rotor axial gap in a small high (rotational) speed supersonic axial flow turbine is studied in design and off-design conditions. Also the effect of using pulsatile mass flow at the supersonic stator inlet is studied. Five axial gaps (axial space between stator and rotor) are modeled using threedimensional computational fluid dynamics at the design and three axial gaps at the off-design conditions. Numerical reliability is studied in three independent studies. An additional measurement is made with the design turbine geometry at intermediate off-design conditions and is used to increase the reliability of the modelling. All numerical modelling is made with the Navier-Stokes solver Finflo employing Chien’s k ¡ ² turbulence model. The modelling of the turbine at the design and off-design conditions shows that the total-to-static efficiency of the turbine decreases when the axial gap is increased in both design and off-design conditions. The efficiency drops almost linearily at the off-design conditions, whereas the efficiency drop accelerates with increasing axial gap at the design conditions. The modelling of the turbine stator with pulsatile inlet flow reveals that the mass flow pulsation amplitude is decreased at the stator throat. The stator efficiency and pressure ratio have sinusoidal shapes as a function of time. A hysteresis-like behaviour is detected for stator efficiency and pressure ratio as a function of inlet mass flow, over one pulse period. This behaviour arises from the pulsatile inlet flow. It is important to have the smallest possible axial gap in the studied turbine type in order to maximize the efficiency. The results for the whole turbine can also be applied to some extent in similar turbines operating for example in space rocket engines. The use of a supersonic stator in a pulsatile inlet flow is shown to be possible.

Doubly fed induction generator versus direct drive permanent magnet synchronous generator in wind power applications

The objective of this master's thesis is to compare two different generator systems for wind turbines. It is the doubly fed induction generator system with three stage gearbox and the direct drive permanent magnet generator system. The comparison of generator systems is based on annual energy production for a given wind climate. For comparison a 3 MW, 15 rpm wind turbine is used. Modelling of a turbine rotor, gearbox and converters were done. Design of two generators was done and their performance was examined.

Insulation System in an Integrated Motor Compressor

A high-speed and high-voltage solid-rotor induction machine provides beneficial features for natural gas compressor technology. The mechanical robustness of the machine enables its use in an integrated motor-compressor. The technology uses a centrifugal compressor, which is mounted on the same shaft with the high-speed electrical machine driving it. No gearbox is needed as the speed is determined by the frequency converter. The cooling is provided by the process gas, which flows through the motor and is capable of transferring the heat away from the motor. The technology has been used in the compressors in the natural gas supply chain in the central Europe. New areas of application include natural gas compressors working at the wellheads of the subsea gas reservoir. A key challenge for the design of such a motor is the resistance of the stator insulation to the raw natural gas from the well. The gas contains water and heavy hydrocarbon compounds and it is far harsher than the sales gas in the natural gas supply network. The objective of this doctoral thesis is to discuss the resistance of the insulation to the raw natural gas and the phenomena degrading the insulation. The presence of partial discharges is analyzed in this doctoral dissertation. The breakdown voltage of the gas is measured as a function of pressure and gap distance. The partial discharge activity is measured on small samples representing the windings of the machine. The electrical field behavior is also modeled by finite element methods. Based on the measurements it has been concluded that the discharges are expected to disappear at gas pressures above 4 – 5 bar. The disappearance of discharges is caused by the breakdown strength of the gas, which increases as the pressure increases. Based on the finite element analysis, the physical length of a discharge seen in the PD measurements at atmospheric pressure was approximated to be 40 – 120 m. The chemical aging of the insulation when exposed to raw natural gas is discussed based on a vast set of experimental tests with the gas mixture representing the real gas mixture at the wellhead. The mixture was created by mixing dry hydrocarbon gas, heavy hydrocarbon compounds, monoethylene glycol, and water. The mixture was chosen to be more aggressive by increasing the amount of liquid substances. Furthermore, the temperature and pressure were increased, which resulted in accelerated test conditions. The time required to detect severe degradation was thus decreased. The test program included a comparison of materials, an analysis of the e ects of di erent compounds in the gas mixture, namely water and heavy hydrocarbons, on the aging, an analysis of the e ects of temperature and exposure duration, and also an analysis on the e ect of sudden pressure changes on the degradation of the insulating materials. It was found in the tests that an insulation consisting of mica, glass, and epoxy resin can tolerate the raw natural gas, but it experiences some degradation. The key material in the composite insulation is the resin, which largely defines the performance of the insulation system. The degradation of the insulation is mostly determined by the amount of gas mixture di used into it. The di usion was seen to follow Fick’s second law, but the coe cients were not accurately defined. The di usion was not sensitive to temperature, but it was dependent upon the thermodynamic state of the gas mixture, in other words, the amounts of liquid components in the gas. The weight increase observed was mostly related to heavy hydrocarbon compounds, which act as plasticizers in the epoxy resin. The di usion of these compounds is determined by the crosslink density of the resin. Water causes slight changes in the chemical structure, but these changes do not significantly contribute to the aging phenomena. Sudden changes in pressure can lead to severe damages in the insulation, because the motion of the di used gas is able to create internal cracks in the insulation. Therefore, the di usion only reduces the mechanical strength of the insulation, but the ultimate breakdown can potentially be caused by a sudden drop in the pressure of the process gas.

Analysis and Control of Excitation, Field Weakening and Stability in Direct Torque Controlled Electrically Excited Synchronous Motor Drives

Direct torque control (DTC) is a new control method for rotating field electrical machines. DTC controls directly the motor stator flux linkage with the stator voltage, and no stator current controllers are used. With the DTC method very good torque dynamics can be achieved. Until now, DTC has been applied to asynchronous motor drives. The purpose of this work is to analyse the applicability of DTC to electrically excited synchronous motor drives. Compared with asynchronous motor drives, electrically excited synchronous motor drives require an additional control for the rotor field current. The field current control is called excitation control in this study. The dependence of the static and dynamic performance of DTC synchronous motor drives on the excitation control has been analysed and a straightforward excitation control method has been developed and tested. In the field weakening range the stator flux linkage modulus must be reduced in order to keep the electro motive force of the synchronous motor smaller than the stator voltage and in order to maintain a sufficient voltage reserve. The dynamic performance of the DTC synchronous motor drive depends on the stator flux linkage modulus. Another important factor for the dynamic performance in the field weakening range is the excitation control. The field weakening analysis considers both dependencies. A modified excitation control method, which maximises the dynamic performance in the field weakening range, has been developed. In synchronous motor drives the load angle must be kept in a stabile working area in order to avoid loss of synchronism. The traditional vector control methods allow to adjust the load angle of the synchronous motor directly by the stator current control. In the DTC synchronous motor drive the load angle is not a directly controllable variable, but it is formed freely according to the motor’s electromagnetic state and load. The load angle can be limited indirectly by limiting the torque reference. This method is however parameter sensitive and requires a safety margin between the theoretical torque maximum and the actual torque limit. The DTC modulation principle allows however a direct load angle adjustment without any current control. In this work a direct load angle control method has been developed. The method keeps the drive stabile and allows the maximal utilisation of the drive without a safety margin in the torque limitation.

Happidispersion karakterisointi laboratoriosekoittimessa

Työn tarkoituksena oli tarkastella uutta kuvantamistekniikkaa käyttäen happikaasun dispergointia keskisakeuksisen massasuspension joukkoon laboratoriosekoittimessa. Työssä pyrittiin tarkastelemaan muodostuvan dispersion homogeenisuutta neljästä eri kuvauspisteestä sekoittimen kannesta ja kyljestä. Samalla tarkasteltiin myös sekoittimen tehonkulutusta sekä tehonkulutuksen ja aikaansaadun dispersion välistä yhteyttä. Työn yhtenä tarkoituksena oli myös tarkastella uuden kuvantamistekniikan mahdollisuuksia tämäntyyppisissä sovellutuksissa, sillä työ kuuluu PulpVision-projektiin, jossa kehitetään massa- ja paperiteollisuuden uusia konenäkösovellutuksia. Työn kokeellinen osuus koostui sekoituskokeista, joissa tarkasteltiin neljästä kuvauspisteestä kahdella sekoittimen nopeudella mänty- ja koivususpensioihin muodostuvaa kuplakokojakaumaa. Sekoituskokeiden lisäksi tehtiin tehonkulutuskokeita, joissa tarkasteltiin sekoittimen tehonkulutusta sekoittimen täyttöasteen funktiona koivu- ja mäntysuspensioilla sekä vedellä. Työn tuloksien perusteella todettiin, että koivususpensiosta havaittujen kuplien pinta-ala oli noin puolet mäntysuspensiosta havaittujen kuplien pinta-alasta. Sekoittimen roottorin pyörimisnopeuden puolittuessa suspensioon dispergoidun hapen kuplakoko kasvoi huomattavasti. Neljästä kuvausyhteestä tarkasteltuna havaittiin pienimpien kuplien esiintyvän sekoittimen alaosassa. Mäntysuspension tehonkulutuksen havaittiin kasvavan viidenneksellä, kun sekoittimen täyttöaste kasvoi 10 %, kun taas koivususpension tehonkulutuksen kasvu oli tästä vain puolet. Kuvantamislaitteiston todettiin olevan tämänkaltaiseen sovellutukseen riittävä, varsinkin kun valonlähteenä käytetään pulssilaseria.

Methodology for an AMB system commissioning

This master’s thesis is focused on the active magnetic bearings system commissioning. The scope of the work is to test the existent procedures with old and new prototypes of an AMB system and additionally automate necessary steps instead of their hand tuning, because determination of rotor clearances and finding effective rotor-origins are time consuming and error prone. The final goal is to get a documented and mostly automated step by step methodology for end efficient system’s commissioning.

Kestomagneettikoneen roottorin väsymisanalyysi

Työn tavoitteena oli luoda työkalu kestomagneettikoneiden roottoreiden väsymisen analysointia varten. Työkalu toteutettiin siten, että siihen voidaan liittää oikeasta koneesta mitattu kuormitusdata, sekä tarvittavat materiaalitiedot. Kuormitusdata muunnetaan työkalussa jännityshistoriaksi käyttämällä elementtimenetelmän avulla laskettavaa skaalauskerrointa. Kestoiän laskemiseen analyysityökalu käyttää jännitykseen perustuvaa menetelmää sekä rainflowmenetelmää ja Palmgren-Minerin kumulatiivista vauriosääntöä. Lisäksi työkalu tekee tutkittavalle tapaukselle Smithin väsymislujuuspiirroksen. Edellä mainittujen menetelmien lisäksi työn teoriaosassa esiteltiin väsymisanalyysimenetelmistä myös paikalliseen venymään perustuva menetelmä sekä murtumismekaniikka. Nämä menetelmät jäivät monimutkaisuutensa vuoksi toteuttamatta työkalussa. Väsymisanalyysityökalulla laskettiin kestoiät kahdelle esimerkkitapaukselle. Kummassakin tapauksessa saatiin tulokseksi ääretön kestoikä, mutta aksiaalivuokoneen roottorin dynaaminen varmuus oli pieni. Vaikka tulokset vaikuttavat järkeviltä, ne olisi vielä hyvä verifioida esimerkiksi kaupallisen ohjelmiston avulla täyden varmuuden saamiseksi.

Hammashihnajohdeakseleiden liikkeiden synkronointi

Nykyisessä valmistusteollisuudessa erilaisten robottien ja automatisoitujen tuotantovaiheiden rooli on erittäin merkittävä. Tarkasti suunnitellut liikkeet ja toimintavaiheet voidaan nykyisillä järjestelmillä ajoittaa tarkasti toisiinsa nähden, jolloin erilaisten virhetilanteidenkin sattuessa järjestelmä pystyy toimimaan tilanteen edellyttämällä tavalla. Automatisoinnin etuna on myös tuotannon muokkaaminen erilaisten tuotteiden valmistamiseen pienillä muutoksilla, jolloin tuotantokustannukset pysyvät matalina myös pienten valmistuserien tapauksissa. Usean akselin laitteissa eli niin sanotuissa moniakselikäytöissä laitteen toimintatarkkuus riippuu jokaisen liikeakselin tarkkuudesta. Liikkeenohjauksessa on perinteisesti ollut käytössä myötäkytketty paikkakaskadi, jonka virityksessä otetaan huomioon akselilla olevat erilaiset dynaamiset tilat ja käytettävät referenssit. Monissa nykyisissä hajautetuissa järjestelmissä eli moniakselikäytöissä, joissa jokaiselle akselille on oma ohjauslaite, ei yksittäisen akselin paikkavirhettä huomioida muiden akseleiden ohjauksessa. Työssä tutkitaan erilaisia moniakselijärjestelmien ohjausmenetelmiä ja myötäkytketyn paikkakaskadin toimintaa moniakselikäytössä pyritään parantamaan tuomalla paikkasäätimen rinnalle toinen säädin, jonka tulona on akseleiden välinen paikkaero.