Stiffness based trajectory planning and feedforward based vibration suppression control of parallel robot machines

The dissertation proposes two control strategies, which include the trajectory planning and vibration suppression, for a kinematic redundant serial-parallel robot machine, with the aim of attaining the satisfactory machining performance. For a given prescribed trajectory of the robot's end-effector in the Cartesian space, a set of trajectories in the robot's joint space are generated based on the best stiffness performance of the robot along the prescribed trajectory. To construct the required system-wide analytical stiffness model for the serial-parallel robot machine, a variant of the virtual joint method (VJM) is proposed in the dissertation. The modified method is an evolution of Gosselin's lumped model that can account for the deformations of a flexible link in more directions. The effectiveness of this VJM variant is validated by comparing the computed stiffness results of a flexible link with the those of a matrix structural analysis (MSA) method. The comparison shows that the numerical results from both methods on an individual flexible beam are almost identical, which, in some sense, provides mutual validation. The most prominent advantage of the presented VJM variant compared with the MSA method is that it can be applied in a flexible structure system with complicated kinematics formed in terms of flexible serial links and joints. Moreover, by combining the VJM variant and the virtual work principle, a systemwide analytical stiffness model can be easily obtained for mechanisms with both serial kinematics and parallel kinematics. In the dissertation, a system-wide stiffness model of a kinematic redundant serial-parallel robot machine is constructed based on integration of the VJM variant and the virtual work principle. Numerical results of its stiffness performance are reported. For a kinematic redundant robot, to generate a set of feasible joints' trajectories for a prescribed trajectory of its end-effector, its system-wide stiffness performance is taken as the constraint in the joints trajectory planning in the dissertation. For a prescribed location of the end-effector, the robot permits an infinite number of inverse solutions, which consequently yields infinite kinds of stiffness performance. Therefore, a differential evolution (DE) algorithm in which the positions of redundant joints in the kinematics are taken as input variables was employed to search for the best stiffness performance of the robot. Numerical results of the generated joint trajectories are given for a kinematic redundant serial-parallel robot machine, IWR (Intersector Welding/Cutting Robot), when a particular trajectory of its end-effector has been prescribed. The numerical results show that the joint trajectories generated based on the stiffness optimization are feasible for realization in the control system since they are acceptably smooth. The results imply that the stiffness performance of the robot machine deviates smoothly with respect to the kinematic configuration in the adjacent domain of its best stiffness performance. To suppress the vibration of the robot machine due to varying cutting force during the machining process, this dissertation proposed a feedforward control strategy, which is constructed based on the derived inverse dynamics model of target system. The effectiveness of applying such a feedforward control in the vibration suppression has been validated in a parallel manipulator in the software environment. The experimental study of such a feedforward control has also been included in the dissertation. The difficulties of modelling the actual system due to the unknown components in its dynamics is noticed. As a solution, a back propagation (BP) neural network is proposed for identification of the unknown components of the dynamics model of the target system. To train such a BP neural network, a modified Levenberg-Marquardt algorithm that can utilize an experimental input-output data set of the entire dynamic system is introduced in the dissertation. Validation of the BP neural network and the modified Levenberg- Marquardt algorithm is done, respectively, by a sinusoidal output approximation, a second order system parameters estimation, and a friction model estimation of a parallel manipulator, which represent three different application aspects of this method.

Laserhitsattavan tuotteen suunnittelu

Tässä työssä tarkastellaan laserhitsattavan tuotteen suunnittelua ja sen tuotekehitykseen liittyviä tekijöitä. Tuotteen suunnittelua käsitellään valmistuksellisesta näkökulmasta, eli siitä, kuinka tuotteen suunnittelussa voidaan ottaa huomioon tuotteen valmistus- ja kokoonpanoystävällisyys. Laserhitsattavan tuotteen suunnittelua käsitellään myös tuotteen ominaisuuksien kannalta, eli kuinka lopullisesta tuotteesta saadaan mahdollisimman laadukas ja kilpailukykyinen. Suomen kaarihitsausosaaminen on kansainvälisesti korkealuokkaista, mutta laserhitsaus eroaa perinteisistä kaarihitsausprosesseista paljon. Kun laserilla hitsattavaa tuotetta suunnitellaan, ovat menetelmäkohtaiset suunnittelusäännöt erilaiset kuin kaarihitsauksessa. Laserhitsaus vaatii teknisesti pajalta enemmän, mutta se myös avaa uusia ovia tuotesuunnittelulle ja mahdollistaa tuotteita, jotka olisivat perinteisillä menetelmillä hankalia tai mahdottomia valmistaa. Oikein käyttöönotettuna laserhitsauksella voidaan päästä matalampiin valmistuskustannuksiin. Kustannustehokkaaseen tuotantoon päästäkseen täytyy kuitenkin ymmärtää tuotteen kustannusrakenne. Työn lopussa tarkastellaan ja vertaillaan perinteisen ja laserhitsatun tuotteen kustannuksia ja kustannusrakennetta.

Kuorimarummun kantokehän ja lohkon valmistuksen ja vaihdon kriittiset menestystekijät

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma Sami Suvanto Kuorimarummun kantokehän ja lohkon valmistuksen ja vaihdon kriittiset menestystekijät. Diplomityö 2014 64 sivua, 16 kuvaa, 5 taulukkoa, 1 liite Tarkastajat: Professori Jukka Martikainen DI Jari Junninen Hakusanat: kuorimo, kuorimarumpu, kantokehä, vaippalohko, hitsaus Keywords: wood room, debarking drum, support ring, drum shell, welding Sellutehtaiden puunkäsittelylaitoksilla kuorimarumpu on yksi tärkeimmistä prosessilaitteista. Kuorimarummun kantokehän tai lohkon vaihto on tyypillisesti koko puunkäsittelyn elinkaaren merkittävin korjausinvestointi. Markkinoilla on muutamia laitevalmistajia, jotka kilpailevat omien, sekä kilpailijoiden kuorimarumpujen korjausurakoista. Tässä diplomityössä selvitetään kuorimarummun kantokehän ja lohkonvaihtourakoiden kriittiset menestystekijät. Selvitys tehdään arvioimalla tekninen konstruktio, vaihtomenetelmät, sekä toimintamalli vaihtoprojektin suorittamisessa. Case tutkimukseen valittiin yksi kilpailijalle hävitty vaippalohkon vaihtotarjous, yksi kilpailijalle hävitty kantokehän vaihtotarjous, sekä yksi kantokehätoimitus. Työn tuloksena vahvuudet ja heikkoudet kuorimarummun kunnossapidossa tulivat esiin. Työn aikana löydettiin myös lukuisia kehitysideoita. Näitä ideoita viedään eteenpäin normaalina kehitystyönä.

Konepajan hitsaustuotannon kehittäminen kattavien laatuvaatimusten mukaiseksi

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Konetekniikan koulutusohjelma Voitto Kettunen Konepajan hitsaustuotannon kehittäminen kattavien laatuvaatimusten mukaiseksi Diplomityö 2015 167 sivua, 39 kuvaa, 26 taulukkoa ja 3 liitettä Tarkastajat: Professori Jukka Martikainen DI Pertti Kaarre Hakusanat: hitsaus, hitsauksen laatu, konepajan laadunhallinta, kattavat laatuvaatimukset, ISO 9001, ISO 3834, EN 1090 Keywords: welding, quality of welding, engineering workshop quality management, comprehensive quality requirements, ISO 9001, ISO 3834, EN 1090 Hitsaamalla liitetyt teräksiset rakenteet muodostavat ylivoimaisesti suurimman osan konepajatuotannosta. Niihin kuuluu esimerkiksi ajoneuvoja, koneita, laitteita, säiliöitä, siiloja, siltoja, mastoja, piippuja, tukirakenteita ja rakennusten runkoja. Tämän diplomityön tavoitteena on kehittää konepajan laadunhallinta sellaiseksi, että se mahdollistaa kattavien laatuvaatimusten täyttämisen hitsaustuotannossa. Laatuvaatimusten täyttämiseen pyritään käyttämällä hitsaustoimintojen standardia EN ISO 3834-2 sekä kantavien teräsrakenteiden standardeja EN 1090-1 ja EN 1090-2. Teräsrakenteiden suunnittelua ohjaa EN 1993 ja niiden toiminnallisia ominaisuuksia tuotestandardit, kuten terässavupiippu- ja säiliöstandardit. Kantavien teräsrakenteiden suunnittelua ja tuotantoa ohjaa myös seuraamusluokan CC, käyttöluokan SC ja tuotantoluokan PC kautta määräytyvä toteutusluokka EXC. Aikaisempaa enemmän tullaan panostamaan esimerkiksi asiakirjojen sähköiseen hallintaan, raaka-aineiden jäljitettävyyteen tuotteeseen, särmien ja kulmien muotoiluun, pintojen käsittelyyn, hitsien tarkastukseen, hitsaushenkilöstön pätevyyteen ja hitsaustuotannon tehokkuuteen. Saarijärven Säiliövalmiste Oy:n hitsauksen laadunhallinta sertifioitiin standardin ISO 3834-2 mukaan ja kantavien teräsrakenteiden FPC-järjestelmä standardisarjaa EN 1090 noudattaen. Samalla tehtiin päivitys laadunhallintajärjestelmään ISO 9001. Toteutus, joka tehtiin sovitussa aikataulussa, haastaa jokaisen toimijan konepajassa toiminnan, tuotannon ja tuotteiden laadun kehittämiseen uusia käytänteitä ja menetelmiä soveltaen. Kehitystoimien tuloksena toiminta on selkeämpää, ennakoitavampaa ja hallitumpaa, mikä lisää yrityksen toiminnan tuottavuutta ja kannattavuutta. Sertifioidut laatujärjestelmät ovat myötävaikuttaneet tilausten lisääntymiseen yrityksen kaikkien tuotteiden osalta.

Pulssimuodon vaikutus valokaaren käytettävyyteen pulssi-MIG/MAG-hitsauksessa

Käytettävyydeltään huippuluokkaa olevan pulssi-MIG/MAG-hitsausvalokaaren toteuttaminen vaatii runsaasti tietoa eri pulssiparametreista ja niiden vaikutuksista hitsaukseen. Näihin vaikutuksiin liittyvä tieteellinen tutkimus on ollut melko vähäistä. Erityisesti tieto pulssimuodon vaikutuksista hitsausääneen on perustunut lähinnä kokemuksen tuomaan tuntumaan. Tässä diplomityössä tutkittiin pulssimuodon vaikutusta valokaaren käytettävyyteen pulssi-MIG/MAG-hitsauksessa. Käytettävyys käsittää tässä tapauksessa hitsausäänen, hitsin geometrian ja hitsausominaisuudet. Tutkimuksen alussa perehdyttiin kirjallisuuteen ja tuoreimpiin tutkimuksiin, jonka jälkeen vertailtiin erilaisia pulssimuotoja keskenään hitsauskokeiden avulla. Hitsausääneen ja hitsin geometriaan liittyvät kokeet suoritettiin mekanisoidusti. Hitsausääneen liittyvät mittaukset suoritettiin luokan 1 äänitasomittarilla ja tuloksia analysoitiin tietokoneohjelmistolla. Hitsien geometrioiden vertailu suoritettiin makrohietutkimuksena. Hitsausominaisuuksia tutkittiin suurnopeuskameran ja oskilloskoopin, sekä lopulta käsinhitsauskokeiden avulla. Kaikissa koevaiheissa pulssimuodon tarkasteluun käytettiin oskilloskooppia. Lisäksi käytössä oli toinen oskilloskooppi, jolla tarkasteltiin hitsausvirran spektriä. Pulssimuodon muokkaamiseen käytettiin erillistä tietokoneohjelmaa. Työn kokeellinen osuus keskittyi pulssi-MAG-hitsaukseen. Pulssimuotoa muokkaamalla saatiin aikaan miellyttävämpi hitsausääni. Lisäksi havaittiin, että pulssimuotoa muokkaamalla hitsistä saadaan kapeampi, jolloin juuritunkeumaa saavutetaan enemmän. Käsinhitsauskokeet osoittivat muokatun pulssimuodon olevan myös hitsaajan näkökulmasta käytettävyydeltään paras pulssimuoto. Erityisesti valokaaren vakaus ja kohdistuvuus sekä suurien hitsausnopeuksien sietokyky olivat muokatun pulssimuodon etuja. Selviä haittavaikutuksia pulssimuodon muokkaamiselle ei löydetty.

Photophysical studies of zinc phthalocyanine and chloroaluminum phthalocyanine incorporated into liposomes in the presence of additives

The photophysical properties of zinc phthalocyanine (ZnPC) and chloroaluminum phthalocyanine (AlPHCl) incorporated into liposomes of dimyristoyl phosphatidylcholine in the presence and absence of additives such as cholesterol or cardiolipin were studied by time-resolved fluorescence, laser flash photolysis and steady-state techniques. The absorbance of the drugs changed linearly with drug concentration, at least up to 5.0 µM in homogeneous and heterogeneous media, indicating that aggregation did not occur in these media within this concentration range. The incorporation of the drugs into liposomes increases the dimerization constant by one order of magnitude (for ZnPC, 3.6 x 10(4) to 1.0 x 10(5) M-1 and for AlPHCl, 3.7 x 10(4) to 1.5 x 10(5) M-1), but this feature dose does not rule out the use of this carrier, since the incorporation of these hydrophobic drugs into liposomes permits their systemic administration. Probe location in biological membranes and predominant positions of the phthalocyanines in liposomes were inferred on the basis of their fluorescence and triplet state properties. Both phthalocyanines are preferentially distributed in the internal regions of the liposome bilayer. The additives affect the distribution of these drugs within the liposomes, a fact that controls their delivery when both are used in a biological medium, retarding their release. The addition of the additives to the liposomes increases the internalization of phthalocyanines. The interaction of the drugs with a plasma protein, bovine serum albumin, was examined quantitatively by the fluorescence technique. The results show that when the drugs were incorporated into small unilamellar liposomes, the association with albumin was enhanced when compared with organic media, a fact that should increase the selectivity of tumor targeting by these phthalocyanines (for ZnPC, 0.71 x 10(6) to 1.30 x 10(7) M-1 and for AlPHCl, 4.86 x 10(7) to 3.10 x 10(8) M-1).

Esikiristetyn pulttiliitoksen vaikutus hitsausmuodonmuutoksiin

Tässä työssä tutkitaan propulsioyksikön kiinnitysrenkaan pulttiliitosten vaikutusta asen-nushitsauksesta aiheutuviin hitsausmuodonmuutoksiin. Hitsausmuodonmuutoksissa tutki-taan tärkeimpinä kohtina asennuslohkossa laakerin rajapintaa sekä kääntömoottorin kiinni-tyspintaa. Tutkimuksessa asennuslohkon hitsaaminen ja muodonmuutosten arvioiminen toteutettiin käyttämällä epälineaarista elementtimenetelmää. Ensisijaisena tavoitteena työssä on tutkia esikiristettyjen pulttiliitoksien vaikutusta raken-teen muodonmuutoksiin ja pohtia aiheutuvien siirtymien perusteella pulttien tarpeellisuutta rakenteessa. Tämän lisäksi vertaillaan pultillisen ja pultittoman kiinnitystavan eroavaisuuk-sia tuloksia analysoimalla. Saatujen tuloksien perusteella radiaaliset ja aksiaaliset siirtymät eivät olleet riittävän suuria aiheuttamaan haittoja rakenteen toimivuudelle kummassakaan mallissa. Lisäanalyysejä tar-kemmalla lämmöntuonnilla voidaan pitää tarvittavana pulttiliitoksien tarpeellisuuden tar-kemman testaamisen vuoksi.

Kaarityypin ja suojakaasun vaikutus roiskeisuuteen teräksen MAG-hitsauksessa

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan suojakaasun ja kaarityypin vaikutuksia roiskeisuuden muodostumiselle teräksen MAG-hitsauksessa (nro. 135). Roiskeisuuden tutkimisessa tutkitaan kolmea (3) eri kaarityyppiä ja kahta (2) eri suojakaasua ja niiden keskenäisiä vaikutuksia roiskeiden syntymiselle. Tutkittavat kaarityypit ovat pulssi-, kuumakaari sekä Kemppi Oy:n WiseFusion erikoiskaarisovellus. Suojakaasuina käyetään AGAn Corgon 3 ja Mison 18 suojakaasuja. Hitsauskokeita suoritetaan kuusi (6) kappaletta alapienana jalkoasennossa (PA). Työn alussa perehdytään MAG-hitsauksen laitteistoon ja teoriaan sekä perehdytään mitkä eri asiat vaikuttavat roiskeiden muodostumiseen. Työn lopussa verrataan tieteellisistä julkaisuista löydettyjä tietoja ja tuloksia itsetehtyihin koetuloksiin.

Extracts of Azadirachta indica and Melia azedarach seeds inhibit folliculogenesis in albino rats

The seed oil of Azadirachta indica A. Juss (neem) is used in traditional medicine for its antidiabetic, spermicidal, antifertility, antibacterial, and wound healing properties. The present study was undertaken to investigate the quantitative aspects of follicular development in cyclic female albino rats (135 ± 10 g; 8 groups with 6 animals in each group) after oral administration of polar (PF) and non-polar (NPF) fractions of A. indica seed extract at 3 and 6 mg kg body weight-1 day-1 and Melia azedarach Linn. (dharek) seed extract at 24 mg kg body weight-1 day-1 for 18 days. The extracts were prepared using a flash evaporator at 35°C and then dissolved in olive oil to prepare doses on a per kg body weight basis. There was a significant reduction (P = 0.05) in the number of normal single layered follicles (A. indica: 0.67 ± 0.33 and 4.67 ± 2.03 after 3 and 6 mg/kg NPF, and 3.33 ± 1.67 and 1.00 ± 1.00 after 3 and 6 mg/kg PF vs control: 72.67 ± 9.14 and M. azedarach: 0.60 ± 0.40 and 1.80 ± 1.2 after 24 mg/kg PF and NPF, respectively, vs control: 73.40 ± 7.02) and follicles in various stages (I-VII) of follicular development in all treatment groups. These extracts also significantly reduced (P = 0.05) the total number of normal follicles in the neem (14.67 ± 5.93 and 1.00 ± 1.00 after 3 and 6 mg/kg PF and 3.67 ± 0.88 and 5.33 ± 2.03 after 3 and 6 mg/kg NPF) and dharek (13.00 ± 3.58 and 14.60 ± 2.25 after 24 mg/kg NPF and PF) treatments compared to control (216.00 ± 15.72 and 222.20 ± 19.52, respectively). Currently, indiscriminate use of persistent and toxic rodenticides to control rodent populations has created serious problems such as resistance and environmental contamination. Therefore, it becomes necessary to use ecologically safe and biologically active botanical substances that are metabolized and are not passed on to the next trophic level, and that interfere with the reproductive potential particularly growth and differentiation of follicles. This may help elevate the socio-economic status of the country. Thus, the present study is an attempt to investigate the effects of A. indica and M. azedarach seed extracts on reproduction of albino rats.

Alumiinin oksidikerroksen merkitys hitsauksessa

Tämä kandidaatintyö on kirjallisuuden pohjalta laadittu yhteenveto alumiinin oksidikerroksen vaikutuksesta hitsauksessa. Työssä käsitellään alumiinia alkuaineena, alumiinin oksidikerroksen muodostumista ja rakennetta, seosaineiden vaikutusta oksidikerrokseen, alumiinin hitsattavuutta teräkseen vertaillen, alumiiniseosten hitsattavuutta, oksidikerroksen merkitystä hitsauksessa, alumiinin yleisiä hitsausvirheitä, oksidikerroksen poistotapoja sekä alumiinin eri hitsausmenetelmiä. Hitsausmenetelmistä käsitellään pääasiassa alumiinin MIG-, TIG- ja plasmahitsausta.

Weld joint characteristics by nano-materials addition

The need for industries to remain competitive in the welding business, has created necessity to develop innovative processes that can exceed customer’s demand. Significant development in improving weld efficiency, during the past decades, still have their drawbacks, specifically in the weld strength properties. The recent innovative technologies have created smallest possible solid material known as nanomaterial and their introduction in welding production has improved the weld strength properties and to overcome unstable microstructures in the weld. This study utilizes a qualitative research method, to elaborate the methods of introducing nanomaterial to the weldments and the characteristic of the welds produced by different welding processes. The study mainly focuses on changes in the microstructural formation and strength properties on the welded joint and also discusses those factors influencing such improvements, due to the addition of nanomaterials. The effect of nanomaterial addition in welding process modifies the physics of joining region, thereby, resulting in significant improvement in the strength properties, with stable microstructure in the weld. The addition of nanomaterials in the welding processes are, through coating on base metal, addition in filler metal and utilizing nanostructured base metal. However, due to its insignificant size, the addition of nanomaterials directly to the weld, would poses complications. The factors having major influence on the joint integrity are dispersion of nanomaterials, characteristics of the nanomaterials, quantity of nanomaterials and selection of nanomaterials. The addition of nanomaterials does not affect the fundamental properties and characteristics of base metals and the filler metal. However, in some cases, the addition of nanomaterials lead to the deterioration of the joint properties by unstable microstructural formations. Still research are ongoing to achieve high joint integrity, in various materials through different welding processes and also on other factors that influence the joint strength.

Tangential microfiltration of orange juice in bench pilot

The aim of this study was to introduce the tangential microfiltration (TMF) technique on the production of orange juice (TMFJ), and compare it with pasteurised juice (control) as regards chemical composition and sensorial characteristics. We used a TMF pilot equipped with four monotubular ceramic membranes (0.1, 0.2, 0.8 and 1.4mm) arranged in series with a filtering area of 0.005 m² each. Commercial flash-pasteurised orange juice was used as the initial product. Experiments were divided into three parts: a) the characterisation of the TMF pilot; b) optimisation of operational conditions; c) production of the TMFJ. In the second part, membrane with 0.8-mm pores presented best flux followed by those with 1.4-, 0.1-, and 0.2-mm pores. However, to guarantee permeate sterility, we chose the membrane with 0.1-mm pores for TMFJ production. Initially, the orange juice was sieved in order to separate part of the pulp, being subsequently submitted to TMF. A mixture of retentate and pulp was made, and was subsequently pasteurised. We obtained the TMFJ by adding the permeate to the mixture. TMFJ presented soluble solids content (°Brix), pulp, pH, and titrable acidity similar to the initial pasteurised juice (control). Nevertheless, 28% of vitamin C was lost during the TMFJ production. According to the juice taster panel, the control juice presented best sensorial characteristics (greater aroma intensity and fruity flavour) when compared with the TMJF.