Design of an Embedded Computer Board for Networking Applications

Tämä diplomityö tehtiin Convergens Oy:lle. Convergens on elektroniikan suunnittelutoimisto, joka on erikoistunut sulautettuihin järjestelmiin sekä tietoliikennetekniikkaan. Diplomityön tavoitteena oli suunnitella tietokonekortti tietoliikennesovelluksia varten asiakkaalle, jolta vaatimusmäärittelyt tulivat. Työ on rajattu koskemaan laitteen prototyypin suunnittelua. Työssä suunnitellaan pääasiassa WLAN-tukiaseman tietokone. Tukiasema onasennettavissa toimistoihin, varastoihin, kauppoihin sekä myös liikkuvaan ajoneuvoon. Suunnittelussa on otettu nämä asiat huomioon, ja laitteen akun pystyy lataamaan muun muassa auton akulla. Langattomat tekniikat ovat voimakkaasti yleistymässä, ja tämän työn tukiasema tarjoaakin varteenotettavan vaihtoehdon lukuisilla ominaisuuksillaan. Mukana on mm. GPS, Bluetooth sekä Ethernet-valmius. Langattomien tekniikoiden lisäksi myös sulautetut järjestelmät ovat voimakkaasti yleistymässä, ja nykyään mikroprosessoreita löytääkin lähesmistä vain. Tässä projektissa käytetty prosessori on nopeutensa puolesta kilpailukykyinen, ja siitä löytyy useita eri rajapintoja. Jatkossa tietokonekortille on myös tulossa WiMAX-tuki, joka lisää tukiaseman tulevaisuuden arvoa asiakkaalle. Projektiin valittu Freescalen MPC8321E-prosessori on PowerPC-arkkitehtuuriin perustuva ja juuri markkinoille ilmestynyt. Tämä toi mukanaan lisähaasteen, sillä kyseisestä prosessorista ei ollut vielä kaikkea tietoa saatavilla. Mekaniikka toi omat haasteensa mukanaan, sillä se rajoitti piirilevyn koonniin, että ylimääräistä piirilevytilaa ei juurikaan jäänyt. Tämän takia esimerkiksi DDR-muistit olivat haastavia reitittää, sillä muistivetojen on oltava melko samanpituisia keskenään. Käyttöjärjestelmänä projektissa käytetään Linuxia. Suunnittelu alkoi keväällä 2007 ja toimiva prototyyppi oli valmis alkusyksystä. Prototyypin testaus osoitti, että tietokonekortti kykenee täyttämään kaikki asiakkaan vaatimukset. Prototyypin testauksessa löytyneet viat ja optimoinnit on tarkoitus korjata tuotantomalliin, joten se antaa hyvän pohjan jatkosuunnittelua varten.

Modernisation of bar mill automation

Työn tavoitteena on tankovalssaamon perusautomaation modernisointi Ovako Bar Oy Ab:n Imatran terästehtaalla. Vanha automaatiojärjestelmä on toteutettu 80-luvun puoli-välin tekniikalla käyttämällä Siemens Sicomp MMC 216 moniprosessori-tietokonetta, Siemens Simatic S5 logiikkayksiköitä sekä Siemens Simadyn D DC-käyttöjä. Modernisoinnin tarkoituksena on korvata vanha automaatiojärjestelmä Siemens PCS7 -järjestelmällä siten, että tankovalssaamon automaatiojärjestelmä voidaan liittää osaksi jo aiemmin modernisoituja, nykyisin PCS7 automaatiojärjestelmällä toteutettuja ratkaisu-ja. Valssaamon mekaniikka ei mahdollista tuotannon kasvattamista pelkästään uuden automaatiojärjestelmän avulla, joten modernisointi keskittyy parantamaan järjestelmän luotettavuutta ja helpottamaan ylläpitoa. Projekti päätettiin jakaa kolmeen osaan, jotka voidaan toteuttaa erillisinä osaprojekteina. Tärkein osaprojekti on MMC järjestelmän uusinta. Muut osaprojektit ovat DC-käyttöjen sekä ohjelmoitavien logiikkojen modernisointi. Osaprojektit valittiin siten, että mikä tahansa niistä voidaan toteuttaaerillisenä projektinaan, mikäli kaikkia osia ei voida mo-dernisoida samanaikaisesti budjetin asettamien rajoitusten vuoksi.

Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.

DTC-OHJATUN TAHTIKONEKÄYTÖN PYÖRIMISNOPEUSSÄÄDÖN ANALYYSI INTEGROIDUN SIMULOINTIMALLIN AVULLA

Työssä rakennettiin integroitu simulointimalli sähkökäytölle, jonka mekaniikka koostuu joustava-akselisesta kaksimassa systeemistä. Lisäksi tarkasteltiin kyseiselle sähkökäytölle ominaisia piirteitä ja niiden aiheuttamia ongelmia eri sovelluksissa, sekä tutkittiin teollisuudessa yleisesti esiintyvän pyörimisnopeussäädön, PI-säädön, parametrien vaikutusta kyseisen mekaniikan omaaviin sähkökäyttöihin. Taajuusmuuttajalle kehiteltiin yksinkertaistettu simulointimalli, jolla pystytään pienentämään merkittävästi simuloinnin laskenta-aikaa. Vääntövärähtelyiden kompensointiin tutkittiin optimaalista tilasäätöä, jossa Kalman suotimella estimoidaan systeemin tilojen lisäksi myös kuormamomentti ja jossa nopeussäätö suunnitellaan lineaarisella neliöllisellä menetelmällä (Linear Quadratic).

Tukin asemointi sahausta varten

Diplomityössä tutkittiin tukinpyörityksen yleisimpiä ongelmia. Tutkimus selvitti tukinpyörityksen ongelmien syitä, sekä määritti kahden tukinpyörityslaitteiston takuuarvot. Tutkimuksen kohteena oli myös prosessiparametrien muutoksen vaikutus pyöritystarkkuuteen. Tukin pyöritysvirheen ja saannon yhteyttä tutkittiin teorian perusteella. Tukin onnistuneessa asemoinnissa sahaukseen täytyy hallita tukinpyöritys sekä -suuntaus. Tukin virheellinen asemointi heikentää saantoa. Raaka-ainekustannukset ovat suurimmat yksittäiset kustannukset sahoilla, siksi tukin virheellinen asemointi heikentää sahan taloudellista tulosta voimakkaasti. Työn tuloksista käy ilmi, ettei tukinpyörityksen onnistuminen riipu ainoastaan mekaanisista ratkaisuista, järjestelmän kaikkien komponenttien on toimittava moitteettomasti. Mekaniikka ei toteuta pyörityskäskyjä oikein, jos käskyt ovat epätarkkoja. Tukinpyörityksen tarkkuuden mittaukseen on kiinnitetty huomiota vasta äskettäin. Tunnusluvut, jotka kuvaavat tukinpyöritystarkkuutta ovat vakiintumassa yleiseen käyttöön. Työn tulosten perusteella voidaan tukinpyörityslaitteistojen myynti perustaa tutkimustiedolle.

In-Vessel Penetrator -käärmerobotin mallinnus ADAMS-ohjelmistolla

Työn tavoitteena oli muodostaa virtuaaliprototyyppi fuusioreaktorin huollossa käytettävästä IVP-robotista. Työssä mallinnettiin robotin mekaniikka joustavana sekä toimilaitteiden ja käyttöjen dynaamiset ominaisuudet valmistajien esitietojen ja mitoitustietojen perusteella. Käyttöjen ja mekaniikan mallit yhdistettiin ADAMS-ohjelmistossa. Mekaanisten joustojen mallinnuksessa sekä verifioinnissa käytettiin apuna ANSYS –ohjelmistoa. Virtuaaliprototyypin toimivuudesta varmistuttiin vertaamalla sitä robotin suunnittelutietoihin ja fyysiseen prototyyppiin. Robotin ohjauksessa käytettävän P-säätäjän vaikutusta tutkittiin eri vahvistuksen arvoilla sekä verrattiin mekaanisia vasteita fyysisen prototyypin dynaamisiin testeihin. Esimerkkinä robotin käyttäytymisestä todellisessa tilanteessa simuloitiin sen ajoa reaktoriin. Toteutetun simulointimallin todettiin vastaavan rakenteeltaan sekä siinä esiintyvien voimien osalta suunnitelmien mukaista konstruktiota. Käytetyillä parametreilla se toteutti hyvin robotille asetetut nopeusvaatimukset.

Dynamiikan simulointi avoauton tuotekehityksessä

Työn tarkoituksena on perehdyttää Valmet Automotive Oy:n tuotekehitysosastoa dynamiikan simuloinnin perusperiaatteisiin ja kehittää osastolle tulevaisuuden toimintamalli, jossa dynamiikan simulointi on strategisena osa-alueena tuotekehitysprosessissa. Dynamiikan simuloinnin periaatteita käsitellään teoriaosan avulla ja selvitetään kahden eri menetelmän, MBS-simuloinnin ja eksplisiittisen FE-analyysin soveltuvuutta analysointikeinona. Tutkitaan, mihin kohteisiin dynamiikan simulointia voitaisiin tuotekehitysosastolla käyttää ja esitetään toimintatavat kehitettyjen sovelluskohteiden analysoimiseksi. Lisäksi työssä kartoitetaan olemassa olevia dynamiikan simulointiohjelmistoja, joista potentiaalisimpia koekäytetään sovelluskohteisiin ja tuotekehityskeskuksen CAE-järjestelmään soveltuvuuden tarkistamiseksi. Dynamiikan simuloinnista saatavien hyötynäkökohtien perusteella ehdotetaan yritykselle jatkotoimenpiteitä.

Sähkökäyttöisen konejärjestelmän vuorovaikutteinen simulointi

Työn tavoitteena oli toteuttaa simulointimalli, jolla pystytään tutkimaan kestomagnetoidun tahtikoneen aiheuttaman vääntömomenttivärähtelyn vaikutuksia sähkömoottoriin liitetyssä mekaniikassa. Tarkoitus oli lisäksi selvittää kuinka kyseinen simulointimalli voidaan toteuttaa nykyaikaisia simulointiohjelmia käyttäen. Saatujen simulointitulosten oikeellisuus varmistettiin tätä työtä varten rakennetulla verifiointilaitteistolla. Tutkittava rakenne koostui akselista, johon kiinnitettiin epäkeskotanko. Epäkeskotankoon kiinnitettiin massa, jonka sijaintia voitiin muunnella. Massan asemaa muuttamalla saatiin rakenteelle erilaisia ominaistaajuuksia. Epäkeskotanko mallinnettiin joustavana elementtimenetelmää apuna käyttäen. Mekaniikka mallinnettiin dynamiikan simulointiin tarkoitetussa ADAMS –ohjelmistossa, johon joustavana mallinnettu epäkeskotanko tuotiin ANSYS –elementtimenetelmäohjelmasta. Mekaniikan malli siirrettiin SIMULINK –ohjelmistoon, jossa mallinnettiin myös sähkökäyttö. SIMULINK –ohjelmassa mallinnettiin sähkökäyttö, joka kuvaa kestomagnetoitua tahtikonetta. Kestomagnetoidun tahtikoneen yhtälöt perustuvat lineaarisiin differentiaaliyhtälöihin, joihin hammasvääntömomentin vaikutus on lisätty häiriösignaalina. Sähkökäytön malli tuottaa vääntömomenttia, joka syötetään ADAMS –ohjelmistolla mallinnettuun mekaniikkaan. Mekaniikan mallista otetaan roottorin kulmakiihtyvyyden arvo takaisinkytkentänä sähkömoottorin malliin. Näin saadaan aikaiseksi yhdistetty simulointi, joka koostuu sähkötoimilaitekäytöstä ja mekaniikasta. Tulosten perusteella voidaan todeta, että sähkökäyttöjen ja mekaniikan yhdistetty simulointi on mahdollista toteuttaa valituilla menetelmillä. Simuloimalla saadut tulokset vastaavat hyvin mitattuja tuloksia.

Conceptual Design of Embedded Weather Display

The objective of this thesis work is to describe the Conceptual Design process of an embedded electronic display device. The work presents the following sub processes: definition of device specifications, introduction to the technological alternatives for system components and their comparison, comparative photometric measurements of selected display panels, and the design and building of a functional concept prototype. This work focuses mainly on electronics design, albeit the mechanical issues and fields of the software architecture that significantly affect the decisions are also discussed when necessary. The VESA Flat Panel Display Measurement (FPDM) 2.0 Standard was applied to the appropriate extent into photometric measurements. The results were analyzed against the requirement standards of a customer-specific display development project. An Active Matrix LCD was selected as the display of concept prototype, but also the excellent visual characteristics of Active Matrix OLED technology were noted. Should the reliability of the OLED products be significantly improved in the future, utilizing such products in the described application must be reconsidered.

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.

Dynamiikan simulointi poralaitteiden tuotekehityksessä

Diplomityö käsittelee kallioporalaitteen eliniän kuormitusten arviointiin tarkoitetun simulointimallin rakentamista. Työssä luotiin modulaarinen malli, jolla voidaan simuloida dynaamisesti esteen yliajo. Esteen yliajo on perinteinen tehdastesti uusien laitteiden prototyypeille. Sillä pyritään saamaan selville laitteen maksimikuormitustapaukset. Pintaporalaitteen simulointimalli tehtiin ADAMS-ohjelmistolla laitteen suunnittelussa tehtyjä CAD-malleja hyödyntäen. ADAMS-ohjelmistolla mallinnettiin laitteen yksinkertaistettu mekaniikka siten, että laite oli jaettu viiteen eri moduuliin. Runko ja telasto olivat omana osionaan. Puomi ja syöttölaite oli oma kokoonpanonsa ja ohjaamo sekä katteet olivat kaksi erillistä modulia. Viides moduuli oli hydrauliikka, joka simuloitiin rinnakkaissimulointina EASY5-ohjelmistolla. Simuloituja esteen yliajon tuloksia verrattiin prototyyppilaitteen tehdastestien mitattuihin kuormituksiin. Vertailu tehtiin mallinnettujen neljän sylinterin paineita tarkastelemalla. Tuloksia tarkastellessa havaittiin, että simulaatiomalli antaa varsinkin staattisissa tarkasteluissa oikean suuntaisia tuloksia. Dynaamisissa tilanteissa koneen maksimikuormituksilla mallinnustarkkuus ei tämän työn laajuudessa ole riittävä varsinaiseen eliniän analysointiin. Sen sijaan mallinnustekniikka todettiin periaatteessa toimivaksi ja jatkokehityskelpoiseksi.