Praktische modellering en tuning van een mechatronisch systeem

Om de gevraagde prestatie te bereiken, werd de regeling na integratie getuned met behulp van een in eigen huis ontwikkelde spectrumanalysator in LabVIEW, die werkt met de standaard audio in- en uitgangen van de PC. Open-source, hergebruik, zelfbouw, standaard… dat klinkt politiek allemaal zeer correct. We vragen mechatronica-architect Angelino Eijgermans van NBG naar zijn overwegingen.

NBG heeft zich in zijn dertienjarig bestaan altijd beziggehouden met de ontwikkeling van maatwerkelektronica in combinatie met embedded software, van conceptfase tot en met de levering van de geteste nulserie. Applicaties voor test en meetomgevingen worden vaak ontwikkeld op basis van LabVIEW. Een andere NBG-discipline is het automatiseren van nieuwe en bestaande productielijnen, waarbij het meestal gaat om de intelligente softwarebesturing tussen productiemachine en het logistieke systeem.

Eijgermans wijdt zijn lezing op het D&E-event aan de regeling van een mechanische H-brug op een industriële printer. Over de printer in kwestie wil Eijgermans niet veel kwijt, maar op de NBG-website vinden we een beschrijving van een eerder ontwikkelde machine: een inkjet van zeven bij drie meter. De shuttle van de inkjet bevat 64 printkoppen en weegt ongeveer 600 kg. Deze shuttle wordt door een XY-robot bewogen met een nauwkeurigheid van enkele micrometers. Het papier wordt automatisch aangevoerd, opgespannen en afgevoerd na het printen. Het printen van een vel van 2,70 meter bij 1,70 meter duurt ongeveer 35 seconden. Afhankelijk van de gewenste kwaliteit wordt er geprint in verschillende slagen.

Projectbasis

"NBG is een organisatie die vooral op projectbasis werkt", introduceert Angelino zijn werkgever. "We zijn ISO-gecertificeerd, ook voor medische projecten, en nemen deel aan DevLab. Verder zijn we Alliance Member van LabVIEW’s National Instruments. En momenteel hebben we een initiatief lopen, www.e-chef.nl, waar je een nieuw PCB kunt samenstellen uit losse, eerder ontworpen elektronicablokken. De ontwerptijd is hierdoor kort en dus kunnen de ontwikkelingkosten laag blijven."

"Voor een grote industriële printer van Agfa hebben wij in samenwerking met NTS Mechatronics de elektronica en de embedded software ontworpen, alsook de PC-software die de machine op een hoger niveau aanstuurt. Mijn presentatie gaat over de besturing en regeling van de H-brug van een vergelijkbare printer. Deze H-brug, fysiek ziet de constructie er uit als een H, is opgebouwd uit twee parallelle lineaire aandrijvingen. Deze zorgen voor de Y-beweging. Deze aandrijvingen transporteren een balk waarop een derde aandrijving is gemonteerd, de X-as. En op het bewegende deel daarvan is een printkop bevestigd, in dit geval véél printkoppen."

"De printer waar ik het nu over heb, is geen commercieel product. Hij staat op de High Tech Campus in Eindhoven, waar hij dient als onderzoeksomgeving. Ik wil me in mijn presentatie beperken tot vijf assen, twee master/slave-regelingen en de X-as als vijfde. De twee master/slave-regelingen bestaan elk uit twee assen, die elkaar aandrijven. Speciaal voor deze vier assen heb ik een multiple input / multiple outputregeling gemaakt. Deze vier assen regelen samen de Y-positie en de Z-rotatie van het zwaartepunt van de balk."

"Op een gegeven moment moeten er ontwerpkeuzes worden gemaakt en die willen we natuurlijk in een zo vroeg mogelijk stadium verifiëren. Want dan kunnen we nog dingen corrigeren. Een techniek daarvoor is simulatie, een tegenwoordig steeds vaker gebruikt middel. Wat we willen verifiëren is de dynamica en de invloed van verstoringen daarop, de stabiliteit van de regelaar, de bandbreedte… al dat soort items. Alleen zo kunnen we de prestatie halen die we voor ogen hebben. Dit gebeurt tegenwoordig veel in een Matlab/Simulink-omgeving. Alleen, die had ik op dat moment niet overal tot mijn beschikking. Ik heb toen besloten om een Scilab/Scicos-omgeving te gebruiken, een open-source-variant die is ontwikkeld door Inria, een Frans onderzoeksinstituut."

Open source

"Scilab/Scicos is een open source-omgeving waarover iedereen eenvoudig kan beschikken. Ik wilde daar ervaring mee opdoen en kijken of die software geschikt is voor het aangegeven type vragen. En die omgeving bleek prima geschikt. Als je gewend bent om te werken met Matlab/Simulink, op universiteiten en hogescholen wordt je dat met de paplepel ingegoten, en je gaat vervolgens hiermee aan de slag, dan is de werkwijze goed vergelijkbaar. De opbouw, scripttaal en de simulatieomgeving zijn van beide omgevingen vergelijkbaar."

Als je ermee begint, moet je dan je hele flow daarop aanpassen?

"Dat valt mee. Dat hangt er van af hoe diep die flow al ingebed is in de rest van je processen natuurlijk. Er zijn veel toevoegingen van anderen te vinden. Het is echt open-source. En dat vond ik een interessant punt om eens aan te tippen. Je leest over dit pakket zo nu en dan wel eens wat, maar nooit hoor je eens gebruikerservaringen. Wel, ik heb er goede ervaringen mee."

"De vraag was of de stoorkrachten de positiefout niet te veel beïnvloeden. Uit de simulatie bleek dat we binnen de 1 micrometer bleven. Voldoende goed in ons geval. En daarmee was in theorie de vraag beantwoord of we met de kennis die we op dat moment hadden en de keuzes die we tot dan toe hadden gemaakt, een voldoende goed systeem konden maken. Aan het eind van de rit werden onze simulaties door de praktijk bevestigd."

"Er had bijvoorbeeld uit kunnen komen dat de stoorcomponent van de wrijving te groot was. Dan hadden we misschien een nauwkeurigere, dus duurdere geleider moeten inkopen. Of een andere aandrijving moeten kiezen. Of de regelaar een veel hogere bandbreedte moeten geven. Over dat soort ingrijpende keuzes wil je meer zekerheid. Je wilt vooraf weten waar de risico’s in het ontwerp zitten, en of je die getackeld hebt."

Bibliotheek

"Daarna volgt de implementatie van hardware en software. Binnen NBG doen we daar ook heel veel aan. In dit geval hebben we eerder ontwikkelde hardware hergebruikt, een DSP-gebaseerde motordrive. De embedded software hiervoor komt uit een bibliotheek met eerder ontwikkelde motion building blocks. Dit functioneert als een software ‘blokkendoos’, waaruit we blokken kunnen halen om allerlei motion-gerelateerde zaken te bouwen – eveneens ontwikkeld in samenwerking met NTS Mechatronics."

"Op die manier hebben wij al een aantal projecten gerealiseerd. De eerste keer kost een dergelijke ontwikkeling heel veel tijd, maar naarmate zo’n blok vaker kan worden gebruikt… eenzelfde aansturing van een lineaire motor, eenzelfde DC-motorregeling enz. Ook de software van deze printer is op die manier snel ontwikkeld. Een ontwikkeling die ons daarbij helpt, is Nexus. Daarmee kunnen we de motion control op een hoger niveau, vanaf de user interface, gedistribueerd aansturen. Nexus is in feite een software framework, een NBG-ontwikkeling."

"En dan is die machine samengebouwd, hij werkt en de software doet wat we vragen. Maar dan is het systeem nog ver verwijderd van de prestaties die het moet gaan leveren. Daarvoor moeten we tunen. De methode is dan om de dynamica van de machine te meten. Vervolgens kan daarvoor een filter worden ontworpen en dat kan dit worden geïmplementeerd in de software. Zit je er met je filter een beetje naast, dan moet je het opnieuw doen, al met al een langzaam, iteratief proces, zeker als je de meting niet goed kunt matchen met je filterdesign. Tijdens de loop van dit project had ik het probleem dat de benodigde dynamica-analyser niet beschikbaar was. Ik vroeg me af, of we deze frequentiemeting niet zelf konden bouwen, want het principe is eenvoudig: we injecteren ruis in de regeling en daar meten we een tijdresponsie van, de reactie op die ruis. Vervolgens laat je daar rekenkundige bewerkingen zoals correlatie en FFT op los. En het resultaat reken je om naar een frequentieoverdracht, een Bodediagram. Dat is, beknopt, de theorie."

Voordelen gecreëerd

"Wat heb je daar nou in de praktijk voor nodig? De frequenties waar je bij dit soort systemen interesse in hebt, lopen tot een paar honderd Hz en beginnen bij enkele Hz. Ik heb mijn bereik iets aangepast en ingesteld op 10 Hz tot 2 kHz. Je hebt een analoge uitgang nodig om een ruissignaal te kunnen genereren, en twee analoge ingangen om enerzijds een ruissignaal terug te meten en anderzijds om de reactie op die ruis te kunnen meten. In feite heb je genoeg aan de audio in- en uitgangen van een PC, in combinatie met de rekenkundige faciliteiten en meetfaciliteiten van LabVIEW. Ik heb daar een kleine applicatie voor geschreven."

Voor LabVIEW geen open-source-variant?

"Dat had gekund, maar LabVIEW was in dit geval geschikter. LabVIEW is erg sterk in het meten en verwerken van data in combinatie met het bouwen van een vriendelijke user interface. Een dergelijke applicatie kan vervolgens gemakkelijk worden uitgebreid met extra features.

In het filter dat ik ermee heb ontworpen, zijn de belangrijkste resonanties en anti-resonanties verwerkt. De karakteristiek ervan kan vervolgens eenvoudig over de meting heen gelegd worden. En dan zie je dat de pieken gedempt zijn. Zo kan veel sneller een goed filter bepaald worden. Vervolgens kunnen de filtercoëfficiënten worden berekend en die worden geplaatst in de betreffende code die in de software wordt gebed. Een en ander kan uiteraard worden opgeslagen en weer ingelezen."

"Wat heb ik nu aan voordelen gecreëerd?", recapituleert Eijgermans. "Ervaring met een open source simulatieomgeving, die zeer geschikt is voor MKB-bedrijven die nog niet over dergelijke tooling beschikken, om allerlei designkeuzes te kunnen verifiëren. En verder een praktische tuning-omgeving die gebruikt maakt van standaard meet- en transformatiefaciliteiten in LabVIEW."

ANDRÉ WEIGAND