Capitolul1 Caracterizarea stării de încărcare electrică a plăcilor polimerice…………………………………7 Capitolul2 Dispozitive… [308477]

Cuprins

Capitolul1 Caracterizarea stării de încărcare electrică a plăcilor polimerice…………………………………7

Capitolul2 [anonimizat]……………………………….34

electrică a plăcilor de polimer

2.1 Dispozitive mecanice……………………………………………………………………………………………………..34

2.2 Echipamente electrice…………………………………………………………………………………………………….37

2.3 Instrumente de măsurare…………………………………………………………………………………………………46

Capitolul3 Programarea sistemelor de acționare electrică și de achiziție a datelor………………………49

3.1.Controlul mișcărilor……………………………………………………………………………………………………….49

3.2.Achizitia si procesarea datelor………………………………………………………………………………………..57

Capitolul4 Testarea echipamentului………………………………………………………………………………………61

4.1 Teste de masura…………………………………………………………………………………………………………….61

4.2 Instrucțiuni de utilizare…………………………………………………………………………………………………..63

Concluzii……………………………………………………………………………………………………………………………64

Bibliografie………………………………………………………………………………………………………………………..65

Anexe………………………………………………………………………………………………………………………………..66

Lista figurilor

Fig1.1 Principiul masini de producere a triboelectricitatii

Fig1.2 Electrificare prin frecare

Fig1.3 Schema bloc a echipamentului

Fig.1.4 Atractia sarcinilor in functie de diferenta de potential

Fig.1.5 Interactiunea electrostatica de baza.

Fig.1.6 [anonimizat] 1.7 Doua straturi dielectrice intre doua materiale

Fig.1.8 Esantion material dielectric (PVC)

Fig.1.9 Motor pas cu pas

Fig.1.10 Tipuri de motoare pas cu pas

Fig. 1.11 Sectiune in motor pas cu pas

Fig.1.12 Principiul de functionare al motorului pas cu pas

Fig.1.13 Motorul pas cu pas cu ax rotund

Fig.1.14 Motorul pas cu pas cu ax dintat

Fig. 1.15 Motorul pas cu pas cu ax cu cap de surub

Fig.1.16 Motor pas cu pas bipolar si unipolar

Fig.1.17 Motor pas cu pas unipolar cu 5 fire

Fig.1.18 Motor pas cu pas unipolar cu 6 fire

Fig.2.1 Kit imprimanta 3D

Fig.2.2 Kit imprimanda 3D asamblat si modificat pentru proiect

Fig.2.3 Asamblarea caii de rulare a axei Y

Fig.2.4 Cadrul axei Y

Fig.2.5 Cadrul axei Y cu motorul pas cu pas montat

Fig. 2.6 Limitator capat de cursa

Fig.2.7 Reprezentare Catia motor pas cu pas

Fig.2.8 Schematica Arduino Mega 2560

Fig.2.9 Schematica Ramps 1.4

Fig.2.10 Driver DRV8825

Fig.2.11 Diagrama de conexiuni pentru DRV8825

Fig.2.12 Micropasirea pe placa Ramps 1.4

Fig.2.13 Sursa 12V

Fig.2.14 Ansamblu Display si Butoane

Fig.2.15 Diagrama de conexiuni

Fig.2.16 Echipamentul 3D de masurare

Fig.2.17 Principiul de citire al potentialului

Fig.2.18 Echipament citire potential electric

Fig.3.1 Diagrama de conexiuni Arduino + Ramps 1.4

Fig.3.2 Program de control a unui motor pas cu pas realizat in Labview

Fig.3.3 Interfata de control a unui motor pas cu pas realizata in Labview

Fig.3.4 Panou cu utile pentru interfata Labview

Fig.3.5 Program de control a 3 axe in Labview

Fig.3.6 Schema de principiu achizitii de date

Fig.3.7 Interfata de afisare a rezultatelor

Fig.3.8 Interfata Om-Masina

Fig.3.9 Principiul de masurare al sondei

Fig.3.10 Rezultate obtinute la trecerea sondei printr-o zona alimentata la -125V

Fig.3.11 Reprezentarea placii de test

Fig.3.12 Rezultate scanare potential 500V

Fig.3.13 Reprezentarea 3D a rezultatelor

Fig.3.14 Comparatie rezultate utilaj vechi cu utilaj nou

Lista tabelelor

Tabelul 2.1 Specificatii motor pas cu pas

Tabelul 2.2 Configuratie pentru microstepping

Tabelul 3.1 Maparea pinilor uzuali

Tabelul 3.2 Redenumirea pinilor

Tabelul 3.3 Tabel de conversie distante axe

Lista acronimelor din proiect

MPP – Motor pas cu pas

IUT – Institute Universitaire de Tehnologie

CPU – Central Process Unit

STEPPER – Motor pas cu pas

Introducere

Lucrarea cu numele „Proiectare, producție și exploatare a dispozitivelor cinematice liniare pentru studiul stării de încărcare electrică a plăcilor polimerice” reprezinta rezultatul unui stagiu de practica efectuat in Franta, la Institutul Universitar de Tehnologie din Angouleme (IUT Angouleme), in cadru Laboratorului Labex in care am lucrat timp de 4 luni printr-un proiect Erasmus finantat de Uniunea Europeana.

IUT Angouleme este o instituție de învățământ superior și de cercetare de dimensiune mare, cu renume in aria sa și in domeniul afacerilor locale. Aceasta face parte din Universitatea din Poitiers, universitate care aduce excelență în zonă prin conditiile din facultati. In cadrul univesitatii invata aproximativ 700 de elevi impartiti in 11 cursuri, de la diploma de tehnologie universitară la licență profesională. În afară de recunoașterea la nivel național și european, aceste cursuri oferă o varietate de domenii de specialitate și oportunități (educație suplimentară sau integrare profesională). De la infiintare, in 1966, s-au format la IUT peste 1 milion de absolvenți și mai mult de 3.000 de absolvenți de gradul profesional. Conform celui mai recent sondaj realizat de rețeaua națională IUT și ministerul învățământului superior la mai mult de 20.000 de absolvenți de IUT, institutul universitar de tehnologie aduce o integrare profesională durabilă și stabilă pentru mai mult de 90% absolvenții lor. Circa 20% dintre ei au ales integrarea profesionala imediata si au ieșit din IUT iar 80% dintre absolventi au optat pentu o educație suplimentară (licență generală sau profesională, master, scoala de inginerie sau de afaceri. ). Licențele profesionale reprezintă 30% din opțiunile de studiu de urmărire.

Pentru realizarea lucrarii s-au folosit o mare parte din cunostintele acumulate in cadrul studiilor de la disciplinele: Actionari electrice, Instalatii electrice, Teoria circuitelor electrice, Desen tehnic, Automate programabile, Microprocesoare, Masini electrice, Echipamente electrice, Electronica analogica, Electronica digitala, Masini si organe de masini si in plus fata de acestea a necesitat o aprofundare a cunostintelor de programare si de achizitie de date.

Pe parcursul lucrarii s-au urmarit cateva obiective principale:

Capitol 1:

studiul stadiului tehnicii pana in prezent, din documentatia primita (majoritatea în limba engleză) furnizata de mentor sau găsita pe internet

intelegerea fenomenelor fizice implicate și principiilor tehnicilor de măsurare utilizate.

Capitol 2:

finalizarea construcției unei instalații de laborator (producția de dispozitive mecanice mici, achiziția de date)

descrierea echipamentului de măsurare și instrumentele virtuale utilizate pentru monitorizarea procesului

Capitol 3:

dezvoltarea de programe

descrierea funcționarii lor

Capitol 4:

efectuarea experimentelor pe instalațiile de laborator

elaborarea unui manual de instrucțiuni

Cap.1: Caracterizarea stării de încărcare electrică a plăcilor polimerice

Lucrarea are la baza studiul triboelectricitatii, cunoasterea si intelegerea fenomenului de incarcare electrica, metode si instrumente de masurare a sarcinii electrice si nu in ultimul rand proiectarea, productia si exploatarea de dispozitive pentru studiul incarcarii electrice.

Proiectul are ca scop masurarea potentialui electric dupa o placa polimerica initial incarcata prin frecare.

Fig1.1 Principiul masini de producere a triboelectricitatii

Triboelectricitatea este electricitatea statică ce ia naștere prin frecarea intensivă a două corpuri izolatoare. Prin frecare se produce o separare (numită și polarizare) a sarcinilor electrice pozitive (+) de cele negative (-). Cei doi izolatori (cele două corpuri) pot fi, de exemplu:

Un baston de sticlă (+) și o bucată (uscată) de piele (-).

Baston de cauciuc tare (dur)(-) și lână (+).

Fig1.2 Electrificare prin frecare

Electricitatea statică produsă prin frecare poate să fie nedorită în tehnică dar și (biologic) de către oameni. În contra electrostaticii se folosesc materiale antistatice sau se aplică metode antielectrostatice ce împiedică fenomenul.

Proiectul a debutat cu o documentare in domeniul triboelectricitatii si al masurarii incarcarii electrice a diferitelor materiale. S-a pornit cu o documentare vasta, in care au fost incluse materiale despre incarcarea electrica a diferitelor tipuri de materiale plastice sub forme diferite si prin metode diferite. In timpul documentarii s-au facut teste pentru o potentiala optiune asupra materialelor granulare, teste in care materialele au fost incarcate electric fortat, prin vibratii iar mai apoi masurat potentialul electric, insa nu au fost obtinute rezultate concrete care sa ne ajute sa ne decidem asupra acestui tip si forma de material. In final am luat decizia, impreuna cu indrumatorii stiintifici de licenta, ca materialul care va fi testat sa fie de tip polimer si sub forma de placa. Astfel de teste erau deja in studiu si am decis sa finalizam constructia a doua masini de testare a incarcarii electrice a placilor.

Masina urma sa fie construita pe structura unei imprimante 3D, aceasta constand intr-un sistem de 3 axe, cu motoare pas cu pas, ce va urma sa fie modificat astfel incat dupa o anumita traiectorie data, o sonda sa masoare incarcarea electrica a unei placi, care in prealabil a fost incarcata prin frecare. Pentru dezvoltarea acestui echipament s-a apelat la studierea unui altul deja creat dar inferior a celui care urma sa fie dezvoltat. Echipamentul anterior urma sa fie inlocuit de cel nou deoarece acuratetea si claritatea rezultatelor necesita sa fie mult mai mari, dar si de faptul ca utilajul nostru avea sa fie mai compact, mult mai dezvoltat din punct de vedere software, mai rapid si chiar mai prietenos cu utilizatorul.

Fig1.3 Schema bloc a echipamentului

Planificarea activitatii

Pe tot parcursul realizarii partii practice a lucrarii de licenta s-au consultat materiale de specialitate, articole stiintifice si materiale continand experimente din domeniul triboelectricitatii.

Din multiplele documentari s-au tras concluzii din care au rezultat ca pentru masurarea potentialului trebuiesc luate in calcul cateva variabile printre care si variatia temperaturii si a umiditatii ambientale, factori ce, din articolele de specialitate, ar putea influenta rezultatele unei masuratori a potentialului dupa o suprafata polimerica plana.

In urma acestora s-au planificat teste de depistare a modificarilor survenite in urma umidificarii sau dezumidificarii. S-a concluzionat si s-au selectat materialele ce vor urma sa fie folosite pe post de esantioane.

Urmatorul pas a fost asamblarea echipamentului 3D, constand in montarea sistemelor de rulare pe cele trei axe, a motoarelor electrice pas cu pas, a scheletului masinii si a partii electrice, toate acestea fiind urmate de reglaje si verificari.

Dupa ce sistemul fizic a fost gata i s-au adaugat partea de masurare, de control si cea de achizitie de date, folosite deja la echipamentul existent. Acestea au facut ca echipamentul fizic sa fie gata si totodata s-a constatat ca se necesita modificari pentru a evita diferite erori sau probleme.

Imediat ce proiectul a fost gata hardware, s-a trecut la realizarea partii software, si anume la crearea programului de control si a interfetei om-masina.

Programul a trebuit sa corespunda anumitor cerinte ale utilizatorului si sa poata sa satisfaca anumite sarcini date precum citirea datelor de pe esantion, afisarea lor in timp real, schimbarea tipului si dimensiunilor de esantion cat mai usor, fara prea mari modificari fizice, salvarea datelor intr-un format usor de inteles, folosirea unui cod pentru controlul pe cele 3 axe al sistemului de masurat. Toate aceste sarcini au fost indeplinite pas cu pas, testate pe rand si aduse la starea de buna functionare. Programul a fost conceput intr-un software numit Labview la care s-a adaugat o interfata Arduino pentru a a putea face legatura cu sistemul de comanda al motoarelor pas cu pas.

Tot acest sistem, hardware si software, a fost conectat la calculatorul cu programul Labview instalat, alimentat cu energie electrica si pregatit pentru teste finale.

In timpul testelor s-au intampinat multiple probleme, ce au trebuit rezolvate pentru o buna functionare a sistemului dar si pentru o buna acuratete a rezultatelor masurate. Unele probleme au fost de natura mecanica precum vibratii in sistem, pozitionare nu foarte benefica a limitatoarelor de cursa iar altele de natura software precum realizarea unui program care sa utilizeze un minim de resurse, adica sa nu depaseasca puterea de calcul si de inregistrare a datelor a echipamentelor fizice. Aceasta problema a fost destul de intensa deoarece a necesitat incercarea tuturor structurilor din Labview pentru a alege pe cea care poate fi suportata de placuta de control, Arduino (acesta fiind nu foarte performant si de obicei utilizandu-se in scopuri didactice si nu profesionale).

Fundamentare teoretica

„Sarcina electrică sau cantitatea de electricitate este o mărime fizică ce exprimă o proprietate fundamentală a particulelor subatomice, care le determină acestora interacțiunile electromagnetice. Materia încărcată electric este influențată de câmpul electric, și în același timp produce câmp electric. Interacțiunea dintre o sarcină în mișcare și un câmp electromagnetic este sursa forței electromagnetice, care este una dintre cele patru forțe fundamentale. O "distrugere" a sarcinilor electrice, nu este posibilă este vorba de "conservarea" sarcinilor (formă de energie).”(1)

Sarcina electrică este caracteristică unor particule subatomice, și este cuantificată când este exprimată doar ca multiplu al așa-numitei sarcini elementare, care are valoarea de 1,602·10-19 C (coulomb). Existența sarcinilor electrice este întotdeauna legată (necondiționat) de existență de materie.

Există sarcini pozitive și sarcini negative. Cele două feluri de sarcini, (+) și (-) sunt de valoare egală (simetrie valorică). Electronii, prin convenție au sarcina -1, iar protonii au sarcina opusă, +1. Quark-urile au o sarcină fracționară, de sau . Antiparticulele echivalente acestora au sarcina egală și de semn opus.

În general, particulele cu sarcină de același semn se resping, iar cele de semne opuse se atrag. Acest fenomen este descris de legea lui Coulomb, care afirmă că modulul forței de respingere este proporțional cu produsul celor două sarcini, și scade proporțional cu pătratul distanței.

Fulgerul, electricitatea statică, inducția electromagnetică și fluxul de curent electric sunt cateva dintre fenomenele produse de electricitate, fenomene asociate cu prezenta fluxului de sarcina electrica. În plus, energia electrică permite crearea și primirea de radiații electromagnetice, cum ar fi undele radio.

În domeniul energiei electrice, sarcina produce câmpuri electromagnetice care acționează asupra altor sarcini. Energia electrică apare ca urmare a mai multor tipuri de fizică:

sarcină electrică: proprietatea unor particule subatomice, care determină interacțiunile lor electromagnetice. Materia încărcată electric este influențată de, și produce, câmpuri electromagnetice; sarcinile electrice pot fi pozitive sau negative;

curentul electric: o mișcare sau flux de particule încărcate electric, de obicei, măsurat în amperi;

câmp electric: un tip special, simplu de câmp electromagnetic produs de o sarcină electrică, chiar atunci când nu este în mișcare (de exemplu, nu există curent electric). Câmpul electric produce o forță pe alte sarcini din vecinătatea sa. Sarcinile care se deplasează în plus produc un câmp magnetic;

potențialul electric: capacitatea unui câmp electric de a face lucru mecanic pe o sarcină electrică, de obicei, măsurată în volți;

Fig.1.4 Atractia sarcinilor in functie de diferenta de potential

Denumirea de potențial electric este strâns legata de cea de câmp electric. Asupra unei mici sarcini electrice plasate într-un câmp electric acționează o forță, și aducerea acestei sarcini până în acel punct împotriva acelei forței necesită lucru mecanic. Potențialul electric în orice punct este definit ca fiind energia necesară pentru a duce o sarcină unitară de test de la o distanță infinită până în acel punct. Aceasta este, de obicei măsurată în volți, și un volt este potențialul pentru care trebuie efectuat un joule de lucru mecanic care trebuie să fie cheltuit pentru a aduce o sarcină de un coulomb de la infinit. Această definiție a potențialului, deși formală, are puține aplicații practice, și conceptul mult mai util este acela de diferență de potențial electric, care este energia necesară pentru a muta o unitate de sarcină între două puncte specificate. Un câmp electric are o proprietate specială, care este conservativă, ceea ce înseamnă că traiectoria urmată de sarcina de test este irelevantă: pe toate drumurile între două puncte specificate se cheltuiește la fel de multă energie, și, astfel, se poate preciza o valoare unică pentru diferența de potențial. Voltul este atât de puternic identificat ca unitate pentru măsurarea și descrierea diferenței de potențial electric încât în viața de zi cu zi se folosește și termenul de „voltaj”.

Pentru scopuri practice, este util a defini un punct de referință comun față de care să se exprime potențialul. Deși acest lucru ar putea fi la infinit, un punct de referință mult mai util este Pământul însuși, care se presupune a avea același potențial electric peste tot. Acest punct de referință ia în mod natural numele de „pământ”. Pământul se presupune a fi o sursă infinită de cantități egale de sarcini pozitive și negative, și, prin urmare, este considerat a fi neîncărcat electric și neîncărcabil.

Potențialul electric este o mărime scalară, care are doar magnitudine și nu și direcție. Acesta poate fi privit ca analog înălțimii: cum un obiect lansat va cădea printr-o diferență de înălțimi cauzate de un câmp gravitațional, la fel și o sarcină va „cădea” printr-o diferență de potențial cauzată de un câmp electric. Cum hărțile fizice prezintă curbe de nivel care unesc punctelor de egală altitudine, se poate trasa și un set de curbe de nivel ale punctelor de potențial egal (cunoscute drept echipotențiale) în jurul unui obiect încărcat electrostatic. Echipotențialele intersectează toate liniile de forță în unghiuri drepte. Ele se află și paralel cu suprafața unui conductor, altfel s-ar produce o forță care ar muta purtătorii de sarcină pentru a egaliza potențialul suprafeței.

Câmpul electric era formal definit ca forță exercitată pe unitatea de sarcină, dar conceptul de potențial permite o definiție echivalentă mai utilă: câmpul electric este gradientul local al potențialului electric. De obicei exprimată în volți pe metru, direcția vectorului câmp este linia cu cea mai mare pantă de potențial, și locul în care echipotențiale sunt cel mai aproape unele de altele.

Electrostatica este utilizata intr-o arie larga de aplicatii, de la calculul atomic al fortelor pana la taierea produselor non alimentare. Toate aceste aplicatii pot fi intelese cu ajutorul catorva principii bazate pe numeroase observatii.

Legea lui Coulomb

Electrostatica se bazeaza in principal pe observarea particulelor care resping si a celor care atrag. Se observa cum forta creste liniar cu fiecare dintre acele doua sarcini, deci:

Magnitudinea fortei scade cu patratul separarii, deci expresia fortei poate fi specificata astfel:

Fig.1.5 Interactiunea electrostatica de baza.

Unde r este distanta dintre cele doua sarcini. Constanta de proportionalitate este expresia fortei depinzand de unitatile alese pentru a exprima alte cantitati. In Sistemul International al Unitatilor, cu sarcina masurata in coulombi si distanta in metrii, expresia fortei devine:

Constanta 4π este introdusa deoarece simplifica calculele. Cealalta constanta, ε0 (permitivitatea spatiului liber) are valoarea:

Forta actioneaza de-a lungul liniei centrilor celor doua sarcini, deci directia ei poate fi incadrata prin referire la vecorul distante dintre doua sarcini, r12. Mai mult de atat, vectorul fortei primei sarcini cauzat de interactiunea sa cu cel de-al doilea poate fi scrisa ca:

Cand avem doar doua sarcini implicate, expresia este simpla, dar cand avem mai multe sarcini, forta este exprimata ca un vector suma a contributiilor celorlalte sarcini. Forta primei sarcini este:

Sau exprimand-o in functie de vectori:

Deoarece orice material este compus din numeroase sarcini negative si pozitive, este normal ca o expresie mult mai simpla sa poata fi utilizata in majoritatea aplicatiilor. Aceasta forma simplificata este obtinuta definind termenul dintre paranteze ca forta electrica a campului actionanad asupra sarcinii i,

Acesta contine contributii si de la alte sarcini care interactoneaza cu sarcina principala. Deci, forta electrica in sarcina i poate fi scrisa simplu:

Legea lui Gauss

Forta electrostatica, exact ca si gravitatia, depinde de inversul patratului distantei dintre sarcini. Daca consideram perimetru unei sfere mari ce inconjoara o singura sarcina, campul electric asociat cu acea sarcina este de forma:

in timp ce perimetrul suprafetei sferice este proportional cu raza:

Se observa ca produsul celor doua ecuatii este o constanta:

Aceasta relatie reprezinta forma suprafetei ce inconjoara si se mai poate scrie:

Aceasta fiind denumita si Legea lui Gauss. De aici este clar ca integrandul este esential descris in sarcina pe zona de arie. Este denumit campul de deplasare electric:

Forma integrala a Legii lui Gauss poate fi scrisa intr-un mod diferential:

,unde ρ este sarcina de unitatea de volum.

Potentialul electrostatic

Chiar daca definitia vectorului campului electric simplifica scrierea ecuatiei fortei lui Coulomb, inca ramane o problema a gasirii vectorul suma a tuturor campurilor electrice din sistem. In mod normal, este mult mai usor sa lucrezi cu o singura cantitate scalara, si acesta este scopul energiei potentialului electrostatic. Forta lui Coulomb pe o sarcina este o functie de pozitie data de:

Forta electrostatica este conservativa, deci poate fi scrisa ca gradientul unei functii scalare numita energia de potential electrostatic, W:

Dependenta spatiala vine decat de la campul electric, deci sarcina este de obicei scoasa din aceasta ecuatie, rezultand campul electric:

Unde este energia potentialului electrostatic pe unitatea de sarcina (numita si tensiune sau potential electric). Aceasta defineste potentialul dar nu ne indruma in gasirea aceastuia.

Combinand Legea lui Gauss cu potentialul electric, putem elimina campul necunoscut, devenind o singura ecuatie pentru potentialul electrostatic scalar:

Dupa cum de obicei permitivitatea nu depinde de coordonatele spatiale, ecuatia devine:

Aceasta reprezinta Ecuatia lui Poisson, ce ne exprima potentialul in termenii densitatii sarcinii volumetrice. In zona unde nu este nicio densitate neta de sarcina, aceasta devine Ecuatia lui Laplace:

Aceasta ecuatie este cea mai folosita in practica pentru a gasi campurile electrostatice. In cazuri particulare este necesar sa se foloseasca campuri generate de electrozi conectati la surse de tensiune. Uneori, aceasta solutie necesita conditii de frontiera bazate pe tensiune sau derivate ale acesteia. Conditiile de frontiera trebuie sa fie explicitate in jurul unei suprafete care inconjoara cu totul suprafata ce ne intereseaza.

Ecuatia lui Laplace a fost foarte studiata timp de un deceniu, si au fost scrise numeroase publicatii pentru descrierea solutiilor. Pentru majoritatea aplicatiilor, sunt folosite decat cateva dintre solutii. Aceste cazuri speciale ce includ in mare parte bazele ingineriei geometrice si a formelor, uneori sunt folosite pentru a modela efectele din practica. Pentru o detaliere mai amanuntita, se folosesc tehnici numerice de calcul.

Atat metoda analitica cat si cea numerica se bazeaza in principal pe liniaritatea Ecuatiei lui Laplace, ce permite constructia completa a solutiilor prin adaugarea solutiilor partiale satisfacatoare pentru o singura conditie de frontiera. De exemplu, potentialul dintre doi cilindrii la tensiuni diferite poate fi construit prin rezolvarea potentialului din interior si apoi pe cel din exterior iar mai apoi prin adaugarea celor doua solutii. Aceste solutii sunt de forma:

Unde B1 reprezinta conditiile de frontiera pe frontiera i si f1 reprezinta solutia cazului special cand conditia pe frontiera i este 1 si conditiile pe celelalte frontiere sunt 0.

Aceasta tehnica este buna pentru combinatii de diferite tipuri de conditii de frontiera precum sarcina, densitatea de incarcare a suprafetei, densitatea de incarcare volumetrica, tensiune, campuri electrice normale.

Conservarea sarcinii

De obicei, sarcina este mereu asociata cu masa si cu protonii si electronii acesteia. Ca si masa, este de asemenea conservata dar legea de conservare are nevoie de specificatii deoarece sarcina poate fi ori pozitiva ori negativa si o sarcina opusa o poate neutraliza pe cealalta chiar daca masele se aduna mereu. Se ia in calcul un volum inchis in spatiu ca in Fig. Cantitatea neta de sarcina din interioarul volumului este notata cu Q.

Fig.1.6 Conservarea sarcinii intr-un volum

Un flux de sarcina (denumit curent electric) poate intra sau iesi din volum lasand in urma sa o crestere sau o scadere a sarcinii din interior. Legea conservarii este reprezentata astfel:

Unde i este curentul electric masurat in coulombi pe secunda (amperi). Aceasta lege a conservarii poate si scrisa si sub forma diferentiala definind densitatea de curent J care ne da, in orice punct, curentul pe unitatea de arie. Folosind aceasta definitie, Legea Conservarii devine:

Unde integrala suprafetei este pozitiva daca fluxul de curent, J, iese din suprafata. Folosind pozitiile standard ale vectorilor ne rezulta forma diferentiala a conservarii sarcinii:

Curentul electric

Densitatea de curent electric reprezinta o denumire importanta in electrostatica deoarece aceasta determina in orice moment de timp in ce loc sunt localizate sarcinile. Uneori putem observa o relatie liniara intre curent si campul electric sub forma:

Unde σ este numit conductivitatea materialului prin fluxul de curent. In majoritatea aplicatiilor din domeniul electrostaticii, relatia dintre camp si curent este mult mai complexa. Pentru a trage concluzii se va analiza procesul de conductie in detaliu.

Vom considera cazul conductiei unipolare, unde este prezent un sigur tip de sarcina. In acest caz avem o densitate volumetrica n exprimata pe metrul cub, si o rotatie u. Densitatea de curent este data de:

In formula avem trei cantitati ce afecteaza densitatea de curent, deci orice modificare a acestora va afecta fluxul de curent. De amintit ca densitatea de sarcina locala influenteaza curentul:

Daca sarcina ce se misca este singura sarcina prezenta, vom avea un spatiu net al densitatii de sarcina ce conduce catre variatii ale campului electric local. Aceasta situatie se produce cand curentul circula prin izolatori buni precum plastice, gaze sau chiar uleiuri. In alte cazuri, avem si alte sarcini care nu participa la miscare dar sunt disponibile pentru a neutraliza spatiul dintre purtatorii de sarcina. Aceasta situatie este intalnita in cazul unor buni conductori cum ar fi metalele si apa.

Densitatea de curent este proportionala cu rotatia purtatorilor de sarcina care este determinata de propriul raspuns la fortele aplicate. Ei pot fi impinsi de-a lungul materialului inconjurator ca intr-un flux de lichid izolator, sau pot fi mutati de o forta ce actioneaza direct pe masa precum gravitatia sau inertia. Ei pot de asemenea sa fie mutati de campul electric. Cand un camp este aplicat, sarcina in prima instanta accelereaza, dar de obicei ajunge la o rotatie maxima ce depinde de natura materialului inconjurator. Dupa aceasta zona tranzitorie, rotatia sarcinii este exprimata pe campul aplicat:

Unde μ reprezinta miscarea purtatorilor in material. Aceasta relatie este valida dupa un timp in fluidele si solidele normale. In materialele fine precum gazele sau vacuumul, timpul de intarziere poate depasi timpul necesar pentru experiment. In aceste cazuri, miscarea nu are nici un sens.

De subliniat ca relatia miscarii depinde de semnul sarcinii, intrucat rotatia poate fi inversata daca semnul sarcinii este schimbat. De exemplu, purtatorii pozitivi vor avea o miscare pozitiva si invers. Semnul poate fi exclus din discutii insa este obligatoriu de luat in calcul in ecuatii daca nu dorim rezultate gresite.

Am observat ca sunt disponibile o multime de metode de calcul in care densitatea de curent poate varia in functie de timp si spatiu. Numarul densitatilor de purtatori, sarcina lor si rotatia pot varia intr-un caz particular contrazicand conceptul de conductivitate. Este insa posibil de definit conductivitatea unui material daca aceste surse de variatii sunt slabe sau chiar absente. In special, daca numarul de purtatori disponibili si sarcina lor sunt constante iar rotatia este proportionala cu campul electric din relatia miscarii, putem scrie curentul ca:

relatie ce ajuta la definirea conductivitatii.

Aceste consideratii raman valide daca exista cel putin un purtator de sarcina disponibil, in timp ce densitatea totala de curent poate fi exprimata ca suma contributiilor de la fiecare purtator astfel:

In limita deplasarii poate lua forma:

Aceasta ne da expresia extinsa a conductivitatii. De retinut ca sarcina fiecarei particule este inmultita cu deplasarea sa, deci rezultatele corecte sunt obtinute numai luand in calcul aceste cantitati.

In unele studii, relatia dintre densitatea de curent este descrisa de rezistivitate in locul conductivitatii. Rezistivitatea este definita astfel:

Daca folosim rezistivitatea trebuie sa luam in calcul sa nu o confundam cu spatiul densitatii de sarcina, notata deseori cu simbolul ρ.

Incarcarea electrica a materialelor solide – Fenomenul de incarcare statica

Conductori si izolatori: Materialele se clasifica din punct de vedere al conducerii electrice in materiale conductoare si izolatoare. In profunzime putem face o variata clasificare in functie de proprietatile materialelor cum ar fi caracteristicile conductive sau proprietatile dielectrice si capabilitatea lor de a pastra sau acumula o sarcina electrica.

Conductivitatea si incarcarea electrica: Materialele difera unele de altele din punct de vedere fizic si din punct de vedere al concentratiilor al incarcarilor electrice si prin capabilitatea lor de a se misca liber. Acest tip de miscare exemplifica o arie larga de mecanisme de extindere a incarcarilor. Mecanismele de generare si recombinare sunt de asemenea foarte versatile, la fel ca si mecanismul de trimitere al sarcinilor din obiectele inconjuratoare.

Incarcarea este in principal un proces dominant de suprafata. Este, deasemenea, normal ca orice incarcare locala sa fie provocata de un imbalans intre sarcinile pozitive si cele negative intr-un anumit loc. Tocmai din aceasta cauza, mecanismele specifice de incarcare lasa la loc o multime de scenarii in domeniul incarcarii purtatorilor, scenarii construite in functie de mobilitatea purtatorilor, dinamica dar si starea de acumulare a lor pe suprafete.

Caracteristicile acumularii de sarcina: Caracteristicile conductivitatii si acumularii de sarcina ale solidelor sunt definite, desigur, de natura lor fizica si chimica. Pentru un material dat, cu o structura si compozitie chimica specifice, natura si marimea caracteristicilor electrostatice si electroconductoare pot fi expuse ca o dependenta de marime, forma, unghiuri de policristalinitate si toate celelalte impuritati si imperfectiuni ale structurii.

Capacitatea de acumulare a sarcinii corpurilor variaza mult si este limitata de o gama larga de descarcari.

Geometria si stabilitatea incarcarii: Distributia incarcarii statice a polimerilor este definita de o interactiune dintre cativa factori:

geometria zonelor generatoare de sarcina

unghiul cu care sarcinile se misca

respingerea electrostatica a sarcinilor cu semn dat

Daca sarcina are o pozitie flexibila, distributia lor poate experimenta rearanjamente spatiale. Aceasta poate fi interpretat ca o faza tranzitorie electrostatica, care este similara cu faza tranzitorie structurala in cristale. Sarcinile sunt mult mai stabile cand sunt asezate sus iar auto-pozitionarea lor se bazeaza de obicei pe efectele polarizarii ce uneori pot ajuta distributia neuniforma a sarcinii.

Clasificarea tipurilor de incarcare: O optima clasificare a tipurilor de incarcare se poate face dupa criterii precum dimanica microscopica a incarcarii, relatia de incarcare cu alte procese fizice si chimice. Putem separa in trei categorii fenomenul de incarcare:

incarcarea ce implica miscare relativa fizica a obiectelor si suprafetelor

incarcarea ca un fenomen de contact pur

incarcarea ca un proces chimic sau electrochimic primar

Prima categorie implica diferite procese precum alunecarea, rotirea, curgerea unui lichid sau gas pe obiecte solide. Aceasta clasa de fenomene este in general cunoscuta ca triboelectricitate. Poate, de asemenea, sa includa incarcarea prin coliziune mecanica intre particule sau intre particule si suprafete.

Cea de-a doua categorie include multe procese microscopice precum redistribuirea incarcarii in timpul unui contact cu diferenta de potential. Formarea de regiuni spatiale incarcate si a campurilor electrice la jonctiuni pn de semiconductor de asemenea fac parte din aceasta categorie.

A treia categorie include fenomenul de electrificare ca un rezultat al separarii incarcarii electrolitice sau ca in cazul proceselor de coroziune. In majoritatea cazurilor, sarcinile rezultate in procesele chimice nu se acumuleaza in cantitati semnificative.

In plus fata de categoriile de mai sus, efectul de incarcare electrica (partiala) a solidelor poate fi obtinut prin efectul fotoelectric (iluminarea lor).

Incarcarea triboelectrica

Triboelectrificarea sau incarcarea prin frictiune reprezinta una din cele mai vechi forme de incarcare, si este chiar mai putin inteleasa decat procese ca incarcarea electrochimica su de contact. In unele cazuri nu este clar de explicat semnul incarcarii pe o suprafata pentru un numar dat de perechi ce experimenteaza contactul de frictiune.

Tipuri de triboelectrificare: In general, incarcarea frictionala poate avea loc in orice contact dinamin intre suprafete. Principalele forme ale contactului triboelectric dinamic sunt:

alunecarea

rotirea

vibrarea suprafetelor de contact

incarcarea de impact

incarcarea la o ruptura sau o separare intre suprafete solid/solid sau solid/lichid

incarcarea prin deformare indusa in urma redistribuirii sarcinii la stres

incarcarea la separarea cristalelor

In plus, uneori poate rezulta o incarcare dintr-o variatie periodica a presiunii dintre doua suprafete, chiar daca ele nu se misca una catre cealalta.

Ipoteza Volta-Helmohltz: Experimentul arata de obicei ca nivelul de incarcare triboelectrica depinde de rotatia relativa a suprafetelor ce se misca impotriva celeilalte si de presiunea dintre ele. In majoritatea cazurilor, sarcina acumulata creste odata cu presiunea la frecare. Aceasta poate fi explicata simplu ca o multiplicare a densitatii punctelor de contact cu presiunea crescuta. Aceasta este cunoscuta ca ipoteza Volta-Helmholtz. Densitatea de incarcare la suprafata la aceste procese poate fi pana la 104 unitati electrostatice pe cm2, corespunzand cu aporximativ 2*1013 sarcini electronice pe cm2. Aceasta inseamna ca media distantei dintre doi electron vecini la suprafata este mai mica decat 10 distante interatomice. Asemenea densitati ale sarcinii, care sunt destul de rare la procesele de electrificare prin frictiune, pot duce la campuri electrice in zona kV/cm aproape de o suprafata incarcata.

Incarcarea de contact

Incarcarea de contact (efectul Volta) este un proces de incarcare redistribuita din contactul direct a doua suprafete fara miscarea lor macroscopica a presiunii. Opusul triboelectrizarii mecanice, mecanismele fizice de incarcare de contact sunt destul de bine intelese.

Motivul fizic al incarcarii la contact este castigul de energie potentiala a sistemului care poate fi castigata cand doua suprafete diferite din punct de vedere chimic si structural sunt aduse in contact. De obicei, incarcarea la contact este tratata ca formarea a doua straturi electrice.

Fig 1.7 Doua straturi dielectrice intre doua materiale

Serii triboelectrice

Incarcarea reciproca a doua materiale ce interactioneaza frictional de obicei pastreaza semnul sarcinii indusa pe fiecare suprafata participanta. De exemplu la frecarea zincului pe sticla rezultatele in sticla devin pozitive si in zinc negative. Uneori, cateva materiale pot fi aranjate intr-o asa-numita serie triboelectrica, asa ca fiecare material este incarcat pozitiv cand este frecat de anteriorul. Uneori aceste serii sunt inchise si formeaza bucle. Un exemplu de bucla ce include cinci materiale este:

– zinc – sticla – bumbac – filtru de hartie – siliciu – zinc –

Trebuie memorat ca astfel de bucle sunt reproductibile decat foarte putin, si de multe ori semnul sarcinii induse arata inversul asteptarilor. Aceasta intorsatura poate fi influentata de proprietati precum forma suprafetelor. De exemplu, suprafetele conexe s concave pot obtine deiferite semne la incarcare. Identic, neregulatele semne ale sarcinii pot fi provocate de variatia in grade a finetii suprafetelor de contact.

Monitorizarea incarcarii statice

Pentru a obtine electrificare statica avem nevoie sa indeplinim urmatoarele sarcini:

elimina o sarcina statica daca nu este necesara

pastreaza o sarcina statica atunci cand obtinem rezultatele dorite

Pentru prima sarcina trebuie sa luam in calcul separarea sarcinilor in multiple procese mecanice si mai apoi neutralizarea acestora. Pentru a doua, aem nevoie de circuite antistatice si alte metode de a creste conductivitatea ambientala. Aceasta trebuie conpletata mai rar si este mai mult influentata de proiectarea geometriilor suprafetelor ce sunt benefice pentru acumularea si stabilizarea sarcinilor. Generatorul electrostatic Van de Graaff ar putea fi un exemplu.

Triboelectricitatea in industrie

Precum alte ramuri, industria este de asemenea afectata de efecte ale incarcarii statice: fotocopierea, imprimarea laser, colectarea prafului electrostatic, precipitarea electrostatica, etc. Industria testilelor si a hartiei detin facilitati deosebite pentru reducerea incarcarii statice. O alta problema de subliniat ar fi incarcarea statica intr-un avion in timpul zborului. Majoritatea industriilor precum cea automotive tind sa inlocuiasca metalele cu plastice sau ceramice iar acest lucru nu face decat sa puna accentul din ce in ce mai mult pe incarcarea electrostatica.

Materiale dielectrice

Daca excludem materialele metalice, restul materialelor ce ne vor ramane sunt dielectrici, indiferent daca acestea sunt solide, lichide sau gaze si permitivitatea ε poate fi atribuita oricarei substante, avand ca referinta dielectrica vacuumul.

Fig.1.8 Esantion material dielectric (PVC)

Dielectricele sunt utilizate in componente pasive precum condensatori si cabluri si in componente active precum motoare electrostatice. Avem nevoie ca acestia sa functioneze in apropierea sau departarea noastra, in medii cum ar fi aer, apa marina, pamant, spatiu. De obicei, materialele sunt supuse unei tensiuni dc, ac sau de tip impuls si in anumite cazuri sunt supuse la campuri magnetice produse de diferite dispozitive precum o unde laser. Distributia spatiu-temporala a campului in interiorul materiei nu numai ca este impusa de geometria electrozilor si de forma undei tensiunii dar poate depinde si de incarcarile spatiale: purtatorii de sarcina pot fi generati sau blocati interfete sau interfaze, cand substante dielectrice diferite vin in contact una cu cealalta.

In mediul incojurator trebuiesc luate in calcul actiuni precum presiunea, temperatura, radiatia, atacurile chimica, etc. Timpul este de asemenea o variabila fundamentala in studiul dielectricilor. De exemplu: Un izolator perfect poate fi un mediu prin care nici o condutie de curent nu este permisa. De fapt, trecerea de la comportamentul capacitiv la comportamentul rezistiv depinde de timpul de relaxare al conductiei τc=ερ. Prin urmare un dielectric se poate comporta in moduri total diferite sub influenta curentului continuu, alternativ sau a impulsurilor.

Normal, echipamentele electrice sunt construite pentru a lucra ani de zile sau chiar decenii, ceea ce insemana ca ele trebuie sa mentina o tensiune fara a ceda, in ciuda tuturor posibilelor modificari ce pot aparea din cauza combinarii actiunii strusului electric si alte actiuni precum termice, mecanice, chimice si multe altele. De aici rezulta ca este foarte clar ca subiecte ca imbatranirea materialelor este un important subiect de cercetare.

Efectele campului electric asupra materiei

In functie de natura mediului stresat si de amplitudinea campului, putem face urmatoarea clasificare diferitelor efecte produse de materialele dielectrice:

Efectele in timpul deplasarii sarcinilor

Aceste efecte rezulta mai degraba din miscarea (limitata) a sarcinilor (efectul de polarizare) sau din libertatea sarcinilor (fenomenul de conductie).

Efectual liniar: Acesta are loc in campurile joase.

Polarizarea electronica reprezinta o caracteristica universala a dielectricilor si a distorsiunii norilor de electroni in atomi. Polarizarea ionica ia loc in urma deplasarea ionilor. Polarizarea dipolara este majoritara in fluidele polare si in anumite solide si ia loc in urma rotirii moleculelor.

Conductia ionica ia loc in toate lichidele si gazele si anumite solide. Conductia electronica se observa in gaze si solide si in lichide ultrapure. Conductia heterogena denumita si conductia intrefaciala rezulta din asocierea a doi sau mai multi dielectrici de permitivitati si conductivitati diferite asezate in serie.

Efectul nonlinear: Acesta apare de obicei in campurile inalte.

In polarizare sunt te obicei de neinteles.

In conductie, acestea domina ca o regula generala.

Instabilitati: Sunt mai degraba produse de valori inalte ale campurilor.

Acestea pot conduce la caderi in numeroase mecanisme electronice (avalanse), mecanice (caderea materialelor moi), termice (generare de caldura), chimice (degradarea).

Pot de asemenea fi limitate: descarcarile partiale in vid, in cazul solidelor, in bule in cazul lichidelor, oscilatii ale curentului in solide.

Efectul de grupare

Acesta este studiat atat fundamental cat si prin prisma aplicatiilor in principal prin procesele de conversie.

Gruparea Electrica-Electrica: Cel mai intalnit exemplu este condensatorul utilizat pentru stocarea energiei electrostatice.

Gruparea Electrica-Termica: Piroelectricitatea simbolizeaza o conversie reversibila, intrucat pierderile electrice de orice fel cauzeaza disipare ireversibila.

Gruparea Electrica-Mecanica: Conversia reversibila ia locul celei piezoelectrice sau fenomenului electrostrictiv. Oarecum turbulentele induse in fluide de miscarea electrodinamica are un efect ireversibil.

Gruparea Electrica-Optica: Un camp electric induce o birefringenta in mediul in care se propaga lumina polarizata. Efectul este liniar in unele ateriale si patratic in altele. Difuzia luminii normale este un alt efect optic larg utilizat in ecranele cu cristale lichide (LCD).

De departe, forta este descrisa ca actionand in vacuum intre doua sarcini discrete. In multe aplicatii ale electrostaticii, sarcina exista in mediul material. Materialele contin numeroase particule incarcate cu protoni si electroni, si sarcina de a explica toate aceste interactiuni la scara atomica este imposibila. Principalul efect a acestor incarcari, este de a scadea campul electric in zona de test. Aceasta este necesara deoarece exista alte sarcini care se rearanjeaza astfel incat sa neutralizeze campurile externe aplicate. De exemplu, sarcinile pozitive au tendinta sa se mute spre o sarcina negativa, deci forta actioneaza asupra acestei sarcini intermediare mai repede decat la incarcarea de test.

Materiale folosite

Acrilonitril butadien stiren (ABS)

ABS (acrilonitril-butadien-stiren) este puternic, rezistent și ușor de turnat. Este de obicei opac insa, uneori unele clase pot fi de fapt transparent sau le putem da culori luminoase.

Aliajele ABS-PVC sunt mai rezistente decât ABS standard. Aceste aliaje, in functie de clase de auto-stingere, sunt folosite pentru carcasele aparatelor electrice.

Compoziție (rezumat)

Terpolimer de acrilonitril (15-35%), butadienă (5-30%) și stiren (40-60%)

Proprietati electrice:

Conductor sau izolant electric? Bun izolant

Rezistivitate electrica 3.3e21 – 3e22 µohm.cm

Constanta dielectrica 2.8 – 3.2

Factor de disipare 0.003 – 0.007

Rigiditate dielectrica 13.8 – 21.7 1000000 V/m

Polipropilena (PP)

Polipropilenă, PP, prima producție comercială în 1958 este produsă în cantități foarte mari (mai mult de 30 de milioane de tone pe an, în 2000), cu o rată de creștere de aproape 10% pe an. Lungimea moleculei și ramurile laterale pot fi reglate printr-o cataliză inteligentă, oferind un control precis al rezistenței sale de impact și proprietăți care afectează capacitatea sa de a fi turnate sau trase. În forma sa pură, polipropilena este inflamabilă și se degradează atunci când este expusă la lumina soarelui.

Compoziție (rezumat)

(CH2-CH (CH3)) n

Proprietati electrice:

Conductor sau izolant electric? Bun izolant

Rezistivitate electrica 3.3e22 – 3e23 µohm.cm

Constanta dielectrica 2.1 – 2.3

Factor de disipare 3e-4 – 7e-4

Rigiditate dielectrica 22.7 – 24.6 1000000 V/m

Policlorură de vinil (PVC)

PVC-ul este unul dintre cele mai ieftine și mai versatile polimeri. În forma sa pură – ca termoplastic, tpPVC – este rigid și nu foarte rezistent la șocuri; prețul său scăzut il face un plastic economic pentru aplicații în cazul în care condițiile de exploatare extreme nu sunt întâlnite. Amestecarea cu plastifianți, ne ofera un material flexibil din PVC, elPVC, un material cu proprietăți similare cu pielea sau cauciucul, care este utilizat pentru a înlocui aceste două materiale. PVC-ul rigid si flexibil poate fi expandat, atat pentru a se obține panouri structurale ușoare pentru uz casnic cat și piese pentru interior auto.

Compozitie (rezumat)

(CH2CHCl)n

Proprietati electrice:

Conductor sau izolant electric? Bun izolant

Rezistivitate electrica 1e20 – 1e22 µohm.cm

Constanta dielectrica 3.1 – 4.1

Factor de disipare 0.03 – 0.1

Rigiditate dielectrica 13.8 – 19.7 1000000 V/m

Motorul pas cu pas

„Un motor pas cu pas este un motor brushless de curent continuu al carui rotor se roteste discret, unghiular cand bobinele statorice sunt alimentate intr-un mod ordonat. Rotatia se realizeaza deoarece polii magnetici ai rotorului interactioneaza cu polii alimentati ai statorului secvential. Rotorul nu poseda infasurari electrice insa este prevazut cu poli magnetici.”

Fig.1.9 Motor pas cu pas

Motoarele pas cu pas sunt motoare de curent continuu a caror miscare este impartita in pasi. Acestea au mai mult bobine organizate in grupuri numite faze. Prin alimentarea fiecarei faze consecutiv, motorul se va roti cate un pas la fiecare secventa.

Cu un motor pas cu pas controlat de calculator putem obtine pozitii foarte exacte dar si controlul vitezei. Pentru acest motiv, motoarele pas cu pas sunt preferate in majoritatea aplicatiilor ce necesita precizie in miscare.

Tipuri de motoare pas cu pas

Fig.1.10 Tipuri de motoare pas cu pas

Motoarele pas cu pas sunt disponibile in diferite marimi si caracteristici electrice, intr-o paleta larga in functie de scopurile pentru care au fost create. Unele dintre ele necesita drivere specializate.

Cele mai comune motoare motoare sunt cu magneti permanenti sau hibride si acestea pot detine 2 sau 4 bobine. Acestea sunt asezate pe carcasa statorica.

Fig. 1.11 Sectiune in motor pas cu pas

Functionarea motoarelor pas cu pas

Acesta se deplaseaza prin autopozitionarea rotorului in asa fel incat sa inchida liniile polului sau nord cu polul sud al statorului si invers. Alimentand motorul la bornele A si A’, un curent trece prin bobine si provoaca polului 2 sa fie polul nord si polului 4 sa fie cel sud. Campul magnetic rezultat face ca polul nord si cel sud al rotorului sa fie atrase de cel sud si cel nord create in stator si astfel motorul va fi stabil in aceasta pozitie. In momentul alimentarii si infasurarii B, vom obtine o deplasare cu 45 grade a campul magnetic statoric rezultat fata de pozitia initiala. Prin urmare, rotorul isi va schimba pozitia cu 45 grade. Odata ce infasurarea A nu va mai fi alimentata, campul magnetic si implicit rotorul isi va mai adauga inca 45 grade fata de pozitia precedenta. Acum se va relua ciclul care la fiecare modificare in alimentarea infasurarilor va adauga cate 45 grade la campul magnetic fapt ce va schimba si pozitia rotorului.

Fig.1.12 Principiul de functionare al motorului pas cu pas

Constructia unui motor pas cu pas hibrid comercial cu o rotatie de 1.8 grade pe pas este reprezentata in Fig.1.12.

Utilizarea motoarelor pas cu pas

Pozitionare- Intrucat motoarele pas cu pas au miscarea discretizata in pasi exacti, acestea sunt principalele alegeri in aplicatiile ce necesita sisteme de pozitionare exacte precum CNC-urile, imprimante 2D, imprimante 3d, plotere, hard disk-uri.

Controlul vitezei- In automatica si robotica este nevoie pe langa cunoasterea pozitiei exacte si controlul exact al vitezei. Astfel, motoarele pas cu pas, cu ajutorul frecventei impulsurilor pot oferi un control excelent al vitezei de rotatie.

Cuplu la viteze mici- De obicei motoarele de curent continuu nu prezinta cuplu ridicat la viteze mici. Motoarele pas cu pas pot oferi cuplul cel mai ridicat la vitezele cele mai mici, astfel pot inlocui pe cele uzuala de curent continuu in numeroase aplicatii unde este obligatorie precizia si cuplul la viteze mici.

Limitele motoarelor pas cu pas

Cuplu limitat si la viteze ridicate- In anumite cazuri motoarele pas cu pas sunt modificate si ajutate de drivere speciale pentru a avea cuplu ridicat si la viteze mari insa de obicei, cuplul la viteze mari este mai scazut de cel de la viteze mici.

Nu ofera raspuns- Spre deosebire de servomotoare, majoritatea motoarelor pas cu pas nu au integrat un dispozitiv care sa ofere informatii despre pozitia in care se afla. In acest caz, ele se folosesc alaturi de limitatoare de sfarsit de cursa, de senzori de „home position” pentru a putea avea informatii despre pozitia in care se afla.

Eficienta scazuta- Motoarele de curent continuu au un consum ce difera in functie de sarcina. Acest lucru nu se intampla si la cele pas cu pas, acestea consumand acelasi curent indiferent de sarcina care le solicita. Din aceasta cauza motoarele tind sa lucreze mereu la temperatura ridicata.

Discretizarea rotatiei motorului pas cu pas

Dupa cum am precizat, motoarele pas cu pas pot oferii precizii ridicate, viteze variabile si cuplu ridicat la viteza foarte mica. Toate acestea sunt posibile cu ajutorul discretizarii rotatiei motorului. Astfel o singura rotatie a unui motor pas cu pas se imparte in miscari denumite pasi in numar de 4 pana la 400. Cel mai uzual se folosesc cu 24, 48, 200 de pasi pe rotatie. Pentru un motor pas cu pas ce foloseste 200 de pasi pentru o singura rotatie vom avem o rotatie de 1.8o pentru fiecare pas.

Cand spunem ca dorim rezolutie ridicata, spunem ca dorim viteza si cuplu. Motoarele ce au un numar mai mare de pasi sunt depasite la viteze mici de motoare normale cu aceeasi dimensiune.

Micropasire

Exista aplicatii unde chiar si cu nivelul de precizie ridicat al motorului pas cu pas, se necesita mai mult. Astfel s-au dezvoltat driverele ce pot imparti curenti pe mai multe infasurari in acelasi timp, acest fapt ducand la divizarea unui pas in micropasi. Utilizand aceasta metoda putem obtine dintr-un singur pas al motorului o divizare de 32 micropasi. Deci, pentru o rotatie vom avea 200*32=6400pasi. Impartind unghiul de deplasare al unui motor cu 200 de pasi pe rotatie la 32 vom obtine un unghi de 0.05625, ceea ce reprezinta o deplasare chiar insesizabila.

Tipuri de axe ale motoarelor pas cu pas

O alta caracteristica importanta o reprezinta tipul axului cu care motorul pas cu pas face legatura cu restul sistemului:

Rotund sau Tip D (Fig.1.13)

Ax dintat (Fig.1.14)

Ax cu cap de surub (Fig.1.15)

Fig.1.13 Motorul pas cu pas cu ax rotund Fig.1.14 Motorul pas cu pas cu ax dintat

Fig. 1.15 Motorul pas cu pas cu ax cu cap de surub

Bobinele si fazele motorului pas cu pas

Aceste motoare pot fi prevazute cu orice numar de bobine, acestea fiind conectate in grupuri ce se numesc faze. Toate bobinele dintr-o faza sunt alimentate in acelasi timp.

Fig.1.16 Motor pas cu pas bipolar si unipolar

Driverele unipolare alimenteaza intotdeauna fazele in acelasi mod. O bobina comuna va fi mereu negativa in timp ce cealalta va fi pozitiva. Diverele pentru motoarele unipolare pot fi realizate cu un singur tranzistor. Cu aceasta metoda, dezavantajul este ca, din cauza faptului ca numai jumatate din bobine pot fi alimentate in acelasi timp, vom putea obtine mai putin cuplu.

Driverele bipolare sunt construite cu punti H pentru a putea schimba fluxul de curent prin faze. Alimentand fazele si alternand polaritatea vom putea folosi toate bobinele pentru rotirea motorului.

Un motor bipolar cu doua faze are doua grupuri de bobine si implicit patru fire, in timp ce unul unipolar cu patru faze va avea patru grupuri de bobine. Unele motoare vin cu configuratie flexibila ceea ce permite utilizatorului sa aleaga intre unipolar sau bipolar.

Tipul de motor din Fig1.17 este specific motoarelor mici. Legaturile vizibile in figura sunt realizate de producator in carcasa acestuia, disponibile utilizatorului fiind doar cince fire. Acest motor poate fi controlat doar ca un motor unipolar.

Fig.1.17 Motor pas cu pas unipolar cu 5 fire

La acest tip de motor (Fig1.18 ) avem unite comunurile in interiorul carcasei si scoase in exterior. Ele pot fi unite pentru a crea un motor unipolar cu 5 fire.

Fig.1.18 Motor pas cu pas unipolar cu 6 fire

Motorul cu 8 fire unipolar (Fig ) lasa utilizatorul sa aleaga dintr-o gama mai larga de conexiuni:

4 faze, unipolar: In aceasta configuratie, firele de comun sunt unite toate exact ca in cazul celui cu 5 fire.

2 faze serie, bipolar: Firele sunt conectate in serie si rezulta un motor cu 6 fire.

2 faze paralel, bipolar: Fazele sunt conectate in paralel ceea ce rezulta ca rezistenta si inductanta se reduc la jumatate dar necesita curent dublu. Avantajele acestei configuratii o reprezinta faptul ca motorul poate oferi maximum de cuplu si viteza.

Alegerea driverului potrivit motorului pas cu pas

Un important pas in utilizarea unui motor pas cu pas il reprezinta alegerea driverului potrivit care sa il poata controla. In cazul unei nepotriviri intre cele doua componente esentiale poate rezulta avarierea driverului sau a motorului sau chiar a ambelor.

Cateva chestiuni de urmarit in aceasta configurare ar fi specificatiile driverului si specificatiile motorului.

In specificatiile driverului trebuiesc subliniate doua dintre ele si anume tensiune si curentul continuu. Acestea doua reprezinta maximurile de tensiune si curent pe care driverul le poate furniza motorului.

La specificatiile motorului avem tot doua proprietati de subliniat: amperi pe faza si rezistenta pe faza. Notiunea de amperi pe faza se refera la maximul de curent pe care motorul il poate suporta fara a se incalzi iar rezistenta pe faza reprezinta rezistenta fiecarei faze.

Tensiunea la care functioneaza motorul este de obicei calculata dar este de preferat sa fie recalculata folosind Legea lui Ohm:

Fazele motorului pas cu pas sunt inductorii, deci vor rezista la schimbari rapide ale fluxului de curent. Dar la finalul fiecarui pas sau cand nu se misca, ele se vor comporta ca o sarcina pur rezistiva urmand cu exactitate Legea lui Ohm.

Unele motoare au o rezistenta a bobinelor foarte scazuta si urmand formula anterior enuntata tensiunea va fi atat de mica incat performanta va scadea drastic. In aceste cazuri sunt necesare drivere speciale ce nu folosesc tensiune constanta.

Cap. 2 Dispozitive cinematice liniare, pentru studiul stării de încărcare electrică a plăcilor de polimer

Ca in orice echipament modern, si echipamentul nostru va avea in componenta o parte hardware si o parte software. Complexitatea partii fizice poate fi micsorata creand trei noi subgrupe ce vor putea caracteriza echipamentul mult mai bine.

Vom incepe descrierea instalatiei folosindu-ne de prima grupa:

Dispozitive mecanice

Asa cum spune si subtitlul, in aceasta parte vom discuta despre componenta mecanica folosita in alcatuirea instalatiei.

Fig.2.1 Kit imprimanta 3D

Pentru aceasta parte s-a achizitionat un echipament deja realizat ce utilizeaza un sistem de pozitionare pe trei axe. Sistemul face parte din componenta unei imprimante 3D, insa au fost inlaturate partile ce nu erau necesare proiectului nostru (Fig.2.1). Astfel din lista de componente am eliminat piese precum extruderele, hotend, temistoare, ventilatoare, suporti material, patul incalzit si altele. Acest fapt a dus atat la reducerea costurilor cat si la facilitarea miscarilor. Pe axa Z va fi redusa greutatea ce va trebui sa o ridice, gratie eliminarii extruderului, si prin aceasta, frecarile, uzura, durata de viata si chiar consumul de energie vor fi imbunatatite.

Fig.2.2 Kit imprimanda 3D asamblat si modificat pentru proiect

Astfel sistemul nostru devine compus din urmatoarele: axele X, Y, Z cu toate componentele sale electrice si mecanice si masa de lucru.

Fig.2.3 Asamblarea caii de rulare a axei Y

Pentru montarea axelor (Fig ) s-a trecut prin activitati precum: asamblarea suruburilor de sustinere, instalarea la pozitie a motoarelor, curelelor, montarea sistemelor de ghidaj si a rulmentilor liniari si nu in ultimul rand asamblarea structurii de sustinere a echipamentului. Toate aceste operatiuni s-au facut consultand manualul de montaj al kitului, care a fost livrat odata cu piesele.

Fig.2.4 Cadrul axei Y

Echipamente electrice

In aceasta parte vom detalia echipamentele electrice utilizate pentru a alimenta cu enegie electrica echipamentul nostru si a-l comanda.

Odata sistemul mecanic alcatuit s-a trecut la adaugarea componentelor electrice, tot dupa schema deja primita.

Fig.2.5 Cadrul axei Y cu motorul pas cu pas montat

Una dintre functiile echipamentului nostru va fi aceea de a-si gasi un punct de zero. Asta o va face in functie de necesitatile existente dar si de posibilitatile mecanice. Astfel s-a observat ca din proiectarea furnizorului limitatoarele (Fig ) pentru punctul de zero erau montate dupa cum urmeaza: axa X – stanga, axa Y – fata, axa Z – jos. Necesitatile masinii erau ca la punctul de zero, masa de lucru (masa pe care se va afla esantionul de masurare) trebuie sa fie in pozitia in fata, adica spre utilizator, pentru a putea fi pus esantionul cu usurinta. De asemenea odata ce am gandit ca masa se va deplasa pana la punctul de zero in fata, am decis ca nici axa Z nu poate avea punctul de zero in partea de jos deoarece se pot crea intersectari ale axelor si astfel se pot ciocni sonda cu esantionul. S-a procedat si s-au gasit noi pozitii de zero ale celor doua directii astfel: axa Y – fata, axa Z – sus. Insa pentru aceasta trebuiesc create noi prinderi si noi suporti pentru limitatori.

Fig. 2.6 Limitator capat de cursa

Am utilizat softul de design Catia V5 pentru desenarea noilor suporti de prindere.

O alta modificare ce a trebuit sa o aducem sistemului o reprezinta prinderea sondei. Odata de extruderul original nu a fost comandat s-a necesitat proiectarea unui suport pentru sonda ce va urma sa masoare esantioanele. S-a tinut cont de forma sondei, de lungimea si latimea sectiunii si de faptul ca tot sistemul de prindere si sustinere trebuie sa fie din material izolator. Astfel a trebuit dezvoltata si o prindere non-metalica tip surub. Tot ansamblul a fost proiectat in Catia V5 si a fost realizat cu o imprimanta 3D.

Dupa ce s-au montat componente precum sursa de alimentare, sistemul de control al celor trei directii alcatuit din placuta Arduino si rampa ce va controla motoarele s-a continuat cu realizarea conexiunilor. Astfel s-au tras cabluri de la fiecare motor, de la limitatori si de la sursa pana la placuta Ramps, deoarece aceasta impreuna cu Arduino si driverele DRV8825 vor controla intreg sistemul.

Ca o completare la echipamentele deja montate, vom detalia putin componentele dupa cum urmeaza:

Motoare electrice pas cu pas: Nema 17 17HS4401

Fig.2.7 Reprezentare Catia motor pas cu pas

Tabel 2.1 Specificatii motor pas cu pas

Aduino Mega 2560

Fig.2.8 Schematica Arduino Mega 2560

Mega 2560 este un placa cu microcontroler bazata pe procesorul Atmega2560. Aceasta are 54 pin digitali de intrare/iesire (din care 15 pot fi utilizati ca iesiri PWM), 16 intrari analogice, 4 UART (posrturi seriale hardware), un cristal oscilator la 16MHz si un buton de reset. Aceasta detine tot ce este necesar pentru controler; trebuie doar sa fie conectata simplu la un calculator cu ajutorul unui cablu USB, alimentata cu ajutorul unui adaptor AC-DC sau la o baterie pentru a porni.

Ramps 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)

Aceasta este proiectata pentru a pune la dispozitie intreaga electronica necesara pentru un RepRap într-un singur pachet mic pentru un cost redus. Interfețele RAMPS interfateaza Arduino Mega cu puternica platforma Arduino MEGA si are o multime de spatiu de expansiune. Design-ul modular include drivere pentru motoare pas cu pas plug-in și sisteme electronice de comandă pentru extruder pe placuta Arduino MEGA pentru o utilizare, mententanta, upgrade si expansiune foarte facile. In plus, o serie de plăci de extensie Arduino pot fi adăugate la sistem, atâta timp cât placa de bază RAMPS este păstrată ca principala.

Fig.2.9 Schematica Ramps 1.4

Driver DRV8825

Acesta este un driver pentru controlul motoarelor pas cu pas ce absorb curenti de pana la 2.2A pe fiecare bobina.

Fig.2.10 Driver DRV8825

Driverul se conecteaza la placa Ramps 1.4 de unde culege tensiunea necesara pentru functionare si pe cea pentru motorul pas cu pas.

Acest echipament are urmatoarele caracteristici:

Controleaza pasii si directia motorului

Se pot utiliza in diferite configuratii precum: pas intreg, 1/2pas, 1/4pas, 1/8pas, 1/16pas, 1/32pas

Curentul absorbit prin driver poate fi controlat cu ajutorul unui potentiometru

Poate fi alimentat la maximum 45V

Este prevazut cu regulator intern

Poate fi utilizat in sisteme in care este disponibila tensiunea de 3.3V dar si de 5V

Oprire la supratensiune, subtensiune si supratemperatura

Protectie impotriva scurtcircuitului la pamant si a suprasarcinii

S-a ales acest driver deoarece poate folosi modul de micropasire. Pentru aceasta vom consulta schema sa (Fig ).

Fig.2.11 Diagrama de conexiuni pentru DRV8825

La bornele VMOT si GND driverul trebuie sa fie conectat la o tensiune continua cuprinsa intre 8.2 si 45V.

Comanda pasilor si a directiei se va face pe pinii STEP si DIR. Se observa in figura ca RESET si ENABLE se leaga la o tensiune intre 2.5 si 5.25V. Motorul se va conecta la pinii B2, B1, A1, A2 respectandu-se bornele infasurarilor ca in Fig . Se poate observa ca in schema apare un echipament denumit „microcontroller” care este echivalent cu placuta Arduino. Alimentarea acestuia este deja cunoscuta, putand sa fie conectat la o sursa de 5V sau la calculator la portul USB.

Pentru realizarea micropasirii se va consulta Tabelul 2.2

Tabelul 2.2 Configuratie pentru microstepping

Denumirile Mode0, Mode1, Mode2 pot fi regasite in Fig unde se observa ca acestea reprezinta pini ai driverului. Deoarece driverul va fi conectat pe placuta Ramps, micropasirea se va efectua in alt mod.

Fig.2.12 Micropasirea pe placa Ramps 1.4

In Fig observam ca, pentru a folosi micropasirea, trebuie sa instalam jumpere pe pinii din imagine. Folosind Tabelul de mai sus consideram ca Mode = 0 reprezinta jumper neinstalat si Mode = 1 jumper instalat. Astfel pentru a obtine rezolutia maxima se vor atasa toti jumperii.

Sursa de alimentare

Putere: 240W

Intrare:220V/110V
Iesire:12V
Curent maxim: 20A

Fig.2.13 Sursa 12V

LCD 2004

Matrice: 4 linii X 20 coloane

Fig.2.14 Ansamblu Display si Butoane

Lcd-ul este insotit de un circuit deja creat ce are in componenta si 5 butoane fara retinere. Pentru toate aceste butoane avem disponibile doar 2 circuite monofilare cu care trebuie facuta alimentarea si citit semnalul. Pentru a putea folosi butoanele, fiecare dintre ele este conectat in circuit cu cate o rezistenta cu valoare unica, astfel incat atunci cand va fi apasat va induce o tensiune diferita de celelalte si astfel vom putea folosi cel de-al doilea fir pentru returul de la butoane. Ecranul furnizat odata cu kit-ul imprimantei 3D este conectat la un port special care se afla pe rampa de alimentare a motoarelor, insa deoarece software-ul nu va fi acelasi ca in cazul unei imprimante, nu il vom putea folosi asa cum ar fi fost destinat.

Fig.2.15 Diagrama de conexiuni

Echipamentul nefiind special creat pentru nevoile noastre ci mai degraba o adaptare, vor fi necesare diverse modificari si in randul echipamentelor electrice. Astfel, folosind platforma software Labview impreuna cu Arduino, s-au necesitat crearea unor circuite suplimentare celor ale limitatoarelor de cursa in care s-au adaugat rezistente conectate la impamantare pentru a micsora curentul absorbit de intrarile la hardware-ul Arduino.

In sistem au fost facute modificari, dar au fost aduse si imbunatatiri. Din nevoia de a intrerupe sursa de curent cat mai repede in timpul testelor si din necesitatea de a utiliza platforma software fara cea hardware s-a decis montarea unui comutator principal in circuitul electric intre sursa de tensiune si rampa de alimentare a motoarelor. Astfel se va putea utiliza software-ul in timpul testelor fara a provoca defectiuni la partea hardware.

Fig.2.16 Echipamentul 3D de masurare

Instrumente de măsurare

In aceasta parte vom detalia segmentul de masurare din care fac parte urmatoarele:

Voltmetru TREK 341B

Acesta este un voltmetru electrostatic de precizie de inalta tensiune cu care se pot face masurari fara contact de suprafata intr-un domeniu de 0 – 20KV. Viteza de raspuns este de mai putin de 200us pentru o incarcare de 1KV si de mai putin de 5ms pentru o incarcare de 20KV.

Sonda TREK 3450

Sonda necesita o distanta intre capul de masurare si suprafata de masurat de 3±1 mm.

Fig.2.17 Principiul de citire al potentialului

Ca o observatie pentru acest model, sonda necesita o prindere dintr-un material izolator cu rezistenta mai mare de si sa poate rezista la tensiuni de ±25KV.

Specificatii:

Dimensiuni: 3.05mm X 1.52mm

Placa de achizitii: National Instruments USB-6210

Specificatii:

16 intrari analogice (16-bit, 250 kS/s)

4 intrari digitale; 4 iesiri digitale; doua numaratoare pe 32-bit

Dezvoltat cu conexiune USB pentru mobilitate ridicata

Compatibil cu LabVIEW, LabWindows™/CVI, si Measurement Studio pentru Visual Studio .NET

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) este un mediu de dezvoltare integrat conceput special pentru ingineri și oameni de știință utilizat pentru achizitia, prelucrarea, stocarea si afisarea datelor, cat si in domeniul controlului de proces. Spre deosebire de alte limbaje de programare ce sunt bazate pe text, in cazul in care instructiunile determina ordinea de executie a programului, LabVIEW foloseste Programarea dataflow, in cazul in care fluxul de date prin nodurile de pe schema bloc determina ordinea de executie a VI-urilor si a functiilor. Acesta poseda un limbaj nativ grafic de programare care utilizeaza pictograme in loc de linii de cod, IP integrat pentru analiza datelor și procesarea semnalului, precum și o arhitectură deschisă care permite integrarea oricărui dispozitiv hardware și orice abordare software LabVIEW este software-ul de care aveți nevoie pentru a construi soluția optimă, care poate satisface cerințele oricui și la îndemână pentru a rezolva provocările.

Programele dezvoltate in LABVIEW se numesc „Virtual Instruments” (VI’s). Un VI’s se executa pornind de la conceptul de programare a fluxului de date, adica executia unui bloc sau a unei componente este dependenta de fluxul de date, sau mai exact un bloc se executa atunci cand datele sunt disponibile la toate terminalele de intrare definite pentru acest bloc. Date de iesire din bloc sunt apoi trimise la toate celelalte blocuri conectate la acesta. Programarea este bazata pe controlul fluxului de date, fapt care permite efectuarea in paralel a mai multor operatiuni, fluxul de date fiind acela care determina executia unui bloc, nu de catre o secventa de linii de cod.

Modul de masurare:

Sonda TREK 3450 va fi conectata la voltmetrul TREK 341B, special creat pentru masurare fara contact care practic este partea care alimenteaza, preia semnalul si controleaza sonda. Semnalul masurat de voltmetru, afisat si transmis mai departe la o placa de achizitii care, la randul ei, este conectata cu un pc, caruia in transmite informatia. Datele sunt preluate, prelucrate, stocate si afisate de software-ul Labview.

Toate aceste componente vor alcatui intregul ansamblu (Fig )ce va putea culege date in timp real. Se va continua cu asamblarea sa, se vor conecta componentele intre ele si se va trece la urmatoarea etapa.

Fig.2.18 Echipament citire potential electric

Cap. 3 Programarea sistemelor de acționare electrică și de achiziție a datelor

Ca un scurt rezumat lucrarea prezenta are la baza crearea unei masini 3D care va masura potentialul electric dupa un esantion in prealabil incarcat. Kit-ul 3D a fost ansamblat, au fost facute modificari sau adaptari si adaugate diverse piese, dupa necesitati. Odata ce partea hardware respecta cerintele proiectului, vom trece mai departe la partea de miscare a axelor, de programare, de achizitie, analiza, afisare si stocare de date, parte care reprezinta baza proiectului.

Controlul miscarilor

Avand deja la cunostinta de domeniul de utilizare al software-ului, urmatorii primi pasi o reprezinta o scurta introducere in programarea utilizata de mediul Labview.

Pentru a utiliza mediul de programare Labview cu Arduino si cu sistemul de achizitii de date de la National Instruments, vom avea nevoie de o asociere intre urmatoarele programe: Labview software, Arduino software, NVISA. Acestea trebuie sa fie compatibile intre ele si mai apoi, dupa instalarea lor, trebuie adaugata interfata Arduino in Labview, cea care va permite conexiunea si programarea intre cele doua.

Instrumentele VI sau virtuale, sunt programe LabVIEW care imită fizic instrumentele. In LabVIEw, se construieste o interfata de utilizator prin utilizarea unui set de unelte si obiecte. Interfata cu utilizatorul este cunoscută sub numele de pe panoul frontal. Apoi puteti să adăugati codul utilizand reprezentări grafice de functii pentru a controla obiectele de panoul frontal. Acest cod sursă grafică este, de asemenea, cunoscut sub numele de cod au codul diagramă bloc (schemă bloc). Schema bloc contine acest cod. in unele privinte, schema bloc seamănă cu o schemă logică. Puteti achizitiona mai multe pachete de instrumente software de add-on pentru dezvoltare aplicatii specializate. Toate seturile de instrumente se integrează perfect in LabVIEW.

Panou frontal

Panoul frontal este interfata cu utilizatorul al VI-ului. Se poate realiza un panou utilizand comenzile si indicatoarele, care sunt terminalele interactive de intrare si de iesire ale VI-ului, respective. Controalele sunt butoane rotunde, butoane de apăsat, cadrane, si alte mecanisme de intrare. Indicatorii sunt grafice, LED-uri, și alte dispozitive de afisare de iesire. Controale simulează mecanismele de intrare ale instrumentul si datele de aprovizionare la schema bloc a VI-ului. Indicatorii simulează mecanismele de iesire ale instrumentului si a informatiilor de afisare din schema bloc, achizitioneaza sau genereaza.

Diagrama bloc

După ce ati construit panoul frontal, adăugati codul folosind reprezentări grafice de functii pentru a controla obiectele de pe panoul frontal. Diagrama bloc contine acest cod sursă grafică, de asemenea cunoscut sub numele de cod G sau Codul bloc diagrama. Obiectele de pe panoul frontal apar ca terminale in blocul diagramă.

Dupa aceasta documentatie s-a trecut la realizarea programului ce va avea urmatoarele scopuri:

Rol de interfata om-masina (IHM)

Va controla intreg sistemul

Va achizitiona date din teren pe care le va afisa in timp real in interfata dar le va si salva intr-un fisier

Va putea citi un cod prestabilit dintr-un fisier si mai apoi executa comenzile din cod

Pentru acestea programul a fost creat secvential si s-a inceput cu citirea si controlul unui motor (Fig ) si pagina IHM (Fig ). O prima problema intampinata in realizarea programului a fost aceea ca, folosind shield-ul Ramps 1.4 ni s-au impus anumiti pini de pe placa Arduino la care sa ne putem conecta motoarele (Fig).

Fig.3.1 Diagrama de conexiuni Arduino + Ramps 1.4

In diagrama precedenta cautam numarul pinilor ce trebuiesc folositi pentru fiecare dintre axele X, Y, Z si vom extrage:

Tabel 3.1 Maparea pinilor uzuali

Incercand sa se introduca numerele pinilor in programul Labview, s-a observat ca nu se accepta decat caractere numerice si nu s-a putut scrie pini precum A0, A1 etc. Dupa o documentatie s-a concluzionat ca pentru a putea folosi pinii special destinati pe placuta Arduino pentru intrari analogice ca pini de iesire digitala este disponibila o alta numerotatie. Un alt aspect de respectat este acela ca pinii trebuiesc declarati ca pini digitali de iesire pentru ca programul sa ii foloseasca in acest fel. Astfel s-a creat urmatorul tabel de echivalente:

Tabel 3.2 Redenumirea pinilor

Pentru crearea programului vom inlocui notatiile pinilor ca in Tabelul 3.2.

In Fig urmatoare s-a inceput prin a initializa dispozitivul, portul si specificatii ale transferului de date. La blocul Init am declarat viteza de transfer de date la 9600, portul pe care se va face comunicatia, tipul de dispozitiv cu care va comunica si prin ce interfata.

Fig.3.2 Program de control a unui motor pas cu pas realizat in Labview

In continuare urmeaza un bloc de I/O si unul de Write, acestea repetandu-se de trei ori. Blocul de I/O se foloseste pentru declararea unui anumit pin de pe placa Arduino si pentru selectarea tipului de pin. In situatia de fata am folosit pinul 54 si l-am selectat ca Output ceea ce inseamna ca va fi un pin de iesire, deci noi il vom folosi pentru a transmite ceva. Blocul write il folosim tot pentru pinul 54, asa cum este si conectat la el o casuta de variabila in care este trecut 54. La acesta mai avem conectat un buton cu denumirea Step, buton ce va aparea si in interfata grafica. Cand vom apasa in interfata grafica pe butonul Step, pe pinul 54, declarat de noi, vom avea o tensiune de 5V iar Arduino va transmite un semnal catre placuta Ramps 1.4 pe care se afla driverele iar in cele din urma motorul va executa un pas.

Urmatoarele doua structuri sunt identice cu precedenta si reprezinta pinul Direction pe care vom transmite directia in care dorim sa se roteasca si pinul Enable care reprezinta o blocare a motorului. In continuare pinul Enable nu il vom mai folosi deoarece motoarele pas cu pas oricum fiind alimentate, raman in camp si isi creeaza un blocaj.

In continuare regasim blocul Stepper Configure. Dupa cum spune si numele, vom configura motorul pas cu pas folosindu-ne de pinii anterior declarati, astfel ca vom selecta optiunea „2 wire (Pulse & Direction) adica exact cum am subliniat mai devreme ne vom folosi decat de pinii Pulse si Direction fara Enable pe care ii vom si nota ca in Fig . Acest bloc mai necesita sa introducem si numarul motorului pe care dorim sa il miscam, in cazul nostru primul motor.

In continuare avem o bucla tip structura in care atasam blocului Stepper Write o casuta ce apeleaza numarul stepperului declarat anterior, numarul de pasi de facut, viteza si acceleratia. Toata aceasta bucla va rula indata ce butonul OK va fi apasat. Acceleratia va fi setata la 0 pentru a fi dezactiva dupa cum spun specificatiile din program.

Respectand structurile minimale ce sunt necesare pentru crearea unui program de control al unui motor pas cu pas, am adaugat blocul StepperToGo la care avem atasat un afisor pentru interfata grafica unde vor aparea numarul de pasi ramasi in timp real si blocul Stepper Close la care vom atasa o casuta de apel catre numarul de motor.

In structura vom atasa de firul Error un interogator de Status care va intra intr-o poarta logica „sau” alaturi de butonul din interfata grafica „Stop”. Iesirea din poarta s-a legat la butonul de oprire al buclei. Acest buton va opri bucla daca una din intrarile portii sau va fi setata la „1”, adica daca va aparea o eroare sau daca butonul de Stop va fi apasat.

Atentie: Daca vom selecta un numar de 1000 de pasi si dupa primii 100 vom dori sa intrerupem functionarea apasand butonul Stop, programul va continua sa ruleze deoarece bucla deja are o comanda de realizare de 1000 de pasi si abia dupa finalizarea acestei comenzi isi va opri continuarea.

Programul se incheie cu un bloc de Close unde vor intra decat firele „Arduino Resources” si „Error”.

Fig.3.3 Interfata de control a unui motor pas cu pas realizata in Labview

Amintindu-ne de programul anterior vom analiza interfata grafica a programului si observam ca aceasta contine toate butoanele si afisoarele enuntate.

Programul Labview ofera utilizatorului libertatea de a-si configura interfata asa cum doreste. Astfel apasand in fereastra de interfata click dreapta va aparea o lista de tipuri de elemente (Fig ). Aici se pot selecta intre diferite tipuri de butoane care pot fi cu actionare la apasare, sau la revenire, butoane cu revenire sau fara, lampi diferite culori si tipuri, comutatoare, bari numerice, zone de introducere de cai, zone de afisare de matrice, afisoare de grafice, etc.

Toate aceste elemente grafice se pot muta, aranja si le putem schimba marimea astfel incat sa fie cat mai prietenoase cu utilizatorul si interfata om-masina sa fie cat mai usor de inteles si accesat.

Fig.3.4 Panou cu utile pentru interfata Labview

Interfata creata de noi este una de baza, fara elemente complexe si a fost utilizata in primele teste in care am utilizat un singur motor pas cu pas.

Dupa reusita controlului unui motor pas cu pas, am multiplicat programul si adaptat si pentru celelalte 2 axe si am realizat teste.

Fig.3.5 Program de control a 3 axe in Labview

S-a structurat programul astfel incat sa fie cat mai usor de inteles si astfel avem initializarea dispozitivului dupa care urmeaza 3 randuri de program, unul pentru fiecare axa. Fiecare rand contine declararea tipurilor de pini si blocurile aferente de write, deoarece se vor folosi ca pini de iesire digitala.

Urmatoarea parte din program o reprezinta bucla While in care se afla inca o bucla de tip eveniment. In bucla eveniment s-au creat blocurile Stepper Write corespunzatoare celor 3 motoare iar in exteriorul sau blocurile StepperToGo si Stepper Close.

Spre deosebire de servomotoare, unul dintre dezavantajele motoarelor pas cu pas este acela ca nu se cunoaste pozitia exacta a acestuia. Pentru rezolvarea acestui inconvenient se folosesc limitatori de cap de cursa sau senzori. Deoarece kit-ul imprimante 3D a continut si 3 limitatori de capete de cursa, acestia se vor folosi pentru cunoasterea „pozitie de 0” a echipamentului. Coordonatele pe axe vor putea fi calculate mai apoi prin cunasterea punctului 0 si adaugare numarului de pasi realizati de motoarele pas cu pas. Se va contrui o functie de calcul in program astfel incat pasii facuti de motoare sa fie adunati daca axa va inainta spre + si scazuti daca va inainta spre – si mai apoi raportati la numarul de pasi necesari pentru o rotatie a motorului. Deoarece ar fi destul de greu de analizat deplasare masurate in pasi, este necesara si aflarea raportului pasi/mm (Tabelul 3.3) al fiecarei axe pentru a putea transforma pasii facuti de motor in mm. La final rezultatele distantelor parcurse pe axe vor fi afisate in mm ceea ce va ajuta utilizatorul in analizarea datelor.

Tabelul 3.3 Tabel de conversie distante axe

Dupa cum se observa, in tabelul precedent s-a masurat distanta maxima in milimetrii care se poate parcurge pe fiecare axa. Aceasta informatie este necesara pentru a nu depasi numarul maxim de pasi si a crea defectiuni.

Luand in calcul si situatia ca echipamentul sa ramana intr-o pozitie nefavorabila din cauza unei defectiuni mecanice, electrice sau chiar din cauza unei opriri de urgenta sau deconectari de la reteaua de energie electrica, s-a decis crearea unor comenzi de aducere a masinii la un „punct de 0”. Programul a fost gandit sa se execute pasi pe o axa in directia – pana cand limitatorul de la capatul cursei va fi facut. Programul executandu-se ciclic, va misca motoarele un pas si apoi va compara daca limitatorul a inchis circuitul. Tot acest ciclu de comanda si apoi verificare este procesat destul de greu si acest lucru este rezultat in timpul de executie. Cu alte cuvinte, timpul necesar pentru un pas este mult prea mare. S-a decis ca in bucla sa introducem un numar mai mare de pasi. In aceasta situatie, motorul nu va mai executa cate un pas ci grupuri de cate 10 pasi si va verifica starea limitatorului. Solutia gasita are avantajul ca exhipamentul ajunge mult mai repede in punctul de 0 si dezavantajul ca la fiecare 10 pasi fiecare motor face o oprire urmand sa repete ciclul. Putem spune ca pentru revenirea la punctul de 0 sistemul merge intrerupt. Pentru a evita folosirea butoanelor de revenire la 0, vom adauga la finalul fiecarui cod pasii necesari pentru revenire. Astfel daca masina, la finalul masuratorilor, a ramas in punctul A(10,30) ultimele randuri din cod vor fi: „x -10; y -30”.

Pentru deplasarea pe cele 3 axe vom avea nevoie de o cunoastere exacta a pozitiei deoarece se doreste extragerea de date exacte de pe esantion. Aceste informatii vor contine coordonatele axe X, coordonatele axei Y si potentialul in functie de coordonate.

Acest program este functional insa nu corespunde total cerintelor. Momentan axele se pot misca decat prin introducerea manuala a numarului de pasi. Necesar este sa se creeze o sectiune de program care sa permita introducerea unui fisier care sa contina un limbaj asemanator limbajului G-Code iar programul sa poata sa transforme codul in miscari ale motoarelor. Mai exact, pentru controlul motoarelor se va crea un fisier in care vom introduce toti pasii pe care axele ii vor face. Spre exemplu daca se va dori sa se execute o miscare de 100mm pe axa X codul va arata in felul urmator: „x 100”. Denumirile celor trei motoare vor fi inlocuite in program cu „X”, „Y”si „Z”, „x”, „y”, „z” pentru a inlatura erorile in care utilizatorul uita sa scrie in cod cu litera mare. Labview va cunoaste de acum motoarele cu noile denumiri si din fisierul introdus se va citi linie cu linie. Astfel pentru comanda de mai sus el va citi pe prima coloana litera „x” si va recunoaste pe aceasta ca fiind motorul pas cu pas numarul 1, motorul care fizic controleaza chiar axa X. Dupa cea de-a doua coloana se va citi distanta de parcurs exprimata in milimetrii. Programul va citi acel numarul si folosind o functie creata vor rezulta numarul de pasi pe care trebuie sa ii faca motorul pentru a parcurge distanta introdusa. Dupa finalizarea executiei liniei, se va trece la linia urmatoare si se va continua pana la sfarsitul programului.

Achizitia si procesarea datelor

Dupa realizarea controlului s-a trecut la crearea partii de achizitie de date. Aceasta se va face cu ajutorul placutei de achizitii de date USB-6210 de la National Instruments.

Fig.3.6 Schema de principiu achizitii de date

In timp ce sistemul se va misca in coordonate, sonda va culege date din fiecare punct si le va trnasmite la placa de achizitie. Aceasta le prelucreaza si le transmite la randul ei catre calculator unde pot fi salvate, vizualizate in timp real, comparate, etc. In situatia prezenta se va dori ca datele sa fie salvate dar si vizualizate in timp real.

S-a decis ca in structura programului sa se creeze o zona in care se poate introduce calea catre un fisier unde vor fi salvate datele. Utilizatorul va putea de fiecare data sa selecteze cai interne ale calculatorului sau chiar de pe memorii USB si sa le denumeasca direct din program.

Dupa cum s-au prezentat specificatiile sondei non-contact, programul trebuie realizat astfel incat sonda sa fie intotdeauna la 3 mm de esantion pentru ca rezultatele sa fie exacte. Axa Z va fi utilizata decat dupa asezarea esantionului in suportul de pe masa echipamentului, pentru a cobora sonda la suprafata de masurat.

Vom folosi in program o conditie de memorare a datelor astfel incat rezultatele masurate de sonda sa fie memorate numai dupa ce aceasta a ajuns la pozitia de 3mm deasupra esantionului. Aceasta s-a realizat prin folosirea unui blocaj astfel incat numai la intalnirea primei comenzi de miscare pe axa x sa se inceapa masurarea. Cu aceasta conditie vom evita un surplus de date nefolositoare, care ar incarca programul si interfata grafica.

In program s-a dorit o interfata grafica pentru a observa in timp real rezultatele masurate pe esantion. A fost necesar sa aducem in acelasi loc, rezultate si masuratori din trei zone diferite, adica calculul final in milimetrii al axei X, al axei Y si informatia masurata de sonda si colectata cu placa de achizitie. Se vor aduce toate aceste date si se vor aseza intr-o matrice formata din trei coloane dupa cum urmeaza:

Coordonatele axei X

Coordonatele axei Y

Potentialul masurat

Matricea va avea un numar de linii egal cu numarul de puncte in care au fost realizate masuratori.

Potentialul masurat va fi considerat ca o axa Z in graficul 3D din interfata (Fig ).

Fig.3.7 Interfata de afisare a rezultatelor

Prezentarea Interfetei de utilizator:

Fig.3.8 Interfata Om-Masina

In acest panou de control sunt incluse toate elementele necesare utilizatorului pentru controlul si achizitia de date folosind dispozitivul cinematic liniar de masurare a potentialului electric pe o placa polimerica.

Continutul panoului:

Fereastra de introducere cale a fisierului de intrare

Fereastra de introducere cale a fisierului de iesire

Butoane de pornire si oprire sistem

Butoane de origine individuale fiecarei axe

Buton general de origine a axelor

Afisor de valoare a potentialului

Buton de golire a graficului

Contor pasi ramasi

Grafic 3D cu legenda

Cap. 4 Testarea echipamentului

Test sonda

Fig.3.9 Principiul de masurare al sondei

Inainte de a executa primele masuratori au fost necesare teste pentru a ne asigura ca echipamentul functioneaza. Astfel am decis sa configuram un traseu pentru sonda format dintr-o singura miscare pe axa X. In drumul sau va trece printr-o zona alimentata la -125V. Pe parcursul traseului sonda va trebui sa aibe o crestere a potentialului pana la o valoare aproximativa de -125V, atunci cand va intra in zona alimentata iar apoi la parasirea zonei sa scada.

S-a executat acest test iar rezultatele obtinute (Fig ) au fost favorabile.

Fig.3.10 Rezultate obtinute la trecerea sondei printr-o zona alimentata la -125V

Se observa cum rezultatele se modifica in functie de deplasare si implicit timp. Potentialul creste spre zona de -125V treptat iar apoi, dupa ce atinge maximul, iese din zona si potentialul scade pana cand ajunge la 0.

Teste de masura

Dupa asamblare si modificarea kit-ului 3D si crearea programului, se vor face teste si compara cu rezultatele de la echipamentul anterior.

Pentru a avea un etalon exact de verificat dispozitivul, folosim o placa metalica cu forma decupata (Fig ) si alimentata la un potential.

Fig.3.11 Reprezentarea placii de test

Se va crea un program care sa scaneze forma cilindrica legata la un potential de 500V. Sonda se va deplasa pe directia Y cat sa depaseasca forma. Apoi se va deplasa pe X 1mm si se va intoarce la originea lui Y. Aceasta manevra se va repeta pana cand toata forma este survolata de sonda.

Rezultatele sunt reprezentate astfel:

Fig.3.12 Rezultate scanare potential 500V

Pentru a observa mai bine rezultatele obtinute sunt introduse intr-un program ce le va interpreta si va crea un grafic 3D echivalent cu cel afisat pe interfata in timp real si se va obtine Fig .

Fig.3.13 Reprezentarea 3D a rezultatelor

Vom compara graficul cu cel obtinut din masuratori efectuate cu vechiul echipament.

Fig.3.14 Comparatie rezultate utilaj vechi cu utilaj nou

In partea din dreapta desenelor avem legenda culorilor si putem vedea cum potentialul creste de la 0 (albastru) la 0.5KV (rosu). Sonda trecand de la zona de potential 0 la cea de 0.5KV, intalneste in tranzit si zona unde masoare jumatate din forma conectata la potential si jumatate din zona conectata la pamant. Tocmai de aceea trecerea nu este brusca de la 0 la 0.5KV si avem zone de tranzitie. Pe masura ce sonda intra cu toata aria de masurare in zona ariei cu potential, graficul incepe sa devina rosu, semn ca potentialul atinge valoarea maxima.

Se observa o imbunatatire a calitatii rezultatelor, folosind in ambele cazuri aceleasi conditii si potential. Partea din fata a graficului obtine o imbunatatire majora deoarece echipamentul nou foloseste o rezolutie mult mai ridicata iar datele culese sunt mult mai multe.

Chiar si in cea de-a doua imagine, a echipamentului nou, observam ca avem o stratificare a desenului in functie de cat de dese vom alege masuratorile pe Y. Daca distanta dintre miscarile care le face sonda pe axa Y va fi mai mica, atunci numarul de straturi va fi mai mare sau chiar va disparea si forma va deveni mai fina.

Instructiuni de utilizare

Dupa cum am precizat, una din cerintele ce au trebuit indeplinite a fost aceea de a realiza un program cu o interfata cat mai usor de accesat de utilizator. Respectand fiecare punct din caietul de sarcini, s-a creat o pagina in care utilizatorul sa aibe acces la toate functiile echipamentului.

Pasi de urmat pentru a efectua o masuratoare:

Se alimenteaza cu tensiune toate echipamentele

Se porneste calculatorul cu software-ul Labview

Se executa o miscare de revenire la origine a echipamentului

Se introduc cele doua adrese de fisiere: una a programului de intrare si una pentru fisierul in care se vor salva rezultatele

Se aseaza esantionul in suport

Se apasa Start si se asteapta rezultatele

La final echipamentul va reveni in pozitia de 0 daca este prevazut in program sau va fi necesara executia unei manevre de revenire la 0 prin apasarea butonului Origine

Concluzii

Lucrarea a necesitat majoritatea cunostintelor dobandite in timpul facultatii

Constructia machetei a dezvoltat spiritul de echipa

Trebuie sa se verifice daca distanta de parcurs pe axa Z din program este mai mare decat cea fizica

Inainte de pornirea tensiunii la voltmetru se asteapta ca lampa „Ready” sa se aprinda

Utilizatorul trebuie sa fie atent la programul pe care il incarca pentru a nu produce incidente

Macheta va fi utilizata in scopuri de cercetare a materialelor polimerice

Echipamentul este unul eficient, fapt rezultat inca din primele teste realizate in laborator

Se pot aduce imbunatatiri prin modificarea structurii si crearea uneia mai rigide

Bibliografie

https://ro.wikipedia.org/wiki/Electricitate

Reyne, M., Tehnologie des composites, Traite des Nouvelles Tehnologies, serie Materiaux, Paris, 1995

Ing. Tatiana CONSTANDACHE, MASE PLASTICE COLORATE ȘI DOMENII DE UTILIZARE A ACESTORA, Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi”, Iași

http://www.automation.ro/Invata_Automatica/pdf/NI_Labview.pdf

Jen-Shih Chang, Arnold J. Kelly, Joseph M. Crowley; Handbook of electrostatic processes

V. V. Athani, New Age International Publishers; Stepper motors: Fundamentals, Aplications and Design

Alexander A. Bezerin, Electrification of Solid Materials; Ontario, Canada, McMaster University Hamilton

A. Fatihou, N. Zouzou, G. Iuga, and L. Dascalescu; “Interpretation of surface potential measurements performed with the vibrating capacitive probe of an electrostatic voltmeter”, Journal of Physics: Conference Series, vol. 646, no. 1, 2015

B. Neagoe, Y. Prawatya, T. Zeghloul, D. Souchet, and L. Dascalescu “Laboratory bench for the characterization of triboelectric properties of polymers”, Journal of Physics Conference Series, Vol. 646, 2015

J. Crowley, Fundamentals of Applied Electrostatics, New York, Wiley, 1986

M. B. Neagoe, Y.E. Prawatya, T. Zeghloul, L. Dascalescu; Methodology of non-contact measurement of electric potential at the surface of dielectrics; Institut P', UPR 3346 CNRS – Université de Poitiers – ENSMA, Angoulême, France

B. Kchaou, C. Turki, M. Salvia, Z. Fakhfakh, D. Treheux; Dielectric and friction behaviour of unidirectional glass fibre reinforced epoxy (GFRE), 2008

WonheeKim, DonghoonShin, YoungwooLee, Chung ChooChung, Simplified torque modulated microstepping for position control of permanent magnet stepper motors, Mechatronics; Volume 35, May 2016, Pages 162-172