Předložená práce se zabývá návrhem elektromagnetického lineárního aktuátoru s řídicím systémem. Na základě rešerše byla vybrána uspořádání aktuátoru, která byla zkoumána pomocí matematických modelů v programu COMSOL Multiphysics 5.6. Matematické modely se zabývaly výpočtem velikosti sil působících na jezdec pro různé polohy na polohovací dráze, možností použití diamagnetického materiálu pro snížení tření mezi jezdcem a pracovní deskou a dále možností magnetického vedení jezdce. Výsledky matematických modelů vedly k návrhu dvou lineárních aktuátorů a několika topologií jejich jezdců. Vyrobeny tedy byly dva typy aktuátoru včetně jezdců a jejich základní funkčnost byla experimentálně ověřena. Dále bylo navrženo schéma řídicí elektroniky, na základě kterého byla vytvořena deska plošných spojů. Po osazení a oživení elektroniky byla experimentálně ověřena její funkčnost společně s aktuátory. Pro elektroniku dále byly doprogramovány nové funkce v rámci společného řídicího kódu pro polohovací zařízení výzkumného týmu CIMRA. Z experimentů vyplynulo, že zvolené uspořádání aktuátorů a jezdců nedosahuje požadovaných parametrů polohování, zejména z důvodu neudržení přímého směru jezdce na pracovní desce. V závěru práce jsou tedy nastíněny možné příčiny těchto chyb a navrhnuta jejich řešení.
Anotace v angličtině
Submitted thesis deals with the design of electromagnetic linear actuator with control system. The topology of the actuator was based on research and studied by mathematical models in COMSOL Multiphysics 5.6. The mathematical models were concerned with the calculation of the forces affecting the rider in different positions on the positioning track, the possibility of usage of diamagnetic material in order to reduce friction between the rider and the positioning desk and the possibility of magnetic guidance of the rider. The results of the mathematical models led to design of two linear actuators and several topologies of the riders. Two types of actuators were constructed with their riders and basic funcionality was experimentally verified. Then, the scheme of the control electronics was designed and, based on the scheme, the printed circuit board was created. After fitting and debugging, the functionality of the electronics was experimentally verified together with the actuators. New functions for the electronics were programmed under the
common control code for the positioning devices of the research team CIMRA. The experiments showed that topology of the actuators and the riders do not achieve demanded positioning parametres, mainly because of the problems with the direct movement of the riders. In the conclusion, the possible causes of these faults are explained and their solution is proposed.
linear positioning, mathematical model, actuator, control electronics, minirobotics, magnetic actuation, magnetic guidance, COMSOL Multiphysics, KiCad, coplanar coils
Rozsah průvodní práce
xi, 52, S
Jazyk
CZ
Anotace
Předložená práce se zabývá návrhem elektromagnetického lineárního aktuátoru s řídicím systémem. Na základě rešerše byla vybrána uspořádání aktuátoru, která byla zkoumána pomocí matematických modelů v programu COMSOL Multiphysics 5.6. Matematické modely se zabývaly výpočtem velikosti sil působících na jezdec pro různé polohy na polohovací dráze, možností použití diamagnetického materiálu pro snížení tření mezi jezdcem a pracovní deskou a dále možností magnetického vedení jezdce. Výsledky matematických modelů vedly k návrhu dvou lineárních aktuátorů a několika topologií jejich jezdců. Vyrobeny tedy byly dva typy aktuátoru včetně jezdců a jejich základní funkčnost byla experimentálně ověřena. Dále bylo navrženo schéma řídicí elektroniky, na základě kterého byla vytvořena deska plošných spojů. Po osazení a oživení elektroniky byla experimentálně ověřena její funkčnost společně s aktuátory. Pro elektroniku dále byly doprogramovány nové funkce v rámci společného řídicího kódu pro polohovací zařízení výzkumného týmu CIMRA. Z experimentů vyplynulo, že zvolené uspořádání aktuátorů a jezdců nedosahuje požadovaných parametrů polohování, zejména z důvodu neudržení přímého směru jezdce na pracovní desce. V závěru práce jsou tedy nastíněny možné příčiny těchto chyb a navrhnuta jejich řešení.
Anotace v angličtině
Submitted thesis deals with the design of electromagnetic linear actuator with control system. The topology of the actuator was based on research and studied by mathematical models in COMSOL Multiphysics 5.6. The mathematical models were concerned with the calculation of the forces affecting the rider in different positions on the positioning track, the possibility of usage of diamagnetic material in order to reduce friction between the rider and the positioning desk and the possibility of magnetic guidance of the rider. The results of the mathematical models led to design of two linear actuators and several topologies of the riders. Two types of actuators were constructed with their riders and basic funcionality was experimentally verified. Then, the scheme of the control electronics was designed and, based on the scheme, the printed circuit board was created. After fitting and debugging, the functionality of the electronics was experimentally verified together with the actuators. New functions for the electronics were programmed under the
common control code for the positioning devices of the research team CIMRA. The experiments showed that topology of the actuators and the riders do not achieve demanded positioning parametres, mainly because of the problems with the direct movement of the riders. In the conclusion, the possible causes of these faults are explained and their solution is proposed.
linear positioning, mathematical model, actuator, control electronics, minirobotics, magnetic actuation, magnetic guidance, COMSOL Multiphysics, KiCad, coplanar coils
Zásady pro vypracování
Prostudujte a popište problematiku lineárního polohování pomocí magnetického pole.
Formulujte matematický model magnetického pole popisující systém planárních cívek v interakci s permanentním magnetem.
Pomocí matematického modelu proveďte analýzu a návrh prototypu aktuátoru.
Sestrojte navržený aktuátor společně s řídícím elektronickým systémem.
Experimentálně ověřte funkčnost zkonstruovaného prototypu. Proveďte zhodnocení dosažených vlastností a porovnejte s komerčními systémy.
Zásady pro vypracování
Prostudujte a popište problematiku lineárního polohování pomocí magnetického pole.
Formulujte matematický model magnetického pole popisující systém planárních cívek v interakci s permanentním magnetem.
Pomocí matematického modelu proveďte analýzu a návrh prototypu aktuátoru.
Sestrojte navržený aktuátor společně s řídícím elektronickým systémem.
Experimentálně ověřte funkčnost zkonstruovaného prototypu. Proveďte zhodnocení dosažených vlastností a porovnejte s komerčními systémy.
Seznam doporučené literatury
HUSÁK, M., Mikrosenzory a mikroaktuátory. Academia, 2008.
MAYER, D., Aplikovaný elektromagnetismus. 2012.
KUTHAN, J., JUŘÍK, M., Collective Planar Actuation of Miniature Magnetic Robots Towards Individual Robot Operation. doi: 10.1109/MARSS49294.2020.9307877.
KUTHAN, J., JUŘÍK, M. Key aspects of magnetically guided actuation on planar surfaces. In Elektrotechnika a informatika 2018. ISBN: 978-80-261-0785-9.
PELRINE, Ronald E.; WONG-FOY, Annjoe. Levitated-micro manipulator system. U.S. Patent Application No 10/044,253, 2018.
Seznam doporučené literatury
HUSÁK, M., Mikrosenzory a mikroaktuátory. Academia, 2008.
MAYER, D., Aplikovaný elektromagnetismus. 2012.
KUTHAN, J., JUŘÍK, M., Collective Planar Actuation of Miniature Magnetic Robots Towards Individual Robot Operation. doi: 10.1109/MARSS49294.2020.9307877.
KUTHAN, J., JUŘÍK, M. Key aspects of magnetically guided actuation on planar surfaces. In Elektrotechnika a informatika 2018. ISBN: 978-80-261-0785-9.
PELRINE, Ronald E.; WONG-FOY, Annjoe. Levitated-micro manipulator system. U.S. Patent Application No 10/044,253, 2018.
Přílohy volně vložené
-
Přílohy vázané v práci
ilustrace, grafy, schémata, tabulky
Převzato z knihovny
Ano
Plný text práce
Hodnocení z obhajoby práce
Výborně
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Dotazy oponenta práce.
Silové poměry v lineárním aktuátoru.
Dosažené dynamické vlastnosti postaveného aktuátoru.
Použití stacionárního/nestacionárního modelu mg. pole.