Das Ziel dieser Arbeit ist, ein Antriebssystem zu entwickeln, welches den Induktor unter dem Blech bewegen kann. Diese Bewegung soll je nach Geschwindigkeit und Verfahrweg ein anderes Erwärmungsprofil erzeugen. Durch anpassbare Erwärmungsprofile ergeben sich neue Einsatzgebiete der Querfeldinduktion. Der Antrieb soll vom Computer aus steuerbar sein. Zudem soll es die Möglichkeit geben, die aktuelle Position des Induktors aufzunehmen und in einer Tabelle abzuspeichern. Dies ist relevant um das Bewegungsprofil der Messung am Computer zu simulieren und mit der realen Messung zu vergleichen. Die Aufgabenbereiche der Arbeit gestalten sich vielseitig. Von der Konstruktion über die Auswahl der Komponenten bis hin zur Programmierung der Mikrocontroller. Im Anschluss soll ein Test auf Funktionalität und Machbarkeit durchgefuhrt werden. Das resultierende Ergebnis des Testes gibt Aufschluss, ob in Zukunft mit dem erstellten
System weiter geforscht werden sollte.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen
2.1 Thermische Grundlagen
2.1.1 Wärmeleitung
2.1.2 Konvektion
2.1.3 Wärmestrahlung
2.2 Mechanische Grundlagen
2.3 Elektrische Grundlagen der Feldtheorie
2.4 Elektrische Antriebe Grundlagen
2.5 Grundlagen Induktion
2.6 Längsfeldinduktion
2.7 Querfeldinduktion
2.8 Vergleich von Quer- und Längsfeld
3 Idee und Ziel der Arbeit
4 Praktische Realisierung
4.1 Aufbau
4.2 Auslegung des Motors
4.3 Elektrik
4.4 Messtechnik
4.5 Software und Code
4.5.1 Arduino Motorsteuerung
4.5.2 Arduino Distanzmessung
4.5.3 Graphical User Interface
4.5.4 Bedienung des GUI
5 Ergebnisse der praktischen Durchführung
5.1 Resultate der Distanzmessung
5.2 Relativer Blechvorschub
5.3 Ergebnisse des Erwärmungsprozesses
6 Zusammenfassung und Ausblick
7 Anhang
7.1 Tabelle zu Approximation der Sensordaten
7.2 Abbildungen zum relativen Blechvorschub
7.3 Ergebnisse der Messreihen
7.4 Arduino Sketch zur Distanzmessung
7.5 Arduino Sketch zur Motorsteuerung
7.6 Java Skript (GUI)
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, eine Antriebseinheit für die dynamische induktive Querfelderwärmung zu konzipieren und zu konstruieren, um Kantenüberhitzungen bei der Blecherwärmung durch eine sinusförmige Induktorbewegung zu minimieren. Dabei wird ein System entwickelt, das vom Computer aus steuerbar ist, die Induktorposition in Echtzeit misst und die Erwärmungsprozesse unter verschiedenen Parametern analysiert.
- Konstruktion eines Antriebssystems für die dynamische Induktorbewegung
- Entwicklung einer Benutzeroberfläche zur Steuerung und Datenerfassung
- Implementierung einer Infrarot-basierten Distanzmessung zur Positionsbestimmung
- Vergleichende Analyse verschiedener Erwärmungsprofile bei variablen Prozessparametern
- Automatisierung der Dokumentation von Messreihen in Excel-kompatiblen Formaten
Auszug aus dem Buch
4.5.1 Arduino Motorsteuerung
Im Sketch zur Ansteuerung des Motors werden im ersten Schritt die gebrauchten Variablen deklariert.
Die Kommazahl (double) “drehzahl“ in Abbildung 22, bestimmt beispielsweise die Motordrehzahl, welche beim Starten des Programmes voreingestellt sein soll. Integer Zahlen (Ganzzahl) wie PUL1, DIR1 und ENA1 legen fest, an welchen Pins des Controllers die Leitungen des Motors angeschlossen sind. Über die Ansteuerung dieser Leitung kann die Drehzahl (PUL1), die Richtung (DIR1) und das Starten oder Stoppen des Motors (ENA1) vorgegeben werden. Im Setup Teil der Motorsteuerung wird der Pin Mode festgelegt. Dieser bestimmt, ob es sich beim gewählten Pin um einen Ausgang (Output) oder Eingang (Input) handelt.
Der Pin Mode von PUL1, DIR1 und ENA1 soll als Ausgang festgelegt werden. Zudem soll der Pin ENA1, über den Befehl digitalWrite, beim Start des Programmes auf LOW bzw. AUS gesetzt werden. Der Befehl Serial.begin(9600) startet daraufhin die Kommunikation mit der seriellen Schnittstelle. Der Loop-Teil der Motorsteuerung führt die Funktionen “motor()“ und “steuerung()“ aus. Die Funktion “steuerung()“ fragt die Eingaben ab, welche das Userinterface über die serielle Schnittstelle liefert.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Beschreibt die Bedeutung der Induktion in der industriellen Erwärmung und definiert die Notwendigkeit sowie das Ziel der Entwicklung einer dynamischen Antriebseinheit zur Minimierung von Kantenüberhitzungen.
2 Grundlagen: Erläutert die theoretischen thermischen, mechanischen und elektrischen Prinzipien sowie die spezifischen Grundlagen der Längs- und Querfeldinduktion.
3 Idee und Ziel der Arbeit: Definiert die Anforderungen an das zu entwickelnde Antriebssystem und legt den Fokus auf die Positionsmessung und die sinusförmige Bewegung zur Prozessoptimierung.
4 Praktische Realisierung: Detailliert den technischen Aufbau der Anlage, die Motorauslegung, die elektrische Implementierung und die Programmierung der Steuerung mittels Arduino und Java GUI.
5 Ergebnisse der praktischen Durchführung: Präsentiert die Messresultate zur Distanzgenauigkeit sowie die Auswirkungen verschiedener Bewegungs- und Drehzahlprofile auf die Erwärmungsmuster der Bleche.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und bewertet das Potenzial dynamischer Querfelderwärmung für zukünftige industrielle Anwendungen.
7 Anhang: Enthält die tabellarischen Sensordaten, weiterführende Diagramme sowie die vollständigen Programmcodes für die Steuerung und die Benutzeroberfläche.
Schlüsselwörter
Induktion, Querfelderwärmung, Antriebseinheit, Schrittmotor, Arduino, Distanzmessung, Blecherwärmung, Kantenüberhitzung, Automatisierung, Prozessoptimierung, Temperaturprofil, Messsystem, Java, GUI, Steuerungstechnik
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Bachelorarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der Konzeption und Konstruktion einer Antriebseinheit für die dynamische induktive Querfelderwärmung, um ungleichmäßige Erwärmungsmuster bei Blechen zu verbessern.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die Schwerpunkte liegen auf der thermischen Erwärmungstheorie, der Antriebstechnik, der Programmierung von Mikrocontrollern und der Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche für industrielle Messprozesse.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel ist die Entwicklung eines Systems, das den Induktor sinusförmig unter einem Blech bewegt, um Kantenüberhitzungen zu kompensieren und reproduzierbare Erwärmungsprofile zu erzeugen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es kommt ein experimenteller Ansatz zum Einsatz, bei dem ein Versuchsaufbau mechanisch und softwareseitig erweitert wurde, um verschiedene Betriebsparameter in Messreihen zu testen und die Ergebnisse visuell zu analysieren.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen, die konstruktive Umsetzung des Antriebssystems, die elektrische Verschaltung, die Softwareprogrammierung sowie die Auswertung der durchgeführten Erwärmungsversuche.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Induktion, Querfelderwärmung, Schrittmotorsteuerung, Prozessoptimierung, Echtzeit-Positionsmessung und Anwendungsgebiete in der Metallindustrie.
Warum wurde eine sinusförmige Bewegung des Induktors gewählt?
Die sinusförmige Bewegung soll dazu dienen, abwechselnde Zonen von Erhitzung und Unterkühlung zu erzeugen, die sich durch Wärmeleitung im Blech zu einem homogeneren Temperaturprofil ausgleichen.
Welche Rolle spielt das Graphical User Interface (GUI)?
Das GUI vereinfacht die Bedienung des Gesamtsystems durch Knöpfe und Eingabefelder und ermöglicht zudem die Echtzeit-Aufzeichnung der Sensordaten in Excel-lesbaren Dateien.
Wie wurde die Distanzmessung zwischen Induktor und Blech gelöst?
Die Messung erfolgt mithilfe eines Infrarot-Distanzsensors, dessen Daten mittels eines Arduino verarbeitet, mittels Approximation in Zentimeterwerte umgerechnet und zur Fehlerreduktion sortiert werden.
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- Jarek Dragendorf (Author), 2020, Dynamische induktive Querfelderwärmung. Konzeption und Konstruktion einer Antriebseinheit, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1168163
