An emerging industrial automation has led to higher demands required for construction of encoders to ensure functionality of automated processes. The main purpose of the encoder is to provide data which indicates the condition of a drive system. If the encoder is found to be defective, there is a risk of causing a critical discontinuity in the drive system increasing the risk of causing a dangerous situation. For rotary inductive encoders, ball bearing failure is the main reason for encoder failure. Since the effectiveness of a lubricant decreases over time, continued operation of the encoder will lead to wear increasing frictional torque in the ball bearings. The bearings will eventually lose their ability to rotate resulting in blocked bearings. This thesis has been executed at the request of Leine & Linde with the aim of concretising and further developing a patented conceptual solution initiated by the company. A solution that aims to mechanically register lost rotational ability of the ball bearings in a rotary inductive encoder. As a result, maintenance or replacement of defective ball bearings can be scheduled upon indication of wear rather than after a malfunction has occurred contributing to increased functional safety. This has led to formulation of two research questions: RQ1: How can a mechanical solution be designed to enable the detection of blocked bearings in a rotary inductive encoder and thereby increase the functional safety of a control system? RQ2: Which aspects should be taken into account when designing industrial rotary encoders with inductive measurement technique on which the functional safety increases? This study includes two sub-studies which were executed within a period of 20 weeks: 1) theoretical study; 2) empirical study. The theoretical sub-study is based on a literature study of published research articles as well as relevant company documents in functional safety, operational monitoring and control as well as flexible and robust constructions. The empirical study consists of a case study which is based on an exploratory iterative product development process which, after evaluating a patented solution, examined six alternative solutions with regard to established requirements. Empirical data has primarily been collected through Computer-Aided Design (CAD), empirical test observations of 3D-printed functional prototypes as well as a Computer Numerical Control (CNC) produced functional prototype. Additionally, failure effect analyses (FMEA) were executed. All sub-results have been verified through discussions with relevant actors at the case company. The result of the study has showed a working function including a spring force which, integrated in the case company’s general product architecture, enables an extended distance of 1.5 mm between rotor and stator in case of blocked bearings. The given distance variation, within an inductive encoder, is assumed to produce deviating electromagnetic values which can be registered by connected software. However, functional performance depends on external circumstances where a correct installation and application is assumed. An analysis of theoretical and empirical studies has shown seven factors which are seen to affect functional safety: 1) product architecture; 2) product structure; 3) risk assessment; 4) material & geometry requirements; 5) maintenance & redundancy; 6) product variability; 7) spring application. An essential conclusion of executed study refer to mechanical springs which may be incompatible with functional safety constructions due to risk of fatigue failure. Thus, it is recommended to further investigate whether a solution without a spring is possible. / Med en framväxande industriautomation ställs allt högre krav vid konstruktion av pulsgivare i syfte att säkerställa funktionaliteten hos automatiserade processer. Pulsgivarens huvudsakliga syfte är att tillhandahålla data vilka påvisar tillståndet hos ett drivsystem. I det fall då pulsgivaren ses vara defekt riskeras ett kritiskt avbrott hos drivsystemet att förorsakas, vilket medför ökad risk för uppkomst av en farlig situation. För roterande induktiva pulsgivare ses kullagerfel vara den främsta anledningen till att haveri uppstår. Då effektiviteten av ett smörjningsmedel avtar med tiden ses fortsatt drift leda till slitage och ökat friktionsmoment i kullagren vilka till slut förlorar rotationsförmågan och låses. Denna avhandling har utförts på uppdrag av Leine & Linde med målsättningen att konkretisera och vidareutveckla en patenterad konceptuell lösning framtagen av företaget. En lösning som syftar till att mekaniskt registrera förlorad rotationsförmåga hos kullagren i en roterande induktiv pulsgivare. Således ses underhåll eller byte av kullager kunna planeras in redan vid indikation på slitage istället för vid defekt funktion, vilket bidrar till ökad funktionssäkerhet. Detta har lett till formulering av två forskningsfrågor: F1: Hur kan en mekanisk lösning konstrueras för att möjliggöra detektering av låsta lager hos en roterande induktiv pulsgivare och därmed öka funktionssäkerheten för ett styrsystem? F2: Vilka aspekter bör beaktas vid konstruktion av industriella roterande pulsgivare med induktiv mätteknik på vilken funktionssäkerheten ses öka? Studien omfattar två delstudier vilka utförts inom en tidsperiod på 20 veckor: 1) teoretisk studie; 2) empirisk studie. Den teoretiska delstudien baseras på en litteraturstudie av publicerade forskningsartiklar liksom relevanta företagsdokument inom funktionssäkerhet, driftövervakning och styrning samt flexibla och robusta konstruktioner. Den empiriska studien utgörs av en fallstudie vilken baseras på en utforskande iterativ produktutvecklingsprocess vilken efter utvärdering av en patenterad lösning undersökt sex alternativa lösningar med hänsyn till upprättade kravspecifikationer. Empiriska data har primärt samlats in genom Computer-Aided Design (CAD), empiriska testobservationer av 3D-printade funktionsprototyper liksom en CNC-framtagen (Computer Numerical Control) funktionsprototyp samt utförande av feleffektsanalyser (FMEA). Samtliga delresultat har verifierats genom diskussioner med berörda aktörer på fallföretaget. Resultatet av studien har påvisat en fungerande funktion vilken integrerat i fallföretagets generella produktarkitektur ses, med applicerad fjäderkraft, möjliggöra ett utökat avstånd på 1,5 mm mellan rotor och stator vid låsta lager. Given avståndsförändring antas, med en induktiv mätteknik, åstadkomma avvikande elektromagnetiska värden vilka kan registreras av sammankopplad programvara. Funktionell prestanda ses dock vara beroende av yttre omständigheter varpå en korrekt installation och användning förutsetts. En analys av teoretisk och empirisk studie har påvisat sju faktorer vilka ses inverka på funktionssäkerheten: 1) produktarkitektur; 2) produktstruktur; 3) riskutvärdering; 4) material- & geometrikrav; 5) underhåll & redundans; 6) produktvariabilitet; 7) fjädertillämpning. En väsentlig slutsats som påvisats under studien är att mekaniska fjädrar generellt ses inkompatibla med funktionssäkra konstruktioner i och med risk för utmattningsfel. Således rekommenderas att vidare studier undersöker huruvida en lösning utan en fjäderkraft ses möjlig.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:mdh-63334 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Bojnell, Kim |
| Publisher | Mälardalens universitet, Akademin för innovation, design och teknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | Swedish |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.003 seconds