MH: estat de la simulació i capacitats

1996/12/01 Azkoaga, Joseba | Ugarte, Agustin | Urzelai, Gurutz Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Ingeniaritza
• Industria

Coneixent el seu comportament abans de construir la màquina, el fabricant pot saber si la seva màquina cobreix o no les necessitats dels seus clients, i modificant el model matemàtic estudiarà el seu disseny. Quan la resposta del model és adequada es construeix un prototip de màquina. Aquest prototip i el producte final no són molt diferents i normalment n'hi ha prou amb fer petits retocs en el prototip. Això, d'una banda, estalvia al fabricant molts prototips d'alt cost i, per un altre, ajuda a reduir el termini de disseny del producte. Una altra aplicació de simulació és la detecció de fallades en màquines en funcionament. Això pot reduir els elevats costos de parades de màquina llargues, ja que la fallada és coneguda prèviament.

Eines de simulació tradicionals

Actualment MATLAB i MATRIX són un del programari més conegut i tenen la seva base en diagrames de blocs. Aquestes eines són eines molt ben adaptades per a la simulació de controls numèrics, motors i reguladors, ja que la seva base de blocs es troba en el processament de senyals i en la teoria del control. No obstant això, aquests diagrames de blocs no són molt adequats per a la construcció de models matemàtics que descriguin el comportament dinàmic dels sistemes mecànics i/o hidràulics, ja que això suposa escriure les equacions manualment abans de col·locar-les en blocs. Per això, aquests es realitzen habitualment utilitzant les funcions de transferència de Laplace.

Aquestes funcions de transferència de Laplace descriuen únicament el comportament de tota la màquina i no aporten cap informació sobre cada component. D'altra banda, el valor dels paràmetres d'aquestes funcions de transferència és pràcticament impossible de conèixer abans de construir la màquina.

No obstant això, en l'actualitat el mercat està demandant dissenys globals o mecatrónicos que optimitzin tot el sistema, és a dir, que permetin conèixer el comportament de tots els components, tant elèctric, mecànic o hidràulic, durant el funcionament de la màquina, i optimitzar tots els components de les condicions de treball.

La consecució d'aquests dissenys globals requereix noves eines de simulació senzilla de tot el sistema, creades específicament per a la realització de simulacions mecatròniques.

Noves eines de simulació

Les eines de simulació més conegudes són les basades en Bond Graph. Bond Graph és una tècnica per al desenvolupament de models basats en l'intercanvi energètic de sistemes. L'avantatge d'aquests mètodes en el desenvolupament de models mecatrónicos i dissenys globals radica en la representació gràfica de models, en la utilització de models de components físics i en l'ús d'un llenguatge comú per a qualsevol camp.

D'altra banda, el Bond Graph es pot unir fàcilment amb els diagrames de blocs. Si es construeix el model Bond Graph del sistema, el programa genera automàticament les equacions diferencials que s'utilitzaran per a realitzar la simulació del sistema, sent aquestes paramètriques. Donades les seves característiques, podem afirmar que el Bond Graph es troba en un nivell de modelització física i no matemàtica.

Aplicació pràctica

En les fresadores, sobretot en l'eix principal, les grans masses han de moure's a velocitats cada vegada més altes i a l'ésser un sistema flexible en el carro apareixen vibracions i errors de posició en detriment de les toleràncies de fabricació. Per això, a l'hora de desenvolupar nous dissenys es veu la utilitat i conveniència del model.

Aplicació pràctica en la qual es compara la simulació del model de l'eix principal d'una gran fresadora en la qual es troba IDEKO amb les dades mesurades. Esquema simplificat de l'eix de la fresadora.

És un sistema electro-mecànic format per l'eix de la fresadora, el control, el regulador de posició i velocitat, el motor AC, el reductor format per corretja i dues corrioles, el caragol/rosca, el rodament axial, els carretilleros, la bancada i dos suports.

El control proporciona consignes de posició, aquestes consignes de posició són convertides pels reguladors en tensions i aplicades a motor. En conseqüència, en el motor es genera un corrent elèctric que produeix un moment mecànic. El moment mecànic s'aplica en la rosca mitjançant un reductor format per corretges/poles. La rosca gira i es desplaça alhora. Aquest gir és possible gràcies al rodament axial que hi ha sobre ell. L'anell exterior del rodament està unit al carro i es mou amb ell. La reacció que genera el desplaçament axial de la rosca la recullen el caragol, els suports i la bancada.

En el model mecànic s'ha considerat la flexibilitat axial variable del caragol, la flexibilitat i fricció de les corretges, rodaments, rosques i suports (guies, rendiment de rosca de caragol i moment de fricció), així com totes les masses. El model elèctric s'ha realitzat de la manera habitual, és a dir, en diagrames de blocs.

En aquest cas s'han simulat els recorreguts habituals, el recorregut cosinus i el recorregut de posició que s'obté mitjançant una consigna de trapezi de velocitat.

Conclusions

Existeixen en l'actualitat mètodes de desenvolupament i mètodes de simulació que permeten realitzar productes mecatrónicos per a màquina eina “bé i a la primera”. Les simulacions de la fresadora indicada mostren la força del mètode de desenvolupament del model Bond Graph en aquesta mena de sistemes.

De la mà d'IKERLAN, els fabricants de màquina eina poden adoptar els següents mètodes de simulació, gràcies al projecte europeu OLMECO, impulsat per la Unió Europea, i al projecte “Simulació de Sistemes Mecatrónicos en Màquina Eina”, cofinançat pel CICYT i el Govern Basc.