MH: estado de la simulación y capacidades

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

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Conociendo su comportamiento antes de construir la máquina, el fabricante puede saber si su máquina cubre o no las necesidades de sus clientes, y modificando el modelo matemático estudiará su diseño. Cuando la respuesta del modelo es adecuada se construye un prototipo de máquina. Este prototipo y el producto final no son muy diferentes y normalmente basta con hacer pequeños retoques en el prototipo. Esto, por un lado, ahorra al fabricante muchos prototipos de alto coste y, por otro, ayuda a reducir el plazo de diseño del producto. Otra aplicación de simulación es la detección de fallos en máquinas en funcionamiento. Esto puede reducir los elevados costes de paradas de máquina largas, ya que el fallo es conocido previamente.

Herramientas de simulación tradicionales

Actualmente MATLAB y MATRIX son uno de los software más conocidos y tienen su base en diagramas de bloques. Estas herramientas son herramientas muy bien adaptadas para la simulación de controles numéricos, motores y reguladores, ya que su base de bloques se encuentra en el procesamiento de señales y en la teoría del control. Sin embargo, estos diagramas de bloques no son muy adecuados para la construcción de modelos matemáticos que describan el comportamiento dinámico de los sistemas mecánicos y/o hidráulicos, ya que esto supone escribir las ecuaciones manualmente antes de colocarlas en bloques. Por ello, estos se realizan habitualmente utilizando las funciones de transferencia de Laplace.

Estas funciones de transferencia de Laplace describen únicamente el comportamiento de toda la máquina y no aportan ninguna información sobre cada componente. Por otro lado, el valor de los parámetros de estas funciones de transferencia es prácticamente imposible de conocer antes de construir la máquina.

Sin embargo, en la actualidad el mercado está demandando diseños globales o mecatrónicos que optimicen todo el sistema, es decir, que permitan conocer el comportamiento de todos los componentes, tanto eléctrico, mecánico o hidráulico, durante el funcionamiento de la máquina, y optimizar todos los componentes de las condiciones de trabajo.

La consecución de estos diseños globales requiere nuevas herramientas de simulación sencilla de todo el sistema, creadas específicamente para la realización de simulaciones mecatrónicas.

Nuevas herramientas de simulación

Las herramientas de simulación más conocidas son las basadas en Bond Graph. Bond Graph es una técnica para el desarrollo de modelos basados en el intercambio energético de sistemas. La ventaja de estos métodos en el desarrollo de modelos mecatrónicos y diseños globales radica en la representación gráfica de modelos, en la utilización de modelos de componentes físicos y en el uso de un lenguaje común para cualquier campo.

Por otra parte, el Bond Graph se puede unir fácilmente con los diagramas de bloques. Si se construye el modelo Bond Graph del sistema, el programa genera automáticamente las ecuaciones diferenciales que se utilizarán para realizar la simulación del sistema, siendo éstas paramétricas. Dadas sus características, podemos afirmar que el Bond Graph se encuentra en un nivel de modelización física y no matemática.

Aplicación práctica

En las fresadoras, sobre todo en el eje principal, las grandes masas deben moverse a velocidades cada vez más altas y al ser un sistema flexible en el carro aparecen vibraciones y errores de posición en detrimento de las tolerancias de fabricación. Por ello, a la hora de desarrollar nuevos diseños se ve la utilidad y conveniencia del modelo.

Aplicación práctica en la que se compara la simulación del modelo del eje principal de una gran fresadora en la que se encuentra IDEKO con los datos medidos. Esquema simplificado del eje de la fresadora.

Es un sistema electro-mecánico formado por el eje de la fresadora, el control, el regulador de posición y velocidad, el motor AC, el reductor formado por correa y dos poleas, el tornillo/tuerca, el rodamiento axial, los carretilleros, la bancada y dos apoyos.

El control proporciona consignas de posición, estas consignas de posición son convertidas por los reguladores en tensiones y aplicadas a motor. En consecuencia, en el motor se genera una corriente eléctrica que produce un momento mecánico. El momento mecánico se aplica en la tuerca mediante un reductor formado por correas/poles. La tuerca gira y se desplaza a la vez. Este giro es posible gracias al rodamiento axial que hay sobre él. El anillo exterior del rodamiento está unido al carro y se mueve con él. La reacción que genera el desplazamiento axial de la tuerca la recogen el tornillo, los soportes y la bancada.

En el modelo mecánico se ha considerado la flexibilidad axial variable del tornillo, la flexibilidad y fricción de las correas, rodamientos, tuercas y soportes (guías, rendimiento de tuerca de tornillo y momento de fricción), así como todas las masas. El modelo eléctrico se ha realizado de la manera habitual, es decir, en diagramas de bloques.

En este caso se han simulado los recorridos habituales, el recorrido coseno y el recorrido de posición que se obtiene mediante una consigna de trapecio de velocidad.

Conclusiones

Existen en la actualidad métodos de desarrollo y métodos de simulación que permiten realizar productos mecatrónicos para máquina herramienta “bien y a la primera”. Las simulaciones de la fresadora indicada muestran la fuerza del método de desarrollo del modelo Bond Graph en este tipo de sistemas.

De la mano de IKERLAN, los fabricantes de máquina herramienta pueden adoptar los siguientes métodos de simulación, gracias al proyecto europeo OLMECO, impulsado por la Unión Europea, y al proyecto “Simulación de Sistemas Mecatrónicos en Máquina Herramienta”, cofinanciado por el CICYT y el Gobierno Vasco.