MH: estado da simulación e capacidades

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

• Ingeniaritza
• Industria

Coñecendo o seu comportamento antes de construír a máquina, o fabricante pode saber si a súa máquina cobre ou non as necesidades dos seus clientes, e modificando o modelo matemático estudará o seu deseño. Cando a resposta do modelo é adecuada constrúese un prototipo de máquina. Este prototipo e o produto final non son moi diferentes e normalmente basta con facer pequenos retoques no prototipo. Isto, por unha banda, aforra ao fabricante moitos prototipos de alto custo e, por outro, axuda a reducir o prazo de deseño do produto. Outra aplicación de simulación é a detección de fallos en máquinas en funcionamento. Isto pode reducir os elevados custos de paradas de máquina longas, xa que o fallo é coñecido previamente.

Ferramentas de simulación tradicionais

Actualmente MATLAB e MATRIX son un do software máis coñecidos e teñen a súa base en diagramas de bloques. Estas ferramentas son ferramentas moi ben adaptadas paira a simulación de controis numéricos, motores e reguladores, xa que a súa base de bloques atópase no procesamiento de sinais e na teoría do control. Con todo, estes diagramas de bloques non son moi adecuados paira a construción de modelos matemáticos que describan o comportamento dinámico dos sistemas mecánicos e/ou hidráulicos, xa que isto supón escribir as ecuacións manualmente antes de colocalas en bloques. Por iso, estes realízanse habitualmente utilizando as funcións de transferencia de Laplace.

Estas funcións de transferencia de Laplace describen unicamente o comportamento de toda a máquina e non achegan ningunha información sobre cada compoñente. Doutra banda, o valor dos parámetros destas funcións de transferencia é practicamente imposible de coñecer antes de construír a máquina.

Con todo, na actualidade o mercado está a demandar deseños globais ou mecatrónicos que optimicen todo o sistema, é dicir, que permitan coñecer o comportamento de todos os compoñentes, tanto eléctrico, mecánico ou hidráulico, durante o funcionamento da máquina, e optimizar todos os compoñentes das condicións de traballo.

A consecución destes deseños globais require novas ferramentas de simulación sinxela de todo o sistema, creadas especificamente paira a realización de simulacións mecatrónicas.

Novas ferramentas de simulación

As ferramentas de simulación máis coñecidas son as baseadas en Bond Graph. Bond Graph é una técnica paira o desenvolvemento de modelos baseados no intercambio enerxético de sistemas. A vantaxe destes métodos no desenvolvemento de modelos mecatrónicos e deseños globais radica na representación gráfica de modelos, na utilización de modelos de compoñentes físicos e no uso dunha linguaxe común paira calquera campo.

Por outra banda, o Bond Graph pódese unir facilmente cos diagramas de bloques. Se se constrúe o modelo Bond Graph do sistema, o programa xera automaticamente as ecuacións diferenciais que se utilizarán paira realizar a simulación do sistema, sendo estas paramétricas. Dadas as súas características, podemos afirmar que o Bond Graph atópase nun nivel de modelización física e non matemática.

Aplicación práctica

Nas fresadoras, sobre todo no eixo principal, as grandes masas deben moverse a velocidades cada vez máis altas e ao ser un sistema flexible no carro aparecen vibracións e erros de posición en detrimento de as tolerancias de fabricación. Por iso, á hora de desenvolver novos deseños vese a utilidade e conveniencia do modelo.

Aplicación práctica na que se compara a simulación do modelo do eixo principal dunha gran fresadora na que se atopa IDEKO cos datos medidos. Esquema simplificado do eixo da fresadora.

É un sistema electro-mecánico formado polo eixo da fresadora, o control, o regulador de posición e velocidade, a motor AC, o reductor formado por correa e dous poleas, o parafuso/porca, o rodamiento axial, os carretilleros, a bancada e dous apoios.

O control proporciona consignas de posición, estas consignas de posición son convertidas polos reguladores en tensións e aplicadas a motor. En consecuencia, no motor xérase una corrente eléctrica que produce un momento mecánico. O momento mecánico aplícase na porca mediante un reductor formado por correas/poles. A porca vira e desprázase á vez. Este xiro é posible grazas ao rodamiento axial que hai sobre el. O anel exterior do rodamiento está unido ao carro e móvese con el. A reacción que xera o desprazamento axial da porca recóllena o parafuso, os soportes e a bancada.

No modelo mecánico considerouse a flexibilidade axial variable do parafuso, a flexibilidade e fricción das correas, rodamientos, porcas e soportes (guías, rendemento de porca de parafuso e momento de fricción), así como todas as masas. O modelo eléctrico realizouse da maneira habitual, é dicir, en diagramas de bloques.

Neste caso simuláronse os percorridos habituais, o percorrido coseno e o percorrido de posición que se obtén mediante unha consigna de trapecio de velocidade.

Conclusións

Existen na actualidade métodos de desenvolvemento e métodos de simulación que permiten realizar produtos mecatrónicos paira máquina ferramenta “ben e á primeira”. As simulacións da fresadora indicada mostran a forza do método de desenvolvemento do modelo Bond Graph neste tipo de sistemas.

Da man de IKERLAN, os fabricantes de máquina ferramenta poden adoptar os seguintes métodos de simulación, grazas ao proxecto europeo OLMECO, impulsado pola Unión Europea, e ao proxecto “Simulación de Sistemas Mecatrónicos en Máquina Ferramenta”, cofinanciado polo CICYT e o Goberno Vasco.