FlowBot-Portal für hydrodynamische Forschung

Die Ergebnisse dieser Forschung werden unter anderem verwendet, um das Design von Autos, Schiffen und Flugzeugen zu optimieren. Bisher wurden Windkanäle oft in der Fluiddynamik verwendet, um die Kräfte zu bestimmen, die auf sich bewegende Objekte wirken. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass Messungen bei konstanten Strömungsgeschwindigkeiten durchgeführt werden. In der Praxis bewegen sich Autos, Flugzeuge und Boote jedoch immer mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen. Um unser Verständnis der Hydrodynamik zu verbessern, ist es daher wünschenswert, Grundlagenforschung an Objekten durchzuführen, die sich mit nicht konstanten Geschwindigkeiten und mit selbstbestimmter Bewegung bewegen. Genau das macht der FlowBot möglich. Es wurde entwickelt, um Objekte durch einen hohen, durchsichtigen Wassertank mit den Maßen 5 x 2 x 2 Meter zu bewegen und dabei präzise Daten zu erfassen und Strömungen und Kräfte zu messen.

Impulsive Strömungen

„Die Erforschung impulsiver Strömungen ist relativ neu“, sagt Gertjan Mulder, Projektleiter für den FlowBot in der Abteilung Strömungsmechanik. „Wir hatten bereits ein kleines, einfaches Setup dafür, aber wir wollten in Bezug auf Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck mehr erreichen können. Für diese Recherche ist es wichtig, präzise Pfade verfolgen zu können. Das ist möglich mit dem neuen FlowBot, gesteuert von SINUMERIK. Die Genauigkeit der CNC-Steuerung ist besonders wichtig, da Mehrachssysteme exakt aufeinander folgen müssen.“

Doktorand Jesse Reijtenbagh führt die ersten Tests mit dem FlowBot für seine Forschung durch. „Es macht genau das, was wir wollen“, sagt er begeistert. „Wir können uns in verschiedene Richtungen bewegen und Geschwindigkeit und Beschleunigung einfach präzise programmieren. Weil wir mit mehreren Achsen gleichzeitig arbeiten können, können Kameras und Beleuchtung das Objekt durch den Wassertank verfolgen. Auf diese Weise übersehen wir kein einziges Detail. Die Informationen über Kräfte, Positionen und andere Daten werden in einer einzigen Datei gespeichert. Das hilft uns, Zusammenhänge zwischen Kraft und Geschwindigkeit herzustellen. Die Datenqualität ist ausgezeichnet, daher müssen wir bei der Signalverarbeitung keine Filter verwenden. Dank der hohen Präzision des FlowBot können wir zum Beispiel die perfekten Flügelbewegungen von Schmetterlingen und Vögel untersuchen. Wir können noch viel von der Natur lernen!“

Es ist wichtig, dass die Forscher in der Lage sind, in kurzer Zeit eine große Menge an Messdaten zu sammeln: Kräfte, die auf das Testobjekt einwirken, zusammen mit Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Positionen. Die Genauigkeit der Bewegung darf durch den Datenerfassungsprozess nicht beeinträchtigt werden. Aus diesem Grund werden alle Messdaten auf einem Industrial Edge Edge-Gerät erfasst. Durch die Verwendung eines speziellen Geräts wird der Prozessor in der SINUMERIK-Zählwalze keiner zusätzlichen Belastung ausgesetzt, und die Datenerfassung hat keinen Einfluss auf die Regelgeschwindigkeit. Die Industrial Edge funktioniert nahtlos mit dem Controller. Die Daten, sowohl von der Steuerung als auch von den Feldkomponenten, werden synchron und mit hoher Frequenz gespeichert und können über eine sichere Verbindung von jedem Ort abgerufen werden. Für Analysen verwenden die Forscher die Anwendung Analyze my Workpiece/Capture.

Gertjan: „Wir können leicht selbst entscheiden, wann Daten gespeichert werden sollen und wann nicht. Mit dem FlowBot führen wir viele Tests nacheinander durch. Es ist nicht notwendig, Daten zwischen zwei Messungen zu speichern. Daher sammelt der Edge nur nützliche Messdaten. Dadurch können wir die Daten aus vielen verschiedenen Experimenten einfach analysieren, sodass wir schnell Korrelationen zwischen der gemessenen Kraft und dem zurückgelegten Weg herstellen können.“

Technische Umsetzung

Marcel de Pagter, Projektmanager bei Batenburg JB Systems, beschreibt einen interessanten und herausfordernden Prozess: „Für uns war dies das erste Projekt mit der neuen SINUMERIK ONE und das erste Mal, dass dieses Steuerungssystem auf eine so komplexe Anwendung angewendet wurde. Um dieses Endergebnis zu erzielen, haben wir eng mit den beteiligten Partnern zusammengearbeitet. Während des Projekts konzentrierten wir uns hauptsächlich auf Software, E-Engineering, Installation und Implementierung sicherheitsrelevanter Komponenten.“
Mit Unterstützung von Siemens nutzte Batenburg JB Systems das SINUMERIK-Steuerungssystem optimal. Um die Zeit für die Inbetriebnahme so kurz wie möglich zu halten, hat Batenburg JB Systems viele Aspekte mithilfe der SINUMERIK ONE Digital Twin Software digital vorbereitet, simuliert und getestet.

Derzeit verfügt der FlowBot über 23 synchron arbeitende Achsen, die von einer einzigen SINUMERIK-Steuerung gesteuert werden. Die Anzahl der Achsen wird in naher Zukunft durch die Hinzufügung von zwei 6-Achs-Robotern weiter erweitert. „Der FlowBot erweitert die Grenzen dessen, was mit dem Sinumerik-Steuerungssystem möglich ist“, sagt Frank de Korte. „Das war auch kein Standardprojekt für Siemens, aber wir waren von Anfang an davon überzeugt, dass das, was die TU Delft suchte, mit dem Sinumerik-Steuerungssystem möglich war. Was hier erreicht wurde, kann mit keinem anderen Kontrollsystem erreicht werden, und wir sind daher sehr stolz darauf.“ Mulder beschreibt es auch als ein erfolgreiches Projekt: „Wir haben höchste Genauigkeit angestrebt und können noch genauer messen, als wir gehofft hatten. Darüber hinaus ist die Bedienung trotz der Komplexität des FlowBot intuitiv und benutzerfreundlich. Dank der automatisch nachlaufenden Achsen ist der FlowBot auch einfach zu programmieren.“