Suwnica FlowBot do badań hydrodynamicznych

TU Delft opracowało przełomowy i unikalny na całym świecie system: FlowBot. Dzięki technologii Siemens, ten system bramowy oferuje całą elastyczność i precyzję wymaganą do przeprowadzenia podstawowych badań nad przepływem płynów wokół nieregularnie poruszających się obiektów.

Wyniki tych badań są wykorzystywane między innymi do optymalizacji konstrukcji samochodów, statków i samolotów. Do tej pory tunele aerodynamiczne były często używane w dynamice płynów do określania sił działających na poruszające się obiekty. Wadą tej metody jest to, że pomiary są wykonywane przy stałych prędkościach przepływu. W praktyce jednak samochody, samoloty i łodzie zawsze poruszają się z różnymi prędkościami i przyspieszeniami. Aby pogłębić nasze zrozumienie hydrodynamiki, pożądane jest zatem prowadzenie fundamentalnych badań nad obiektami poruszającymi się z niestałymi prędkościami i z własnym ruchem. Właśnie to umożliwia FlowBot. Przeznaczony jest do przenoszenia obiektów przez wysoki, przezroczysty zbiornik wody o wymiarach 5 x 2 x 2 metry przy jednoczesnym dokładnym zbieraniu danych i wykonywaniu pomiarów przepływu i sił.

Impulsywne przepływy

„Badania nad impulsywnymi przepływami są stosunkowo nowe”, mówi Gertjan Mulder, lider projektu FlowBot w sekcji Mechanika płynów. „Mieliśmy do tego małą, prostą konfigurację, ale chcieliśmy być w stanie zrobić więcej pod względem prędkości, przyspieszenia i szarpnięć. W przypadku tych badań ważne jest, aby móc podążać precyzyjnymi ścieżkami. Jest to możliwe dzięki nowemu FlowBot kontrolowanemu przez SINUMERIK. Dokładność sterowania CNC jest szczególnie ważna, ponieważ systemy wieloosiowe muszą precyzyjnie podążać za sobą”.

Robi dokładnie to, czego chcemy. Możemy poruszać się w różnych kierunkach i łatwo programować prędkość i przyspieszenie z precyzją.

Jesse Reijtenbagh, Kandydat na doktorat, Uniwersytet Techniczny Delft

Precyzyjne sterowanie

Gertjan skontaktował się z integratorem systemów Batenburg JB Systems, który m.in. zautomatyzował bramę w SAM|XL w Delft przy użyciu SINUMERIK. Dzięki systemowi sterowania SINUMERIK CNC możliwe jest programowanie ścieżek ruchu z dużą precyzją, umożliwiając dokładne określenie prędkości i przyspieszenia dla każdej pozycji. Pierwotnie przeznaczony głównie do tokarek i frezarek, ten system sterowania jest obecnie stosowany w coraz szerszym zakresie zastosowań. „Zasadniczo wszędzie tam, gdzie wymagane są precyzyjnie skoordynowane ruchy osi, takie jak ten FlowBot”, mówi Frank de Korte, menedżer produktu SINUMERIK w Siemens Netherlands. „Nasz system sterowania może zarządzać nawet 31 osiami. To, w połączeniu z otwartością systemu, jest jego siłą”. Gertjan: „Dla nas najważniejszym czynnikiem była dokładność ścieżki. Dlatego zdecydowaliśmy się na rozwiązanie bramowe. Suwnica w połączeniu z tym systemem sterowania może wykonywać znacznie bardziej precyzyjne ruchy niż 6-osiowy robot. W przyszłości przyniesie to znacznie lepsze wyniki badań”.

Article block image - ONE - Groundbreaking FlowBot gantry for hydrodynamic research

Dokładne wyniki badań

Doktorant Jesse Reijtenbagh przeprowadza pierwsze testy z FlowBotem do swoich badań. „Robi dokładnie to, czego chcemy” - mówi entuzjastycznie. „Możemy poruszać się w różnych kierunkach i łatwo programować prędkość i przyspieszenie z precyzją. Ponieważ możemy pracować z wieloma osiami jednocześnie, możemy mieć kamery i oświetlenie podążające za obiektem przez zbiornik wody. W ten sposób nie przegapimy ani jednego szczegółu. Informacje o siłach, pozycjach i innych danych są przechowywane w jednym pliku. Pomaga nam to nawiązać powiązania między siłą a prędkością. Jakość danych jest doskonała, więc nie musimy używać filtrów w przetwarzaniu sygnałów. Dzięki wysokiej precyzji FlowBot możemy na przykład badać doskonałe ruchy skrzydeł motyli i ptaków. Wciąż mamy wiele do nauczenia się od natury!”

Industrial Edge

Istotne jest, aby naukowcy byli w stanie zebrać dużą ilość danych pomiarowych w krótkim czasie: siły działające na badany obiekt, wraz z prędkościami, przyspieszeniami i pozycjami. Proces gromadzenia danych nie może mieć wpływu na dokładność ruchu. Z tego powodu wszystkie dane pomiarowe są gromadzone na urządzeniu Industrial Edge. Dzięki zastosowaniu dedykowanego urządzenia procesor w rolce kontowej SINUMERIK nie jest poddawany dodatkowemu obciążeniu, a gromadzenie danych nie wpływa na prędkość sterowania. The Industrial Edge bezproblemowo współpracuje z kontrolerem. Dane, zarówno z kontrolera, jak i komponentów terenowych, są przechowywane synchronicznie i z wysoką częstotliwością i mogą być pobierane za pomocą bezpiecznego połączenia z dowolnego miejsca. Do analizy naukowcy używają aplikacji Analyze my Workpiece/Capture.

Gertjan: „Możemy łatwo sami zdecydować, kiedy dane powinny, a nie powinny być przechowywane. Dzięki FlowBot wykonujemy wiele testów po kolei. Nie jest konieczne przechowywanie danych między dwoma pomiarami. W rezultacie Edge zbiera tylko przydatne dane pomiarowe. Pozwala nam to łatwo analizować dane w wielu różnych eksperymentach, umożliwiając nam szybkie ustalenie korelacji między zmierzoną siłą a przebytą ścieżką”.

Realizacja techniczna

Marcel de Pagter, kierownik projektu w Batenburg JB Systems, opisuje ciekawy i wymagający proces: „Dla nas był to pierwszy projekt wykorzystujący nowy SINUMERIK ONE i pierwszy raz ten system sterowania został zastosowany do tak złożonej aplikacji. Aby osiągnąć ten efekt, ściśle współpracowaliśmy z zaangażowanymi partnerami. W trakcie projektu skupiliśmy się przede wszystkim na oprogramowaniu, e-inżynierii, instalacji i wdrażaniu komponentów związanych z bezpieczeństwem.
Dzięki wsparciu firmy Siemens firma Batenburg JB Systems optymalnie wykorzystała system sterowania SINUMERIK. Aby czas uruchomienia był jak najkrótszy, firma Batenburg JB Systems cyfrowo przygotowała, symulowała i przetestowała wiele aspektów przy użyciu oprogramowania SINUMERIK ONE Digital Twin.

Szczytowa wydajność

Obecnie FlowBot posiada 23 synchronicznie działające osie sterowane przez pojedynczy kontroler SINUMERIK. Liczba osi zostanie w najbliższej przyszłości dodatkowo zwiększona dzięki dodaniu dwóch 6-osiowych robotów. „FlowBot przesuwa granice tego, co jest możliwe dzięki systemowi sterowania Sinumerik” - mówi Frank de Korte. „Nie był to również standardowy projekt dla Siemensa, ale od samego początku byliśmy pewni, że to, czego szukał TU Delft, jest możliwe dzięki systemowi sterowania Sinumerik. To, co tu osiągnięto, nie może być zrobione z żadnym innym systemem kontroli i dlatego jesteśmy z tego bardzo dumni”. Mulder opisuje to również jako udany projekt: „Dążyliśmy do najwyższej dokładności i możemy mierzyć jeszcze dokładniej, niż się spodziewaliśmy. Ponadto, pomimo złożoności FlowBot, obsługa jest intuicyjna i przyjazna dla użytkownika. Dzięki automatycznie śledzącym osiom FlowBot jest również łatwy do zaprogramowania”.