FlowBot portal för hydrodynamisk forskning

TU Delft har utvecklat ett banbrytande och globalt unikt system: FlowBot. Tack vare Siemens-tekniken erbjuder detta portalsystem all flexibilitet och precision som krävs för att genomföra grundläggande forskning om vätskeflöden runt oregelbundet rörliga föremål.

Resultaten av denna forskning används bland annat för att optimera utformningen av bilar, fartyg och flygplan. Fram till nu har vindtunnlar ofta använts i vätskedynamik för att bestämma krafterna som verkar på rörliga föremål. En nackdel med denna metod är att mätningar tas vid konstanta flödeshastigheter. I praktiken rör sig dock bilar, flygplan och båtar alltid med varierande hastigheter och accelerationer. För att främja vår förståelse av hydrodynamik är det därför önskvärt att bedriva grundläggande forskning om föremål som rör sig med icke-konstanta hastigheter och med självbestämd rörelse. Det är precis vad FlowBot gör möjligt. Den är utformad för att flytta föremål genom en hög, transparent vattentank som mäter 5 x 2 x 2 meter samtidigt som du noggrant samlar in data och gör mätningar av flöde och krafter.

Impulsiva flöden

— Forskning om impulsiva flöden är relativt ny, säger Gertjan Mulder, projektledare för FlowBot inom sektionen Strömningsmekanik. Vi hade redan en liten, enkel inställning för detta, men vi ville kunna göra mer när det gäller hastighet, acceleration och ryck. För denna forskning är det viktigt att kunna följa exakta vägar. Detta är möjligt med den nya FlowBot som styrs av SINUMERIK. Noggrannheten hos CNC-styrningen är särskilt viktig eftersom fleraxliga system måste följa varandra exakt.”

Det gör precis vad vi vill. Vi kan röra oss i olika riktningar och enkelt programmera hastigheten och accelerationen med precision.

Reijtenbagh, Jesse, Ph.D. kandidat, Tekniska universitetet i Delft

Exakt kontroll

Gertjan kontaktade systemintegratören Batenburg JB Systems, som bland annat har automatiserat en portal på SAM|XL i Delft med hjälp av SINUMERIK. Med SINUMERIK CNC-styrsystemet är det möjligt att programmera rörelsebanor med hög precision, vilket gör att hastighet och acceleration kan specificeras exakt för varje position. Ursprungligen avsett främst för svarvar och fräsmaskiner, används detta styrsystem nu i ett allt bredare spektrum av applikationer. ”I princip var som helst där exakt samordnade axelrörelser, som med denna FlowBot, är ett krav”, säger Frank de Korte, SINUMERIK produktchef på Siemens Nederländerna. ”Vårt styrsystem kan hantera upp till 31 axlar. Detta, i kombination med systemets öppenhet, är dess styrka. Gertjan: ”För oss var bannoggrannhet den viktigaste faktorn. Därför valde vi en portallösning. En portal i kombination med detta styrsystem kan göra mycket mer exakta rörelser än en 6-axlig robot. Det kommer att ge mycket bättre forskningsresultat i framtiden.”

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

Noggranna forskningsresultat

Doktorand Jesse Reijtenbagh genomför de första testerna med FlowBot för sin forskning. ”Det gör precis vad vi vill”, säger han entusiastiskt. ” Vi kan röra oss i olika riktningar och enkelt programmera hastigheten och accelerationen med precision. Eftersom vi kan arbeta med flera axlar samtidigt kan vi låta kameror och belysning följa objektet genom vattentanken. På så sätt missar vi inte en enda detalj. Informationen om krafter, positioner och andra data lagras i en enda fil. Detta hjälper oss att skapa kopplingar mellan kraft och hastighet. Datakvaliteten är utmärkt, så vi behöver inte använda filter i signalbehandling. Tack vare FlowBots höga precision kan vi till exempel studera de perfekta vingrörelserna hos fjärilar och fåglar. Vi har fortfarande mycket att lära av naturen!”

Industrial Edge

Det är viktigt för forskarna att kunna samla in en stor mängd mätdata på kort tid: krafter som verkar på testobjektet, tillsammans med hastigheter, accelerationer och positioner. Motionens noggrannhet får inte påverkas av datainsamlingsprocessen. Av denna anledning samlas all mätdata in på en Industrial Edge-enhet. Genom att använda en dedikerad enhet utsätts processorn i SINUMERIK-kontrollvalsen inte för ytterligare belastning, och datainsamlingen påverkar inte kontrollhastigheten. Den Industrial Edge fungerar sömlöst med styrenheten. Data, från både styrenheten och fältkomponenterna, lagras synkront och med hög frekvens och kan hämtas via en säker anslutning från vilken plats som helst. För analys använder forskarna applikationen Analyze my Workpiece/Capture.

Gertjan: ”Vi kan enkelt själva bestämma när data ska och inte ska lagras. Med FlowBot utför vi många tester i följd. Det är inte nödvändigt att lagra data mellan två mätningar. Som ett resultat samlar Edge endast användbara mätdata. Detta gör att vi enkelt kan analysera data över många olika experiment, vilket gör att vi snabbt kan fastställa korrelationer mellan den uppmätta kraften och den körda vägen.”

Tekniskt genomförande

Marcel de Pagter, projektledare på Batenburg JB Systems, beskriver en intressant och utmanande process: ”För oss var detta det första projektet med nya SINUMERIK ONE och första gången detta styrsystem har tillämpats på en så komplex applikation. För att uppnå detta slutresultat har vi haft ett nära samarbete med de inblandade parterna. Under projektet fokuserade vi främst på mjukvara, e-engineering, installation och implementering av säkerhetsrelaterade komponenter.
Med stöd från Siemens utnyttjade Batenburg JB Systems styrsystemet SINUMERIK optimalt. För att hålla idrifttagningstiden så kort som möjligt förberedde, simulerade och testade Batenburg JB Systems många aspekter digitalt med hjälp av programvaran SINUMERIK ONE Digital Twin.

Högsta prestanda

För närvarande har FlowBot 23 synkront manövrerade axlar som styrs av en enda SINUMERIK styrenhet. Antalet axlar kommer att utökas ytterligare inom en snar framtid med tillägg av två 6-axliga robotar. ”FlowBot tänjer gränserna för vad som är möjligt med styrsystemet Sinumerik”, säger Frank de Korte. — Det här var inte heller ett standardprojekt för Siemens, men vi var redan från början övertygade om att det TU Delft letade efter var möjligt med styrsystemet Sinumerik. Det som har uppnåtts här kan inte göras med något annat kontrollsystem, och vi är därför mycket stolta över det.” Mulder beskriver det också som ett framgångsrikt projekt: ”Vi siktade på högsta noggrannhet och kan mäta ännu mer exakt än vi hade hoppats. Dessutom, trots FlowBots komplexitet, är operationen intuitiv och användarvänlig. Tack vare de automatiska spårningsaxlarna är FlowBot också lätt att programmera.”