- PDF Free Download

Transcriptie

1 Page 1 of 6 Techniline v Mechatronics Ecodesign van complexe machines met behulp van virtuele componenten ( ) Nr. 0 Modelgebaseerd ontwerp staat voor een methode die een machinebouwer, mits beschikbaarheid van goede componentmodellen, toelaat om al tijdens het ontwerp van een machine het energieverbruik mee te simuleren. Dit framework wordt, mede door FMTC, in het Europese project ESTOMAD uitgewerkt. De bruikbaarheid voor de optimalisatie van het energieverbruik wordt geïllustreerd voor een component van de badmintonrobot. Modelgebaseerd ecodesign Het ontwerp en de ontwikkeling van zuinigere machines is dezer dagen een hot topic en wordt gedreven door de stijgende energieprijzen, een groter ecologisch bewustzijn van de publieke opinie, verstrengde wetgeving en overheidsstimulansen. In een vorig Techniline-artikel (Efficiëntere machines door modelgebaseerd ontwerp) werd beschreven hoe het energieverbruik van een machine reeds tijdens het ontwerp op een systematische manier kan meegenomen worden. Zoals daar ook beschreven, verstaan we onder modelgebaseerd machineontwerp het beschikbaar zijn van een methode en softwaretools (CAE-tools) die: toelaten om het gedrag (functioneel en energetisch) van de verschillende machinecomponenten te beschrijven (componentmodellen) een raamwerk voorzien om de beschrijvingen van de verschillende componenten te combineren tot een beschrijving van het hele systeem (systeemmodel) toelaten om het gedrag (functioneel en energetisch) van de hele machine te simuleren en analyseren Modelgebaseerd machineontwerp staat dus voor het construeren van een virtueel prototype van de machine, waardoor de effecten van bepaalde ontwerpbeslissingen en -parameters op zowel het functionele gedrag als het energieverbruik van de machine kunnen nagegaan worden vooraleer een fysisch prototype nodig is. Bovendien maakt modelgebaseerd ontwerp het mogelijk om specifieke kennis van de machine en/of componenten op te slaan en te hergebruiken. Voorts laat de modelgebaseerde ontwerpmethode ook toe om desgewenst bepaalde componenten of fenomenen meer in detail te gaan modelleren en analyseren. Dit kan het geval zijn wanneer een eerste ruw model hiervoor indicaties geeft. Onderstaande figuur illustreert dit principe wanneer de efficiëntie van de machine tijdens het ontwerp onder de loep wordt genomen: de meest relevante energieverbruikers worden gemodelleerd en geanalyseerd met het oog op een verbeterd ontwerp.

2 Page 2 of 6 Modelgebaseerd ecodesign Zoals blijkt uit de eerdere beschrijving, is modelgebaseerd ontwerp inherent modulair. Om een goed model van de hele machine te hebben, is het voor een machinebouwer bijgevolg ook nodig om over goede componentmodellen te beschikken. Vaak zijn deze componenten echter commercieel aangekocht en het is niet haalbaar voor de meeste machinebouwers om zelf modellen voor elk van deze componenten te ontwikkelen, enerzijds omwille van de tijd en middelen die hiervoor nodig zijn, anderzijds omwille van de benodigde kennis van de component. Daarom wordt er binnen het ESTOMAD-project bekeken of componentleveranciers betrokken kunnen worden bij het opstellen van deze virtuele componenten. Virtuele componenten Een virtuele component is een model dat het gedrag van de overeenkomstige fysische component weergeeft en dat geïmplementeerd is (of kan worden) in een CAE-tool of toolset waarin ook de rest van de machine gemodelleerd is. Het is belangrijk om aan te geven, dat de virtuele component niet noodzakelijk een model hoeft te zijn dat tijdens de ontwerpfase van de component zelf gebruikt is; het idee is dat het model bruikbaar is voor de machinebouwer tijdens de gebruiksfase van de component. De virtuele component beschrijft met andere woorden niet hoe de component gebouwd is, maar hoe hij werkt. Een zo eenvoudig mogelijk model dat het gedrag van de component goed weergeeft, is daarom meer dan voldoende. Dat gedrag kan dan zowel vanuit functioneel als energetisch oogpunt bekeken worden. Tijdens de energetische analyse van een ontwerp zal uiteraard voornamelijk dat tweede bekeken worden. Zoals eerder gemotiveerd, wordt de componentleverancier best betrokken bij het ontwikkelen van de virtuele component. Hij beschikt immers over de beste kennis van de desbetreffende component en beschikt vaak ook over de specifieke meetapparatuur om deze modellen te valideren en parameters te identificeren. Het op die manier betrekken van de componentleverancier bij het modelleren van de totale machine leidt tot een systeem van 'comodellering'. In dit systeem verschaft de leverancier idealiter niet alleen de fysieke component, maar kan hij ook de virtuele component leveren aan

3 Page 3 of 6 klanten. Dit leidt tot het businessmodel in onderstaande figuur. Businessmodel voor virtuele componenten In dit businessmodel levert de componentleverancier dus naast de fysische component ook de virtuele component, overeenkomstig de door de machinebouwer gegeven machinevereisten. Een producent van CAE-tools levert de nodige simulatiesoftware, die vaak reeds een aantal bibliotheken met standaard componentmodellen bevat. R&D-instituten kunnen bijdragen leveren aan de componentleveranciers voor de ontwikkeling van de numerieke componentmodellen. Zij kunnen ook ondersteuning verschaffen aan de producent van CAE-tools aangaande modelleermethodes. Een discussiepunt zou de intellectuele eigendom kunnen zijn van de kennis en informatie die in een virtuele component zit. De meeste CAE-tools bieden echter de mogelijkheid voor model packaging, waarbij die informatie via encryptie verborgen kan worden voor de gebruiker van de virtuele component (black box model). In een machinebouwwereld waarin bij het ontwerp meer en meer de nadruk gaat liggen op virtual prototyping en modellering, kan het mede verschaffen van virtuele componenten alleszins een competitief voordeel worden voor een leverancier. Voorbeeld van een virtuele component en zijn toepassing: hydrostatisch lager Zoals aangehaald in het vorige Techniline-artikel werd de modelgebaseerde ontwerpmethode toegepast op de badmintonrobot van FMTC, en meer specifiek op de lineaire aandrijving. Hieruit bleek dat de huidige rollagers een hoge wrijving veroorzaken met aanzienlijke energieverliezen tot gevolg. De vraag stelde zich of een andere lagertechnologie met minder verliezen gebruikt kon worden. Vermits FMTC niet de detailkennis over verschillende lagertechnologieën bezit, werd het bedrijf Leuven Air Bearings (LAB) gecontacteerd, ontwikkelaar, producent en verdeler van lucht- en andere lagers voor allerhande toepassingen. Op basis van deze contacten werd een hydrostatisch lager voorgesteld. Vooraleer echter een fysisch hydrostatisch lager te bouwen, werd eerst een virtueel hydrostatisch lager geconstrueerd. LAB beschikt over de knowhow voor het ontwerp en de dimensionering van een hydrostatisch lager op basis van analytische formules en deze formules kunnen ingebed worden in een virtuele component. Zoals eerder vermeld dient de virtuele component een zo eenvoudig mogelijk model te zijn dat het gedrag toch nog voldoende weergeeft. Daarom werden er bij het opstellen van de virtuele component voor het hydrostatisch lager een aantal aannames gemaakt, waarvan verwacht wordt dat ze dat gedrag slechts in geringe mate beïnvloeden: de druk van de aangevoerde vloeistof p s is een constante

4 Page 4 of 6 de atmosferische druk p o 0 de druk p r in een lager element is constant over de oppervlakte van dat element de restrictor is capillair het lager wordt ontworpen voor maximale stijfheid het lager wordt eveneens gedimensioneerd voor minimaal energieverbruik In geval van deze aannames kan men aantonen dat p r = p s /2. Bovendien volgen hieruit ook de formules om de twee verliescomponenten te modelleren, zijnde het pompverlies: en het wrijvingsverlies van het lager: Hierbij staat q voor het vloeistofdebiet, η voor de efficiëntie van de pomp, h voor de afstand tussen het lager en het oppervlak waarover het lager beweegt, O voor de totale omtrek van de lagerelementen, C voor de wanddikte van het lagerelement (C = C x = C y in de tweede figuur verderop), η visc voor de viscositeit van de gebruikte vloeistof en V voor de snelheid van de lineaire beweging. F fric is de wrijvingskracht, welke op basis van deze formule beschouwd kan worden als een puur visceuze wrijvingskracht met wrijvingscoëfficiënt: Indien we ook veronderstellen dat h min of meer constant is, kan de virtuele component voor het hydrostatisch lager dus voorgesteld worden als een combinatie van een constant pompverlies en een visceuze wrijving met constante wrijvingscoëfficiënt. De implementatie hiervan in het CAE-pakket AMESim ziet eruit als in onderstaande figuur. Virtuele component voor een hydrostatisch lager, geïmplementeerd in AMESim (constant pompverlies en visceuze wrijving) Het lager dat werd voorgesteld voor de lineaire beweging van de badmintonrobot bestaat uit een

5 Page 5 of 6 aantal rechthoekige elementen, zoals schematisch voorgesteld in onderstaande figuur. Een rechthoekig hydrostatisch lager element (Bron: Leuven Air Bearings) Simulatie van het virtuele model van de badmintonrobot met de virtuele component voor het hydrostatisch lager versus datzelfde model, maar dan met de virtuele component voor het rollager, leidt tot onderstaande figuur, waarin het energieverbruik van de robot tijdens een standaard lineaire beweging voor beide gevallen vergeleken wordt. Energieverbruik (in Joule) gedurende een standaard lineaire beweging met de originele rollagers (rood) vs. de hydrostatische lagers (groen), op basis van simulatie in AMESim Uit deze vergelijking blijkt dat het model met het hydrostatisch lager aanzienlijk minder energie verbruikt. Door de aanwending van de virtuele componenten kan het energieverbruik dus reeds meegenomen worden bij ontwerpbeslissingen, vooraleer een fysisch prototype van de machine gebouwd dient te worden.

6 Page 6 of 6 Conclusie Energieverbruik van machines wordt meer en meer een aandachtspunt bij het ontwerp ervan. Daarom ontwikkelt FMTC in het kader van het Europese project ESTOMAD technieken en CAE-tools die toelaten om dat verbruik mee te nemen als parameter tijdens modelgebaseerd machineontwerp. Belangrijk voor deze manier van ontwerpen is het ter beschikking zijn van goede componentmodellen of virtuele componenten. Voor een machinebouwer is het vaak echter niet haalbaar om al deze componenten zelf te modelleren. Om die reden wordt in het ESTOMAD-project een businessmodel voorgesteld waarin componentleveranciers naast fysische componenten ook de overeenkomstige virtuele componenten leveren. Het nut en de bruikbaarheid van modelgebaseerd ontwerp met behulp van virtuele componenten voor ecodesign werd voorts ook geïllustreerd voor een hydrostatisch lager op de badmintonrobot van FMTC. FMTC kan met behulp van deze modelgebaseerde aanpak de energie-efficiëntie van elektromechanische aandrijftreinen in machines analyseren of hier ondersteuning bij bieden. Vanuit de resultaten van deze analyse kunnen mogelijkheden om het energieverbruik te verminderen bedacht worden. Eco-Mechatronics Ook in het VIS-traject Ecomechatronics, een initiatief van Sirris en FMTC, wordt er aandacht besteed aan het energie-efficiënte van machines. Dit is, naast performantie en gebruikscomfort, één van de ecopijlers waarop wordt gefocust. Het Ecomechtronics-traject beoogt een proactieve transfer van de resultaten van relevant toponderzoek (in de vorm van vertaalonderzoek), zoals het ESTOMADproject, naar de doelgroep van (kmo)-machinebouwers. Meer info op Bronnen ESTOMAD project - European Union Seventh Framework Program FP7/ , grant agreement n , Leuven Air Bearings, LMS.AMESim, geïntegreerd software platform voor multi-domein fysische modellering en simulatie, ViProM (Virtual prototyping of machinery), Contactpersoon: FMTC, Wim Symens wim.symens@fmtc.be Tel Fax Contactpersoon: FMTC, Dirk Vanhooydonck dirk.vanhooydonck@fmtc.be Tel Fax Contactpersoon: Sirris, Nikolaas Van Riet Nikolaas.VanRiet@sirris.be Tel Fax Contactpersoon: Leuven Air Bearings NV, Wim Van de Vijver (CEO), Prof. Farid Al-Bender (CTO) info@leuvenairbearings.com Tel