Témata
Reklama

Softwarový simulátor stavebního stroje nahrazuje nákladné prototypy

Vývoj stavebních strojů bývá spojen se stavbou fyzických prototypů nových zařízení. Ty však vyžadují vysoké finanční náklady a množství času. Efektivní řešení dnes nabízejí softwarové simulátory. Společnost Volvo Construction Equipment zařadila do vývoje simulátor „human-in-the-loop“, který vyvinula v nástrojích Matlab a Simulink firmy MathWorks.

Neoddělitelnou součástí vývoje kolových nakladačů, bagrů a dalších stavebních strojů se stala výroba prototypového zařízení. Cílem prototypu je vyhodnotit chování a výkonnost budoucího stroje s důrazem na jeho ovladatelnost a provozuschopnost. Stavba fyzických prototypů přináší výrobcům nemalé finanční náklady a měsíce práce vývojových týmů. Až dosud to však byla jediná cesta, jak efektivně odzkoušet ovládání a reakční schopnosti nového zařízení.

Reklama
Reklama

Softwarový simulátor stroje pracující v reálném čase

Společnost Volvo Construction Equipment (Volvo CE) se rozhodla změnit zavedené postupy a vyzkoušet zcela nový přístup k testování vyvíjených systémů. Vývojový tým sestavil softwarový „human-in-the-loop“ simulátor pracující v reálném čase, se kterým je možné vyhodnotit chování stavebního stroje ještě před stavbou fyzického prototypu. Zařízení s názvem Virtual Machine Simulator (VMS) poskytuje řidiči realistickou vizuální, sluchovou i pohybovou zpětnou vazbu, jako by seděl ve skutečném stroji.

„Human-in-the-loop“ simulátor pro testování nových stavebních strojů

Simulátor byl vytvořen v programu Matlab & Simulink, grafickém prostředí pro modelování a simulaci dynamických systémů. Hlavní část simulátoru byla sestavena z knihoven modulu Simscape, nadstavby Simulinku pro fyzikální modelování soustav. Knihovny Simscape obsahují modely elementárních prvků reálného světa, ze kterých lze sestavovat modely mechanických, hydraulických a elektrických systémů na základě jejich fyzického uspořádání. Vytvořené modely jsou v simulátoru připojeny k ovládacím prvkům a simulace probíhá v reálném čase.

Díky simulátoru je možné nejen určit výkonnost a spotřebu paliva vyvíjeného stroje, ale také získat realistický pocit z jeho provozu a ovládání. Tedy vše, kvůli čemu byl dříve budován fyzický prototyp. Simulace je však dostupná mnohem dříve než první prototypy a umožňuje tak rozhodnout řadu návrhových otázek již v časných etapách návrhu systému. To ve svém důsledku značně napomáhá efektivitě celého vývojového procesu.

Počátek nové cesty

Výkonným jádrem stavebních strojů Volvo jsou sofistikované hydraulické systémy. Ty sestávají z množství ventilů, čerpadel a rozvodů kapaliny, jakož i řídicích systémů a senzorů. Hydraulický systém doplněný pohonem odpovídající síly je optimalizován na maximální výkon a ekonomiku provozu. K optimalizaci je třeba přesné naladění parametrů řídicího systému, který je za funkci a souhru jednotlivých částí systému zodpovědný.

Vývojoví pracovníci věděli již dříve, že řešit takto složitou úlohu na fyzickém prototypu je příliš nákladné. Jenže neměli k dispozici dostatečně přesnou simulaci hydraulických systémů běžící v reálném čase. Kromě toho specializované simulační nástroje umožňovaly modelovat pouze konkrétní fyzikální oblasti. Nebylo tak možné sestavit kompletní simulátor, který by zahrnoval celé zařízení napříč hydraulickými, mechanickými, elektrickými a elektronickými prvky.

Model v prostředí Simulink/Simscape

Vývojový tým musel najít nový nástroj, jehož prostředky by mohl modelovat všechny typy subsystémů v jednom prostředí a simulovat kompletní systém v reálném čase. Pak by bylo možné pracovat s návrhem, který bere v potaz nejen výkonnost a efektivitu stroje, ale také zpětnou vazbu od řidiče daného zařízení. Kromě toho by takové prostředí vhodně zapadalo do stávající koncepce vývoje, kdy dochází k souběžnému vývoji jednotlivých částí stroje a společná simulace by ulehčila jejich integraci.

Od myšlenky k realizaci

K realizaci simulátoru byl zvolen program Matlab & Simulink, doplněný nadstavbou Simscape o fyzikální modelování. Vývojový tým vytvořil modely hlavního rozvaděče, pojistných ventilů, hydraulických pohonů a okruhů prvního simulovaného stroje – hydraulického bagru. Knihovny Simscape poskytovaly k tomuto účelu množství připravených prvků, stačilo je tedy sestavit a vhodně nastavit jejich parametry. Následně byly modelovány mechanické části stroje včetně ramene, násady a lžíce, opět prostředky fyzikálního modelování. Model hlavního pohonu byl propojen s modely hydraulických a mechanických částí do jednoho celku simulujícího dynamické chování kompletního stroje.

Následoval návrh řídicího systému, realizovaný v Simulinku. Jeho ladění se opíralo o simulace zpětnovazebního propojení regulátorů s dynamickými modely stroje a jeho částí získanými v předchozí fázi návrhu. Výsledky simulací byly podrobně analyzovány v Matlabu a návrh regulátoru postupně zdokonalen. Simulačně bylo možné pokrýt velké množství testovacích scénářů a zvýšit tak kvalitu navrženého systému. Model stroje byl také verifikován na základě porovnání s testovacími daty z aktuálně vyráběných zařízení.

Jakmile byl návrh systému dokončen, bylo možné přejít k simulaci modelů v reálném čase. Nástroje Simulinku pro automatické generování kódu přeložily model do zdrojového kódu v jazyce C, který byl nasazen na tři současně běžící simulátory.

Závěr

Simulátor je aktuálně používán ve vývoji hydraulických bagrů. Simulace umožňují včasné prověření různých koncepcí návrhu a hodnot parametrů řídicího systému, čímž snižují riziko oprav v pozdějších fázích vývoje. Jakmile je simulací nalezena optimální varianta, lze ji vyrobit ve formě fyzického prototypu. Ve výsledku lze očekávat 30% až 50% úspory při stavbě prototypů oproti předchozímu přístupu.

Společnost Volvo CE plánuje nasazení simulátoru do vývoje kolových nakladačů a kloubových damprů. Vývojový tým také nedávno obohatil simulátor o možnost simulací „controller-in-the-loop“ a „rapid control protoyping“, které urychlují vývoj a testování řídicího softwaru.

Jaroslav Jirkovský

Humusoft
byron@humusoft.cz
www.humusoft.cz

Fyzikální modelování v prostředí Simulink/Simscape

Nástroje pro fyzikální modelování usnadňují stavbu modelů a simulace tzv. multi-domain systémů obsahujících propojení mechanických, elektrických, hydraulických a dalších komponent. Využívají přirozený přístup k modelování, který zavádí do simulačních schémat reálné fyzikální veličiny, jako jsou síly, momenty, napětí, proudy, tlaky, průtoky atd. Podobně jako při montáži reálného systému vzniká model grafickým propojením bloků, které přímo odpovídají jeho fyzickým prvkům. Snadno lze propojit fyzikální modely s modely řídicích systémů nebo systémů pro zpracování signálu a tak naladit a optimalizovat komplexní systém. Využití fyzikálních modelů je velmi široké, uplatnění ncházejí v automobilovém průmyslu, letectví, obraně, návrhu průmyslových a stavebních strojů a podobně.

Hydraulická soustava s řídicím systémem
Reklama
Vydání #3
Firmy
Související články
Softwarové simulace

Pro vývoj jakýchkoli lidských výtvorů metodou pokus-omyl mnohdy již není prostor jak časový, ekonomický, technický a často i vliv nadřazených restrikcí. Proto není možné opomíjet nástroje a metody pro zefektivnění, zrychlení a zkvalitnění tvůrčího procesu. Existuje jich celá řada pro různé oblasti i fáze vzniku výrobku, přitom zásadní význam předvýrobních etap je neoddiskutovatelný.

Od software k technologiím

Softwarová firma Autodesk, jež několik desetiletí vyvíjí CAD programy, je v poslední době hodně aktivní v oblasti matematiky, fyziky, mechaniky těles a tekutin, organické chemie, biotechnologií i dalších oborech. K těmto oborům a problémům s nimi spojenými se dostává skrze programové nástroje, které má rovněž ve svém portfoliu, a které slouží pro jejich simulace a analýzy. Ani hmotné produkty z uvedených oblastí firmě již nejsou cizí. Přesto přes posun od ryze softwarové společnosti ke společnosti technologické, zůstávají pro Autodesk stěžejními kreslící programy, jež se k uživatelům aktuálně dostávají ve verzi označené 2014.

SW nástroje pro výpočtové modelování

V poslední době je firma Autodesk velmi plodná v uvádění na trh nových programových nástrojů pro výpočtové modelování. V současné době nabízí několik produktů, které dokáže oslovit široké spektrum uživatelů z nejrůznějších oborů. Zaměřme se na ty řekněme ryze strojařské.

Související články
Budoucnost zkušebnictví

Společnost AV Engineering, a. s., je v ČR známa především ve spojení s produkty PTC - PTC Creo, Windchill nebo Vuforia a Thingworx. Její dceřiná společnost AV R&D, s. r. o., se zabývá zakázkovým vývojem výrobků, technickými výpočty, simulacemi a v neposlední řadě také zkouškami a testováním výrobků.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Závěrečné oponentní řízení CK-SVT

V dubnu 2012 byl na půdě Fakulty strojní ČVUT v Praze oficiálně zahájen osmi letý projekt Centrum kompetence - Strojírenská výrobní technika v rámci dotačního programu Technologické agentury ČR. Projekt byl úspěšně ukončen ke konci roku 2019 a v červnu 2020 proběhlo Závěrečné oponentní řízení ve firmě TOS Varnsdorf, jednoho ze spoluřešitelů.

Jste připraveni na budoucnost? Zjistěte to...

Každý den se probouzíme do situace, kdy nekonečný boj o nové zákazníky o kousek přitvrdí, je stále náročnější a vyhraje ten, kdo se nejlépe a nejrychleji přizpůsobí. Jak řekl rakouský psychiatr Viktor Frankl, základní lidskou vlastností je svoboda rozhodnout se, i když její uplatnění nemusí být lehké. Člověk není svobodný ve vztahu k podmínkám, v nichž žije, ale má svobodu v tom, jaké k nim zaujme stanovisko. Jak se rozhodnete vy?

RCMT - 20 let ve výzkumu obráběcích strojů (2. část)

Před 20 lety se začaly psát dějiny novodobé tuzemské výzkumné základny strojírenské výrobní techniky. Tento příspěvek nahlíží na klíčové milníky na jeho cestě očima aktérů, kteří stáli a stojí po jeho boku. Vydejme se společně na cestu, která formovala dnešní podobu Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii RCMT (Research Center of Manufacturing Technology) při FS ČVUT v Praze.

Pokročilá správa dat napříč celým životním cyklem

Obstát na trhu průmyslových výrobců dnes není snadné. Klíčem je úzká spolupráce, přehledná dokumentace, efektivní procesy a co nejméně problémů s kvalitou. S tím vším vám pomůže platforma, která propojuje správu produktových dat (PDM) s cloudovým systémem pro řízení životního cyklu výrobku (PLM).

Platforma pro kolaborativní návrh i výrobu

Každoroční uživatelské setkání společnosti Dessault Systèmes dostalo nové jméno 3DExperience World. Jde o pokračování pravidelné konference Solidworks World pro uživatele softwarových nástrojů Solidworks. Nové jméno odráží nový ekosystém tvořený celou řadou inovativních řešení od společnosti Dassault Systèmes. Akce 3DExperience World 2020 se konala začátkem února v americkém Nashvillu ve státě Tennessee a účastnilo se jí na 6 000 konstruktérů, inženýrů a prodejců z celého světa.

Od konstrukce strojů po parkovací věže

Mezi starší generací strojařů pravděpodobně není nikoho, kdo by neznal původem škodováka Josefa Bernarda z Jičína. Tento strojírenský nadšenec příští rok oslaví své sedmdesátiny. Před třiceti lety po odchodu z místního Agrostroje položil základy společnosti Vapos, která dává perspektivní práci patnácti desítkám lidí z Jičína a blízkého okolí.

MSV představí svět budoucnosti

Mezinárodní strojírenský veletrh vstupuje do svého již 61. ročníku. Během let se z něj stal nejrenomovanější oborový veletrh. Je tedy jasné, že řídit jej tak, aby renomé neztratil, není nic snadného a vyžaduje to člověka nejen schopného, ale i zkušeného. Současný ředitel, Ing. Michalis Busios, bezesporu splňuje obojí. Dokladem je skutečnost, že pro veletrh úspěšně pracuje již od roku 2008.

Ultra lehké komponenty vyráběné 3D tiskem

V posledních letech se do širšího povědomí dostávají aditivní technologie, neboli 3D tisk, kde je součást tvořena přidáváním materiálu nikoliv jeho odebíráním, jako je tomu u klasického obrábění. Jejich využití je zkoumáno napříč nejrůznějšími obory od strojírenství přes architekturu až po medicínu a módu. Pokud se omezíme na 3D tisk kovů, zjistíme, že aditivní technologie jsou brány jako prostředek pro výrobu tvarově složitých a občas konvenčními způsoby zcela nevyrobitelných dílů. Jsou brány jako jakási ideální výrobní technologie pro výrobu čehokoliv. V posledních letech se navíc stále více skloňuje spojení aditivní technologie a topologické optimalizace, což je způsob návrhu tvaru dílu na základě matematické optimalizace. Jak lze tušit, navržený tvar je značně složitý a často bývá označován jako organický. Takové díly jsou údajně vhodné pro 3D tisk, ale není tomu tak. Ve většině případů je realita daleko prozaičtější. Použití aditivní technologie je pouze jediná možnost, jak takový díl vyrobit.

Praktický výzkum nám dělá svět lepším

Prof. Ing. Milan Gregor, PhD. se narodil v Prievidzi a dětství prožil v Necpaloch. Zde u příležitosti oslav 600. výročí první písemné zmínky byl v roce 2015 oceněn Cenou primátorky Prievidzy za mimořádné zásluhy v rozvoji hospodářství, vědy a techniky a šíření dobrého jména Slovenské republiky v zahraničí.

Harmonizace ve svařování

Mezinárodní harmonizace norem a pravidel pro svařování je důležitá z mnoha důvodů. Primárním důvodem je skutečnost, že svařování je považováno za "zvláštní proces" (EN ISO 9001), při kterém nelze zcela zjistit jakost po skončení procesu inspekcí, ale jakost musí být sledována před i v průběhu celého procesu svařování.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit