Cad-tools maken dimensioneren complexe aandrijving eenvoudiger

Kostprijs, nauwkeurigheid, energieverbruik en productiviteit van een machine staan of vallen veelal met een optimaal ontwerp en afregeling van de aandrijving. Op verschillende deelaspecten zoals controllertuning, motor- en reductorkeuze, en optimaal bewegingstraject is reeds heel wat onderzoek verricht. Recente ontwikkelingen in de cad-wereld maken het nu mogelijk om via motionsimulaties deze optimalisatiestappen virtueel en dus in ontwerpfase door te voeren.

Heinz Vervaeke werkt als wetenschappelijk medewerker bij de onderzoeksgroep Dynamic Systems and Control van Universiteit Gent campus Kortrijk. Het Tetra-onderzoeksproject Amocad loopt in samenwerking met Sirris en voert hij samen met zijn collega’s Stijn Derammelaere, Michiel Haemers, Simon Houwen, Kurt Stockman, Foeke Vanbecelaere en Bart Vanwalleghem.

15 december 2016

Zowat 73 procent van de ondernemingen geeft aan dat ze cad-tools gebruiken in het productontwikkelproces. Kleine en middelgrote ondernemingen gebruiken cad-software voornamelijk bij het opmaken van de technische tekeningen. Computer-aided engineering (cae) wordt door enkele mkb’ers gebruikt als ondersteuning bij structurele analyses met betrekking tot eindige-elementenanalyse, maar er is meer mogelijk. Cae is het computerondersteund ontwerpen met behulp van cad-software. Bij het ontwerp van machines zijn motor- en reductorkeuze, optimale trajectbepaling en het afregelen van de drives enkele aspecten waarbij cae nog heel wat potentie biedt. Recente ontwikkelingen maken het nu mogelijk om deze aspecten op een gebruiksvriendelijke manier virtueel te valideren met behulp van cae.

Het onderzoeksteam elektromechanische aandrijvingen binnen de onderzoeksgroep Dynamic Systems and Control verbonden aan Universiteit Gent campus Kortrijk schaaft deze kennis bij in het Tetra-project Amocad. Het initiatief om dit project op te starten, kwam uit specifieke vragen uit de industrie. Binnen dit project worden met zo’n vijfentwintig bedrijven uit de machinebouwwereld ervaringen uitgewisseld.

Figuur 1: Uit de simulatie volgt een koppel- en een snelheidstraject. Daarna kan de motor worden geselecteerd.

Om een aandrijving te dimensioneren, zijn verschillende methodes beschikbaar. Welke methode wordt gebruikt, is afhankelijk van de in-house kennis en van de technologie. Er kan uiteraard een manuele berekening van het koppel en de snelheid aan de aandrijfzijde worden uitgevoerd. Het dimensioneren van de motor of reductor gebeurt dan door opzoeking in catalogi. Voor eenvoudige systemen ligt dit voor de hand.

Wanneer het gaat over complexe machinetoepassingen waarin meerdere assen worden gecombineerd zoals robots, pak-en-plaatssystemen, cnc-machines en 3d-printers wordt dit snel zeer uitdagend. Dit is voornamelijk zo doordat de lasteigenschappen zoals inertie, lastkoppel en wrijving in functie van de positie van de aandrijfas niet langer constant zijn maar variëren. Bovendien speelt de positie van de aandrijfassen ten opzichte van elkaar vaak ook een rol. Omwille van de complexiteit van de berekeningen worden vereenvoudigde koppel- en snelheidstrajecten vooropgesteld.

Dit resulteert snel in een sterk overgedimensioneerde motor. Uit eerder onderzoek en dienstverlening van de onderzoeksgroep blijkt een overdimensionering van 35 procent niet ongewoon. Overdimensionering leidt vaak tot een nodeloos hoge kostprijs, te groot volume en te hoge energiekost van de aandrijving. Door te kiezen voor een correct gedimensioneerde aandrijving valt er al snel 20 tot 25 procent in aankoop te besparen.

Selectietool

Net doordat veel mkb’s reeds een 3d-cad-model ter beschikking hebben, loont het de moeite om van de extra functionaliteiten van de cad-software gebruik te maken om een correcte virtuele dimensionering te verwezenlijken. Voor de meeste cad-software zijn simulatiefunctionaliteiten beschikbaar als de cae-tool multi-body analysis. Met deze analyse of bewegingssimulaties kunnen de bewegingen of specifieke trajecten virtueel worden geanalyseerd. In tweede instantie kunnen er dynamische simulaties worden uitgevoerd om het benodigde aandrijfkoppel en toerental te berekenen. De manuele kinematische en dynamische berekeningen kunnen alsnog gebeuren ter verificatie, maar als er eenmaal vertrouwen is in het model hoeft dit niet steeds opnieuw.

Om de dynamische berekeningen uit te voeren, moeten de correcte fysieke parameters van de aandrijfelementen, zoals gravitatie, massa, inertie, wrijving en flexibiliteit, worden ingesteld. Het correct inschatten en instellen van deze parameters in de cae-tool blijkt een knelpunt te zijn bij de modale mkb’er. Binnen het onderzoeksproject wordt de nodige kennis opgebouwd om de parameterinschatting beter te laten verlopen. Aan de hand van concrete bedrijfscases valideren we binnen het labo het instellen van de parameters door de bekomen koppel- en snelheidstrajecten effectief te meten en te vergelijken met de simulatie. Figuur 1 geeft weer hoe de methodiek van het dimensioneren met cae-tools in zijn werk gaat. Het instellen van de parameters is hierin essentieel. Uit de simulatie volgt een koppel- en een snelheidstraject. Daarna wordt de motor geselecteerd.

De benodigde koppel-toerentalgrafiek aan de aandrijfzijde maakt het mogelijk een motor en reductor te bepalen. Verschillende engineering decision tools zijn op de markt verkrijgbaar om softwarematig onder meer reductor en motor te bepalen. Iedere leverancier stelt op zijn website wel een dergelijke selectietool beschikbaar. Meestal is, afhankelijk van het type toepassing, een lastprofiel voorgesteld. Zo is er bijvoorbeeld de keuze tussen een transportband, ventilator of pak-en-plaatsunit. Voor complexe aandrijvingen vereisen deze tools als input gedetailleerde koppel-toerentalgrafieken. Met behulp van de projectresultaten kan deze input met de cae-tool worden gegenereerd en geïmporteerd. Een softwaretool die het ook mogelijk maakt om uit meerdere motorleveranciers te kiezen is Cymex. Vermits deze software een omvangrijke bibliotheek bevat van verschillende motorfabrikanten, geniet deze tool in dit project de voorkeur.

Bij de motorselectie moeten we een motortechnologie meegeven als selectiecriterium. De praktijk wijst uit dat een mkb’er te snel teruggrijpt naar de reeds gebruikte motortechnologieën en daardoor niet altijd de meest optimale keuze maakt. Machinebouwers blijken vaak te weinig geïnformeerd over alternatieven. Bij vermogens tot 1500 watt zijn er namelijk heel wat motortechnologieën van borstelloos dc (bldc) tot stappenmotoren met elk hun sterktes en zwaktes. Gedurende het project vergelijken we in totaal honderd verschillende motoren verdeeld over vijf technologieën: bldc, permanentmagneetsynchroonmotoren (pmsm), inductiemotoren, stappenmotoren, en dc-borstelmotoren. Bovendien proberen we de nodige informatie aan te reiken om tot een optimale keuze te komen.

Trajectoptimalisatie

Afhankelijk van de applicatie is een bewegingsprofiel of traject al dan niet vastgelegd. Voor een zesassige robot bijvoorbeeld kan het pad tussen twee punten geen rol spelen, terwijl in een cnc-machine een vast traject heel nauwkeurig moet worden gevolgd. Als het traject in een toepassing vrij te kiezen is, dan kan het aan de hand van de bewegingssimulatie worden geoptimaliseerd om bijvoorbeeld het energieverbruik te minimaliseren.

Anderzijds kan een aanpassing aan het doeltraject de mogelijkheid openen om een andere motortechnologie, een andere overbrengingsverhouding of een motor met lager vermogen in te zetten. Uiteraard moet de optimale trajectcurve praktisch haalbaar zijn. Daarom kunnen de cae-tools en meer in het bijzonder de bewegingssimulatie een nuttige ondersteuning bieden om de haalbaarheid te testen. Figuur 2 toont aan welke optimalisatie mogelijk is voor een punt-tot-punt-positionering waarbij enkel de begin- en eindpositie van belang zijn.

Figuur 2: Ugent simuleerde een kruk-drijfstangmechanisme. In de grafieken worden de hoekverplaatsing en het benodigde koppel afgebeeld voor een verplaatsing in 0,06 s.

In de figuur is een kruk-drijfstangmechanisme gesimuleerd gelijkaardig aan datgene afgebeeld in de vorige figuur. In de grafieken worden de hoekverplaatsing en het benodigde koppel afgebeeld voor een verplaatsing in 0,06 s. Door de variabele inertie in functie van de hoekverplaatsing is een optimalisatie mogelijk van de standaard S-curve die in het blauw is afgebeeld. De eerste optimalisatie reduceert het gemiddelde koppel. Deze zorgt voor een minimaal energieverbruik en is afgebeeld in het rood. De tweede optimalisatie is in het groen afgebeeld en beperkt het maximale koppel, wat eventueel een kleinere motorkeuze mogelijk maakt.

Workshop

Eens de correcte aandrijving is geselecteerd, kan de praktische implementatie aanvangen. Het correct afstellen van de drive voor een gegeven positioneertoepassing blijkt vaak een niet-evidente stap. Bij de drives zijn enkele features voorhanden die het mogelijk maken om de perfecte afregeling te benaderen zoals autotuning en frequentieanalyse. Het Tetra-project biedt de nodige knowhow om via frequentieanalyse bekomen resultaten vlot om te zetten in een optimale positieregeling.

De verworven kennis rond het dimensioneren van complexe aandrijvingen maken we publiekelijk bekend. In het voorjaar van 2017 bieden we meerdere workshops aan om de mogelijkheden van cae-tools te demonstreren en de praktische implementatie van dergelijke tools bij mkb’s te versnellen. Wij geloven immers dat investeren in digitale technologie uw bedrijf en uw concurrentiekracht ten goede komt.