Achtergrond
Optimaliseer je machine met Motion Analyser
7 juli 2009
Het Motion Analyser-pakket van Rockwell Automation is geëvolueerd van hulpmiddel bij het dimensioneren van een aandrijfsysteem tot een tool die ontwikkelaars helpt om de prestatie van hun machine te verbeteren. Het gereedschap maakt alle relevante informatie inzichtelijk en vereenvoudigt het overleg tussen verschillende disciplines binnen het ontwikkelteam. Huub Uijen van Rockwell gaat in op de voordelen van de gratis programmatuur.
Op het moment dat je een machine of productielijn wilt voorzien van een servobesturing, moet je stevig rekenen aan mechanische gegevens zoals overbrengingen, massatraagheid, wrijving en spoed. Je kunt ook niet zonder bewegingsprofielen die inzicht geven in maximale snelheden, acceleraties en duty-cycle. Met deze gegevens kun je uiteindelijk bepalen hoeveel koppel de motor moet leveren en bij welke toerentallen, en of er een extra reductor nodig is. Natuurlijk kun je deze berekeningen zelf op papier doen, maar Rockwell Automation heeft er een paar jaar geleden een programma voor geschreven: Motion Analyser is gratis te downloaden op www.ab.com/e-tools onder het kopje ‘system configuration’.
Motion Analyser structureert de invoergegevens en doet de berekeningen automatisch zodat de kans op fouten vermindert. Als bij handmatige calculaties ook het thermisch gedrag wordt bekeken, worden effecten als hogere omgevingstemperatuur of derating op grotere hoogte vaak niet meegenomen, terwijl veel productiesites toch op grote hoogte of in warme gebieden staan. Motion Analyser heeft dit gestandaardiseerd en heeft ook de beschikking over gedetailleerde temperatuurmodellen van drives en motoren.
Servoversterkers bezitten vaak een gemeenschappelijke gelijkspanningsbus. Een gelijkrichter levert gelijkstroom aan deze bus en de drives gebruiken de hoeveelheid stroom waar ze behoefte aan hebben. Als de motoren regeneratief opereren, leveren de drives stroom aan de gelijkspanningsbus. Andere drives op deze bus kunnen hun capaciteit gebruiken om dit vermogen op te nemen, maar het kan ook voorkomen dat extra remweerstanden nodig zijn. Er moet voor deze systemen worden berekend of de gelijkrichter genoeg capaciteit heeft en of de geregenereerde energie kan worden opgenomen. Motion Analyser bevat alle gegevens die nodig zijn voor deze berekeningen en voert ze automatisch uit.
Simulatie kan een krachtig hulpmiddel zijn bij de ontwikkeling van nieuwe machines. Motion Analyser bevat vrijwel alle functies die nodig zijn om te simuleren.
Spoed
Rockwell besefte zich dat Motion Analyser meer potentie had dan puur het dimensioneren van motoren, drives en reductoren. In het gereedschap komen verschillende disciplines bij elkaar. Het krijgt profielen vanuit de programmeeromgeving, gebruikt mechanische eigenschappen, geeft informatie aan controlengineers over bijvoorbeeld massatraagheidsverhoudingen en informeert de elektrotechnicus over componenten en stroomsterktes. Motion Analyser zou een centrale rol kunnen spelen om afdelingen met elkaar te laten communiceren en snel inzicht te krijgen in wat de invloed is van beslissingen of waar een optimum ligt.
Traditioneel is dimensioneren de taak van de elektrotechnicus of de programmeur. Die vroeg wat gegevens op bij zijn collega’s van andere afdelingen en koos op basis daarvan een servosysteem. De echte interactie tussen afdelingen ontbrak vaak. Dat heeft menigmaal geleid tot onnodig grote aandrijvingen, hoge stromen, duurdere bedrading en te grote elektronische kabinetten.
Motion Analyser kan met een druk op de knop laten zien wat de invloed is van een mechanische keuze. Neem bijvoorbeeld een spindelaandrijving met een zekere spoed. Verkleinen van de spoed heeft veel gevolgen: het toerental van de motor moet omhoog, de motor hoeft minder koppel te leveren, de drive minder stroom en de massatraagheidsverhouding tussen motor en drive wordt gunstiger. Al deze effecten toont Motion Analyser in één plaatje met precies de kwantitatieve effecten van een verandering. Zo is het niet moeilijk om de optimale spoed te kiezen waarbij benodigde koppels minimaal zijn, de massatraagheidsverhouding verbetert en de motor toch snel genoeg kan draaien. En belangrijker nog: de persoon die de selectie maakt, kan degene die deze spoed heeft gekozen, laten zien wat de consequenties zijn van deze beslissing.
Virtuele aansturing
Motion Analyser heeft een koppeling met Solidworks, een uitgebreid 3D-Cad-programma dat ook van gecompliceerde systemen informatie verschaft over gewicht, wrijving en massatraagheid. Een combinatie van de twee pakketten kan daarom leiden tot makkelijkere modellering en nauwkeurigere berekening. Daarom heeft Rockwell het mogelijk gemaakt om rechtstreeks massatraagheden uit Solidworks te importeren in Motion Analyser.
Solidworks kent verder de mogelijkheid om (lineaire of draaiende) actuatoren te definiëren en hiermee constructies te bewegen. Deze actuatoren zijn te voorzien van bewegingsprofielen uit Motion Analyser, waarmee de mechanismen virtueel zijn aan te sturen in de Cad-omgeving. Ook is het mogelijk om plots te genereren van snelheden en koppels. Deze plots geven snel alle informatie voor de hardwareselectie. Op deze manieren zijn ook berekeningen uit te voeren aan gecombineerde bewegingen zoals bij deltarobots.
Motion Analyser structureert de systeemgegevens en rekent ze door. Bovendien maakt de tool bewegingsprofielen inzichtelijk.
Simulatie
Terwijl mechatronicastudenten op hogescholen en universiteiten leren om dynamisch gedrag van mechanismen met besturingssysteem te modelleren in dure rekenpakketten, zien we deze tools bij de meeste machinebouwers niet terug. Ze lijken voorbehouden aan academische instellingen en enkele hightechinstituten. Waarom komen deze pakketten niet breder voor? Ik vermoed dat de aanschafprijs een rol speelt. Bovendien kennen de meeste machinebouwers te veel druk om de tijd te nemen voor simulaties. Dat is jammer. Simulatie kan een krachtig hulpmiddel zijn bij de ontwikkeling van nieuwe machines.
Nu bouwen bedrijven vaak een prototype en proberen ze van alles uit om te kijken of de machine de gevraagde performance kan geven. Mislukking komt helaas vaak voor. Er moet dan een nieuw ontwerp komen en nieuwe onderdelen moeten opnieuw worden besteld. Na de aanpassingen gaat het prototype weer door het testproces zonder dat het zeker is of het nu wel tot het gewenste resultaat leidt. Gevolg: extra inkoopkosten en fikse vertragingen.
Bijna alles dat nodig is om te simuleren, is aanwezig in Motion Analyser. Zo zijn de profielen bekend, alsmede overbrengingen, wrijving en massatraagheden. Alleen stijfheden en speling in de aandrijving ontbreken nog. Gebruik van Motion Analyser heeft het voordeel dat het niet nodig is om speciale rekentools aan te schaffen en de engineers te scholen. In feite kan alles in deze simulatie worden meegenomen. Welke koppeling heeft genoeg stijfheid voor mijn gewenste performance? Hoe moet ik mijn profiel definiëren om mijn cyclustijd te halen? Geeft het winst door iets sneller te accelereren en trager te remmen zodat het mechanisme sneller kan settelen? De simulatie gebruikt een exact model van de servolussen zodat de gevonden instellingen kunnen worden geëxporteerd naar het uiteindelijke machineprogramma. De simulatietool maakt het dus mogelijk om snel te onderzoeken in welk domein een probleem kan worden opgelost.
Huub Uijen is commercieel ingenieur voor motion en drives bij Rockwell Automation.