Metoda symulacji w mechatronice
Mechatronika – kierunek studiów
Mowa tu o bardzo ambitnej dziedzinie studiów, która przyciąga tylko osoby o wybitnie ścisłym umyśle. By odnaleźć się w tej dyscyplinie akademickiej i dobrze napisać taki tekst jak praca dyplomowa, potrzeba umiejętności matematycznych, ale i informatycznych kompetencji połączonych z praktycznymi, technicznymi zdolnościami.
Interdyscyplinarny charakter
Koncepcja mechatroniki pojawiła się w Japonii 30 lat temu i stała się stosunkowo szybko złożoną koncepcją podlegającą ciągłym zmianom, doskonaleniu, procesom dostosowania do potrzeb rynku. U jej podstaw zawsze tkwiła jednak idea synergicznego połączenia mechaniki i elektroniki. Dlatego mechatronika jest znaczącym, interdyscyplinarnym trendem w projektowaniu, który obejmuje zastosowanie najnowszych technik w mechanice precyzyjnej, teorii sterowania, informatyce, inżynierii precyzyjnej i elektronice – student, który pisze pracę dyplomową, musi o tym pamiętać.
Mechatronika – cele badawcze
Mechatronice jako dziedzinie studiów przyświeca cel tworzenia i szybkiego wprowadzania na rynek bardziej funkcjonalnych i adaptowalnych produktów o precyzyjnych parametrach. Koncepcja mechatroniki ma silny wpływ nie tylko na projektowanie i rozwój produktów i sług, ale także na poziom konkurencji, jaka ujawnia się na rynku, wreszcie kształtuje ona program studiów w zakresie inżynierii mechanicznej, w której podstawowym narzędziem jest właśnie metoda symulacji.
Efekty mechatroniki
Produkty mechatroniczne mają specyficzne cechy, takie jak przewaga układów elektrycznych nad podzespołami mechanicznymi. To pozwala oczekiwać, by urządzenia poddane doskonaleniu osiągały nowy, wysoki poziom wydajności. Mechatroniczny sposób myślenia i projektowania prowadzi do znacznie większej elastyczności i łatwego przeprojektowywania lub przeprogramowywania powstających produktów, analizowanych i testowanych właśnie metodą symulacji, jaką student może posłużyć się w pracy dyplomowej.
Mechatronika a potrzeby rynku
Producenci stale stawiają sobie taki cel jak osiągnięcie wyższego stosunku jakości do ceny, a także osiągniecie wysokiego poziomu wydajności, jaką produkt o relatywnie złożonej strukturze, może się odznaczać – w związku z tym w mechatronice przyjmuje się metodologiczne założenie, że zastosowanie metody symulacji na modelach fizycznych w rzeczywistej lub zmniejszonej skali, niepozwalającej na elastyczność w działaniach i badaniach, nie jest właściwe – praca dyplomowa z mechatroniki może zatem mieć wartość pragmatyczną i ekonomiczne ukierunkowanie.
Doskonalenie produktu
Optymalizowanie funkcjonowania danej maszyny w takiej swoistej pętli nie przynosi dobrych rezultatów. Ważne momenty funkcjonowania maszyny można z kolei łatwo przedstawić za pomocą komputera. W związku z tym należy wykorzystać wysoce zintegrowane metody komputerowego wspomagania (Ionescu, 1996). Zalety programów w tej dziedzinie, a więc programów, które są wyspecjalizowane w generowaniu geometrii 3D, symulacji kinematycznej i dynamicznej, wreszcie symulacji statycznej i dynamicznej, są rozliczne – praca dyplomowa z mechatroniki może zatem wymagać zrealizowania konkretnego projektu załączonego do tekstu. Ujawniają się one na wielu etapach badania – od projektu wstępnego, a kończąc na produkcie końcowym (Bostan, 2003) – nakreślony porządek postępowania może wyznaczać także strukturę takiego tekstu jak praca dyplomowa z mechatroniki.
Metoda symulacji – co to jest?
Symulacja pozwala wypracować model informacyjny z wieloma pętlami, w których dokonuje się projektowanie i optymalizacja pracy potencjalnej maszyny na różnych poziomach i etapach. Symulacja to zatem metoda, której realizacja przebiega z fazy na fazę, a te z kolei etapy postępowania badawczego, we właściwej kolejności, są następujące: specyfikacja projektu, wstępny projekt, wypracowanie projektu, budowa modelu do obliczeń i analizy za pomocą kinematycznej i dynamicznej symulacji MS lub SD, uzyskanie wyników, sprawdzenie poprawności wyników, analiza elementów skończonych (ANSYS), krytyczna analiza wyników, stworzenie prototypu, test eksperymentalny, optymalizacja i potwierdzenie procedury. Badanie z wykorzystaniem takiej metody jak symulacja w mechatronice jest realizowane w wielu pętlach, przy czym pętle optymalizacji mają ogromne znaczenie (Ionescu, 2002).
Metoda symulacji – jak stosować?
Począwszy od projektu koncepcyjnego, każdy komponent mechaniczny jest modelowany w uproszczony sposób, aby zachować możliwie pełną funkcjonalność w systemie – w symulacji zarazem usuwane są wszelkie niepotrzebne dane, które mogłyby skutkować chaosem i szumem informacyjnym. Symulacja w mechatronice musi z kolei mieć przejrzysty charakter.
Wstępna analiza
Do wstępnej analizy kinematycznej (pozycjonowanie do przodu i do tyłu maszyny) informacje wolumetryczne i masowe są niepotrzebne, więc pojedyncze linie mogą zastąpić nawet złożone komponenty 3D, z zachowaniem relacji odległości między komponentami. W modelu ustalane są reguły w celu utrzymania, projektowania i testowania ograniczeń ruchu, takich jak struganie, obrót itd. W analizie dynamicznej przeprowadzonej metodą symulacji potrzebne są takie dane jak masa poszczególnych komponentów. Ich wyszczególnienie i powiązanie to treść, która powinna znaleźć się w pracy dyplomowej z mechatroniki, przede wszystkim w takim podrozdziale jak: przedmiot badań.
Łączenie komponentów
Każdy element, składający się na tworzony projekt z ograniczeniami ruchu, jest następnie zestawiany w celu utworzenia modelowego systemu funkcjonowania maszyny, z uwzględnieniem odpowiedniego oznakowania i informacji wymaganych do przeprowadzenia analizy kinematycznej. W modelu każde ogniwo zostaje sprowadzone do pojedynczej linii łączącej odpowiednie części, znajdujących się w konkretnych odległościach, uwzględnionych w symulacji.
Dalsza analiza
Projektowane główne przeguby mogą być czysto obrotowe, z uwzględnieniem jednego stopnia swobody, podczas gdy inne przeguby mają charakter sferyczny. Ze względu na równoległoboki, efektor końcowy pozostaje idealnie równoległy, czyli poziomy względem swojej podstawy. Jest to możliwe dlatego, że w modelu kinematycznym przeguby są płaskie, a obie płaszczyzny – zawsze równoległe. Równoległoboki dolnego ramienia są sprowadzane do pojedynczych linii, które przedstawia się jako elementy łączące dwa punkty. Następnie zastosowanie znajduje analiza algebraiczna przeprowadzana w odniesieniu do równań, które przedstawiają z kolei geometrię ruchu. By te geometrie przedstawić, student piszące pracę dyplomową z mechatroniki musi zadbać o przejrzyste rysunki, schematy i tabele w tekście.
Metoda symulacji a eksperyment – podobieństwa
Terminy: eksperyment i symulacja są czasami używane w sposób synonimiczny. Bardziej powszechne jest jednak używanie terminu „symulacja”, zwłaszcza w sytuacji, gdy procedura testowa opiera się na modelach wirtualnych. Z kolei określenie „eksperyment” jest właściwsze, gdy postępowanie opiera się na modelach fizycznych. Termin „eksperyment wirtualny” z kolei jest czasami używany w pierwszym przypadku, a termin „eksperyment fizyczny” ma zastosowanie w drugiej sytuacji. Według takich badaczy jak Neelamkavil, symulacja to tworzenie modelu, który pozwala przedstawiać i rekonstruować pewne aspekty funkcjonowania systemu w czasie rzeczywistym, skompresowanym lub rozszerzonym. Student powinien pamiętać, że dyplomowa z mechatroniki może być oceniana pod kątem precyzji terminologicznej.
Eksperyment w mechatronice – na modelu
Eksperymentowanie z rzeczywistym systemem rzadko jest możliwe ze względu na ograniczone zasoby lub z uwagi na fakt, że system może jeszcze nie istnieć, może być nadto uznany za zbyt skomplikowany do zrozumienia w danym momencie lub może być po prostu jeszcze niedostępny. Takie eksperymentowanie w rzeczywistości może być nawet niebezpieczne lub destrukcyjne w niektórych przypadkach. Jak wykazano w toku naszych analiz, eksperymenty są powszechnie przeprowadzane przy użyciu modeli, co niweluje wiele czynników ryzyka, które symulacja powinna uwzględniać.
Model w mechatronice
Model można zdefiniować na wiele sposobów. Neelamkavil stwierdza, że jest to zredukowana postać pewnego systemu, która ma zapewnić większą zdolność do zrozumienia, antycypowania i, w miarę możliwości, kontrolowania zachowań, jakie przejawia system. W naukach inżynieryjnych wyróżnia się dwie zasadnicze kategorie modeli: modele fizyczne, np. modele w skali, oraz modele wirtualne (symboliczne), np. modele matematyczne. W zależności od rodzaju modelu matematycznego w badaniach stosowane są metody analityczne lub numeryczne. Ponieważ często trudno jest opisać produkt w sposób na tyle przejrzysty i uproszczony, aby znaleźć rozwiązanie w toku analiz, metody numeryczne są najczęściej stosowane w doskonaleniu produktu, stanowiącego ważny problem w pracy dyplomowej z mechatroniki. W zależności od celów badania, ten sam system może być reprezentowany z wystarczającą dokładnością przez modele o różnej wierności, dające różne rodzaje i różną ilość informacji. Wierność to stopień, w jakim dana reprezentacja odtwarza badany system (świat rzeczywisty).
Metoda symulacji w mechatronice – cel badawczy
Cele badania powinny być zatem zawsze jednoznacznie określone, ponieważ decydują one o tym, że proces modelowania koncentruje się na samych praktycznych zagadnieniach. Gdy te cele są jasno określone, można opracować odpowiednie ramy eksperymentalne. Jest to specyfikacja warunków, w których system jest badany. Proces badawczy ma wówczas na celu stworzenie takiego modelu, który naśladuje badany system z wystarczającą dokładnością w określonych warunkach, jakie praca dyplomowa z mechatroniki powinna uwzględniać.
Metoda symulacji – przebieg
Każda metoda w mechatronice jest realizowana w sposób procesualny, a więc przebiega przez określone stadia. Nie inaczej jest w przypadku metody symulacji, której porządek przedstawiamy poniżej…
Modelowanie
Ogólnie rzecz biorąc, proces modelowania składa się z analizy, uproszczenia, abstrakcji i syntezy. Analiza polega na zbadaniu systemu, który ma być następnie doskonalony, a także chodzi o podzielenie go na komponenty, które mogą być traktowane oddzielnie.
Uproszczenie systemu
Uproszczenie osiąga się poprzez usunięcie nieistotnych szczegółów – najlepiej: zaczynając od najprostszego możliwego modelu, a następnie dodając kolejne komponenty aż do momentu, w którym model będzie przedstawiał charakterystykę systemu z wystarczającą dokładnością.
piszesz pracę z mechatroniki i potrzebujesz pomocy?
Napisz do nas! – pomagamy w pisaniu prac magisterskich, prac doktorskich i licencjackich
w każdej dziedzinie.
Abstrahowanie
Wszystko to przeprowadza się w tym celu, by możliwe było zastosowanie modelu poprzez uchwycenie prostszych relacji niż te, które występują w świecie rzeczywistym. Zdolność do budowania modeli poprzez wybór najmniejszego podzbioru zmiennych, który adekwatnie opisuje badany system, jest oczywiście wysoce pożądana. Abstrakcja jest procesem prezentowania cech i zachowania badanego systemu w innej formie lub w inny sposób.
Syntetyzacja
Synteza to proces łączenia wszystkich modeli składowych w kompletny, ogólny i ostateczny model badanego systemu. Jakość takiego ostatecznego, złożonego modelu zależy od jakości modeli składowych i faktyczności zakładanych interakcji między komponentami. Co ważne, dokumentacja powinna być również traktowana jako integralna część procesu modelowania.
Symulacja, czyli tworzenie prototypu
Omawiana metoda tradycyjnie opiera się na fizycznym tworzeniu prototypu. Jest to często zadanie czasochłonne, a w konsekwencji konieczna okazuje się weryfikacja otrzymanych wyników na późnych etapach postępowania. Rosnąca globalna konkurencja drastycznie zmieniła praktyki doskonalenia produktów. Podejście oparte wyłącznie na fizycznym prototypowaniu w większości przypadków nie jest już realnie rozważaną możliwością ze względu na ograniczenia czasowe i kosztowe, które mogą stanowić zmienne w pracy dyplomowej z mechatroniki.
Zalety prototypowania
Wirtualne prototypowanie szybko zyskuje na popularności. Ta zmiana paradygmatu w procesie produkcyjnym jest ważnym krokiem w kierunku bardziej efektywnego i wydajniejszego tworzenia produktów trafiających następnie na rynek.
Oszczędności
Główną zaletą wirtualnego prototypowania jest to, że liczba konfiguracji projektowych (propozycji), które można przetestować w ramach ograniczonych zasobów, może zostać znacznie zwiększona w porównaniu do fizycznego prototypowania. Po opracowaniu wirtualnego modelu, dodatkowe koszty szeroko zakrojonych eksperymentów są zazwyczaj bardzo niskie w porównaniu z budową nowych modeli fizycznych. Zachęca to do poszerzania zakresu eksperymentów – od podstawowego sposobu weryfikacji do poszukiwań odpowiedzi na pytania typu: „co by było, gdyby”. W taki sposób w firmie podnosi się poziom innowacyjności, a proces przebiega szybciej.
Wczesne rozpoznawanie błędów
Ponadto wirtualne prototypy mogą być stosowane już na wczesnych etapach produkcji, w przeciwieństwie do pełnego, fizycznego prototypowania. Wirtualne prototypowanie może zatem sprawić, że krzywa uczenia się będzie bardziej stroma na początku projektu rozwojowego, kiedy zmiany projektowe są nadal ekonomicznie zasadne i efektywne.
Innowacje
Tak przedstawiona ekonomia symulacji może okazać się zatem strategią bardziej atrakcyjną. W ten sposób można przeprowadzić bardziej rozległe, zaawansowane badania w danym przedziale czasowym – lepsze zwłaszcza w porównaniu do strategii sekwencyjnej. To dodatkowo zwiększa prawdopodobieństwo odkrycia bardziej korzystnych ulepszeń i innowacji, które można wdrożyć w procesie produkcyjnym. Wczesne eksperymenty równoległe, skłaniając do poszukiwania więcej niż jednego rozwiązania, zarazem zmniejszą także liczbę iteracji projektowych w świecie rzeczywistym, a tym samym redukuje to prawdopodobieństwo poważnych przeróbek i koniecznych modyfikacji w późniejszych fazach projektowania produktu analizowanego w pracy dyplomowej z mechatroniki.
Doskonalenie produktu
Strategia ta jest korzystna także dlatego, że prowadzi do odkrywania wielu niepowodzeń na wczesnych etapach produkcyjnych, i choć może się to wydawać paradoksalne, w tym należałoby upatrywać najważniejszej zalety metody, o której mowa. Niepowodzeń nie należy tu bowiem mylić z błędami. Niepowodzenia przyczyniają się w takim samym stopniu jak sukces do generowania użytecznych informacji, które następnie mogą być wykorzystane w procesie produkcyjnym obliczonym na stworzenie produktu atrakcyjnego, wolnego od niepożądanych przecież usterek. Ważne jest bowiem zrozumienie tego, co nie działa, jak i tego, co działa.
Metoda symulacji w mechatronice – wady
Metoda, o której mowa, musi być stosowana z rozwagą z uwagi na pewne ograniczenia. Należy ja w sposób celowy i przemyślany dobrać do przedmiotu badań, ponieważ w pewnych warunkach okazuje się ona zwodnicza, o czym przekonujemy w dalszej części analiz…
Metoda symulacji - nieadekwatność
Wadą modeli wirtualnych może być niższa wierność niż w przypadku pełnych modeli fizycznych. Niższa wierność oznacza w tym wypadku przede wszystkim to, że można – w ramach omawianej metody badawczej – uzyskać mniej danych wynikających z każdej iteracji w porównaniu do eksperymentowania z modelami fizycznymi (zazwyczaj odznaczającymi się wyższą wiernością).
Wolne uczenie się
Pomimo tego, ogólna szybkość uczenia się jest nadal często wyższa w przypadku wirtualnego prototypowania, ponieważ każda iteracja jest wykonywana znacznie szybciej, dzięki czemu możliwe jest wykonanie znacznie większej liczby iteracji w określonych ramach czasowych.
Niepełna weryfikacja wyników
Należy zauważyć, że to, co zostało dotąd stwierdzone, w żaden sposób nie oznacza, że eksperymenty fizyczne są przestarzałe. Nie należy z góry wykluczać tego, że model fizyczny może w rzeczywistości nadal być najlepszą możliwością w konkretnym przypadku, pomimo posiadania zasobów umożliwiających wirtualne prototypowanie. Ponadto podczas opracowywania i walidacji modeli wirtualnych, teoretycznie ograniczone modele fizyczne mogą okazać się niezbędne z uwagi na konieczność ostatecznego zweryfikowania wcześniejszych wyników walidacji. Zrównoważone połączenie wirtualnych i ograniczonych modeli fizycznych jest zazwyczaj najlepszym podejściem metodologicznym.
Metoda symulacji – dlaczego warto?
Symulacja zyskuje na popularności w niemal wszystkich sektorach przemysłu. Jest to szczególnie widoczne wśród producentów samochodów. Przykłady studiów przypadków związanych z przemysłem motoryzacyjnym – w skali całej literatury przedmiotu – odnoszą się do czołowych marek, takich jak BMW, Toyota i Audi. Praca dyplomowa z mechatroniki powinna z kolei odnosić się do takich podmiotów, które działają w dużej skali – student łatwiej zdobędzie wówczas materiały do badań.
Większa wydajność produkcji
Wszystkie te badania pokazują pozytywny wpływ symulacji na wydajność w procesie doskonalenia produktu. Przejście od eksperymentów fizycznych do symulacji jako takiej może już nie być wyróżnikiem czy też: akcentem jakości w przemyśle motoryzacyjnym – przyczyną jest fakt, że omawiana tu metoda symulacyjna jest już powszechnie stosowana, oczywiście na poziomie dużych firm, międzynarodowych koncernów.
Odpowiedź na potrzeby rynku
Badanie w oparciu o metodę symulacji może – zamiast samego tylko weryfikowania rozwiązań, jakie zostały już w odniesieniu do produkcji ustalone – wspierać dialog z klientami, stymulować tworzenie nowych koncepcji i dostarczać wskazówek odnoszących się do bardziej zoptymalizowanych projektów, może być jednak ważnym wyróżnikiem.