POLITECHNIKA WARSZAWSKA Instytut Podstaw Budowy Maszyn XVIII Konferencja nt METODY I ŚRODKI PROJEKTOWANIA WSPOMAGANEGO KOMPUTEROWO Łańcut, październik 2013 Andrzej Sioma AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki Katedra Automatyzacji Procesów PROJEKT I BUDOWA PĘDNIKA WODNO-ODRZUTOWEGO 1. Wstęp Praca prezentuje metodę projektowania nowatorskiego typu napędu wodnego, któremu nadano nazwę pędnik wodno-odrzutowy. Celem projektu było opracowania napędu dla pojazdów wodnych alternatywnego do powszechnie stosowanych śrub napędowych. Najważniejsze pytanie, jakie postawiono sobie jeszcze przed rozpoczęciem projektu dotyczyło sposobu poruszania się organizmów w środowisku wodnym. Zauważonoi, bowiem że śruba nie występuje w środowisku. Nie znajdziemy odpowiednika śruby napędowej, chociaż podobnym rozwiązaniem może być silnik obrotowy z wicią występujący u bakterii. Dotyczy to jednak organizmów, które należą do zupełnie innej grupy biorąc pod uwagę wymiary bakterii i wymiary nawet najmniejszych pojazdów wodnych. Odpowiedź na to pytanie wymagała przeprowadzenia przeglądu i opracowania klasyfikacji sposobów poruszania się organizmów w środowisku wodnym. Na podstawie tak wykonanego przeglądu przygotowano kilka projektów koncepcyjnych a następnie wykonano wieloetapową ich weryfikację i przebudowę. Efektem tych działań było opracowanie projektu wykonawczego a następnie budowa i uruchomienie prototypu. Zrealizowane prace i ich podział na etapy został opisany w niniejszej pracy.
2. Budowa modelu produktu Projektowanie konstrukcyjne maszyn i urządzeń jest złożonym wieloetapowym procesem. W zależności od stopnia złożoności problemu technicznego, który ma być rozwiązany, projektowanie wymaga ogromnego doświadczenia konstruktorów i najczęściej pracy zespołowej. W większości przypadków inżynier projektant nie posiada wiedzy przyrodniczej, która była by bardzo przydatna w czasie realizacji takiego typu projektu. Najczęściej posiada on tylko wiedzę techniczną, którą nabył w czasie studiów inżynierskich i uzupełnił w trakcie pracy zawodowej. Proces projektowania maszyn inspirowanych przyrodniczo należy podzielić na następujące etapy: określenie charakterystyki i funkcji projektowanej maszyny, poszukiwanie inspiracji w zbiorze wytypowanych organizmów, budowa modelu koncepcyjnego dla przyjętego rozwiązania technicznego, budowa prototyp "demonstrator" na podstawie przyjętej koncepcji w formie funkcjonalnego modelu CAD i prostego modelu fizycznego, wykonanie urządzenia prototypowego z układem zasilania i sterowania przeznaczonego do badań terenowych, badania i weryfikacja, jakości pracy urządzenia w zakresie przyjętych parametrów. Opierając się na powyższym podziale sformułowano szczegółowy opis zadań wykonywanych w kolejnych etapach projektu. Etap 1. Określenie charakterystyki i funkcji obiektu. Rozpoznanie dotychczasowych rozwiązań dotyczących typu napędu stosowanych w obiektach pływających. W wyniku badań i analiz należy przedstawić charakterystykę projektowanego pojazdu, a także określić i szczegółowo opisać jego funkcję globalną F G oraz podstawowe funkcje częściowe {f}, które należy zrealizować w projekcie. Etap 2. Badania inżynierskie rozwiązań występujących w przyrodzie. W etapie tym konieczne jest wykonanie analizy literatury przyrodniczej opisującej organizmy zamieszkujące środowisko wodne. Z badanej grupy organizmów należy wytypować te, które przedstawiają największy potencjał i będą wzorcem w dalszych działaniach inżynierskich. Wzorce powinny być wybierane w kategorii największej zgodności w odniesieniu do przyjętej w realizacji funkcji urządzenia. W ramach prac badawczych przeprowadzone są szczegółowe badania budowy i sposobów pływania wybranych wcześniej gatunków, a w szczególności: wykonanie zdjęć i filmów szybką kamerą sposobów pływania, wykonanie zdjęć makro- i mikroskopowych ogólnej budowy anatomicznej, zwłaszcza narządów pływania. Przykładowe badania opisano w pracach [2-5]. Wykona-
no szczegółowe mikroskopowe badania narządów pływania (odnóży), wraz z przekrojami mikrotomowymi w celu odtworzenia ich budowy strukturalnej. Rys. 1 Wzorce projektowe. a muszla Przegrzebka (Małż), b budowa Kałamarnicy, c wioślak punktowy(pluskwiak), d Łodzik (Rodzina Nautilidae). Efektem prac przeprowadzonych na tym etapie badań jest wyselekcjonowanie wąskiej grupy organizmów, które będą pełnić rolę wzorca biologicznego w projekcie. Bardzo ważne jest opracowanie modelu opisującego sposób realizacji napędu przez każdy z organizmów zakwalifikowanych do grupy wzorców [1, 6]. Rys. 2 Model napełniania i wyrzutu wody u przegrzebka [6]
Rys. 3 Schematyczny rysunek ciała kalmara uwzględniający części istotne podczas pływania oraz cykl napełniania i odrzutu Etap 3. Opracowanie wstępnego projektu koncepcyjnego. W ramach prac wykonanych na tym etapie opracowano kilka projektów koncepcyjnych opartych na przyjętych wzorcach, w których wykorzystano poznany mechanizm ruchu. Realizacja projektów koncepcyjnych ma na celu sprawdzenie możliwości ich realizacji oraz wybór spośród zrealizowanych projektów tego o najwyższym potencjale wykonawczym. Badania symulacyjne projektu koncepcyjnego pozwalają również na wstępną weryfikację przyjętych w nim rozwiązań. Po dyskusji i analizach prowadzonych w gronie inżynierów projektantów oceniono wszystkie przedstawione koncepcje. Rys. 4Projekt koncepcyjny wykonany w oprogramowaniu Inventor Każda z koncepcji została oceniona pod względem stopnia realizacji założonych funkcji, ale również pod kątem możliwości wdrożenia jej w projekcie technicznym. W wyniku oceny rozpatrywanych koncepcji opracowano projekt wykonawczy na podstawie, którego realizowano dalsze prace zmierzające do budowy prototypu.
Etap 4. Opracowanie prototypu demonstracyjnego. Na podstawie przyjętego projektu koncepcyjnego opracowano strukturę obiektu pływającego z wyodrębnieniem poszczególnych podsystemów funkcjonalnych obiektu. Sporządzono wytyczne dla: podsystemu zasilania w energię, podsystemu układu wykonawczego, podsystemu realizacji przeniesienia napędu oraz zasady i realizację sterowania obiektem. Opracowano kształt oraz zaprojektowano operacje procesu technologicznego w ramach, których wykonane zostaną części i zespoły układu napędowego oraz korpusu. Efektem końcowym prac wykonanych na tym etapie jest trójwymiarowy model CAD. Jest to gotowy projekt umożliwiający wykonanie wstępnej weryfikacji pracy urządzenia w środowisku wirtualnym. Projekt ten umożliwia wprowadzenie poprawek przyjętych w czasie dyskusji i weryfikacji rozwiązań w nim zawartych. Rys. 5 Pędnik wodno odrzutowy (a): 1 cylinder, 2 tłok, 3 klapki, 4 dysza, obraz tłoka zarejestrowany podczas pracy bez zanurzenia (b) Etap 5. Wykonanie prototypu. W ramach produkcji prototypu wykonano: opracowanie szczegółowej dokumentacji konstrukcyjnej urządzenia, rysunków zestawieniowych i wykonawczych w formie elektronicznej, opracowanie dokumentacji procesów technologicznych wykonania części oraz procesu montażu, opracowanie zestawienia elementów i zespołów handlowych oraz ich zakup, wykonanie prototypu, tj. produkcja wszystkich części, ich montaż i realizacja poprawek, opracowanie dokumentacji powykonawczej procesu montażu obiektu pływającego. Prace wykonane w ramach tego etapu mogą trwać nawet kilka miesięcy. Wynika to z faktu budowy prototypu. W ramach realizacji zadania może, bowiem pojawić się konieczność ponownego wykonania części lub pod-
zespołów ujętych w projekcie. Pociąga to za sobą konieczność produkcji nowych części i ich wymiany w prototypie. Jest to etap, w którym testowana jest praca całego urządzenia. Jest to długotrwały proces, w ramach, którego realizowane są liczne testy i poprawki mające na celu uzyskanie założonego przez konstruktorów celu pracy urządzenia. Rys. 6 Opracowanie prototypu układu napędowego Etap 6. Testy prototypu. Opracowano programu badań funkcjonalnych i wykonano test pracy napędu, a w szczególności: opracowano programu badań pływalności obiektu, wykonanie prób w docelowym środowisku pracy z dokumentacją filmową, realizacja pomiarów w celu uzyskania charakterystyki parametrycznej obiektu. Prace prowadzone na tym etapie mają na celu szczegółową weryfikację badań prowadzanych w fazie projektu wirtualnego. Porównanie wyników badań przeprowadzonych na obiekcie wirtualnym i rzeczywistym daje możliwość weryfikacji całego procesu projektowania urządzenia i przyjętych w nim modeli działania urządzenia. Testy i uzyskane wyniki mogą wskazać konieczność wykonania kolejnych poprawek, a nawet przebudowy urządzenia. Pozwalają jednakże poznać szczegółowo wszystkie zalety i wady działania badanego prototypu. 3. Podsumowanie Opracowana metoda projektowania urządzeń z wykorzystaniem inspiracji przyrodniczych umożliwia wprowadzenie do projektów nowego kierunku ich rozwoju. Znacząco poszerza wiedzę projektanta. Wiąże się to jednak z konieczności wypracowania u pro-
jektanta zupełnie nowego spojrzenia na przyrodę. Takiego, które pozwala dostrzec w niej nieograniczoną bazę rozwiązań szczególnie w zakresie mechaniki i budowy maszyn. Korzystanie z tej bazy wiedzy wymusza jednak potrzebę zrozumienia mechanizmów działających w przyrodzie. Zespoły projektowe powinny korzystać z konsultacji biologów w czasie realizacji projektów a inżynier projektant powinien zrozumieć i opisać za pomocą modelu mechanizmy obserwowane w przyrodzie. Określenie charakterystyki i funkcji obiektu Badania biologiczne Opracowanie wstępnego projektu koncepcyjnego Opracowanie wstępnego projektu koncepcyjnego Ocena projektów koncepcyjnych Opracowanie prototypu demonstracyjnego Wykonanie prototypu Testy urządzenia prototypowego Rys. 7 Etapy projektowania z wykorzystaniem bioniki Cały proces projektowania i budowy na każdym z etapów poddawany był rygorystycznie działaniom mającym na celu uproszczenie konstrukcji. Minimalizacji zapotrzebowania energetycznego poprzez zmniejszenie ilości elementów wykonawczych i sterujących pracą urządzenia. W układzie sterowania zastosowano znormalizowany sterownik PLC, który umożliwiła szybkie przygotowanie i testowanie kilku wersji programu [7,8]. Po
zakończeniu programowania i sprawdzeniu poprawności działania programu w czasie prób na sucho. Następnie przygotowano próby w terenie i wodowanie napędu. Praca układu napędowego umożliwiła sprawną realizację ruch pojazdu nawodnego, w którym zamontowano pędnik wodno-odrzutowy. Dla prototypu przeprowadzono badania umożliwiające weryfikację przygotowanego modelu i sprawdzenie rzeczywistych wartości prędkości, przyśpieszenia oraz ciśnień w pędniku wodno-odrzutowym. Literatura 1. Anderson E. J., Grosenbaugh M. A.: Jet flow in steadily swimming adult squid. The Jurnal of Experimental Biology. Published by The Company of Biologists 2005. 2. Kowal J., Sioma A.: Metoda budowy obrazu 3D produktu z wykorzystaniem systemu wizyjnego, The method of building 3D product image using vision system, Acta Mechanica et Automatica, ISSN 1898-4088, 2010. 3. Sioma A. (2011), Projektowanie CAD z wykorzystaniem danych z systemu wizyjnego, Mechanik miesięcznik naukowo-techniczny, ISSN 0025-6552, Nr 12 s. 990. 4. Sioma A., Samek A.: Bionika - twórcza inspiracja dla inżynierów, Bionics: inspiration for engineers. Monografia: Agencja Specjalistyczna Prasa i Książka, ISBN 978-83-922616-5-0, Katowice 2007. 5. Kowal J., Sioma A.: Active vision system for 3D product inspection: Learn how to construct three-dimensional vision applications by reviewing the measurements procedures. Control Engineering; ISSN 0010-8049, 2009 vol. 56. 6. Denny M., Miller L.: Jet propulsion in the cold: mechanics of swimming in the Antarctic scallop Adamussium colbeck, The Jurnal of Experimental Biology, Published by The Company of Biologists 2006. 7. Flaga S.: Programowanie sterowników PLC w języku drabinkowym, Legionowo : Wydawnictwo BTC, 2010, ISBN 978-83-60233-56-6. 8. Dominik I., Flaga S.: PLC's programming with examples, Kraków : DELTA J.\,A. JAGŁA 2011, ISBN 978-83-62139-34-7. Podziękowania Pracę wykonano w ramach badań statutowych zrealizowanych w Katedrze Automatyzacji Procesów działającej w strukturach Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Robotyki na AGH Akademii Górniczo-Hutniczej.