Simulare si modelare. Notiuni Generale. Definitii

Majoritatea activitatilor umane presupun intr-un anumit mod specific modelarea si simularea, ca etape necesare. In general in orice activitate se parcurg urmatoarele etape:

analiza de sistem. Aici are loc formularea problemei, precizarea ei, delimitarea dintre sistemul studiat si mediu. Se pun in evidenta marimile caracteristice, factorii specifici s.a.m.d.

modelarea. Se determina relatiile dintre marimile caracteristice, se construieste un model simplificat, o imagine a procesului considerat.

simularea. Se fac experimentari, se testeaza modelul incercand sa se prevada evolutiile acestuia.

decizii, actiuni, in care pe baza rezultatelor experimentale nesingulare se trag concluzii, se iau decizii, se stabilesc actiuni.

Fig1.1 Relatiile dinte activitatiile umane

1.2.Sistem. Model. Simulare

Sistemul. Din punct de vedere tehnic, un sistem e definit ca un obiect sau ansamblu de entitati de elemente interconectate ce interactioneaza intr-un anumit mod pentru a realiza un obiectiv, un scop cu anumite performante. In particular, in automatica, obiectele din lumea reala, fenomenele, procesul, instalatia, procesul tehnologic se numeste sistem. Tot ceea ce nu apartine sistemului face parte din lumea exterioara (mediu). Linia de separatie dintre sistem si mediu pune in evidenta marimile de intrare I - marimi "cauza" (u) si marimile de iesire E - marimi "efect" (y), determinate prin cauzalitatea intrare-iesire.

Fig.1.2. I E

Starea x(t) contine informatia minima necesara la un moment dat de timp care impreuna cu intrarile ulterioare determina univoc evolutia iesirilor. Sistemul depinde esential de obiectivele studiului. Ceea ce intr-un caz reprezinta un sistem, intr-un alt context poate fi doar un subsistem.

Modelul. In domeniul stiintelor tehnice, experimentul si observatia constituie aspecte esentiale pentru un sistem ce se elaboreaza iterativ. In ultima instanta, elaborarea unei teorii reprezinta construirea unui model verbal sau matematic al realitatii.

Modelul este reprezentarea cunostintelor, a aspectelor esentiale ale unui sistem intr-o forma utilizabila.

Modelul este o reprezentare simplificata, aproximativa a sistemului real. Nu e de regula nici posibil, nici necesar sa se realizeze o descriere amanuntita a tuturor mecanismelor interne. E suficient ca modelul sa mimeze, sa se comporte suficient de aproape de sistemul real.

Exista mai multe tipuri de modele si anume:

modele fizice (empirice sau la scara redusa- de exemplu se elaboreaza o tehnologie in domeniul chimiei, un micropilot, se incearca procesul tehnologic pe acest model fizic si se trag concluzii.)

modele fenomenologice (conceptuale - sistemele respective sunt descrise prin anumite legi)

modele functionale (formale - sistemul e reprezentat prin relatii functionale, scheme functionale)

modele matematice (analitice).

Modelul trebuie sa fie intr-o forma utilizabila (care nu este un scop in sine). El constituie o baza pentru analiza, luarea deciziilor si in acest sens modelul trebuie sa fie de o complexitate cat mai redusa.

Simularea

Definitie. Simularea este o metoda experimental-aplicativa prin care se realizeaza, se implementeaza de obicei pe un calculator un model al unui sistem real in vederea analizei indirecte a acestuia.

Modelarea si simularea sunt instrumente de analiza a sistemului. Simularea este utila in special in cazurile in care analiza directa este imposibila (de exemplu sistemul nu are inca o existenta reala, sistemul nu poate fi pus la dispozitia analistului pentru experimentari directe, exista pericolul producerii unor pagube prin experimentare directa, sistemul este caracterizat prin evolutii foarte lente in timp, nu pot fi generate direct conditiile de experimentare).

Fig 1.3 De la sistem la simulare

Dezavantajele simularii

Nu se pot obtine solutii foarte exacte pentru ca principial modelele sunt imperfecte, modelele fiind aproximari ale lumii reale materiale.

Exista erori in precizarea datelor, a parametrilor, a conditiilor de simulare care nu pot fi compensate.

In cazul proceselor foarte complexe, modelul de simulare poate deveni mai complex decat procesul insusi.

Uneori cel mai important dezavantaj este acela ca nu se genereaza solutii analitice.

Etapele analizei prin simulare

Stabilirea cadrului simularii : definirea sistemului analizat, a obiectivelor, y variantelor care se vor avea in vedere, a criteriilor aprecierii;

Construirea modelului matematic (modelarea analitica);

Definirea experimentelor de simulare (inclusiv a datelor pentru validarea modelelor);

Realizarea modelului de simulare;

Experimentul de simulare propriu-zis (verificarea si validarea modelului, aici intervenind experienta tehnica a celui care face simularea);

Analiza si interpretarea rezultatelor.

2.Masina de frezat Gantry FZ 37

Performantele ridicate si eficienta tehnologiei de frezat sunt coloana vertebrala a industriei de facut matrite si scule. Ele sunt decisive pentru succesul si profitabilitatea intregului flux de munca din acest domeniu. Particularitatea problemei ce trebuie rezolvata se gaseste in nevoia de rezolvare a unor cerinte aparent contradictorii, iar masinile de frezat tip portal sunt solutia pentru aceste probleme.

Fig. 2.1 Avantajele structurii portal

Constructia tip portal reprezinta tehnologia de varf in ceea ce priveste masinile - unelte cu gabarit mare . Masinile de frezat portal se intalnesc in diferite domenii industrilale precum in industria automobilelor, in industria aeronavelor cat si in atelierele de scularie

Drumul spre portal

Portalul- reprezinta o structura ce poate fi fixa sau mobila ce are forma unei arcade sau a unui arc de trimf.

De ce structura portal?

Unul din avantajele acestei structuri este dat de reducerea meselor ce se misca ce are un efect pozitiv asupra coportarii dinamice a masinii precum si a vitezei de deplasare a acesteia. Chiar daca dimensiunile de gabarit sunt mari se se obtine o stabilitate inalta ce face posibila alimentarea traversei (axa Y).

Alte avantaje suplimentare date de cresterea rigiditatii mecanice sunt precizia dimensionala si imbunatatirea calitatii suprafetelor.

Superioritatea acestei structuri devine si mai evidenta prin cererile clientilor de realizare a unei masini complete cu 5 axe de prelucrare a unor piese de dimensiuni mari, fiind nevoie de un spatiu mai mare de depozitare .

5 fete si prelucrari pe 5 axe

Prelucrarile moderne pe 5 axe reprezinta factorul decisiv in ceea ce priveste prelucrarile de scule, de matrite si de modelare. Un avantaj suplimentar a tehnologiei portal este ca permite prelucrari pe 5 axe ale unei piese de lucru fixe (fig 1.2 si fig.1.3).

   

a)Deplasarea portalului  b)Rotirea capului de frezat c)Fetele masinii de frezat

Fig. 2.2

Fig2.3 Comparatie intre diferite

strucruri de masini de frezat

Masina de frezat cu portal clasic FZ 35, FZ30

Masina rigida folosita in general pentru prelucrarea de finisare a materialelor din otel. Aceste masini cu o construtie modulara sunt mai usor de folosit. Datorita portalului condus cu piesa de lucru stationara si cu mase deplasabile constante se realizeaza precizii ridicate si totodata indepartarea unei cantitatii de achii considerabile.Cadrul masinii este accesibil din toate unghiurile, prin urmare situatiile de reglare pot fi rezolvate usor. Datorita structurii deschise operatiile de incarcare si pozitionare pot fi realizate repede si usor.

FZ 35

Aceasta masina este ideala pentru prelucrarile de finisare ale otelului

Avantaje :

• constuctie robusta ;
• precizia capului in forma de furca ;
• masini de capacitate ridicata ;

Este utilizata la fabricarea modelelor cu o aplicabilitate mare ce prelucraza in deosebi materiale din aluminiu si plastic.

Avantaje:

• caracteristici generale bine echiliobrate
• cap in forma de furca ce prezinta rigiditate si precizie buna;
• prelucrari pe 5 axe

Masini de frezat gantry cu portal fix FZ 50

Aceste masini cu portalul fix sunt destinate prelucrarilor cu sarcina de lucru mare. Masina FZ 50 este utilizata pentru prelucrarea unor sarcinii mari in conditii grele de lucru.

Avantejele oferite de constructia portalului combinate cu robustetea si rigiditatea masinii au condus la aducerea la suprafata a spanului a tuturor materialelor mai putin a otelului de scule si a titanului

Este o noua masina de frezat portal ce are portalul fix si masa de pozitionare mobila. Rigiditatea inalta a structurii portalului obtinut prin turnare permite inlaturarea completa a cantitatii de material.

Avantaje :

• rigiditate ridicata ;
• capete de frezat schimbabile ;
• constructie modulara ;

FZ 50 DUO

Are 2 ghidaje pe axa Z ce pot fi retrase compet din rona de lucru permitand astfel schimbarea capetelor de frezat pentru realizarea operatiilor de degrosare pana la finisare.O mare varietate de capete de frezare asigura o productivitate maxima pentru diferite aplicatii.

Masini de frezat gantry cu portal condus FZ 42, FZ 38 FZ 37 FZ 32

Acest tip de constructie reprezinta tehnologia de varf ce a facut ca cunostiintele legate de masinile cu vitezele mari sa poata fi aplicate cu succes. Structura acestor masini prezinta o serie de avantaje :

mase deplasabile mici ;

rigiditate inalta a structurii ;

comportare dinamica superioara a condus la realizarea unor precizii inalte si la o calitate a suprafetor ridicata a piesei de prelucrat ;

sistemele de ghidare, de transmisie si de masurare sunt dispuse la adapost de praf ;

Tehnologia capetelor de frezat

Capetele de frezat se caracterizeaza prin performatele ridicare si totodata prin constructia robusta ce confera o durabilitate ridicata. Prin designul modern si inteligent capetele de frezat dispun de noile descoperiri din domeniul programarii CAM. Capetele de frezat individuale pot fi folosite uzual pe diferite masini raspunzand astfel diferitelor solicitari cerute de clienti.

Pot fi folositi diferiti arbori de la cei pentru prelucari de degrosare pana la arbori pentru viteze inalte

Arborele vertical

Captele vericale si arborii fixati (mechanic sau electric) intregesc aria.

Fig.2.4 Cap de frezat

Cap sub forma de furca pe 2 axe - AC 2

Sunt capete usoare cu viteze mari de frezare si eforturi de torsiune durabile.

Fig.2.5 Cap de frezat tip AC2

Cap sub forma de furca pe 2 axe - AC 3

Aceste capete sunt extrem de precise, cu un randament ridicat utilizate la prelucrarea tuturor materialelor.

Fig.2.6 Cap de frezat tip AC3

Cap sub forma de furca pe 2 axe - VH 4

Au o construtie robusta cu un mechanism de actionare format dintr-o roata de cuplare, clichet, pentru prelucrarile in regim de lucru grele.

Fig.2.7 Cap de frezat tip VH4

Cap de frezare pe 2 axe - VH6

Acest cap de frezare ce are un concept multiax este folosit in toate aplicatiile ce utilizeaza viteze mari de prelucrare

Fig.2.8 Cap de frezat tip VH6

Alegerea masinii se poate face im functie de materialul piesei ce urmeaza a fi prelucrat si de domeniul de utlizare al viitoari piese, acest lucru de poate vede in figura 2.9.

Fig.2.9Alegerea masinii functie de materialul piesei si de domeniul de utlizare

Modul de actionare

Surub cu bile

Acest mod de actionare este solutia clasica pentru ariile de lucru mici. Suruburile cu bile cu precizie ridicata din cea mai recenta generatie sunt utlizate ca solutii standard.

Fig.2.10. Surub cu bile

Transmisia pinion-cremaliera

Este ideal de utilizat in cazul suprafetelor de lucru mari datorita rigiditatii ridicate. Aceasta noua tehnologie de actionare se caracterizeaza prin dinamicitate ridicata si siguranta in functionare cat si prin durata lunga de viata si eficienta economica.

Fig.2.11 Transmisie pinion-cremaliera

Actionarea lineara

Este utilizata in cadrul realizarii vitezelor mari de pozitionare, pentru schimbarea rapida a sculelor, cat si pentru micsorarea acceleratiilor, scurtarea distantelor cat si a timpului. Datorita transmisiei fara contact

Fig.2.12.Motoare liniare

FZ 37 portal gantry

Fig.2.13 Masina de frezat tip portal gantry FZ37

Date tehnice :

Fig.2.14 Date tehnice ale masinii de frezat portat tip gantry FZ37

Unde

(1) ambele variante sunt utilizabile atat pentru masina in 5 axe cat si pentru versiunea 3+1 axe;

(2) optional lubrificare cu vapori;

(3) numai pentru versiunea in 5 axe

Dimensiuni :

Fig.2.15 Dimensiunile masinii Gantry FZ37

Fig.2.16 Desene de executie ale masinii FZ37

Masina de frezat cu portal FZ 37 Gantry se bazata pe un concept modular,care permite constructiei sa realizeze o varietate de moduri de deplasare cu diferite curse si diferite tehnologii de actionare.Acest model este realizat pentru a obtine viteze inalte de lucru pe o arie larga de materiale,chiar si pe suprafete dure ca fonta de turnatorie si  otel. Conceptul de masina (sau masinii) este optimizat cu rigurozitate pentru obtinerea unei rigiditati si performante dinamice maxime.

Masina de frezat are o miscare lineara pe aza X pana la 10000 mm,pe axa Y pana la 3000 mm si pe axa Z maxim 200 0mm la o viteza de avans de 20000 mm/min. Miscarea pe axa X este realizata cu ajutorul unui mecanism cu cremaliera cu un sistem de compensare a erorilor si cu un ghidaj linear NSK cu un mecanism de compensare a erorilor paralele. Miscarea pe directia axei Y este realizata folosind un surub cu bila cu doua piulite si totodata se folosesc ghidaje lineare NSK. In figura de mai jos este prezentata masina Gantry FZ 37,a carei precizie ajunge pana la 20 micrometri ,in conditii de lucru grele.

3.Exemplificare modelare si simulare

Ultimiile studii realizate confirma extraordinarea dezvoltare a realitatii virtuale intr-un ritm impresionant, de 35% pe an la un volum estimat de 23 miliarde euro in anul 2001.Europa repezinta 40% din piata mondiala si reuneste un sfert din laboratoarele an care lucreaza specialisti de inalt nivel.

Prototipul virtual poate sa permita analizarea, testarea si validarea criteriilor umane subiective, ale caror principale aplicatii sunt urmatoarele : calitatea estetica a unui produs realizata de catre om, ergonomia produsului , conceptia de intetinere a unui produs, redarea fenomenelor fizice.

BIBLIOGRAFIE :

[1] Constantin Ispas, Cristina Mohora, Simona Caramihai , Oana Calin "SIMULAREA SISTEMELOR INTEGRATE DE FABRICATIE ", Editura Bren, Bucuresti, 1999

[2] Constantin Ispas, Nicolae Predincea, Miton Zapciu ,Cristina Mohora ,Dan Boboc: "MASINI-UNELTE INCERCARI SI RECEPTIE" ,Editura Tehnica,Bucuresti,1998

[3] Cristina Mohora "REFABRICAREA MASINILOR-UNELTE",Editura Agir, 2003

SITE-URI

[4] www.f-zimmermann.com

[5] www.breton.it

[6] www.mazak.com