Digitalizace průmyslu ve výuce (3. díl)

Tags: 3D vizualizace | CAE | FEM | PLM | Virtuální realita | VOŠ a SPŠ | Žďár nad Sá­za­vou

V mi­nu­lém dílu na­še­ho se­ri­á­lu o pro­ble­ma­ti­ce práce s di­gi­tál­ní­mi PLM daty v prů­mys­lo­vé praxi jsme si uká­za­li cestu od vy­tvo­ře­ní pr­vot­ních kon­cep­cí a kon­strukč­ních stu­dií až po vý­ro­bu pro­to­ty­pu s vy­u­ži­tím FDM tisku. Dnes se po­dí­vá­me blíže na in­te­gra­ci mo­de­lu s ně­kte­rý­mi kri­tic­ký­mi kon­strukč­ní­mi uzly jako je pohon, mi­k­ro­po­čí­tač a další elek­tro­ni­ka.

Uká­že­me si také jak může být di­gi­tál­ní pro­to­typ skvě­lým po­moc­ní­kem prak­tic­ky ve všech fá­zích ná­vr­hu no­vé­ho vý­rob­ku a na našem škol­ním au­to­mo­bi­lu si před­ve­de­me ně­kte­ré z mož­nos­tí na­sa­ze­ní adap­tiv­ní­ho mo­de­lo­vá­ní.

Pohon mo­de­lu a jeho op­ti­ma­li­za­ce

Ne­zbyt­ným kro­kem v kon­struk­ci na­še­ho mo­de­lu au­to­mo­bi­lu je návrh jeho po­ho­nu. Zde se jed­na­lo o po­měr­ně snad­ný krok vzhle­dem k naším zku­še­nos­tem vy­u­ži­tí elek­tro­po­ho­nu v mo­de­lech le­ta­del. Pů­vod­ní pře­vo­dov­ka s plně tiš­tě­ným ozu­be­ním se uká­za­la jako dobře funkč­ní, ale pří­liš hluč­ná a ne­vhod­ná pro vyšší vý­ko­ny nad 150 W. Proto byl při­pra­ven zcela nový po­hon­ný sys­tém, který se sklá­dal z kom­bi­na­ce malé pře­vo­dov­ky s ko­vo­vý­mi pře­vo­dy a s kon­co­vým stup­něm sklá­da­jí­cím z tiš­tě­né­ho ku­že­lo­vé­ho ozu­be­ní. Pů­vod­ní stej­no­směr­ný motor byl na­hra­zen stří­da­vým elek­tro­mo­to­rem s vý­ko­nem při­bliž­ně 350 W a 40 A stří­da­vým re­gu­lá­to­rem s mož­nos­tí re­ver­za­ce chodu.

Druhá verze po­ho­nu se stří­da­vým elek­tro­mo­to­rem pro vyšší vý­ko­ny nad 150 W

Modul ozu­be­ní vý­stup­ní­ho pře­vo­du byl s ohle­dem na jeho vý­ro­bu a ži­vot­nost zvět­šen o 50 %. Ži­vot­nost pře­vo­du z FDM tis­kár­ny bu­de­me muset vy­zkou­šet ex­pe­ri­men­tál­ně. Exis­tu­je ně­ko­lik málo nad­še­nec­kých stu­dií na toto téma, ale ži­vot­nost bude obec­ně nižší než u kla­sic­kých pře­vo­dů vy­rá­bě­ných na­pří­klad vstři­ko­vá­ním ny­lo­nu na li­sech. Na dru­hou stra­nu je možné ozu­be­né kolo kdy­ko­liv na­hra­dit novým, vy­ro­be­ným za ho­din­ku 3D tis­kem. Pro vý­ro­bu plas­to­vé­ho pře­vo­du jsme vy­u­ži­li PET-G. Tisk z ny­lo­nu jsme na­ko­nec vy­pus­ti­li z dů­vo­du nut­nos­ti pre­ciz­ní­ho vy­su­še­ní tis­ko­vé­ho ma­te­ri­á­lu před vlast­ním tis­kem a ku­po­vat drahý ma­te­ri­ál na pár ozu­be­ných ko­le­ček nám při­šlo ne­e­ko­no­mic­ké. Pře­vo­dov­ka má ak­tu­ál­ně za sebou ně­ko­lik de­sí­tek hodin bez­pro­blé­mo­vé­ho pro­vo­zu.

Ří­ze­ní, mi­k­ro­po­čí­ta­če a elek­tro­ni­ka in­te­gro­va­ná ve 3D

Řadu let byl 3D di­gi­tál­ní pro­to­typ po­va­žo­ván za pri­már­ní ná­stroj pro kon­strukč­ní ře­še­ní me­cha­nic­kých částí pro­jek­tů. Prav­dou je, že pro návrh ob­vo­do­vých sché­mat a za­po­je­ní je 2D tech­no­lo­gie ne­po­stra­da­tel­ná. V další fázi pro­jek­to­vá­ní se ovšem do­stá­vá­me do si­tu­a­ce, kdy se ne­vy­hne­me zá­stav­bě elek­tro­nic­kých sys­té­mů do kon­strukč­ní­ho celku vý­rob­ku a zde je již apli­ka­ce čistě 2D po­stu­pů zdro­jem kom­pli­ka­cí. Z tech­nic­ké his­to­rie je známo i ně­ko­lik zá­sad­ních pří­pa­dů, které způ­so­bi­ly do­kon­ce ko­laps ná­roč­ných pro­jek­tů právě z dů­vo­du ne­vhod­né in­te­gra­ce čistě 2D kon­strukč­ních po­stu­pů. I v našem škol­ním pro­jek­tu jsme se proto sna­ži­li při­blí­žit mo­der­ní po­stu­py obo­ro­vé 2D/3D in­te­gra­ce našim stu­den­tům přímo na zpra­co­vá­ní na­še­ho di­gi­tál­ní­ho pro­to­ty­pu.
Do mo­de­lu jsme kromě po­hon­né­ho sys­té­mu, stří­da­vé­ho re­gu­lá­to­ru a 3s 18650 Li-Ion aku­mu­lá­to­ru s ba­lanč­ním na­bí­je­ním, ve­sta­vě­li ně­ko­lik dal­ších elek­tro­nic­kých a po­čí­ta­čo­vých prvků. Model je řízen v pů­vod­ním pro­to­ty­pu vy­so­ko­frekvenč­ním 2,4 GHz pře­no­sem s vy­u­ži­tím mo­de­lář­ské­ho vy­sí­la­če. Al­ter­na­tiv­ně lze pro stu­dent­ské mo­di­fi­ka­ce vy­u­žít ovlá­dá­ní mi­k­ro­po­čí­ta­čem Ar­dui­no a mo­bil­ním te­le­fo­nem. Jedná se o lev­něj­ší a do­stup­né ře­še­ní ří­ze­ní mo­de­lu i když není zda­le­ka tak kom­fort­ní jako spe­ci­ál­ní er­go­no­mic­ky zpra­co­va­ný RC vy­sí­lač.

Ře­še­ní vnitř­ní dis­po­zi­ce elek­tro­ni­ky mo­de­lu s vy­u­ži­tím 3D di­gi­tál­ní­ho pro­to­ty­pu

Ří­dí­cí jed­not­kou mo­de­lu je mi­k­ro­po­čí­tač, který se stará hned o ře­še­ní ně­ko­li­ka tech­nic­kých pro­blé­mů. Pri­már­ně pro­po­ju­je mi­k­ro­po­čí­tač a re­gu­la­ci otá­ček mo­to­ru s efek­to­vým ge­ne­rá­to­rem. Pohod mo­de­lu díky tomu do­stá­vá výraz sku­teč­né­ho au­to­mo­bi­lu s od­po­ví­da­jí­cí ak­ce­le­ra­cí a zvu­ko­vý­mi efek­ty brzd, řa­ze­ní a ná­bě­hem otá­ček mo­to­ru. Dal­ším úko­lem mi­k­ro­po­čí­ta­če je sla­dit ří­ze­ní mo­de­lu se svě­tel­nou sig­na­li­za­cí smě­ro­vých a hlav­ních svě­tel s mož­nos­tí in­te­gra­ce zá­kla­dů au­to­nomní­ho ří­ze­ní na zá­kla­dě vstup­ních sen­zo­rů.
My jsme ex­pe­ri­men­tál­ně dále vy­zkou­še­li smě­ro­vý gy­ro­skop a FPV ka­me­ro­vý sys­tém. Sys­tém byl pra­cov­ně na­vá­zán na tablet po­mo­cí blu­e­to­o­th mo­du­lu pro snad­nou kon­fi­gu­ra­ci jeho pa­ra­me­t­rů. Stej­ně jako u „do­spě­lých“ au­to­mo­bi­lů a ji­ných, nejen do­prav­ních pro­střed­ků, je podíl elek­tro­nic­kých a po­čí­ta­čo­vých sys­té­mů stále vyšší. Po­dí­vej­me se na­pří­klad na dron, který by bez slo­ži­tých mi­k­ro­po­čí­ta­čů za­jiš­ťu­jí­cích sta­bi­li­za­ci oprav­du ne­lé­tal.

Zá­stav­ba kom­po­nent po­ho­du, mi­k­ro­po­čí­ta­če a elek­tro­ni­ky do mo­de­lu

La­dí­me druhý model s lev­něj­ší elek­tro­ni­kou

Na­sbí­ra­né zku­še­nos­ti z kon­struk­ce a vý­ro­by prv­ní­ho pro­to­ty­pu jsou vždy cen­ným zdro­jem in­for­ma­cí, které je nutné v tech­nic­ké praxi zpět­ně vy­hod­no­tit a apli­ko­vat. Ještě bude chví­li trvat, než vy­ro­bí­me první ově­řo­va­cí sérii. Nyní na­stá­vá vhod­ný čas po­sbí­rat z re­a­li­za­ce prv­ní­ho pro­to­ty­pu „to nej­lep­ší“ a po­ku­sit se vy­ro­bit další kus. My jsme vy­u­ži­li na škole pro tento úkol závěr škol­ní­ho roku, kdy hle­da­jí naši stu­den­ti vhod­ná té­ma­ta pro své ma­tu­rit­ní pro­jek­ty a za­da­li jsme pro­jekt lev­něj­ší verze di­gi­ta­li­za­ce na­še­ho au­to­mo­bi­lu. V pů­vod­ním pro­to­ty­pu bylo vy­u­ži­to jed­no­úče­lo­vé­ho mi­k­ro­po­čí­ta­če, nový model by měl být řízen ob­lí­be­ným uni­ver­zál­ním mi­k­ro­po­čí­ta­čem Ar­dui­no.

Kon­strukč­ní návrh druhé va­ri­an­ty mo­de­lu

Při zpra­co­vá­ní dru­hé­ho au­to­mo­bi­lu jsme navíc měli mož­nost stu­den­tům uká­zat jak se s vy­u­ži­tím uni­fi­ko­va­ných po­stu­pů a 3D pro­jek­to­vá­ní ra­zant­ně zkrá­tí ča­so­vé ná­ro­ky po­třeb­né pro mo­di­fi­ka­ci jed­not­li­vých kon­strukč­ních uzlů. V této ob­las­ti se op­ti­ma­li­zo­va­né po­stu­py pa­ra­me­t­ric­ké­ho a adap­tiv­ní­ho mo­de­lo­vá­ní v se­sta­vách uka­zu­jí jako ne­pře­ko­na­tel­ný po­moc­ník. Tech­nic­ky byl kom­plet­ně pře­pra­co­ván vnitřek au­to­mo­bi­lu při za­cho­vá­ní zcela iden­tic­kých vněj­ších tvarů a roz­mě­rů. Ve vněj­ším de­sig­nu mo­de­lu jsme od­bo­či­li pouze od naší škol­ní čer­ve­né k žluto-oran­žo­vé. Pro vy­la­dě­ní fi­nál­ní­ho de­sig­nu au­to­mo­bi­lu jsme vy­u­ži­li opět po­stu­pů vir­tu­ál­ní re­a­li­ty ve spo­je­ní s prů­mys­lo­vou vi­zu­a­li­za­cí.

Ho­to­vé mo­de­ly

Další díl na­še­ho se­ri­á­lu vě­nu­je­me ně­kte­rým za­jí­ma­vým tech­no­lo­gic­kým op­ti­ma­li­za­cím, které nám ze­fek­tiv­ní vý­ro­bu menší série. Pro in­for­ma­ce o dal­ších za­jí­ma­vých pro­jek­tech mů­že­te za­ví­tat na naše škol­ní strán­ky www.​spszr.​cz, pří­pad­ně na náš Fa­ce­book.