8.3 virtuální prototypování obráběcích strojů

8.3 VIRTUÁLNÍ PROTOTYPOVÁNÍ
OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
Současné konkurenční prostředí klade stále větší nároky na kvalitu výroby
a produktivitu práce. Snahou výrobců je vyrobit nový stroj s požadovanými
parametry ve velmi krátkém inovačním čase a s nízkými náklady na inovační
cyklus. Tyto snahy o inovaci s použitím klasického přístupu vývoje nového
produktu omezuje zdlouhavá a nákladná výroba fyzického prototypu. Pro
odstranění tohoto omezení je možné využít technik virtuálního prototypování
nových produktů, které využívá CAD (computer-aided design) a CAE (computeraided engeneering).
Virtuální prototyp obráběcího stroje je počítačový simulační model fyzického stroje,
který může být prezentován, analyzován
a testován jako skutečný obráběcí stroj. Virtuální prototyp umožňuje iterativním způsobem v průběhu návrhu obráběcího stroje
posuzovat jeho technické parametry a analyzovat změnu jeho chování při změně těchto parametrů. Tento proces lze opakovat až
do okamžiku, kdy je dosaženo požadovaného chování stroje. Nemá-li konstruktér možnost realizovat komplexní simulace chování stroje nebo jeho částí v průběhu
jeho vývoje, je optimalizace fyzických prototypů často založena na metodě pokusů
a omylů a na základě minulých zkušeností, což může vést ke zdlouhavému a nákladnému vývoji. S využitím virtuálních prototypů strojů je tedy možné dosáhnout snížení
vývojového času a snížení nákladů spojených s vývojem stroje. Přínos tohoto přístupu je patrný z obr. 8.3.1.
Pomocí virtuálního prototypu mohou vývojáři realisticky simulovat statické, kinematické a dynamické chování obráběcího
stroje včetně řezného procesu. Tyto simulace umožňují rychle analyzovat více variant návrhu a vybrat takový, který dává optimální řešení. Tento přístup je umožněn
za předpokladu dostupnosti vysokého vý-
Obr. 8.3.1: Srovnání tradičního procesu vývoje stroje a procesu vývoje stroje s využitím virtuálního prototypu
630 | MM Průmyslové spektrum | Speciál | 2014
početního výkonu a velmi sofistikovaných
softwarových nástrojů [Altintas et al. 2005].
Modelování technické soustavy
Virtuální prototypy jsou založeny na výpočtovém modelování. Adekvátní modelování je základem řešení inženýrských úloh.
Modelování je soubor činností subjektu
spjatých s tvorbou a realizací modelu, s cílem vyřešit konkrétní problém na konkrétním objektu pro zvolenou rozlišovací úroveň procesu řešení [Janíček 2007]. Proces
tvorby modelu je velmi náročný, protože
vyžaduje syntézu poznatků a zkušeností z mnoha oborů. Pro vytváření modelů
mechaniky jsou potřebné znalosti z oborů mechanika, matematika, části strojů,
z inženýrských oborových disciplín, jednotlivých typů strojů a dalších. Pro modelování neumíme popsat ucelený soubor poznatků a pouček a postup jejich systematického
použití [Valášek 2011], [Hadaš et al. 2012],
[Vetiška, Hadaš 2012], [Březina, Hadaš,
Vetiška 2011], [Březina et al. 2012].
Virtuální prototypování obráběcích strojů
Základem procesu modelování (obráběcích strojů) je transformace reálných objektů do podoby fiktivních abstraktních
objektů (mechanického modelu) s idealizovanými vlastnostmi. Vlastnosti reálných objektů se těmto ideálním vlastnostem jen více či méně blíží. Tyto tzv. ideální objekty
(např. hmotný bod, dokonale tuhé těleso,
lineární pružina) nikde v realitě neexistují,
ale fyzika, mechanika a ostatní inženýrské
vědy formulují své poznatky jen o těchto fiktivních abstraktních objektech. Mechanika
není schopna cokoli tvrdit o reálném stroji,
její závěry se výlučně vztahují k modelu mechaniky složenému z ideálních objektů. Míra shody mezi vlastnostmi reálného objektu a jeho idealizovaného objektu je zásadní
pro platnost závěrů inženýrských výpočtů
a pro možnost použití inženýrských věd pro
racionální práci inženýra. Proto má modelování v dnešní době zásadní význam v inženýrské práci a tento význam ještě roste s rostoucími možnostmi použití počítačů
pro studium vlastností idealizovaných modelů reálných objektů [Valášek 2011].
Jak je patrné z obr. 8.3.2, lze tvorbu modelu rozdělit do několika kroků, během
nichž se postupně transformuje reálný objekt (obráběcí stroj) na idealizovaný model reality.
V prvním kroku se analyzuje objekt reálného světa (technický systém, v našem
případě obráběcí stroj). Reálný objekt vyšetřujeme v rámci jistého okolí v tzv. experimentálním rámci (např. silová, magnetická, teplotní pole a další). V tomto rámci se
zaměřujeme na chování, které nás zajímá.
O chování objektu v tomto rámci formulujeme jisté otázky jako cíle našeho zkoumání (např. jaká je odolnost tohoto obráběcího stroje vůči samobuzenému kmitání).
Tak vznikne systém reálného světa, pro
který chceme nalézt odpově (řešení) na
naši otázku [Valášek 2011].
Ve druhém kroku transformujeme objekt
reálného světa na konceptuální objekt. Tato transformace spočívá v hierarchickém
rozkladu systému reálného světa na jednotlivé komponenty, z nichž se skládá nebo které budeme při jeho zkoumání uvažovat (např. vertikální soustruh se skládá
z lože, stolu, stojanů, příčníku, saní, smýkadla, vřetena, pohonu vřetena, pohonů
os, chlazení, řídicího systému, řízení, kry-
Obr. 8.3.2: Transformace reálného stroje na idealizovaný model reality;
a – reálný stroj, b – konceptuální model, c – fyzikální model, d – výpočtový model
tování, …). Zde rozhodujeme o podrobnosti popisu reálného objektu (např. zda
je nutné modelovat pružné chování jednotlivých částí nebo ne). Současně s tímto
hierarchickým popisem reálného objektu
a jeho okolí vytváříme popis jeho funkce,
fyzikálních interakcí, jako základu kauzálního a funkčního vysvětlení jeho chování.
Během tohoto procesu je přijata celá řada předpokladů, které vedou k postupnému zjednodušování reality do následného
idealizovaného modelu. Systém reálného
světa je tak převeden do konceptuálního
modelu a modelu okolí, otázka vztahující se k chování systému reálného světa je
převedena na cíl modelování. Konceptuální model může být často reprezentován výkresem nebo CAD modelem [Valášek 2011].
Ve třetím kroku probíhá transformace
konceptuálního modelu na model fyzikální, který bývá rovněž nazýván výpočtovým
modelem. Fyzikální model je idealizovaným
modelem stroje, který je předmětem zkoumání fyzikálních a inženýrských věd. V mechanice mluvíme o modelu mechaniky.
V procesu modelování dospějeme k fyzikálnímu modelu tak, že postupně nahrazujeme prvky nebo skupiny prvků konceptuálního modelu odpovídajícími ideálními
objekty. Zde lze postupovat dvěma způsoby. Bu můžeme jeden prvek konceptuálního modelu nahradit (modelovat) pro-
pojením více ideálních objektů (např. rám
stroje můžeme modelovat jako poddajné těleso tvořené pružným spojením několika tuhých těles), nebo můžeme více
prvků konceptuálního modelu nahradit
(modelovat) jedním nebo jen několika ideálními objekty (např. motor a převodovku lze nahradit jedním blokem). V tomto
transformačním procesu je přijata většina
předpokladů o zjednodušení reality do výsledného modelu mechaniky. Podobně je
transformován model okolí do vstupů (buzení) mechanického modelu a cíl modelování je převeden do zkoumání výstupů
modelu. Model mechaniky má být jen tak
složitý, jak je nezbytně nutné pro daný účel
[Valášek 2011].
Pro mechanický model platí zákony a principy mechaniky, pomocí kterých můžeme
matematicky popsat chování mechanického modelu a vytvořit tak tzv. matematický
model. To je hlavní náplní čtvrtého kroku
transformace reálného stroje na idealizovaný model reality. Současně s mechanickým modelem se nyní matematicky popíšou i zkoumané vstupy a výstupy modelu.
Dále je potřeba vybrat vhodnou metodu řešení matematického modelu a ověřit jeho
řešitelnost [Valášek 2011].
V pátém kroku probíhá vlastní hledání
odpovědi na položenou otázku vztahující
se k reálnému objektu (v našem případě
2014 | Speciál | MM Průmyslové spektrum | 631
8.3 VIRTUÁLNÍ PROTO
TO
OTYPOVÁNÍ
OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
Ů
obráběcímu stroji). Na vstupy výsledného
matematického modelu se připojí model
působení okolí na zkoumaný objekt, vybere se vhodná metoda řešení a na výstupech matematického modelu se analyzují a vhodně interpretují hodnoty popisující
odpově na položenou otázku. Správná
formulace této odpovědi vyžaduje širší posouzení získaných výsledků. Jeho obsahem
je zhodnocení toho, zda vytvořený model a výsledky jeho řešení splňují všechny
předpoklady, které byly při postupném vytváření matematického modelu stroje formulovány. Zde je potřeba si uvědomit, že
se výsledky získané z matematického modelu nikdy nebudou zcela shodovat se skutečným chováním reálného objektu. Míra
shody záleží na míře zjednodušení matematického modelu a na správném zachování podstatných vlastností řešené reálné
soustavy [Valášek 2011].
Výše popsaný čtvrtý a pátý krok představuje standardní řešení. V současné době se
již většinou podstatná část těchto kroků realizuje na počítači použitím simulačních a dalších programů. V ideálním případě je čtvrtý
krok proveden implementací mechanického
modelu v simulačním programu, který jako
své základní stavební prvky obsahuje přímo
ekvivalenty ideálních objektů. Matematický
model je poté generován automaticky a výpočtář musí provést ověření správnosti této
implementace pomocí testovacích vstupů.
V pátém kroku se potom takto odladěný simulační model použije pro řešení problému
formulovaného v otázce na vlastnosti a chování reálné soustavy. Tento postup je nazýván (výpočtovým) počítačovým experimentem [Valášek 2011]. Celý popsaný postup je
přehledně vyobrazen na obr. 8.3.3.
Počítačová simulace
Počítačová simulace je v podstatě počítačový experiment s matematickým modelem
implementovaným do počítačového softwarového programu. Cílem počítačového simulačního experimentu je zjistit, jaké
bude mít sledovaný objekt chování při různých hodnotách zadaných vstupních dat.
Pomocí opakování simulačních experimentů s různými vstupními daty může uživatel
nalézt optimální řešení analyzovaného problému. Rozvoj nasazování počítačových simulací je vázán na rozvoj výpočetní techniky. První významné nasazení počítačové
simulace bylo provedeno v rámci Manha-
632 | MM Průmyslové spektrum | Speciál | 2014
Obr. 8.3.3: Plánování simulačního modelování technické soustavy
ttanského projektu u procesního modelu
jaderného výbuchu, při kterém bylo využito numerického řešení problému pomocí metody Monte Carlo. Od té doby byla
již vyvinuta celá řada různých druhů počítačových simulací, jejichž oblast využití mimo jiné zahrnuje:
a) Optimalizaci obchodních procesů
• stanovení „optimální“ výrobní strategie
• předpovídání „skutečných“ nákladů
na zakázku
b) Plánování a řízení výroby
• plánování celopodnikových zdrojů
• dílenské řízení výroby
c) Zlepšení logistických koncepcí
• minimalizace skladových zásob
• redukce rozpracované (nedokončené)
výroby a průběžných dob
d) Projektování výrobních strojů
• projektování inovačních změn
stávajících výrobních strojů
• návrh dispozičního uspořádání
• „optimalizace“ uspořádání
jednotlivých uzlů stroje
• predikce chování stroje v provozu
• ergonomické studie
• analýzy variantních řešení
• analýzy montáže
• zaškolování obsluhy před dokončením
výroby stroje
e) Analýzy výrobních systémů
• zjištění požadavků na kapacity
pro zajištění plynulosti výroby
• identifikování a odstranění
úzkých míst
• odhalování rezerv důkladným
rozborem nejrůznějších činností
• „co když“ analýzy
Modelovací techniky
V oblasti virtuálního prototypování obráběcích strojů se nejvíce používají vývojové
kroky popsané dále.
CAD modeláře slouží k vytváření konceptuálních modelů strojů a jejich částí. Umožňují modelovat nový stroj ve 2D nebo 3D
a jsou často zdrojem podkladů pro další simulační prostředí a pro tvorbu výrobní dokumentace. Moderní CAD aplikace nejsou
jen pouhou náhradou rýsovacího prkna,
ale obsahují celou řadu podpůrných nástrojů pro inženýrskou práci. Tyto nástroje
pomáhají např. při výpočtech šroubových
spojů, návrhu uložení hřídelí atd.
V koncepční fázi mohou být použity zjednodušené modely k optimalizaci základních
parametrů stroje. Případem takovéto rané
optimalizace je kinematické schéma nebo
tvar vodicích ploch stroje. Zejména u obráběcích strojů s paralelní kinematikou je tato raná optimalizace velmi důležitá, protože
jsou velmi citlivé i na malé změny hodnot geometrických parametrů oproti kartézskému
uspořádání. Kinematická analýza se většinou provádí pomocí simulace kinematiky
a dynamiky, a to bu přímo pomocí speciálního nástroje v CAD prostředí (u jednodušších mechanizmů), nebo jsou geometrické modely exportovány do specializovaných
prostředí pro tyto analýzy (multibody system,
zkráceně MBS).
Simulace soustavy vázaných tuhých
a poddajných těles (multibody system,
MBS) umožňují vyšetřování kinematických
veličin a dynamického chování prostorových
Virtuální prototypování obráběcích strojů
vázaných mechanických soustav. Model
v MBS je definovaným počtem tuhých nebo
poddajných těles, navzájem spojených kinematickými dvojicemi (vazbami) a pružně
tlumícími členy, vytvářející modely soustav
tuhých těles. Tato tělesa se v rámci mechanických vazeb, pružně tlumících členů,
vstupních silových účinků a dalších okrajových podmínek mohou pohybovat v prostoru. Jednotlivé prvky MBS definují geometrii těles (rozměry a souřadnice těžiště)
a tělesa jsou definována svými setrvačnými
vlastnostmi (hmotnost, senzor setrvačnosti).
Schéma takto vytvořeného modelu soustavy těles je vyobrazeno na obr. 8.3.4.
Použití MBS pro modelování obráběcích
strojů je velmi výhodné, protože reálný obráběcí stroj je soustavou tuhých a poddajných
těles. Práce s takto vytvořeným modelem
v prostředí MBS přináší řadu možností modelování dynamiky obráběcího stroje jako
celku, ne jenom jeho jednotlivých izolovaných
částí (řezný proces, pohony jednotlivých os
apod.). Výhodou tohoto přístupu je možnost
zakomponovat do modelu stroje i deformace
jeho vybraných poddajných částí.
Při výpočtu dynamického chování jednotlivých vázaných těles simulační prostředí MBS generují často nelineární pohybové
diferenciální rovnice. Tyto rovnice jsou poté
řešeny přímou numerickou integrací. Při simulaci jsou potom sledovány v charakteristických bodech modelu technické parametry, jako jsou posunutí, rychlosti, zrychlení
jednotlivých těles, a dále pak síly a momenty působící ve vazbách mezi tělesy.
K řešení MBS existuje řada programů (SIMULINK – SimScape/SimMECH, ProMechanica, SIMPACK, Alaska, MADYMO, Virtual
Lab). Obr. 8.3.5 ukazuje modely v programu ADAMS, který umožňuje řešení soustav
pomocí MBS jak s tuhými, tak i s poddajnými
(pružnými) tělesy.
Současné verze softwaru pracující s MBS
většinou umožňují nejenom importování
CAD modelů a použití poddajných těles, ale
i obecných strojních součástí, jako jsou ložiska, ozubená kola, převody s řemeny a válečkovými řetězy, lana a elektrické pohony.
Např. v ADAMS lze tyto modely vytvářet pomocí modulu machinery.
Metoda konečných prvků – MKP (finite
element method, FEM) náleží mezi numerické metody a lze ji využít pro simulaci statického a dynamického chování mechanic-
Obr. 8.3.4: Obecný model MBS
Obr. 8.3.5: MBS modely v MSC ADAMS
ké struktury stroje a k simulaci šíření tepla
u obráběcích strojů. Je použitelná jak pro
jednotlivé součásti stroje, tak pro celý obráběcí stroj. Nejčastější typy strukturálních
MKP analýz jsou ukázány na obr. 8.3.6.
Kromě těchto typů MKP analýz se tato metoda používá i pro řešení fyzikálních problémů souvisejících např. s hydraulikou
nebo elektromagnetizmem. Princip této metody spočívá v diskretizaci spojitého
kontinua do konečného počtu prvků, přičemž zjišované hodnoty sledovaných veličin jsou určovány v jednotlivých uzlových
bodech těchto prvků. MKP se nejčastěji používá především pro kontrolu navržených částí strojů nebo pro stanovení nejvíce namáhaného místa jejich konstrukce.
Pro konečně prvkovou analýzu je k dispo-
zici celá řada softwarových prostředí, jako
ANSYS, MARC, NASTRAN a další. Jednodušší MKP analýzy je možné provádět přímo v CAD softwarech.
Statická MKP analýza slouží k deformačně napěové analýze obráběcího stroje
během působení statického silového zatížení. Toto zatížení může být od tíhového
pole Země nebo od obrobku.
Dynamická MKP analýza mechanické struktury a soustav s poddajnými tělesy zahrnuje působení setrvačných sil. Pro řešení
dynamických problémů lze využít:
• modální analýzu;
• harmonickou analýzu;
• transientní analýzu;
• teplotní analýzu.
2014 | Speciál | MM Průmyslové spektrum | 633
8.3 VIRTUÁLNÍ PROTO
TO
OTYPOVÁNÍ
OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
Ů
Obr. 8.3.6: Typy konečněprvkových analýz [Altintas et al. 2005]
Modální analýza je oblastí dynamiky, která má velký význam v technické praxi. Modální rozklad (modální analýza) je jedna
z metod dynamiky, která k popisu kmitavých vlastností a chování mechanických
struktur využívá možnosti rozkladu složitého kmitavého děje na dílčí (též modální, vidové, vlastní) složky (viz obr. 8.3.7),
z nichž každá je charakterizována vlastní
frekvencí a vlastním tvarem kmitu (označujeme je společným názvem vlastní hodnoty). Díky této metodě a určeným výsledným
modálním vlastnostem tělesa můžeme získat úplný dynamický popis poddajného tělesa nebo konstrukce mechanické struktury.
Většina problémů spojených s nadměrným
hlukem či mechanickým chvěním v technické praxi je způsobena vlastnostmi samotného systému, které nazýváme modálními. Tyto
vlastnosti se vypočítávají a následně vyhodnocují v rámci zkoušek modální analýzy. Díky
Ob 8.3.7:
Obr.
8 3 7 Skládání
Skládá í vlastních
l t í h ttvarů
ů kmitů
k itů
[Tůma 2009a]
těmto parametrům dokážeme predikovat
výsledné vlastnosti systému.
K výsledným parametrům modální analýzy patří vlastní frekvence a vlastní tvary
kmitů. Výsledky modální analýzy ve formě
Obr. 8.3.8: První čtyři vlastní tvary kmitů vřeteníkové skupiny vertikálního soustruhu
634 | MM Průmyslové spektrum | Speciál | 2014
vlastních tvarů kmitů jsou vyobrazeny na
obr. 8.3.8.
Modální analýzu můžeme provádět bu
v teoretické rovině jako výpočet, nebo v praktické rovině provedením experimentálního
měření reálné struktury. Vypočtené hodnoty jsou často porovnávány s naměřenými hodnotami. Shodnost výpočtu a naměřených hodnot není vždy ideální [Tůma
2009b], [Miláček 2001], [Dvořák 2009].
Harmonická analýza řeší problematiku
kmitání mechanické soustavy ve frekvenční oblasti. Obecně se zabývá rozkladem
libovolného signálu na harmonické pohyby sinusového nebo kosinusového průběhu. Tato analýza vychází z Fourierova
teorému, který říká, že každý periodický signál f(t) libovolného tvaru lze rozložit na součet nekonečně mnoha harmonických složek. Prakticky se jedná o výpočet
ustálených amplitud kmitů vázaného a zatíženého poddajného tělesa pro jednotlivé
frekvence harmonického buzení.
Transientní analýza se zabývá výpočtem
přechodových dějů. Tento děj probíhá v časové oblasti mezi dvěma ustálenými stavy. Tyto změny jsou podmíněny změnami
energií soustavy. Změny nemohou proběhnout skokově, protože by vyžadovaly nekonečné množství energie. Tyto děje vznikají
např. při rozjezdu pohonných soustav nebo při nájezdu obráběcího nástroje do obrobku. Výsledkem jsou rázy do celé soustavy. Aby k těmto rázům docházelo co možná
nejméně, jsou pro pohonné soustavy voleny vhodné rozjezdové rampy v závislosti na
tuhosti celé soustavy.
Teplotní analýza je po napěově-deformační analýze druhou nejrozšířenější
MKP analýzou v oblasti inženýrských výpočtů. Obě tyto analýzy jsou velmi často
Virtuální prototypování obráběcích strojů
spojeny vzájemnou návazností při analyzování teplotní napjatosti, kdy je potřeba
nejprve určit teplotní pole na dané oblasti a následně odpovídající napjatost vzniklou nerovnoměrnými teplotními dilatacemi. Teplotní dilatace mají zásadní vliv na
geometrickou přesnost obráběcího stroje,
a proto se jejich vliv řeší od samotného počátku návrhu stroje.
Základem této analýzy je dostatečně podrobný model, který musí zahrnovat popisy fyzikálních principů, které podstatně
ovlivňují modelovaný objekt a které musí
být pokud možno přesně kvantifikovány.
Během teplotní analýzy stroje se nejprve
provádí určení zdrojů tepla a časové rozložení teplot a poté jejich působení na jednotlivé uzly stroje. Výsledkem je časoprostorové
rozložení teplot, tepelných toků a případně
deformací způsobených teplotní roztažností materiálů. Teplotní analýza pomocí MKP
se hodí pro optimalizaci systému, predikci
chování systému, který je v návrhové fázi (viz
obr. 8.3.9) a dále k analýze stávajícího stavu
systému. Nevýhodou MKP teplotní analýzy je
pracnost sestavení kvalitního modelu a časová náročnost řešení.
Ob 8
Obr.
8.3.9:
3 9 TTeplotní
l t í MKP model
d l čá
částiti stroje
t j
[Bárta 2007]
Co-simulační techniky
Co-simulační techniky založené na spolupráci řešiče ADAMS a Matlab/Simulink
(ADAMS a EASY5) jsou užitečným nástrojem na zlepšení vývojového cyklu [Březina,
Hadaš, Vetiška 2011], [Zhu et al. 2010]. Tato technika je vhodná pro vývoj mechatronických soustav, jako jsou roboty [Zhu et al.
2009], manipulátory, automobily [Anyu,
Xiliang, Shugen 2011] a další mechatronické soustavy s komplexní mechanickou
strukturou, dynamickým chováním a s řídicím systémem. Co-simulační techniky se
používají během vývojových fází, kdy je
vytvořen fyzikální nebo matematický model a navrhnuto řízení. Tyto techniky jsou
vhodné pro počítačové experimenty virtu-
álních mechanických soustav, optimalizace parametrů, analýzu chování celého systému a testování navrženého řízení.
Obecně se mechatronický systém skládá z mechanické soustavy, aktuátorů, senzorů, řídicího systému a uživatelského rozhraní. Mechanická soustava je navržena
a sestavena pomocí 3D CAD programu.
Tato sestava je následně importována do
prostředí ADAMS a jsou jí přiřazeny funkční vazby a silové zatížení.
Dynamický model v prostředí ADAMS lze
využít pro návrh řízení pomocí modulu controls přímo v ADAMS (jednoduché řízení), nebo se řízení může navrhovat např. v prostředí Matlab/Simulink. K tomuto účelu je možné
vygenerovat v ADAMS tzv. lineární model
ve formě stavových matic ABCD. Je-li hotový návrh řízení s využitím stavového popisu,
následuje vygenerování nového, tzv. nelineárního modelu, který v Matlab/Simulink nahradí lineární model, který sloužil pro návrh
řízení. Tímto způsobem lze využít předností
obou prostředí pro vytvoření a testování virtuálního prototypu mechatronické soustavy. Celý tento postup ilustruje obr. 8.3.10
[Březina, Hadaš, Vetiška 2011], [Březina et
al. 2012], [Vetiška, Hadaš 2012].
Virtuální realita
Technologie virtuální reality umožňuje poskytnout uživateli či skupině spolupracujících uživatelů iluzi o tom, že se nacházejí ve virtuálním prostředí. Toto prostředí
je nejčastěji vytvořeno v paměti počítače
(tzv. pohlcující realita), může však existovat
i jako kombinace skutečného světa a počítačem doplněných objektů (tzv. rozšířená
realita). Dosažení pocitu přítomnosti uživatele ve virtuálním prostředí se dociluje
ovlivněním lidských smyslů, nejčastěji zra-
ku a sluchu, vzácněji pak hmatu a v simulátorech i rovnováhy. U technických aplikací musí být chování jednotlivých součástí
virtuálního prostředí v souladu s fyzikálními zákony a je vyžadováno zobrazení objektů v přesně stanoveném měřítku, nejčastěji ve skutečné velikosti.
Přínosem virtuální reality je kromě tvorby
prostorových modelů a scén i manipulace
se zobrazenými objekty, simulace pohybu
objektů a detekce kolizí v reálném čase.
Tyto přínosy mohou být dále umocněny použitím periferií, které zajišují obrazovou, zvukovou a hmatovou interakci se
zobrazovaným virtuálním prostředím. Za
tímto účelem se u technologie virtuální reality využívají grafická rozhraní, jako jsou
helmy se zabudovanými displeji nebo stereoskopické projekční plochy, snímače polohy v prostoru (trackovací systémy), hmatová zařízení, popřípadě simulační kabiny.
Imerzní virtuální realita
Imerzní (pohlcující) virtuální realita vyžaduje speciální technická zařízení, která mají v co největší míře oprostit uživatele od vjemů skutečného světa a dodat mu
zdání, že je zcela ponořen do virtuálního prostředí. Nejjednodušším technickým
periferním zařízením je helma se stereoskopickými brýlemi a sluchátky a snímače detekující prostorovou polohu uživatele
(optické, elektrické, magnetické nebo ultrazvukové) a umožňující vjem virtuálního
světa jednomu uživateli.
Hlavový set HMZ třetí generace od firmy
Sony (obr. 8.3.11) je vybaven dvěma 720p
OLED displeji pro 2D a 3D stereoskopické
projekce. Gyroskopické senzory detekující pohyb hlavy uživatele a LCD obrazovky mohou být napájeny bu z externího
Obr. 8.3.10: Co-simulace mechatronického systému [Březina, Hadaš, Vetiška 2011]
2014 | Speciál | MM Průmyslové spektrum | 635
8.3 VIRTUÁLNÍ PROTO
TO
OTYPOVÁNÍ
OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
Ů
Ob 8.3.11:
Obr.
8 3 11 Helma
H l
Sony
S
HMZ-T3
HMZ T3
s gyroskopickým trackovacím senzorem
[Sony 2014]
zdroje (uživatel je dráty spojen se systémem), nebo mají vlastní baterii a data přenáší rádiově na frekvenci 60 GHz.
Na obr. 8.3.12 je karbonový prstenec firmy ImmerSight, na kterém jsou pasivní bílé body pro trekovací systém a uvnitř videobrýle umožňující uživateli vnímat virtuální
3D prostor. S trekovací technologií ImmerSight se může uživatel svobodně pohybovat
ve všech směrech. Uživatel je přitom snímán
jednou USB kamerou, která pomocí jednoduchého algoritmu vyhodnotí jeho polohu
a orientaci hlavy. Tato technologie není založena na infračervené kameře, přesto dokáže pracovat i za slunečního osvětlení.
Pokud je potřeba interakce více uživatelů ve virtuálním prostředí, používají se jako
grafické periferie stereoskopické projekční
plochy typu powerwall, Work Bench nebo
vícestěnné CAVE.
Mobilní powerwall na obr. 8.3.13 je vybaven projekčním plátnem o rozměru
Obr. 8.3.12: Helma ImmerSight s pasivními optickými trackovacími body [Weiss 2013]
2,6 x 1,95 m, na jehož zadní stranu promítají obraz dva pasivní dataprojektory. Trekovací systém tvoří čtyři infračervené kamery a pasivní master brýle s bílými značkami.
Počet přihlížejících diváků není omezen. Pokud uživatel potřebuje věrné podání barev
ve vysokém rozlišení, je vhodnější použít
aktivní technologii projekce. Princip spočívá
v použití jednoho projektoru, který vysokou
frekvencí přepíná obrazy pro levé a pravé
oko. Uživatel musí používat aktivní 3D brýle, které střídavě zatmívají levé a pravé oko.
Podmínkou 3D vjemu je správná synchronizace brýlí a dataprojektoru, potom dostává každé oko správný obraz, který mozek
pozorovatele vyhodnotí jako 3D. Tento typ
Obr. 8.3.13: Mobilní powerwall firmy ESI Group s kamerovým optickým
trackovacím systémem, využívaný v Sekci výrobních strojů a zařízení Divize
mechatroniky, Netme Centre FSI VUT v Brně [Blecha, Novotný 2012]
636 | MM Průmyslové spektrum | Speciál | 2014
powerwalu nabízí například firma Schneider digital pod označením smart VR-Wall
(obr. 8.3.14).
Smart VR-Wall je powerwall využívající
dataprojektory s krátkou ohniskovou vzdáleností pro přední projekci na netransparentní plátno. Dataprojektory jsou umístěny ve spodní a horní části podstavce, takže
pohyb uživatelů v těsné blízkosti plátna nezpůsobuje nechtěné stíny na projekční ploše. Tento powerwall je nabízen ve formátech 16:9, 16:10 a Cinemascope 23,5:10,
což nabízí projekční plochu až do rozměrů
5,3 x 2,25 m. Powerwall může být na přání
vybaven optickým trackovacím systémem.
Výhodou je zástavbová hloubka systému
Obr. 8.3.14: Smart VR-Wall firmy Schneider Digital [Schneider 2013]
Virtuální prototypování obráběcích strojů
Obr. 8.3.15: CAVE od firmy ESI Group s kamerovým optickým trackovacím systémem,
vybudovaná v Sekci výrobních strojů a zařízení Divize mechatroniky, Netme Centre FSI VUT v Brně
a)
b)
c)
Obr. 8.3.16: Rozšířená realita a její možné využití ve strojírenství
64 cm, které je dosaženo použitím šesti až
osmi dataprojektorů. Použití více aktivních
dataprojektorů umožňuje promítat na plochu více obrazů současně, a to až z osmi
grafických karet. Pro týmovou práci je možno vybavit powerwall třemi až dvanácti signálovými zdroji, které jsou potřeba pro kalibrování aktivních stereoskopických brýlí.
Pro zobrazení větších objektů je vhodné využít Computer Assisted Virtual Environment. Toto prostředí je lépe známé pod
zkratkou CAVE. Můžeme si jej představit
jako současné promítání objektu pomocí
několika (zpravidla 3 až 5) powerwallů zapojených do jednoho funkčního celku. Na
obr. 8.3.15 je zachycena část velké čtyřstěnné CAVE s rozměrem čelní projekční
plochy 3,7 x 2,3 m, dvou bočních ploch
3,1 x 2,3 m a projekční podlahy 3,7 x 2,3 m.
U čelní a bočních projekčních ploch se obraz promítá zezadu přes vysoce odrazivá
zrcadla. Na podlahu se používá přední
projekce přes zrcadlo umístěné na stropě.
CAVE je vybavena infračerveným trekovacím systémem a pro zajištění dokonalého
obrazu využívá technologii INFITEC a VR
High-End počítačový klastr.
Pro práci s virtuálními objekty je v této
CAVE využit software IC:IDO, který umožňuje mimo jiné provádět i ergonomické
studie, simulaci flexibilních prvků, analýzy montážních operací a pohyblivých částí zobrazovaných objektů. Pro zvýšení míry
pohlcení lze používat další periferie, jako
jsou například datové rukavice, flysticky
nebo pracovní nástroje opatřené reflexivními markery.
Rozšířená realita
Rozšířená realita (rovněž augmentovaná
nebo argumentovaná realita) je označení
používané pro doplnění reálného obrazu
světa počítačem vytvořenými objekty. Při
takovémto zobrazení reality se do skutečného pracovního prostoru stroje mohou
následně přidat digitální prvky reprezentující např. upínací zařízení, obrobek nebo
nástroj (viz obr. 8.3.16b [Nee et al. 2012]),
nebo se k jinému reálnému objektu připojí
další vybrané informace, jako například
výstupy z MKP metody (viz obr. 8.3.16c
[Barbosa et al. 2012]).
Základním prvkem rozšířené reality je
kamera, která je připojená k počítači
a snímá obraz reality. Reálná scéna se doplní o tzv. marker (viz obr. 8.3.16a), což
je speciální obrázek, který je aplikačním
softwarem rozpoznán a je určena jeho poloha a orientace. Na základě této detekce počítač v reálném čase umístí (renderuje) do obrazu projektovaného na displej
počítače doplňující informace (text, 2D či
3D objekty, filmové klipy či zvuky) anebo může vyvolat naprogramovanou akci.
Úspěšnost správného rozpoznání markeru závisí zejména na optice a rozlišení kamery, na vlastním vzhledu markeru a na
vhodném osvětlení scény a zejména markeru. Právě z tohoto důvodu se jako markery často používají jednoduché černobílé
piktogramy (viz obr. 8.3.16 a).
Poděkování
Znalosti publikované v této kapitole
byly získány v rámci řešení projektu
NETME Centre Plus (LO1202)
za finančního přispění Ministerstva
školství, mládeže a tělovýchovy
v rámci účelové podpory programu
Národní program udržitelnosti I.
Literatura ke kapitole 8.3
[Altintas et al. 2005] ALTINTAS, Y., C. BRECHER, M. WECK a S. WITT. Virtual Machine
Tool. In: CIRP Annals Manufacturing Technologie. Bern: Elsevier, s. 651-675. ISSN 00078506. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.
com/retrieve/pii/S0007850607600225
[Anyu, Xiliang, Shugen 2011] ANYU, Chen,
Dai XILIANG a Hu SHUGEN. Co-Simulation Study on EPS System Based on ADAMS
and MATLAB. In: IEEE COMPUTER SOCIETY. COSPONSORED BY IEEE INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT SOCIET Y,
IEEE Computer Society.Shanghai University of
Engineering Science. Proceedings: Third International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation: 6-7
2014 | Speciál | MM Průmyslové spektrum | 637
8.3 VIRTUÁLNÍ PROTO
TO
OTYPOVÁNÍ
OBRÁBĚCÍCH STROJŮ
Ů
January 2011, Shangshai, China. Los Alamitos, Calif: IEEE Computer Society, 2011,
s. 791-794. ISBN 9780769542966
[Barbosa et al. 2012] BARBOSA, Alcimar,
Edgard Afonso LAMOUNIER JUNIOR, Adriano de OLIVEIRA ANDRADE a Alexandre
CARDOSO. Virtual and Augmented Reality:
A New Approach to Aid Users of Myoelectric Prostheses. Computational Intelligence in
Electromyography Analysis – A Perspective on
Current Applications and Future Challenges.
InTech, 2012–10–17. DOI: 10.5772/50600.
Dostupné z: http://www.intechopen.com/books/
computational-intelligence -in- elec tro myography-analysis-a-perspective-on-current-applications-and-future-challenges/
virtual-and-augmented-reality-a-new-approach-to-aid-users-of-myoelectric-prostheses
[Bárta 2007] BÁRTA, P., Teplotní analýzy.
Svaz strojírenské technologie. 2007, V, č. 3.
Dostupné z: http://www.sst.cz/download/pdf/
svet_stroj_tech200703_complete.pdf
[Blecha, Novotný 2012] BLECHA, P., NOVOTNÝ, T. NETME CENTRE, Divize mechatroniky,
VUT v Brně. Transformace CAD modelů na data pro imerzní virtuální realitu a jejich verifikace.
Brno, 2012. Výzkumná zpráva, Z–12-015
[Březina et al. 2012] BŘEZINA, T., VETIŠKA, J.,
HADAŠ, Z., BŘEZINA, L. Simulation Modelling
and Control of Mechatronic Systems with Flexible Parts. In: Mechatronics: recent technological and scientific advancesrecent technological
and scientific advances. 1st ed. New York: Springer, 2011, s. 569-578. ISBN 9783642232435
[Březina, Hadaš, Vetiška 2011] BŘEZINA, T.,
HADAŠ, Z., VETIŠK A, J. Using of Co-simulation ADAMS-SIMULINK for development
of mechatronic systems. In: 2011 14th International Symposium MECHATRONIKA: Trencianske Teplice, Slovakia, 1-3 June 2011. s. 59-64.
ISBN 9781612848211. Dostupné z: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=5961080
[Dvořák 2009] DVOŘÁK, V. EXPERIMENTÁLNÍ
MODÁLNÍ ANALÝZA. In: [online]. Plzeň: Západočeská univerzita v Plzni., 2009 [cit. 2014-0704]. Dostupné z: http://old.fst.zcu.cz/_files_web_
FST/_SP_FST%28SVOC%29/_2009/_sbornik/
PapersPdf/Ing/Dvorak_Vitezslav.pdf
[Hadaš et al. 2012] HADAS, Z., VETISKA, V.,
SINGULE, V., ANDRS, O., KOVAR, J., VE-
638 | MM Průmyslové spektrum | Speciál | 2014
TISKA, J. Energy Harvesting from Mechanical
Shocks Using A Sensitive Vibration Energy Harvester. International Journal of Advanced Robotic
Systems. s. 1-7. DOI: 10.5772/53948. Dostupné z: http://www.intechopen.com/journals/international_journal_of_advanced_robotic_systems/
energy-harvesting-from-mechanical-shocks-using-a-sensitive-vibration-energy-harvester
[Janíček 2007] JANÍČEK, P. Systémové pojetí vybraných oborů pro techniky: hledání souvislostí. Vyd. 1. Brno: CERM, 2007, 682, [53]
s. ISBN 978-80-7204-555-61
[Miláček 2001] MILÁČEK, S. Modální analýza mechanických kmitů: hledání souvislostí. Vyd. 2. Praha: Vydavatelství ČVUT,
2001c1992, 154 s. ISBN 80-010–2333-8
[Nee et al. 2012] NEE, A.Y.C., S.K. ONG,
CHRYSSOLOURIS, G., MOURTZIS, D. Augmented reality applications in design and
manufacturing. CIRP Annals – Manufacturing
Technology. 2012, vol. 61, issue 2, s. 657679. DOI: 10.1016/j.cirp.2012.05.010. Dostupné z: http://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0007850612002090
[Schneider 2013] WEISS, F. IMMERSIGHT
IMMERSION TECHNOLOGY. Virtual Engineering: On the EMO 2013 ImmerSight presents its unique technology for Virtual Reality | ImmerSight: [online]. 2013, 10.9.2013 [cit.
2014-07-05]. Dostupné z: http://www.immersight.de/en/virtual-engineering-on-the-emo–
–2013-immersight-presents-its-unique-technology-for-virtual-reality/
[Sony 2014] Sony unveils latest HMZ-T3 | GMA
News Online: [online]. 2014, 4. července
2014 [cit. 2014-07-04]. Dostupné z: http://
www.gmanetwork.com/news/photo/56996/
sony-unveils-latest-hmz-t3
[Tůma 2009 a] TŮMA, J. Experimentální modální analýza: Diagnostika. In: Microsoft PowerPoint – Modalni_analyza_mereni.ppt – Tuma_Modalni_analyza_mereni.pdf: [online].
Plzeň: ZČU v Plzni, 2009, 14. května 2009 [cit.
2014-07-04]. Dostupné z: http://www.kme.
zcu.cz/jkana/soubory/Tuma_Modalni_analyza_mereni.pdf
[Tůma 2009 b] TŮMA, J. Experimentální
modální analýza – teorie: Diagnostika. In:
Microsoft PowerPoint – Modalni_analyza_
teorie.ppt – Tuma_Modalni_analyza_teorie.
pdf: [online]. Plzeň: ZČU v Plzni, 2009, 14.
května 2009 [cit. 2014-07-04]. Dostupné z:
http://www.kme.zcu.cz/jkana/soubory/Tuma_Modalni_analyza_teorie.pdf
[Valášek 2011] VALÁŠEK, M. Dynamika robotických systémů: Učební texty k semináři. In:
Brozura_06_1102_1.pdf [online]. Brno: VUT
v Brně, 2011, 4. července 2014 [cit. 2014-0704]. Dostupné z: http://www.crr.vutbr.cz/system/files/brozura_06_1102_1.pdf
[Vetiška, Hadaš 2012] VETIŠKA, J., HADAŠ, Z.
Using of Simulation Modelling for Developing of
Active Damping System. In: INTERNATIONAL
SYMPOSIUM ON POWER ELECTRONICS,
Electrical Drives. Power Electronics, Electrical
Drives, Automation and Motion (SPEEDAM),
2012 International Symposium on. S.l.: [s.n.],
2012, 1199 – 1204. ISBN 9781467312998.
Dostupné z: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/ articleDetails.jsp?arnumber=6264515
[Weiss 2013] WEISS, F. IMMERSIGHT IMMERSION TECHNOLOGY. Virtual Engineering: On the EMO 2013 ImmerSight presents its
unique technology for Virtual Reality | ImmerSight: [online]. 2013, 10.9.2013 [cit. 2014-0705]. Dostupné z: http://www.immersight.de/
en/virtual-engineering-on-the-emo–2013-immersight-presents-its-unique-technology-for-virtual-reality/
[Zhu et al. 2010] ZHU, Da-lin, Jin-yi QIN, Yi
ZHANG, Hu ZHANG, Min-min XIA. Research
on Co-simulation Using ADAMS and MATLAB
for Active Vibration Isolation System. In:
ZHANG. 2010 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation. Los Alamitos, CA: IEEE Computer Society,
2010, 1126 – 1129. ISBN 978–1-4244-7279-6.
DOI: 10.1109/ICICTA.2010.711
[Zhu et al. 2009] ZHU, Zhen, Myint Phon
NAING, Abdullah AL-MAMUN. Integrated
ADAMS+MATLAB Environment for Design
of an Autonomous Single Wheel Robot. In:
SPONSORED BY THE INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS (IEEE); IEEE INDUSTRIAL ELECTRONI, IES. 35th
Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, 2009: IECON ‚09 ; 3 – 5 Nov. 2009,
Alfandega Congress Center, Porto, Portugal
; proceedings. Piscataway, NJ: IEEE, 2009,
2253 – 2258. ISBN 9781424446490. Dostupné z: http://ieeexplore.ieee.org/stamp/
stamp.jsp?arnumber=05415187