ทำความรู้จักกับ Motion Simulation

ทำความรู้จักกับ Motion Simulation

หลายๆ ท่านคงรู้กันอยู่แล้วว่า SolidWorks สามารถวิเคราะห์ความแข็งแรงของชิ้นงานได้โดยใช้ Module ที่ชื่อว่า Simulation แล้วถ้าเราไม่ใช่คนที่ออกแบบชิ้นงาน  แต่เป็นคนออกแบบระบบกลไกของผลิตภัณฑ์หรือเป็นผู้วางระบบการทำงานในแต่ละขั้น ตอนหละ  เราจะมีอะไรมาช่วยการออกแบบในส่วนนี้  ดังนั้นบทความครั้งนี้เราขอเสนอ Module Motion Simulation ซึ่งสามารถตอบโจทย์ข้างต้นได้ทั้งหมด  ขั้นแรกเรามาทำความรู้จักกับ Module นี้กันก่อนนะครับ

Motion Simulation คืออะไร  ทำไมต้องใช้
สมมติว่าวิศวกรออกแบบระบบการทำงานที่มีการเคลื่อนที่เป็นรูปวงรี  เมื่อเขาออกแบบชิ้นส่วนต่างๆและประกอบเป็นที่เรียบร้อยแล้ว  เขาสามารถทำ Animation เพื่อดูการทำงานของระบบที่ออกแบบได้  แต่การวิเคราะห์ที่ลงลึกไปอีก เช่น การหาความเร็ว  ความเร่ง  แรงที่จุดเชื่อมต่อต่างๆ จำเป็นต้องใช้เครื่องมือที่ความสามารถสูงขึ้นไปอีก ซึ่งก็คือ Motion Simulation นั่นเอง


รูปที่ 1 ระบบที่มีการเคลื่อนที่เป็นลักษณะวงรี  ซึ่งเราสามารถดูลักษณะการทำงานงานได้จากการทำ Animation

Motion Simulation สามารถวิเคราะห์ข้อมูลทางกลศาสตร์ เช่น ตำแหน่ง ความเร็ว ความเร่ง เป็นต้น  และข้อมูลทางพลศาสตร์ เช่น แรงปฎิกริยา แรงเฉื่อย พลังงานที่ต้องการในระบบ เป็นต้น ซึ่งการหาข้อมูลเหล่านี้ไม่จำเป็นต้องเสียเวลาในการตั้งค่าต่างๆ เพิ่มเติม เพราะค่าทุกอย่างเราได้กำหนดใน CAD Model ไว้แล้ว  เพียงแค่นำค่าเหล่านั้นมาวิเคราะห์ต่อใน Motion Simulation เท่านั้น

การวิเคราะห์ Motion จะต่างจาก FEA เนื่องจาก Motion จะมองว่าชิ้นงานมีความแข็งแรงมากและไม่มีการโก่งงอ  จึงมีจำนวน degree of freedom น้อยกว่าการวิเคราะห์ FEA มาก ทำให้คำนวณได้อย่างรวดเร็วและผลลัพธ์ที่ได้ครอบคลุมผลลัพธ์ทั้งหมดที่ต้อง การในการวิเคราะห์ระบบการทำงาน ไม่ว่าจะเป็นระยะเคลื่อนที่  ความเร็ว ความเร่ง แรงปฎิกริยาที่จุดเชื่อมต่อ และแรงเฉื่อย


รูปที่ 2 ผลลัพธ์เรื่องพลังงานของมอเตอร์ที่ใช้ในระบบและระยะการเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง ที่คำนวณจาก Motion Simulation

การจำลองการทำงานดังรูปที่ 3 จะเห็นได้บ่อยๆในตำราเรียนของเรา  โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อหาความเร็วและความเร่งเชิงมุมของแขนโยกในขณะที่ข้อ เหวี่ยงมีการหมุนด้วยความเร็วคงที่ วิธีการแก้ปัญหาสำหรับนักเรียนนักศึกษาก็คือการรวมตัวกันหลายๆ คนช่วยกันแก้ปัญหา แต่การคำนวณมือก็ยังต้องใช้ทั้งเวลาและความละเอียดรอบคอบอย่างมาก ซึ่งไม่เหมาะกับการสร้างผลิตภัณฑ์ใหม่ๆ ที่ต้องแข่งขันกันที่ความเร็ว  ดังนั้น Motion Simulation จึงเป็นเครื่องมือหนึ่งที่นอกจะช่วยแก้ปัญหาข้างต้นแล้ว ยังสามารถจำลองการทำงานให้เราเห็นได้จริงๆ อีกด้วย


รูปที่ 3 การคำนวณหาความเร็วเชิงมุมและจำลองการทำงานของ Rocking arm

เราสามารถหาจุดติดชนที่เกิดขึ้นในระบบได้ด้วย Motion Simulation ซึ่งต่างจาก Animation ที่ทำได้เพียงการมองการทำงานของระบบแต่ไม่รู้ว่าจะเกิดการติดชนกันที่ไหนและ เมื่อไร แต่การตรวจสอบของ Motion Simulation จะเป็นแบบ Real – time เราจึงรู้ได้ทันทีที่เกิดการติดชน นอกจากนี้ยังสามารถบอกปริมาตรของชิ้นงานที่เกยเนื้อกันทำได้ง่ายต่อการแก้ไข ชิ้นส่วนอีกด้วย


รูปที่ 4 บางครั้งการแก้ไขชิ้นงานให้มีประสิทธิภาพดีขึ้นอาจก่อให้เกิดการติดชนได้
เราสามารถตำแหน่งที่เกิดการติดชนและเวลาที่เกิดได้อย่างแม่นยำและรวดเร็ว

ในผลิตภัณฑ์ของเรานอกจากระบบกลไกต่างๆ แล้ว  บางครั้งในงานที่มีความซับซ้อนก็จะมีชิ้นส่วน เช่น Spring, Damper หรือจุดที่มีการชนหรือดันกันในระบบ ซึ่งการหาพฤติกรรมเหล่านี้ด้วยการคำนวณมือนั้นเป็นไปได้ยากและใช้เวลานาน แต่การใช้ Motion Simulation สามารถแก้โจทย์เหล่านี้ได้ภายในเวลาไม่กี่วินาที


รูปที่ 5 บริเวณด้านหน้าของ Snowmobile จะเห็นว่ามีการเชื่อมต่อกันหลายอย่างซึ่งรวมถึง Spring และ Damper ด้วย


รูปที่ 6 Motion Simulation ช่วยจำลองการทำงานของเครื่องออกกำลังกายและคำนวณหาพลังงานที่ผู้ออกกำลังกายต้องใช้


รูปที่ 7 กลไกของเครื่องอ่าน CD ที่มีความซับซ้อนสูง  สามารถวิเคราะห์การทำงานได้อย่างง่ายดายด้วย Motion Simulation

สำหรับฝ่ายวิจัยและพัฒนาผลิตภัณฑ์ สามารถใช้ Motion Simulation สร้างชิ้นงานใหม่ๆ ได้ดังเช่นตัวอย่างด้านล่าง ซึ่งเป็นการออกแบบลูกเบี้ยวด้วยการกำหนดการเคลื่อนที่ของ Slider เป็นกราฟเทียบกับเวลาดังรูป  จากนั้นผู้ออกแบบสามารถกำหนดให้แผ่นกลมหมุนเพื่อสร้าง Profile ของลูกเบี้ยวจากการเคลื่อนที่ของ Slider และแผ่นกลม


รูปที่ 8 กราฟแสดงการเคลื่อนที่ของ Slider บน Guide rail เมื่อแผ่นกลมหมุนละ Slider เคลื่อนที่จะสร้าง Profile ของลูกเบี้ยวขึ้นมา

นอกจากนี้ผู้ออกแบบยังสามารถแสดงเส้นทางการเคลื่อนที่จาก Motion Simulation ได้ด้วย ผมขอยกตัวอย่างการทำงานของหุ่นยนต์ในอุตสาหกรรม เราสามารถหาเส้นทางของ Tool Path เพื่อนำไปเลือกขนาดและสร้างหุ่นยนต์ที่สามารถทำงานตามความต้องการได้ โดยที่ไม่ต้องมีการทดลองสร้างหุ่นยนต์นั้นขึ้นมาทดสอบจริง


รูปที่ 9 จำลองการเส้นทางการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ด้วย Motion Simulation โดยไม่ต้องมีการทดสอบจริง

สิ่งสำคัญอีกอย่างหนึ่งของ Motion Simulation คือการศึกษาเรื่องจุดที่มีการสัมผัสหรือชนกันระหว่างชิ้นงาน ในการทำงานจริงเครื่องจักรของเราอาจจะไม่ได้มีการชนกันอยู่ตลอดเวลา ซึ่งจุดนี้เป็นจุดสำคัญที่อาจทำให้เกิดความผิดพลาดในการทำงานได้ เราสามารถใช้ Motion Simulation ในการหา Gap ที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานได้


รูปที่ 10 การจำลองการกระแทกและชนกันของชิ้นงานด้วย Motion Simulation ทำให้สามารถศึกษา Gap ที่เกิดขึ้นในขณะที่เครื่องจักรทำงานได้

จะเห็นว่า Motion Simulation มีความสามารถในการวิเคราะห์งานระบบกลไกต่างๆ มากมาย  และที่สำคัญคือช่วยให้งานที่เราเคยเห็นว่าซับซ้อน คำนวณยาก หรือใช้เวลาเยอะ กลายเป็นเรื่องง่ายๆ ได้

บทความโดย
พลวัฒน์ ไพรไพศาลกิจ

Share this: