Simulation and validation of the gas flow in close-coupled gas atomisation process: Influence of the inlet gas pressure and the throat width of the supersonic gas nozzle.

The effectiveness of a close-coupled gas atomisation process largely depends on the operational and the geometric variables. In this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques are used to model and simulate the gas flow in the melt nozzle area for a convergent-divergent, close-coupled gas atomiser in the absence of the melt stream. Firstly, a reference case, in which the atomisation gas is nitrogen at 50 bar and a supersonic gas nozzle with a throat width of L0 has been modelled, is presented. Then, the influence of both the inlet gas pressure and this design parameter are investigated, comparing the numerical results provided by simulations varying the inlet pressure from 5 to 80 bar and modelling different convergent-divergent gas nozzles with throat widths of 0.29 center dot Lo, 0.5 center dot Lo, 0.77 center dot Lo and 2 center dot Lo respectively. The simulation results show how similarly these two parameters modify gas mass flow rates, gas velocity fields, aspiration pressures in the melt delivery tube or the size of the recirculation zones below the melt nozzle. Therefore, it can be stated that this geometric variable of the gas nozzle may be as relevant as the inlet pressure in the atomisation process. The most important novelty of this study is related to experimental validation of the numerical results using the Particle Image Velocimetry (PIV) technique and through direct measurements of gas mass flow rates, with a clear correlation between simulated and measured data. Moreover, some results obtained with experimental atomisations using copper and nitrogen are also presented. The experimental results show that finer powders are produced by increasing th

Máquina de corte mediante hilo diamantado para aplicaciones en obra.

En el presente proyecto, se quiere diseñar una máquina de corte mediante hilo diamantado capaz de competir con las tecnologías existentes en el mercado, en lo que a aplicación en obra se refiere. La máquina se piensa para el corte de tuberías de PVC y otros materiales como hormigón y fundición de hasta 400 mm de diámetro. Como novedad se introduce un alto grado de seguridad respecto a las alternativas y una mayor portabilidad. Para ello la máquina cuenta con una carcasa en la que se incorporan varios volantes en los que se apoya el cable y estos a su vez le transmiten el movimiento. La carcasa está unida mediante dos guías y un tornillo de avance, que trasmite el movimiento vertical, a una estructura trasera. Por otro lado, esta incorpora un sistema de sujeción al tubo a cortar. Para el desarrollo de la presente, se toma como base la experiencia en el corte con hilo de la compañía Winterstone. Como primera etapa se diseña la máquina pieza a pieza en el programa PTC Creo Parametric en la versión 6.0.1.0. Obtenido el primer prototipo, este se mejora añadiendo elementos en función de las necesidades que surgen. Una vez decidido el diseño de partida, se construye un primer prototipo por parte de una empresa externa. Las motorizaciones que se incorporan son motorizaciones sobredimensionadas ya que no se dispone de ninguna máquina de tipo desarrollada anteriormente. Para la elección de los mismos se lleva a cabo un estudio de diferentes motorizaciones. Se estudia la posibilidad de instalar un sistema hidráulico, uno eléctrico y uno térmico, posteriormente se discute los puntos positivos y negativos de cada uno de ellos y se decide cual es la mejor elección. Con el mismo se llevan a cabo los test con un prototipo sobredimensionado en cuanto a motor se refiere y para su correcta calibración se incorpora un variador de potencia, mediante el cual se va regulando la potencia entregada y se intenta llegar al mínimo número de revoluciones siempre y cuando el corte se desarrolle correctamente. Además, se medirá el consumo, la tensión necesaria en el hilo y otros parámetros importantes para la optimización de la máquina tanto en coste como en peso, ya que son dos de los factores más importantes a la hora de intentar competir con las tecnologías anteriormente mencionadas. Con los datos para el óptimo uso de la máquina, se rediseñan elementos de la misma, sobredimensionados en un principio debido a la falta de datos a la hora de hacer el diseño antes de los test y se vuelve a probar el prototipo final

Simulation and validation of the gas flow in close-coupled gas atomisation process: Influence of the inlet gas pressure and the throat width of the supersonic gas nozzle.

The effectiveness of a close-coupled gas atomisation process largely depends on the operational and the geometric variables. In this study, Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques are used to model and simulate the gas flow in the melt nozzle area for a convergent-divergent, close-coupled gas atomiser in the absence of the melt stream. Firstly, a reference case, in which the atomisation gas is nitrogen at 50 bar and a supersonic gas nozzle with a throat width of L0 has been modelled, is presented. Then, the influence of both the inlet gas pressure and this design parameter are investigated, comparing the numerical results provided by simulations varying the inlet pressure from 5 to 80 bar and modelling different convergent-divergent gas nozzles with throat widths of 0.29 center dot Lo, 0.5 center dot Lo, 0.77 center dot Lo and 2 center dot Lo respectively. The simulation results show how similarly these two parameters modify gas mass flow rates, gas velocity fields, aspiration pressures in the melt delivery tube or the size of the recirculation zones below the melt nozzle. Therefore, it can be stated that this geometric variable of the gas nozzle may be as relevant as the inlet pressure in the atomisation process. The most important novelty of this study is related to experimental validation of the numerical results using the Particle Image Velocimetry (PIV) technique and through direct measurements of gas mass flow rates, with a clear correlation between simulated and measured data. Moreover, some results obtained with experimental atomisations using copper and nitrogen are also presented. The experimental results show that finer powders are produced by increasing th

Control de dispositivos físicos de gran espacio de trabajo para la interacción táctil con entornos virtuales

Los sistemas hápticos de realidad virtual están suscitando en la actualidad un creciente interés, desde un punto de vista científico y empresarial, por las variadas aplicaciones industriales que pueden llegar a tener. Los interfaces hápticos sirven de enlace entre el usuario y un escenario virtual, a través del sentido del tacto. El sistema requiere un dispositivo mecánico, que el operario manipula a modo de herramienta, con espacio de trabajo adecuado y baja inercia. También se requiere de un software gráfico y de control,encargado de mostrar el escenario, y la réplica virtual del usuario, y de calcular y comandar las fuerzas de contacto. La presente tesis centra sus investigaciones en el área de control de dispositivos hápticos de gran espacio de trabajo. Los estudios se pueden agrupar en tres grandes líneas de trabajo: •Desarrollo e implementación de un método de cálculo de la fuerza de contacto con el escenario. •Estudio de la estabilidad del sistema, así como su comprobación experimental. •Desarrollo, implementación y análisis de un método de disminución de inercia del interfaz, que contribuya a mejorar su transparencia. Los planteamientos teóricos se han implementado físicamente en dos dispositivos hápticos. El primero es comercial, el PHANToM, mientras que el segundo, el LHIfAM, ha sido desarrollado por el CEIT en el marco del proyecto REVIMA. Este proyecto es pionero en España en el desarrollo de un sistema háptico completo: generación del software gráfico y de control, y diseño mecánico y construcción del interfaz

Implementación de un sistema teleoperado con reflexión de fuerza de seis grados de libertad

Los trabajos expuestos en la presente tesis se han realizado en el Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Guipúzcoa (CEIT) dentro del marco establecido en el proyecto de Sistemas Robóticos Teleoperados (SRT), financiado por Iberdrola y Equipos Nucleares (S.A.). El principal objetivo del SRT ha sido desarrollar una familia de robots que ayuden en tareas de mantenimiento de centrales nucleares. Un dispositivo de teleoperación consta de dos manipuladores: el robot maestro está controlado por un operario mientras que el esclavo interactúa con un entorno remoto, siguiendo las trayectorias comandadas desde el maestro. La característica de reflexión de fuerza hace referencia al hecho por el cual las fuerzas de interacción, del robot esclavo con su entorno, se reconducen al operario a través del robot maestro. La principal motivación del estudio de estos dispositivos es la de poder desempeñar, con un alto grado de destreza, tareas en entornos remotos y hostiles para el operario humano. Partiendo de los estudios de tesis anteriores en el laboratorio de robótica del CEIT, el objetivo de la presente consiste en ampliar y finalizar los trabajos realizados sobre un prototipo de teleoperación de seis grados de libertad. Todo ello ha supuesto: Diseñar e implementar un controlador de teleoperación con reflexión de fuerza que contemple tanto las dinámicas de traslación y rotación, en el espacio cartesiano, de los robots involucrados. Diseñar e Implementar un algoritmo que mantenga a los robots alejados de sus configuraciones singulares y límites de sus espacios de trabajo. Ensayar y testear todos los algoritmos sobre un prototipo real. La exposición comienza con una pequeña introducción, historia y estado de la técnica de los sistemas teleoperados en el primer capítulo. A continuación, en el capítulo 2, se describe el prototipo de teleoperación desarrollado. Este prototipo consta, como robot maestro, de una plataforma Stewart, y, como esclavo, de un robot antropomórfico. El capítulo 3 estudia únicamente la cinemática del robot esclavo, ya que la del maestro se contempla en estudios anteriores si bien puede encontrarse un resumen en el Anejo A. En el capítulo 4, se muestra con detalle los lazos de control de teleoperación propuesto. Este algoritmo se clasifica como esquema de control fuerza-fuerza ya que la información comunicada entre ambos robots es la fuerza medida en cada uno de ellos. Este esquema tiene la ventaja de ser el más transparente, es decir, tiene gran capacidad para reproducir en el operador las mismas fuerzas que éste sentiría en caso de que estuviera trabajando directamente en el entorno remoto. Por el contrario, estos esquemas tienden a ser inestables. Por ello, también se contempla la modificación adaptativa de ciertas variables para evitar este problema y la adición de unos lazos de prealimentación local y remota de fuerzas. El capítulo 5 expone un algoritmo para evitar configuraciones singulares y límites del espacio de trabajo tanto del robot maestro como del esclavo. Este algoritmo define los subespacios óptimos de trabajo para cada robot, y establece unos límites que el controlador impide que se sobrepasen. La estrategia empleada se basa en reflejar al operario una fuerza que simula el comportamiento de unos muelles. En el capítulo 6 se analiza el comportamiento de los algoritmos propuestos en el capítulo 5 y se muestran los resultados experimentales de la ejecución de tres tareas teleoperadas (manipulación, taladrado y amolado). Finalmente, en el capítulo 7 se resumen las conclusiones extraídas a lo largo del todo el trabajo y futuras líneas de investigación. Este proyecto ha sido cofinanciado parcialmente por la CICYT bajo el número de registro TAP95-0227-C02-02 y realizado conjuntamente por el CEIT, Iberdrola, Endesa, Equipos Nucleares S.A. y la Universidad de Cantabria

Implementación de un sistema teleoperado con reflexión de fuerza de seis grados de libertad

Los trabajos expuestos en la presente tesis se han realizado en el Centro de Estudios e Investigaciones Técnicas de Guipúzcoa (CEIT) dentro del marco establecido en el proyecto de Sistemas Robóticos Teleoperados (SRT), financiado por Iberdrola y Equipos Nucleares (S.A.). El principal objetivo del SRT ha sido desarrollar una familia de robots que ayuden en tareas de mantenimiento de centrales nucleares. Un dispositivo de teleoperación consta de dos manipuladores: el robot maestro está controlado por un operario mientras que el esclavo interactúa con un entorno remoto, siguiendo las trayectorias comandadas desde el maestro. La característica de reflexión de fuerza hace referencia al hecho por el cual las fuerzas de interacción, del robot esclavo con su entorno, se reconducen al operario a través del robot maestro. La principal motivación del estudio de estos dispositivos es la de poder desempeñar, con un alto grado de destreza, tareas en entornos remotos y hostiles para el operario humano. Partiendo de los estudios de tesis anteriores en el laboratorio de robótica del CEIT, el objetivo de la presente consiste en ampliar y finalizar los trabajos realizados sobre un prototipo de teleoperación de seis grados de libertad. Todo ello ha supuesto: Diseñar e implementar un controlador de teleoperación con reflexión de fuerza que contemple tanto las dinámicas de traslación y rotación, en el espacio cartesiano, de los robots involucrados. Diseñar e Implementar un algoritmo que mantenga a los robots alejados de sus configuraciones singulares y límites de sus espacios de trabajo. Ensayar y testear todos los algoritmos sobre un prototipo real. La exposición comienza con una pequeña introducción, historia y estado de la técnica de los sistemas teleoperados en el primer capítulo. A continuación, en el capítulo 2, se describe el prototipo de teleoperación desarrollado. Este prototipo consta, como robot maestro, de una plataforma Stewart, y, como esclavo, de un robot antropomórfico. El capítulo 3 estudia únicamente la cinemática del robot esclavo, ya que la del maestro se contempla en estudios anteriores si bien puede encontrarse un resumen en el Anejo A. En el capítulo 4, se muestra con detalle los lazos de control de teleoperación propuesto. Este algoritmo se clasifica como esquema de control fuerza-fuerza ya que la información comunicada entre ambos robots es la fuerza medida en cada uno de ellos. Este esquema tiene la ventaja de ser el más transparente, es decir, tiene gran capacidad para reproducir en el operador las mismas fuerzas que éste sentiría en caso de que estuviera trabajando directamente en el entorno remoto. Por el contrario, estos esquemas tienden a ser inestables. Por ello, también se contempla la modificación adaptativa de ciertas variables para evitar este problema y la adición de unos lazos de prealimentación local y remota de fuerzas. El capítulo 5 expone un algoritmo para evitar configuraciones singulares y límites del espacio de trabajo tanto del robot maestro como del esclavo. Este algoritmo define los subespacios óptimos de trabajo para cada robot, y establece unos límites que el controlador impide que se sobrepasen. La estrategia empleada se basa en reflejar al operario una fuerza que simula el comportamiento de unos muelles. En el capítulo 6 se analiza el comportamiento de los algoritmos propuestos en el capítulo 5 y se muestran los resultados experimentales de la ejecución de tres tareas teleoperadas (manipulación, taladrado y amolado). Finalmente, en el capítulo 7 se resumen las conclusiones extraídas a lo largo del todo el trabajo y futuras líneas de investigación. Este proyecto ha sido cofinanciado parcialmente por la CICYT bajo el número de registro TAP95-0227-C02-02 y realizado conjuntamente por el CEIT, Iberdrola, Endesa, Equipos Nucleares S.A. y la Universidad de Cantabria

Multiphase model to predict particle size distributions in close-coupled gas atomization

A novel two-stage multiphase model is developed for close-coupled gas atomization by combining formulations available in the literature. Primary atomization is simulated using an Eulerian atomization model, and the outputsa reused as input so fa Lagrangian particle tracking approach to predict the particle size distribution resulting from second aryatomization. Theresults given by the primary atomization mode lare validated with published Direct Numerical Simulations (DNS) values and by comparisonwith experimental images of the spray, while the particle size distributions obtained are accurately fitted toa log-normal distribution, and with powder meandiameters showing good agreemen twith experimental data. The variation of powder characteristic diameters 10,50,and 90 as a function of thegas-to-meltmass flow rate ratio follows correct trends, and the value sofpowder mean diameters 50 are correctly predicted by the model

Experimental study of the influence of operational and geometric variables on the powders produced by close-coupled gas atomisation.

The effect of several operational and geometric variables on the particle size distribution of powders produced by close-coupled gas atomisation is analysed from a total of 66 experiments. Powders of three pure metals (copper, tin and iron) and two alloys (bronze Cu-15 wt% Sn and stainless steel SS 316 L) have been produced. Nitrogen, argon and helium were used as atomising gases. It is shown that the gas-to-metal ratio of volume flow rates (GMRV) is more relevant than the ratio of mass flow rates (GMR) in order to analyse the effect of atomisation variables on the particle size. Kishidaka's equation, originally proposed for water atomisation, is modified to predict the median particle size in gas atomisation. The accuracy of the new equation is compared with that of Lubanska, and Rao and Mehrotra. Kishidaka's modified empirical correlation is the most accurate in predicting the median particle size of the powders produced in this work. The morphology of the produced powders is studied by scanning electron microscopy (SEM) and it is observed that the melt superheat can play an important role in the aggregation of fine particles ( 100 mu m)