Neue Prozessketten für die Simulation

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1 Titelthema Aufsatz Simulation, Werkzeugmaschinen, Forschung Neue Prozessketten für die Simulation Schneller zum virtuellen Prototypen durch Integration von Zerspanprozess, Maschine und Regelung A. Broos, T. Schermann, E.-U. Schmitz In der Produktentwicklung und Prozessplanung werden Werkzeugmaschinen und Zerspanprozesse simuliert, um Erkenntnisse über die späteren Wechselwirkungen zwischen Struktur, Regelung und Zerspan - ung zu gewinnen und um Kosten sowie Zeit zu sparen. Eine Heraus - forderung ist dabei die Integration unterschiedlicher Berechnungs - programme in eine durchgängige Simulationsumgebung und die Gewähr leistung prognosefähiger, abgesicherter Simulationsergebnisse. Process integration for simulation Faster product development through combining cutting process, machine tool and controls simulation Simulation of machine tools and cutting processes are carrie d out in early product development and process planning stages. The aim is to gain knowledge about the interaction of structure, control s and cutting processes in order to reduce time and cost. Integration of different simulation tools into a wholistic simulation environ ment proves to be a challenge, as is the need for qualified, predicta ble simulation results. 1 Einleitung Simulationswerkzeuge werden in vielen Gebieten der Produktionstechnik angewendet. Die Einsatzbereiche lassen sich in Anlehnung an [1] dreiteilen. Auf der Prozessebene werden die Vorgänge während des einzelnen Bearbeitungsprozesses modelliert. Dazu gehören unter anderem Werkstoffverhalten, Temperaturverhalten sowie die Wechselwirkungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Dipl.-Ing. Alexander Broos, Dipl.-Ing. Thorsten Schermann wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH) Kaiserstr. 12, D Karlsruhe Tel. +49 (0)721 / (Broos) oder (Schermann) Fax +49 (0)721 / broos@wbk.uka.de; schermann@wbk.uka.de Dipl.-Ing. Ernst-Ulrich Schmitz Index-Werke GmbH & Co. KG Hahn und Tessky Plochinger Str. 92, D Esslingen Tel. +49 (0)711 / , Fax +49 (0)711 / ernst-ulrich.schmitz@index-werke.de Danksagung Die in diesem Fachbeitrag vorgestellten Projekte SindBap und SimCAT werden mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzeptes Forschung für die Produktion von morgen gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT), betreut. Zerspanungs-, Umform- und Gießsimulation gehören mit zur Prozesssimulation und werden für die Prozessoptimierung eingesetzt. Auf der Maschinen- und Anlagenebene wird einerseits das statische, dynamische und thermische Verhalten von Fertigungs einrichtungen untersucht, andererseits werden verknüpfte Fertigungseinrichtungen mittels Simulationsmethoden optimiert. Die Untersuchung von einzelnen Maschinen oder Komponenten berücksichtigt im Wesentlichen die statischen und dynamischen Kräfte. Diese Kräfte können durch den Fertigungsprozess selbst oder durch Bewegungen von Teilsystemen der Fertigungseinrichtung hervorgerufen werden. Des Weiteren gehört die Abbildung der Regelung zur Simulation der Maschine. Damit kann die Dynamik der Regelkreise, also der Einfluss der Steuerungstechnik auf das Maschinen verhalten, berücksichtigt werden. Taktzeitopti - mierung, Ausstoßberechnung, Kollisionsanalysen oder die Optimier ung von Anlagen-Layouts sind die Kerneinsatzgebiete der Simulation verknüpfter Fertigungseinrichtungen (Anlagen simulation). Auf der Fabrikebene wird das Zusammenspiel mehrerer Anlagen simuliert und optimiert. Dies umfasst die Anlagenund Layoutplanung, Ablaufsimulation, Materialfluss- und Logistik simulation, sowie die übergreifende Modellierung von System- und Steuerungsabläufen. Für die unterschiedlichen Ebenen existieren kommerzielle Simulations- und Optimierungstools, die in ihrem Einsatz weit verbreitet und damit als Stand der Technik zu bezeichnen sind. Die Herausforderung im Einsatz dieser Werkzeuge liegt darin, die Prognosefähigkeit der Simulationen abzusichern, um a priori zuverlässige Simulationsergebnisse zu erhalten. Diese belastbaren Simulationsergebnisse zeichnen sich dadurch aus, dass der Berechnungsfehler bekannt ist und die Gültigkeit der Simulationsergebnisse nicht beeinflusst. Darüber hinaus müssen die jeweils richtigen Werkzeuge ausgewählt und in geeigneter Weise kombiniert werden, um die gestellte Simulationsaufgabe zeit- und kosteneffizient zu erfüllen. Nur so wird sich der Einsatz von Simulationsverfahren auszahlen. Zwischen den noch getrennten Bereichen Prozess, Maschine/Anlage und Fabrik ist langfristig eine Verknüpfung zu erwarten, wobei nicht durchgängige Datenmodelle, sondern offene Schnittstellen zum bidirektionalen Datenaustausch im Vordergrund stehen dürften. Hier ist noch mit hohem Forschungsbedarf zu rechnen. In den beiden derzeit vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekten SindBap und SimCAT werden die Grundlagen für eine Kopplung von Prozess- und Maschinensimulation erarbeitet. In SindBap wird dabei der Bearbeitungsprozess und der Einfluss der Maschine darauf untersucht, während in SimCAT Prozesskraftmodelle aus Fertigungsprozessen (Fräs- und Drehbearbeitung) für die Simulation des Maschinenverhaltens während der Bearbeitung mit einbezogen werden (Bild 1). wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H. 1/2 24

2 2 SindBap Simulation industrieller Bearbeitungsprozesse Die Planung von Fertigungsabläufen im Bereich der Zerspanung wird bereits durch verschiedene Simulationstools unterstützt, ebenso die Auslegung von Fertigungskonzepten für die Fertigung von Klein-, Mittel- und Großserien unter dem Einsatz verketteter Bearbeitungszentren und Transferstraßen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Ablaufplanung sowie der Optimierung von NC-Bearbeitungsprogrammen, um einerseits Taktzeiten zu verkürzen und um andererseits Kollisionen von Bearbeitungszentren oder verketteten Einheiten zu vermeiden. Oft zeigt sich jedoch, dass der Produktionsstart einer neu installierten oder umgerüsteten Fertigung verschoben werden muss. Als Grund können unvorhergesehene Probleme wie Geometrie-, Härte- oder Gefügestreuungen der Rohteileigenschaften oder das dynamische Verhalten von Werkzeug und Maschine beim Einrichten der Prozesse genannt werden. Um einen stabilen Prozessablauf zu gewährleisten, müssen daher teils langwierige Modifikationen und Optimierungen an der Werkzeugmaschine und am Prozess durchgeführt werden. Die Zerspansimulation kann dazu dienen, Sensitivitätsbetrachtungen durchzuführen und so eine präventive Qualitätssicherung zu betreiben. Um sämtliche Randbedingungen zu berücksichtigen und somit die Zerspanprozesse und ihre Wechselwirkungen mit der Werkzeugmaschine korrekt abbilden zu können, müssen dazu die bereits vorhandenen Modelle und Methoden weiterentwickelt und verbessert werden. Um eine durchgängige Methodik für die simulationsgestützte Fertigung zu realisieren, wird die ganzheitliche Simulation von Bearbeitungsprozessen benötigt, einschließlich der vorhergehenden und nachfolgenden Fertigungsschritte unter Berücksichtigung der Prozessbedingungen am Werkstück und der Eigenschaften von Werkzeug, Aufspannung und Maschine und ihrer statisch-dynamischen Wechselwirkungen (Bild 2). Um eine gesicherte Aussage über die Prognosefähigkeit von Zerspansimulationen zu erhalten und deren Übereinstimmung mit dem Experiment zu erzielen, werden innerhalb des Projekts ausgewählte Beispiele mit dem Schwerpunkt Drehen, Fräsen und Bohren untersucht. Dies umfasst die Ermittlung von werkstoffspezifischen Kenngrößen, das Bestimmen von Prozesskräften sowie Sensitivitätsanalysen zur Prozessauslegung und -optimierung. Bild 1. Ebenen der Simulation in der Produktionstechnik Am Verbundforschungsprojekt SindBap sind beteiligt ABAQUS Deutschland GmbH Alfred H. Schütte GmbH & Co KG DaimlerChrysler AG EX-CELL-O GmbH KENNAMETAL GmbH & Co KG Kistler IGeL GmbH Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen MAPAL Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG Robert Bosch GmbH wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH) Kontakt: Dipl.-Ing. Thorsten Schermann wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH) wbk 2.1 Aspekte der Modellierung Materialverhalten Die Beschreibung des Materialverhaltens während der Zerspanung ist mit den klassischen quasi-statischen Verhalten metallischer Werkstoffe bei Zugversuchen nicht mehr zulässig. Mit Erhöhung der Belastungsgeschwindigkeit oder der Temperatur wird das Verformungsverhalten des Materials charakteristisch geändert und weist eine signifikante Ab- Ansprechpartner bei PTKA-PFT Dipl.-Ing. Edwin Steinebrunner Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) Tel. +49 (0)7247 / edwin.steinebrunner@ptka.fzk.de Internet: wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H. 1/2 25

3 hängigkeit von der plastischen Dehnung, der Dehnungsrate und der induzierten Temperatur auf. Dieses Verhalten muss in dynamischen Materialmodellen erfasst und beschrieben werden. Neben der Beschreibung des Verformungsverhaltens muss ein Materialmodell auch das Versagensverhalten bei der Werkstofftrennung abbilden. Wünschenswert wäre es auch, das lokalisierte Gefügeumwandlungsverhalten nachbilden zu können. Eine Möglichkeit zur Beschreibung des elastoplastischen Verformungsverhaltens von Metallen ist die tabellarische Angabe der Fließkurve, die die entsprechenden Fließspannungen in Abhängigkeit von der plastische Dehnung, den Dehnraten und der Temperatur beschreibt. Für das Außenlängsdrehen kamen tabellarische Fließkurven zum Einsatz. Dabei werden plastische Dehnungen von 0 bis 4, Dehnraten von 0,001 bis s -1 sowie Temperaturen von 20 C bis 1200 C berücksichtigt Wärmeleitung Die Simulation erfolgt rein adiabat, das heißt, es wird keine Wärmeleitung, sondern nur die lokale Wärmeentwicklung aufgrund von Reibung und plastischer Materialverformung berücksichtigt. Da die Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit wesentlich geringer ist als die übliche Prozessgeschwindigkeit, ist dieser Ansatz für die Umform- und Zerspanungssimulation durchaus gültig und zulässig. Die vereinfachende Annahme adiabater Verhältnisse bringt Vorteile bezüglich der Rechendauer im Vergleich zu einer thermomechanisch gekoppelten Analyse. 2.2 Simulationsbeispiel Außenlängsdrehen Ausgangsmodell für das Außenlängsdrehen ist ein bereits vorbearbeitetes Werkstück, das zur Vereinfachung in der Simulation als gerades Werkstück modelliert wurde. Die simulierte Bearbeitungsstrecke entspricht dabei einem Eingriffswinkel von j = 15. Die Wendeschneidplatte befindet sich am Anfang der Simulation direkt vor der Schneiden-Eintrittsposition. Das Gesamtmodell ist modular aufgebaut. Die Wendeschneidplatte und das Werkstück bilden je ein separates Modell und werden zur eigentlichen Berechnung zusammengeführt. Somit kann das Modell für verschiedene Untersuchungen verwendet werden und macht es so leicht handhabbar für Sensitivitätsuntersuchungen. So wurde beispielsweise die Schneidkantenverrundung der Wendeschneidplatte zwischen 10 µm, 35 µm und 50 µm variiert. Die Randbedingungen wurden wie folgt festgelegt: Das Werkstück wird mit der Schnittgeschwindigkeit v c in die Schnittrichtung bewegt, in die anderen Richtungen wird es fixiert. Um Rechenzeit einzusparen, ist das Werkzeug als starrer Körper (Rigid Body) modelliert. Die Auswertung der Zerspankräfte erfolgt durch Ausgabe der Reaktionskräfte am Referenzknoten des Starrkörpers, der zudem in allen Freiheitsgraden festgehalten wird, was einem fest eingespannten Werkzeug gleichkommt (Bild 3). Der auftretende Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück sowie der Selbstkontakt des Spans beim Aufrollen werden mit dem allgemeinen Kontakt-Algorithmus erfasst. Aufgrund der großen Elementanzahl und der kleinen Elementkantenlängen ist die 3D-Simulation eines Zerspanprozesses meist sehr zeitaufwendig. Für akzeptable Rechenzeiten ist daher eine geeignete Netzkonfiguration zu wählen. Daher werden Bereiche, die für den Zerspanprozess weniger relevant sind, mit einem gröberen Netz versehen, wohingegen Bereiche nahe der Zerspanstelle sehr fein vernetzt werden. Damit werden detaillierte Aussagen über den Zerspanprozess hinsichtlich Zerspankräften, Temperaturverteilungen und Spannungen ermöglicht (Bild 4). Für den Außenlängsdrehprozess wurden Zerspanungsgrößen wie die Schnittkraft F c in Abhängigkeit von den Technologiegrößen (Werkzeuggeometrie und Schnittparameter) be- Bild 3. Vorder- und Seitenansicht der 3D-Simulation beim Außenlängsdrehen Bild 4. Netzkonfiguration beim Außenlängsdrehen Bild 2. Arbeitsprogramm im Projekt SindBap SindBap SindBap SindBap wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H. 1/2 26

4 rechnet. Mit Hilfe von FEM (Finite-Elemente-Methode)-Berechnungen ist es möglich, Parameterstudien effizient durchzuführen, die zur Entwicklung eines verbesserten Prozessverständnisses und zur Optimierung von Zerspanungsprozessen genutzt werden können. Die Voraussetzung für qualitativ und quantitativ aussagekräftige Simulationen ist jedoch immer ein möglichst exaktes Erfassen aller Prozessbedingungen (Geometrie, Kinematik, Materialmodell, Versagenskriterium, Reibung und so weiter). 3 SimCAT Integration von CA-Technologien zur ganzheitlichen Simulation und Optimierung von Fertigungseinrichtungen vom CAD bis hin zur Hardware-in-the-Loop-Simulation Am Verbundforschungsprojekt SimCAT sind beteiligt Bosch-Rexroth AG Linear Motion and Assembly Technology dynardo GmbH FE-Design GmbH Gebr. HELLER Maschinenfabrik GmbH INDEX-Werke Gmbh & Co. KG Hahn & Tessky INTES GmbH Institut für Produktentwicklung (IPEK) Universität Karlsruhe (TH) Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen (ISW) Universität Stuttgart Siemens AG Automation and Drives TAO Technologies GmbH Abt. ZFS engineering Universität Stuttgart wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH) Kontakt: Dipl.-Ing. Alexander Broos wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH) broos@wbk.uka.de Ansprechpartner bei PTKA-PFT Dipl.-Ing. Edwin Steinebrunner Forschungszentrum Karlsruhe GmbH Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) Tel. +49 (0)7247 / edwin.steinebrunner@ptka.fzk.de Internet: Um dem gestiegenen Termin- und Kostendruck weiterhin gerecht zu werden, müssen die Hersteller von Fertigungsmaschinen ihre Entwicklungsprozesse deutlich beschleunigen und wesentlich stärker absichern. Eine intensive Erprobung und Optimierung von Prototypen ist aus wirtschaftlichen und zeitlichen Gründen nicht mehr durchführbar. Ein Weg, um die Entwicklungsqualität zu steigern und gleichzeitig die Zeit von der Produktentwicklung bis zur Serienreife zu verkürzen, ist die entwicklungsbegleitende Simulation. Mit modernen Simulationsverfahren lassen sich beginnend mit der Konzeptphase vollständige Maschinenmodelle simulieren. Während der gesamten Produktentwicklung wird das Simulationsmodell ständig verfeinert und soll prognosefähige Aussagen über das Verhalten der ausgeführten Maschine liefern. Um eine Werkzeugmaschine vollständig simulieren zu können, ist ein möglichst umfassendes Berechnungsmodell notwendig, an dem sowohl die Reaktion des mechanischen Aufbaus auf äußere und innere Kräfte als auch die Aktorik und Sensorik sowie die dazugehörenden Regler simuliert und optimiert werden können. Stand der Technik sind Simulationsverfahren, die gemäß Bild 5 einzelne physikalische Effekte simulieren. Die verschiedenen Simulationsverfahren kommen derzeit meist unabhängig voneinander zum Einsatz, daher können bislang nur Optimierungen an den jeweils simulierten Teilaspekten durchgeführt werden. Wechselwirkungen zwischen den Komponenten (zum Beispiel der Einfluss von Massenänderungen auf die Antriebsleistungen) bleiben unberücksichtigt. Gesamtziel des Projekts SimCAT ist die Schaffung einer integrierten Simulationsumgebung, die geeignet ist, das statische und dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen ganzheitlich und prognosefähig abzubilden. Diese Simulationsumgebung erhält Modelle von Referenzprozessen, mit denen Erkenntnisse über die Maschinenfähigkeit gewonnen werden können. Diese ganzheitliche Simulationsumgebung wird in drei Ebenen umgesetzt (Bild 6). In der ersten Ebene wird ein Maschinenmodell mit integrierter Achsregelung, aber noch ohne Soll-Wert-Einkopplung aufgebaut. Mit diesem Modell werden Berechnungen im Frequenzbereich in jeweils einem Arbeitspunkt der Maschine durchgeführt. Hieraus lassen sich grundsätzliche Aussagen über statische sowie dynamische Maschineneigenschaften und die Prozessfähigkeit gewinnen. In der zweiten Ebene werden Simulationen und Optimierungen im Zeitbereich durchgeführt. Dafür sind die Maschinenmodelle zu vereinfachen, damit Simulationen über längere Zeitabschnitte durchgeführt werden können. Eine angekoppelte virtuelle Steuerung versorgt dabei die Maschinenachsen des Modells mit Soll-Werten, die in den modellierten Achsreglern zu Kräften auf Maschinenkomponenten gewandelt werden. Ebenso werden Bearbeitungskräfte aufgeprägt. In der dritten Ebene soll das Modell mit einer realen Steuerung unter realistischen Einsatzbedingungen betrieben werden. Ziel dieser Hardware-in-the-Loop-Simulation ist es, die Steuerungssoftware schon am Modell testen und die Achsregler in Betrieb nehmen zu können. Damit würde die Inbetriebnahmephase an der realen Maschine deutlich verkürzt. Die dafür notwendige echtzeitfähige Simulationsumgebung wird im Projekt entwickelt und erprobt. Die Maschinenmodelle kommen aus der zweiten Modellierungsebene und müssen nochmals wesentlich reduziert werden. In allen drei Modellierungsebenen sollen am integrierten Simulationsmodell Optimierungsverfahren eingesetzt werden, die von der Bauteil-Topologie über geometrische und Reglerparameter bis hin zur Steuerungssoftware einsetzbar sein sollen. 3.1 Simulation im Frequenzbereich Die Simulation im Frequenzbereich bildet einen der zentralen Arbeitsinhalte des Projekts SimCAT. Schwerpunkte liegen auf der gekoppelten Simulation von Struktur und Regelung auf Basis der Finite-Elemente-Methode sowie der analytischen Ermittlung der Prozessstabilität für Fräsprozesse. Im Projekt wurde prototypisch ein Kaskadenregler mit werkzeug- wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H. 1/2 27

5 maschinen-typischem Aufbau entwickelt und als Reglerelement in die die FEM-Software Permas integriert. Das Verhalten dieses Reglerelements in mechatronischen FE-Simulationsmodellen wird zurzeit in ausgiebigen Testläufen erprobt und mit Messungen verifiziert. Prozessstabilitätsuntersuchungen wurden mit dem Softwaretool CutPro durchgeführt und experimentell verifiziert. Die analytische Berechnung von Stabilitätskarten mit CutPro bietet nun die Möglichkeit, Auswirkungen des Schwingungsverhaltens der Maschine auf die Prozessstabilität automatisiert in den Berechnungs- und Optimierungszyklus einzubinden. Für belastbare, prognosefähige Simulationsergebnisse ist es dringend erforderlich, Kenntnisse über die Eigenschaften von Maschinenkomponenten zu erlangen. Während Steifigkeitskennwerte von den Herstellern von Kugelgewindetrieben, Wälzführungen oder Wälzlagern bezogen werden können, gibt es keine Angaben zu entsprechenden Dämpfungskoeffizienten. Im Projekt wurden nun durch dynamische Untersuchungen an Wälzführungen zum ersten Mal Dämpfungskoeffizienten dieser Maschinenkomponenten experimentell ermittelt. 3.2 Simulation im Zeitbereich Beim Übergang von kleinen zu großen Bewegungen und von Frequenz- zur Zeitbereichssimulation werden zunächst geeignete Modellreduktionsverfahren benötigt, um auch bei zeitdiskreter Rechnung noch akzeptable Rechenzeiten zu erzielen. Zwar sind diese Modellreduktionsverfahren vorhanden, aber oft nicht einfach zu benutzen. Im Projekt wurde die Praxistauglichkeit verschiedener Modellreduktionsverfahren für den industriellen Einsatz erprobt. Mit den so entstandenen Modellen wird nun die Bewegungsdynamik von Werkzeugmaschinen hinsichtlich großer Verfahrwege und auf Genauig - keitsaspekte untersucht. Dabei wurde zum einen die Finite- Elemente-Simulation großer Verfahrwege in Permas angegangen, zum anderen wurde eine virtuelle Siemens-NC-Steuerung mit der Mehrkörpersimulation MKS verknüpft. Bild 5. Spannungsfeld Simulation und Optimierung von Werkzeugmaschinen 3.4 Entwicklung und Erprobung von Optimierungsverfahren Über die Simulation von Werkzeugmaschinen hinaus wird in SimCAT auch deren Optimierung untersucht. Im Vordergrund steht, das dynamische Verhalten der Maschine möglichst vorteilhaft zu gestalten. Unerwünschte Schwingungen sind zu vermeiden; ein bestmögliches Positionier-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhalten muss erreicht werden. Hierbei können die beiden Teilbereiche Strukturoptimierung von Bauteilen und Parameteroptimierung des Systems Werkzeugmaschine unterschieden werden. Ziel der Strukturoptimierung ist eine optimale Bauteilgestalt hinsichtlich minimalen Gewichts bei maximaler statischer und dynamischer Steifigkeit. Dabei sollen gezielt für die Bearbeitung kritische Eigenfrequenzbereiche so verschoben werden, dass ein möglichst großer resonanzfreier Bereich eingestellt werden kann. Eine Methode zur Lösung dieser Aufgabenstellung wurde erfolgreich in die Optimierungssoftware Tosca implementiert. SimCAT 3.3 Echtzeitsimulation Zur Hardware-in-the-Loop-Simulation wurden verschiedene Lösungsansätze der Anbindung einer Steuerung an virtuelle Maschinenmodelle auf FEM- und MKS-Basis untersucht. Fragestellungen der hierfür relevanten Modellreduktion konnten bereits erfolgreich gelöst werden. Es ist nun möglich, ein virtuelles Modell einer Werkzeugmaschine mit einer realen CNC-Steuerung in Achsregelung zu betreiben und damit die Reglerparameter bereits in der Entwicklungsphase auf das jeweilige Maschinenverhalten abzustimmen. Die Berechnung in Echtzeit kann hier wahlweise von FEM- oder MKS-Modellen abgeleitet werden. Bild 6. Ebenenmodell für die integrierte, ganzheitliche Simulation von Werkzeugmaschinen SimCAT wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H. 1/2 28

6 Bild 7. Schematische Vorgehensweise bei Sensitivitätsanalyse und Parameteroptimierung wbk / Index / TAO Technologies Mit Verfahren der Parameteroptimierung lassen sich die wesentlichen Einflussfaktoren auf das Maschinenverhalten ermitteln. Die relevanten Zielgrößen sind dabei eine Reduktion der Schwingungsamplituden zwischen Werkzeug und Werkstück sowie die Prozessstabilität für ausgewählte Zerspanprozesse. Die zu untersuchenden parameterbehaftete Einflussgrößen sind beispielsweise Werkstoffkennwerte und Regelungsparameter oder die Steifigkeits- und Dämpfungskoeffizienten von Führungen, Kugelgewindetrieben, Lagern und Aufstell-Elementen. In einem ersten Schritt werden durch eine Sensitivitätsanalyse die kritischen Parameter identifiziert. Danach wird für diese Parameter eine optimale Konfiguration ermittelt (zum Beispiel durch Optimierung mit Genetischen Algorithmen, Bild 7). Abschließend wird eine Robustheitsbewertung dieser Konfiguration durchgeführt, bei der die natürlichen Streuungen der Parameter, wie sie beispielsweise durch Fertigungstoleranzen entstehen, modelliert werden und ihr Einfluss auf das Gesamtverhalten untersucht wird. Die Einbeziehung der Prozessstabilität (Software Cut- Pro) in einen Optimierungsloop aus Finite- Elemente-Analyse (Software Permas) und Para meteroptimierung (Software OptiSLang ) konnte in SimCAT erstmals prototypisch realisiert werden (Bild 7). Mit dem Einsatz von Berechnungs- und Optimierungs programmen werden allerdings auch neue fundamentale Fragestellungen in der Entwicklung von Werkzeugmaschinen aufgezeigt. So muss geklärt werden, wie ein ideales oder optimales Maschinenverhalten so beschrieben und definiert werden kann, dass es für automatisierte Optimierungsprozesse greif- und verwertbar ist. 4 Zusammenfassung Ankündigung Im Umfeld der Entwicklung von Werkzeugmaschinen können Simulationsverfahren erfolgreich zur Simulation von Bearbeitungs - prozessen sowie für die Untersuchung und Opti mierung des statischen und dynamischen Maschinenverhaltens eingesetzt werden. Die Verbundforschungsprojekte SimCAT und Sind- Bap leisten einen wesentlichen Beitrag, um die Leistungsfähigkeit heute existierender Berechnungsprogramme sowie deren Einsatzfähigkeit in der industriel len Praxis zu untersuchen. Durch konsequentes Zusammen wirken von Projektpartnern, von Werkzeugmaschinenherstellern über Komponenten- und Werkzeuglieferanten, Softwareherstellern bis hin zu Forschungseinrichtungen werden die beschriebenen Simulationsprozessketten weiterentwickelt, um letztendlich abgesicherte, belastbare und prognosefähige Berechnungs- und Optimierungsergebnisse zu erhalten und den Simulationsprozess sicher zu beherrschen. Literatur [1] Reinhart, G.; Grunwald, S.; Rick, F.: Virtuelle Produktion Technolo gie für die Zukunft. VDI-Z Integrierte Produktion V/1999 (Oktober), S Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag Produktion und produktionsnahe Dienstleistungen Lösungen aus Deutschland Karlsruher Arbeitsgespräche Produktionsforschung gemeinsam mit NanoMat 7. Szene März 2006, Veranstaltung des BMBF im Kongresszentrum Karlsruhe Themenauszug Neue Produktionsverfahren und Ausrüstungen mit Werkzeugen für integrierte Produkt- und Prozessplanung, Auftragsabwicklung und Logistik Intelligent kombinierte Produkte und Dienstleistungen Neue Produktionssysteme im Bereich der Mikro- und Nanotechnik Im Rahmen der Vorträge und des Workshops werden am 14. März 2006 auch die aktuellen Forschungsergebnisse des Verbundprojekts SimCAT vorgestellt. Die präsentierten Forschungsergebnisse stammen aus über 180 Verbundforschungsprojekten, die vom PTKA-PFT innerhalb des BMBF-Rahmenkonzepts Forschung für die Produktion von morgen betreut werden. Praxisbeispiele stehen dabei im Vordergrund und werden in der begleitenden Ausstellung begreifbar präsentiert. Weitere Informationen unter: und wt Werkstattstechnik online Jahrgang 96 (2006) H. 1/2 29