Modellbasierte Wärmegangkompensation einer Fahrständerfräsmaschine. Luca Roncarati , ACUM Winterthur

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1 Modellbasierte Wärmegangkompensation einer Fahrständerfräsmaschine Luca Roncarati , ACUM Winterthur

2 Inhalt Einführung FEM-Modell der Maschine Modellordnungsreduktion (MOR) Systemsimulation Kompensation Typische Projektphasen und Zusammenarbeit Fazit und Fragen 2

3 Einführung Warum kompensieren? Robuste aber dumme Maschinen sind nicht die (CH-)Zukunft Wir müssen unsere Maschinen besser kennen und intelligenter machen, um Erstklassigkeit zu bewahren Zweitklassigkeit ist nicht genug Wir brauchen neue Ansätze Nicht wirklich neu Beobachter-Theorie: Seit ca Stand der Technik seit mehr als 20 Jahren in der chemischen und verfahrenstechnischen Industrie Ziele von heute: Simulations-Fachleute sollen verstehen wie die Kompensation funktioniert Maschinenbauer sollen das Potential der Kompensation erkennen CEOs sollen in unseren Lösungen investieren :) 3

4 Einführung Idee Schätzung der nicht messbaren Zustände (z.b. Position des Tool Center Point) Überwachung des Maschinenverhaltens Echtzeit-Kompensation der thermisch induzierten TCP-Verlagerungen Temperaturen Maschinensteuerung Achsenfehler Achsenkorrektur Maschinenmodell 4

5 Temperature / C Einführung Ablauf Modellerstellung Heutige Präsentation CAD- Modell FEM- Modell Reduz. Modell Systemsimulation Kompensation Time / s x

6 FEM-Modell der Maschine Aufbau der Maschine Kopf + Turm Z Tisch - X - - Y + + Bett 6

7 FEM-Modell der Maschine Aufbau der Maschine und Wärmequellen und -senken Montagefläche Z-Motor Z-Kugelumlaufspindel Z-Encoder Spindel- Aufnahme Konvektion Strahlung Kühlschmierstoff TCP (Tool Center Point) Y-Kugelumlaufspindel 7

8 FEM-Modell der Maschine Randbedingungen Konvektion Strahlung Kühlschmierstoff (KSS) FEM-Modell Elemente Knoten Freiheitsgrade (DOFs) 8

9 FEM-Modell der Maschine Resultate einer transienten FEM-Analyse Temperatur Berechnungszeit: 2 000s für 290 Zeitschritte (ca. 6s/Schritt) Zeit t1 Zeit t2 Zeit t3 9

10 FEM-Modell der Maschine Resultate einer transienten FEM-Analyse Verformung Berechnungszeit: 1 500s für 13 Zeitschritte (ca. 115s/Schritt) Deformations scaled (factor 1 700) 10

11 Temperature / C Modellordnungsreduktion (MOR) CAD- Modell FEM- Modell Reduz. Modell Systemsimulation Kompensation Time / s x

12 Modellordnungsreduktion (MOR) Ziel: Modell kleiner machen bei gleichbleibendem Verhalten FEM-Modell mit MOR-Modell mit 300 DOFs DOFs 12

13 MOR-Modell 300 DOFs FEM-Modell DOFs Modellordnungsreduktion (MOR) Mathematische Grundlagen Gleiche Outputs 13

14 Modellordnungsreduktion (MOR) Export des Modells aus ANSYS Workbench Definitionen in ANSYS Workbench: Werkstoffe Statische Kontakte Inputs und Outputs des reduzierten Modells Definitionen in Matlab/Simulink: Bewegliche Kontakte Verbindungen Konvektion (linear oder nichtlinear) Strahlung Kräfte Leistungen 14

15 Modellordnungsreduktion (MOR) Export des Modells aus ANSYS Workbench Makro in ANSYS Workbench Erzeugte Dateien Datenmenge: 22GB Reduziertes Modell (erzeugt mit Model Reduction inside ANSYS ) Fehler FEM VS MOR < 5 % 15

16 Temperature / C Systemsimulation CAD- Modell FEM- Modell Reduz. Modell Systemsimulation Kompensation Time / s x

17 Systemsimulation Integration in Matlab/Simulink 17

18 Temperature / C Systemsimulation Simulation mit dem reduzierten Modell Temperatur 24.5 Simulation eines 10-stündigen Produktionstag O1_T - Z-Motor (model) O2_T - Spindel (model) O3_T - Y-Kugelgewindetrieb (model) O4_T - Z-Kugelgewindetrieb (Turm) (model) O5_T - Z-Kugelgewindetrieb (Kopf) (model) Time / h 18

19 Displacement / m Displacement / m Displacement / m Systemsimulation Simulation mit dem reduzierten Modell TCP-Verlagerung 2 TCPX (model plant) 2 TCPY (model plant) 2 TCPZ (model plant) Time / h -10 TCPX TCPY TCPZ Time / h Time / h 19

20 Displacement / m Systemsimulation Sensitivitätsanalyse mit dem reduzierten Modell Veränderung von 5 Parametern mit je 3 Werten 125 Kombinationen 125 thermomechanische transiente Analysen mit je Zeitschritten Vorbereitungszeit: ca. 1h Berechnungszeit: ca. 1h Ziel: Beste Parameter ermitteln Parameter-Beispiele: Wärmeleitfähigkeit der Linearführungen Verlustleistung der Motoren Wärmeübergangskoeffizient der Konvektion Emissionsgrad der Strahlung Kontaktwärmeleitfähigkeit Time / h TCPY

21 Temperature / C Kompensation CAD- Modell FEM- Modell Reduz. Modell Systemsimulation Kompensation Time / s x

22 Kompensation Kompensation mit dem Maschinenmodell Reelle Maschine Achsenkorrektur Maschinenmodell Maschinensteuerung TCPX TCPY TCPZ 22

23 Kompensation Vergleich Modell/Realität Realität (real plant) VS Modell: 50% höhere Wärmeleistung 50% höhere Wärmeleitf. der Linearführ. Umgebungstemp.-Schwank. bis zu 10 C Simulation-Szenario: 10h Produktionstag Wärmeübergangskoeff. Konvektion Schwankungen +/-100% 75% tieferer Strahlungsemissionsgrad 23

24 Displacement / m Displacement / m Displacement / m Kompensation Vergleich Modell/Realität TCP-Verlagerung 40 TCPX (real plant) TCPX (model plant) 40 TCPY (real plant) TCPY (model plant) 40 TCPZ (real plant) TCPZ (model plant) model plant real plant Time / h -100 TCPX TCPY TCPZ Time / h Time / h 24

25 Kompensation Kompensation mit dem Beobachter Reelle Maschine 7 Temperaturen Achsenkorrektur Beobachter Maschinensteuerung TCPX TCPY TCPZ 25

26 Kompensation Beobachter Beobachter-Theorie B B A H A error C C 26

27 Displacement / m Displacement / m Displacement / m Kompensation Vergleich Modell/Realität/Beobachter TCP-Verlagerung TCPX (real plant) TCPX (observer plant) TCPX (model plant) TCPY (real plant) TCPY (observer plant) TCPY (model plant) TCPZ (real plant) TCPZ (observer plant) TCPZ (model plant) 0 0 model plant observer plant real plant Time / h -100 TCPX TCPY TCPZ Time / h Time / h 27

28 Displacement / m Displacement / m Kompensation Vergleich Modell/Realität/Beobachter TCP-Verlagerung TCPX (real plant without observer) TCPY (real plant without observer) TCPZ (real plant without observer) Z TCPX (real plant with observer) TCPY (real plant with observer) TCPZ (real plant with observer) 0 X 0 X Y Z Die TCP-Verlagerung kann um -40 Faktor 30 reduziert werden! Ohne Beobachter Time / h Y -100 Mit Beobachter Time / h 28

29 Displacement / m Kompensation Einschub 1: Einfluss der Achsenposition Achsenposition beeinflusst Temperaturverteilung TCP-Verlagerung hängt von Achsenposition ab Z: +300mm Z: -300mm Z: -300mm Z: +300mm TCPY Time / h 29

30 Kompensation Einschub 2: Einfluss des Kühlschmierstoffes Wärmeübergangskoeffizient: W/m 2 /K (Anstatt 2-20 W/m 2 /K ohne KSS) Nicht-konstanter Einfluss (z.b. jede Stunde während 30 Minuten) Oberflächen in Kontakt mit KSS 30

31 Displacement / m Displacement / m Kompensation Einschub 2: Einfluss des Kühlschmierstoffes TCPX (real plant without observer) TCPY (real plant without observer) TCPZ (real plant without observer) TCPX (real plant with observer) TCPY (real plant with observer) TCPZ (real plant with observer) Ohne Beobachter Time / h -150 Mit Beobachter Time / h 31

32 Typische Projektphasen und Zusammenarbeit Wir bieten kein Produkt an, sondern eine Zusammenarbeit in Form eines Projektes Projektphase 1 (z.b. 20kCHF) Erstellung eines FEM-Modells Modellordnungsreduktion Durchführung von Systemsimulationen zur Erstanalyse der Maschine mit dem Modell spielen Was Sie machen müssen: Sie unterstützen uns mit detaillierten Informationen zur Maschine Sie beurteilen kritisch die ersten Resultate :) Was Sie erhalten: State of the art Resultate der thermomechanisch transienten Analysen Werkzeug zur Untersuchung des Maschinenverhaltens Projektphase 2 (ab 30kCHF) Temperaturmessung der Maschine Optimierung des Modells Simulationen zur detaillierten Analyse der Maschine Verbesserungen formulieren Was Sie machen müssen: Sie unterstützen uns während der Messungen und der Optimierung Was Sie erhalten: Validiertes Modell zur quantitativen Analyse Einzigartiges Werkzeug zur Analyse und Optimierung von Mc (z.b. Sensitivitätsanalyse) Projektphase 3 Erstellung eines Beobachters Echtzeit-Überwachung der Maschine Echtzeit-Kompensation der thermisch induzierten Verformungen Was Sie machen müssen: Sie stellen eine Maschine zur Verfügung zum Implementieren und Testen des Beobachters 32

33 Fazit und Fragen Simulationsmethode Einzigartiges Werkzeug zum Verstehen und Optimieren einer Maschine Sehr schnelle Simulationen durchführen Ermöglicht Sensitivitätsanalysen und Parameterstudien Einsetzbar zur Echtzeit-Überwachung des Maschinenverhaltens Kompensation Hohes Potential Nichtlinearitäten, KSS, Achsenbewegung usw. können modelliert werden Viele arbeiten daran aber fast niemand hat zurzeit eine praktikable Lösung Lösung für morgen (aber nicht übermorgen!) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 33

34 Kontakt Luca Roncarati M.Sc. Mech. Engineering FH Zellweger Ingenieurgesellschaft mbh Schwalmernstrasse Thun BE D M lur@zellweger.biz