MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß

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1 TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß Dr.-Ing. Alexandra Ast Maschinendynamik Ditzingen

2 MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß 1. Entwicklungsbegleitende Simulation 2. Mitwachsende Modelle 3. Werkzeugkasten 4. Beispiel: Modellabgleich zum Versuch 2

3 MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß ENTWICKLUNGSBEGLEITENDE SIMULATION 3

4 Entwicklungsbegleitende Simulation Frontloading zur Aufwands- und Risikoreduzierung Frühzeitige Einbindung der Simulation in die Entwicklung 1% Aufwand, Risiko Frontloading Aufwand Risiko % Ent.-Prog. Konzept Entwurf Prototyp Erprobung Markteintritt Serie 4

5 Entwicklungsbegleitende Simulation Frontloading zur Aufwands- und Risikoreduzierung 5 Z Y -1 X Ziele: Rollen: Qualität Leistungsfähigkeit Entwicklungsrisiko Entwicklungszeit Berater Entwickler 5

6 z y -5 f = 48.7 Hz 5 1 x 25 4 Antrieb Regler z y x 3 4 Antrieb 2 Regler 4 Z Y -1 X Antrieb 9 Regler 7 Entwicklungsbegleitende Simulation Rahmenbedingungen für erfolgreiche Umsetzung Mitwachsende Modelle Modularer Modellaufbau mit definierten Schnittstellen (Variantenbildung, Detaillierung) Modellbibliothek für wiederkehrende Elemente (z.b. Regler, Getriebe, Führungen,...) Einheitliches Vorgehen zur Modellerstellung und Datenbehandlung (z.b. Standardformate für Modell- & Simulationsdaten) 1% Aufwand % Ent.-Prog. Konzept Entwurf Prototyp Erprobung Markteintritt Serie 6

7 Entwicklungsbegleitende Simulation Rahmenbedingungen für erfolgreiche Umsetzung Werkzeugkasten Toolkette zum Import von neuen FE-Modelle aus Ansys Skripte/Templates/GUIs für Standardaufgaben Leitfäden für Standardanalyse Immer wiederkehrende Fragestellungen können bei gleichbleibender Qualität schnell bearbeitet werden Neue Modelle und Modellvarianten können effizient erstellt werden 7

8 MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß MITWACHSENDE MODELLE 8

9 Mitwachsende Modelle Gesamtmodellbildung in Matlab/Simulink Sollwerte Antriebsstrang & Regelung Strukturmechanik 9

10 Mitwachsende Modelle Beispiel Antriebsstrang Modellbibliothek für wiederkehrende Elemente 1

11 Mitwachsende Modelle Bibliothek: Beispiel Getriebe mit optionalen Nichtlinearitäten Modellbibliothek Standardparameter Antriebsmoment [Nm] Abtriebsgeschwindigkeit [rad/s] Abtriebsposition [rad] Getriebestufe 1.7 Antriebsposition [rad] Antriebsgeschwindigkeit [rad/s] Abtriebsmoment [Nm] Kippsteifigkeit [N/m] Übersetzung [ ] Zusatzeigenschaft 1 Zusatzeigenschaft 2 y φ2, M2 φ3, M3 φ2/i i J G x Zusatzeigenschaft 3 z 11

12 Mitwachsende Modelle Bibliothek: Beispiel Reglerblock Siemens84D/Sinamics abgeglichenes Verhalten zu Messungen Konfigurierbar für unterschiedliche Analysen Parametrierbar wie an der realen Steuerung 12

13 Mitwachsende Modelle Gesamtmodellbildung in Matlab/Simulink Sollwerte Antriebsstrang & Regelung Strukturmechanik 13

14 z y -5 t = 5 1 x 25 4 Mitwachsende Modelle [Kraft] Strukturmechanik-Modelle 1 xkraft xkraf t 2 y Kraf t ykraft -1-1 Kraft x [1x1] Kraft Fuehrung x [4x1] Kraft Aufstellung [4x1] Kraft x [1x1] Kraft y [1x1] Kraft Fuehrung x [4x1] Kraft Fuehrung y [4x1] Kraft y [1x1] Kraft Fuehrung y [4x1] Kraft auf 1 [N] Kraft auf 2 [N] Kraft auf 1 [N] Kraft auf 2 [N] Kräfte [N] bzw [Nmm] MK_FE Pos/Vel K1 (x,xp,y,yp,z,zp) [m, m/s] Kraft auf 1 [N] Kraft auf 2 [N] Pos/Vel K1 (x,xp,y,yp,z,zp) [m, m/s] Pos/vel K2 (x,xp,y,yp,z,zp) [m, m/s] Kraft auf 1 [N] Pos/vel K2 (x,xp,y,yp,z,zp) [m, m/s] Kraft auf 2 [N] Aufstellung 1.4 Fuehrung_x 1.4 QT_FE Pos/Vel K1 (x,xp,y,yp,z,zp) [m, m/s] Pos/vel K2 (x,xp,y,yp,z,zp) [m, m/s] Fuehrung_y 1.4 YZ_FE Pos/Vel K1 (x,xp,y,yp,z,zp) [m, m/s] Pos/vel K2 (x,xp,y,yp,z,zp) [m, m/s] Fuehrung_z 1.4 Messungen [mm] und [mm/s] Z_FE PosVel x [1x1] PosVel Fuehrung x [8x1] PosVel Aufstellung [8x1] PosVel x [2x1] PosVel y [2x1] PosVel Fuehrung x [8x1] PosVel Fuehrung y [8x1] PosVel y [2x1] PosVel Fuehrung y [8x1] 2 yist CAD-Modell FE-Modell + Modellreduktion [Position Geschwindigkeit] 1 xist SS-Modell x Ax Bu y Cx Du Komponentenweiser Modellaufbau aus reduzierten FE-Modellen Reduktionsmethoden: modale und Krylov-Reduktion mit anschließender balancierter Reduktion über HSV 14

15 Mitwachsende Modelle Bibliothek: Block für FE-Komponente Übergabe FE-Modellstrukt Einfache Initialisierung: FE-Modellstrukt Informationen zum Inhalt des Modellstrukts in der Maske direkt visualisierbar 15

16 Mitwachsende Modelle Variantenbildung Arbeitsraumposition + = + + Variante 4 + = = = Variante 3 Variante 1 Variante 2 Einfache Konfigurierbarkeit für verschiedene Simulationsvarianten 16

17 MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß WERKZEUGKASTEN 17

18 z y -5 t = 5 1 x 25 4 Werkzeugkasten Import von FE-Modellen CAD-Modell FE-Modell + Modellreduktion SS-Modell x Ax Bu y Cx Du Anforderung an den Import Dynamische Verhalten soll ausreichend gut mit möglichst kleinen Modellen abgebildet werden Reduktionsmethode: modale oder Krylov-Reduktion + bal. Reduktion mit HSV Definition wichtiger Ein-/Ausgänge Koppelstellen für Kraftelemente, Messpunkte, Angriffspunkte für Störkräfte,... grobe Visualisierung Darstellung der Verformungen/Schwingungen (auf Niveau exp. Modalanalyse) Möglichst automatisiertes Vorgehen schnell durchführbar, Reduktion von Fehlern, einfache Variantenbildung etc. 18

19 Werkzeugkasten Import von FE-Modellen Warum nur eine grobe Visualisierung? Schwingungsform und -verhalten ist noch gut erkennbar Details über einzelnen Knoten bzw. kleinster Elemente ist nicht Zielsetzung der Simulation (eher FEM-Simulation z.b. Festigkeitsberechnungen, Schweißnahtsimulation etc.) Deutliche Reduktion der anfallenden Simulationsdaten t = z y x

20 Werkzeugkasten Import von FE-Modellen: Vorbereitungen in ANSYS Alle Informationen sind im Prinzip schon in ANSYS vorhanden ( Textdatei ds.dat) Vergabe von Schlüsselbezeichnungen (z.b. RMK, VK,...) Zusätzliche Informationen in Standardbezeichner (z.b.: Gruppierung, FHG bei Remote Pointes; Typ, Anzahl Punkte, Flächenzugehörigkeit bei Visualisierung) Koppel-, Messund Störknoten Visualisierung aus Geometrie Kanten, Kreise, einzelne Punkte 2

21 Werkzeugkasten Import von FE-Modellen: Import in Matlab Einlesen der ds.dat-datei mit ImportMechanikGui für alle Daten der Koppel-, Messund Störknoten keine Nachbearbeitung mehr nötig Matlab-Function erzeugt automatisch Visualisierung aus Ansys-Daten Nachbearbeitung nur noch für komplexe Geometrien nötig Zeitersparnis ca. 5 % 21

22 *) alle Frequenzen normiert Geschl. Drehzahhlregelkreis Geschl. Lageregelkreis z Drehzahlregelstrecke z Werkzeugkasten Standardanalysen im Frequenzbereich: Übertragungsfunktionen, Parametrierung der Regler, Modalanalyse & Betriebsschwingungen y f = 48.7 Hz x y Frequenzgang geschlossener Geschwindigkeitsregelkreis x Amplitude [db] Phase [ ] Frequenzgang Drehzahlregelstrecke FG DRS x links Frequenz [Hz] Amplitude [db] Amplitude [db] Frequenzgang geschlossener Lageregelkreis Phase [ ] 1-1 FG N closed x links Phase [ ] 1-1 FG P closed x links Frequenz [Hz] Frequenz [Hz] Ermittlung der erreichbaren Dynamik und Identifikation von Schwachstellen 22

23 Werkzeugkasten Standardanalysen im Frequenzbereich: Beispiel Animations-Tool zur Auswertung von Betriebsschwingungen Features: Vergleich der Schwingungsformen bei verschiedenen Frequenzen Vergleich der Schwingungsformen verschiedener Modelle Grafisch interaktive Auswahl der Frequenz Ein-, Ausblenden und Transparenz ändern von Komponenten Videoexportfunktion 23

24 Werkzeugkasten Standardanalyse im Zeitbereich Automatisierte Stepauswertung y [mm] Kreisformtest Ist Soll -5 5 x [mm] Ermittlung des Überschwingverhaltens, Nachgiebigkeit unter Beschleunigung, Identifikation von Schwachstellen, Abstimmung der Achsdynamiken 24

25 Werkzeugkasten Standardanalysen im Zeitbereich: Beispiel Animations-Tool zur Auswertung von Zeitsimulationen Features: Anzeigemöglichkeiten: Absolutbewegung Relativ zur Soll-Bewegung des Motors Relativ zur Ist-Bewegung des Motors Zeitsteuerung: Zusammenhang zwischen Signalverlauf und Animation Basisfunktionen wie bei Schwingungsanimation 25

26 MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß BEISPIEL: MODELLABGLEICH 26

27 Beispiel Modellabgleich Entwicklungsbegleitende Simulation Konzeptbewertung Kinematik Antriebe + Regelung Auslegung Mechanik Antriebe Analyse Abgleich mit Experiment Optimierung Dynamik Kosten FEM - Anys CACE - Matlab Konzept Entwurf Prototyp Vorserie Serie Quality Gates Ziele: Qualität Entwicklungsrisiko Leistungsfähigkeit Entwicklungszeit 27

28 Beispiel: Modellabgleich Ausgangssituation der Drehzahlregelstrecke einer Neuentwicklung Schon gute Übereinstimmung auf Basis der Katalogparameter 28

29 Beispiel: Modellabgleich Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der relevanten Parameter Ermittlung des Parametereinfluss auf das betrachtete Übertragungsverhalten Definition verschiedener Frequenzbereiche zur Abgrenzung und Gewichtung Sensitivität ist die Summe aller Veränderungen für die definierten Frequenzbereiche Aus 42 Parameter werden 12 mit dem größten Einfluss ermittelt 29

30 [N/m] Beispiel: Modellabgleich Übereinstimmung nach gradientenbasierter Optimierung Gütefunktional Summe der Abweichung zwischen Messung und Simulation für definierte Frequenzpunkte Steifigkeiten Startwert Optimierungsergebnis Übereinstimmung konnte verbessert werden Geschlossener Drehzahl- und Lageregelkreis zeigen mit gleichen Parametern gute Übereinstimmung 3

31 Beispiel: Modellabgleich Übereinstimmung im Zeitbereich Messstellen Dynamik Auswertung Messstelle Abweichung [-] [-] [%] Testfall1 Peak2Peak TCP 7,2 Testfall1 Nachgiebigkeit TCP Motor,9 Testfall2 Peak2Peak TCP 7,1 Testfall2 Nachgiebigkeit TCP Motor 1,67 Mit dem abgeglichenen Modell wird eine sehr gute Übereinstimmungen erreicht! 31

32 Fazit Realitätsnahe Nachbildung des gesamten Maschinenverhaltens durch Integration von Steuerung, Regelung und Mechanik in einem Modell Sicherstellen in frühen Entwicklungsphasen, dass Entwicklungszielen erreichbar sind Reduktion von Optimierungsschleifen an realen Prototypen Steigerung der Prognosefähigkeit von virtuellen Prototypen durch Abgleich mit realen Prototypen Fortlaufende Weiterentwicklung der Modelle und Werkzeuge Mit den mitwachsende Modellen und dem zugehörigen Werkzeugkasten sind die Rahmenbedingungen geschaffen worden, die Simulation im gesamten Entwicklungsprozess erfolgreich zu verankern 32

33 TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG UND JETZT FREUE ICH MICH AUF IHRE FRAGEN! Dr.-Ing. Alexandra Ast, Maschinendynamik Ditzingen

34 TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG ANSPRECHPARTNER Alexandra Ast Maschinendynamik Alexandra.Ast@de.trumpf.com

35 Werkzeugkasten Import von FE-Modellen: ursprüngliches Vorgehen Koordinaten und Knotennummern aller Koppel- und Visualisierungspunkte wurde mit Skript aus Ansys-Classic in ein Text-File geschrieben und wieder in Matlab importiert Visualisierung aus Punktewolke zusammengeklickt Jeder Koppelknoten musste händisch nachbearbeitet werden (FHG, Bezeichnung,...) 35