MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß · Testfall1 Peak2Peak TCP 7,2 Testfall1...

MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast

TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG

MECHATRONISCHE SIMULATION IM

ENTWICKLUNGSPROZEß

Dr.-Ing. Alexandra Ast

Ditzingen

Maschinendynamik

MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra AstMECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast

1. Entwicklungsbegleitende Simulation2. Mitwachsende Modelle3. Werkzeugkasten4. Beispiel: Modellabgleich zum Versuch

2

MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß



ENTWICKLUNGSBEGLEITENDE SIMULATION

3


Frontloading zur Aufwands- und Risikoreduzierung

4

Entwicklungsbegleitende Simulation

Frühzeitige Einbindung der Simulation in die Entwicklung

100%

0%

Ent.-Prog. Konzept Entwurf Prototyp Erprobung Markteintritt Serie

Aufw

and,

Ris

iko

Aufwand

Risiko

Frontloading

MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast 5


Frontloading zur Aufwands- und Risikoreduzierung

-1000

0

1000

2000

3000

4000

0

1000

2000

-500

0

500

XY

Z

Ziele:

Qualität

Leistungsfähigkeit

Entwicklungsrisiko

Entwicklungszeit Berater Entwickler

Rollen:



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. Standard-

formate für Modell- & Simulationsdaten)

100%

0%

Ent.-Prog. Konzept Entwurf Prototyp Erprobung Markteintritt Serie

Aufw

and

-5000

5001000

15002000

25003000

35004000

0

1000

2000

-500

0

500

x

f = 48.007 Hz

y

z

Regle

r

Antr

ieb

-1000

0

1000

2000

3000

4000

0

1000

2000

-500

0

500

XY

Z

Regle

r 7

Antr

ieb 9

Regle

r 4

Antr

ieb 2

0

1000

2000

3000

4000

-5000500100015002000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

x

y

z



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



MITWACHSENDE MODELLE

8


Sollwerte

Strukturmechanik

Antriebsstrang & Regelung

Gesamtmodellbildung in Matlab/Simulink

9



Beispiel Antriebsstrang

10


Modellbibliothek für wiederkehrende Elemente


Bibliothek: Beispiel Getriebe mit optionalen Nichtlinearitäten

11


Antriebsmoment [Nm]

Abtriebsgeschwindigkeit [rad/s]

Abtriebsposition [rad]

Antriebsposition [rad]

Antriebsgeschwindigkeit [rad/s]

Abtriebsmoment [Nm]

Kippsteif igkeit [N/m]

Übersetzung [ ]

Getriebestufe

1.7

JGi

y

x

z

φ2, M2 φ3, M3φ2/i

JGJGi

y

x

z

φ2, M2 φ3, M3φ2/i

Modellbibliothek

Standardparameter

Zusatzeigenschaft 1

Zusatzeigenschaft 2

Zusatzeigenschaft 3


Bibliothek: Beispiel Reglerblock Siemens840D/Sinamics

12

• abgeglichenes Verhalten zu Messungen

• Konfigurierbar für unterschiedliche Analysen

• Parametrierbar wie an der realen Steuerung



Sollwerte

Strukturmechanik

Antriebsstrang & Regelung

Gesamtmodellbildung in Matlab/Simulink

13



Strukturmechanik-Modelle

14


• Komponentenweiser Modellaufbau aus reduzierten FE-Modellen

• Reduktionsmethoden: modale und Krylov-Reduktion mit anschließender

balancierter Reduktion über HSV

CAD-Modell FE-Modell + Modellreduktion

-5000

5001000

15002000

25003000

35004000

0

1000

2000

-800

-600

-400

-200

x

t = 0

y

z

uDxCy

uBxAx

SS-Modell

[Kraft]

[Position Geschwindigkeit]

Kraft x [1x1]

Kraft y [1x1]

Kraft Fuehrung x [4x1]

Kraft Fuehrung y [4x1]

PosVel x [2x1]

PosVel y [2x1]

PosVel Fuehrung x [8x1]

PosVel Fuehrung y [8x1]

Kraft x [1x1]

Kraft Fuehrung x [4x1]

Kraft Aufstellung [4x1]

PosVel x [1x1]

PosVel Fuehrung x [8x1]

PosVel Aufstellung [8x1]

Kraft y [1x1]

Kraft Fuehrung y [4x1]

PosVel y [2x1]

PosVel Fuehrung y [8x1]

2

yIst

1

xIst

Krä

fte

[N

] b

zw

[N

mm

]M

essu

ng

en

[m

m]

un

d [

mm

/s]

Z_FEYZ_FEQT_FEMK_FE

-1-1

Po

s/V

el K

1 (

x,x

p,y

,yp

,z,z

p)

[m,

m/s

]

Po

s/v

el K

2 (

x,x

p,y

,yp

,z,z

p)

[m,

m/s

]

Kra

ft a

uf

1 [

N]

Kra

ft a

uf

2 [

N]

Fuehrung_z

1.4

Po

s/V

el K

1 (

x,x

p,y

,yp

,z,z

p)

[m,

m/s

]

Po

s/v

el K

2 (

x,x

p,y

,yp

,z,z

p)

[m,

m/s

]

Kra

ft a

uf

1 [

N]

Kra

ft a

uf

2 [

N]

Fuehrung_y

1.4

Po

s/V

el K

1 (

x,x

p,y

,yp

,z,z

p)

[m,

m/s

]

Po

s/v

el K

2 (

x,x

p,y

,yp

,z,z

p)

[m,

m/s

]

Kra

ft a

uf

1 [

N]

Kra

ft a

uf

2 [

N]

Fuehrung_x

1.4

Po

s/V

el K

1 (

x,x

p,y

,yp

,z,z

p)

[m,

m/s

]

Po

s/v

el K

2 (

x,x

p,y

,yp

,z,z

p)

[m,

m/s

]

Kra

ft a

uf

1 [

N]

Kra

ft a

uf

2 [

N]

Aufstellung

1.4

2

yKraft

1

xKraftxKraf t

y Kraf t


Bibliothek: Block für FE-Komponente

15


Übergabe FE-Modellstrukt

• Einfache Initialisierung: FE-Modellstrukt

• Informationen zum Inhalt des Modellstrukts in der Maske direkt visualisierbar


Variantenbildung

16


Einfache Konfigurierbarkeit für verschiedene Simulationsvarianten

Variante 1

Variante 3

Variante 2

+ +

+ =

= =

Arbeitsraumposition

+ =

Variante 4



WERKZEUGKASTEN

17


Import von FE-Modellen

18

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.

Werkzeugkasten

CAD-Modell FE-Modell + Modellreduktion

-5000

5001000

15002000

25003000

35004000

0

1000

2000

-800

-600

-400

-200

x

t = 0

y

z

uDxCy

uBxAx

SS-Modell


Import von FE-Modellen

19

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, Schweißnaht-

simulation etc.)

Deutliche Reduktion der anfallenden Simulationsdaten

Werkzeugkasten

-5000

5001000

15002000

25003000

35004000

0

1000

2000

-800

-600

-400

-200

x

t = 0

y

z


Import von FE-Modellen: Vorbereitungen in ANSYS

20

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)

Werkzeugkasten

Koppel-, Mess-

und Störknoten

Visualisierung aus Geometrie

Kanten, Kreise, einzelne Punkte


Import von FE-Modellen: Import in Matlab

21

Einlesen der ds.dat-Datei mit ImportMechanikGui für alle Daten der Koppel-, Mess-

und Störknoten keine Nachbearbeitung mehr nötig

Werkzeugkasten

Matlab-Function erzeugt automatisch Visualisierung aus Ansys-Daten

Nachbearbeitung nur noch für komplexe Geometrien nötig

Zeitersparnis ca. 50 %


Standardanalysen im Frequenzbereich: Übertragungsfunktionen,Parametrierung der Regler, Modalanalyse & Betriebsschwingungen

22

Werkzeugkasten

Dre

hzahlr

egel-

str

ecke

0

1000

2000

3000

4000

0

1000

2000

-500

0

500

xy

z

0

1000

2000

3000

4000

-5000500100015002000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

x

y

f = 48.007 Hz

z

10-1

100

101

102

-100

0

100

Frequenz [Hz]

Phase [

°]

10-1

100

101

102

-150

-100

-50Frequenzgang Drehzahlregelstrecke

Am

plit

ude [

dB

]

FG DRS x links

10-1

100

101

102

-100

0

100

Frequenz [Hz]

Phase [

°]

10-1

100

101

102

-40

-20

0

Frequenzgang geschlossener Lageregelkreis

Am

plit

ude [

dB

]

FG P closed x links

10-1

100

101

102

-100

0

100

Frequenz [Hz]

Phase [

°]

10-1

100

101

102

-30

-20

-10

0

10

Frequenzgang geschlossener Geschwindigkeitsregelkreis

Am

plit

ude [

dB

]

FG N closed x links

*) a

lle F

requ

en

ze

n n

orm

iert

Geschl. D

rehzahh

l-

regelk

reis

Geschl. L

age-

reg

elk

reis

Ermittlung der erreichbaren Dynamik und Identifikation von Schwachstellen


Standardanalysen im Frequenzbereich: Beispiel

23

Werkzeugkasten

Animations-Tool zur Auswertung von Betriebsschwingungen

Features:

Vergleich der Schwingungs-

formen bei verschiedenen

Frequenzen

Vergleich der Schwingungs-

formen verschiedener

Modelle

Grafisch interaktive Aus-

wahl der Frequenz

Ein-, Ausblenden und

Transparenz ändern von

Komponenten

Videoexportfunktion


KreisformtestAutomatisierte Stepauswertung

Standardanalyse im Zeitbereich

24

Werkzeugkasten

-5 0 5-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

x [mm]

y [

mm

]

Ist

Soll

Ermittlung des Überschwingverhaltens,

Nachgiebigkeit unter Beschleunigung,

Identifikation von Schwachstellen,

Abstimmung der Achsdynamiken


Standardanalysen im Zeitbereich: Beispiel

25

Animations-Tool zur Auswertung von Zeitsimulationen

Werkzeugkasten

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



BEISPIEL: MODELLABGLEICH

26



27

Beispiel Modellabgleich

Konzept Entwurf Prototyp Vorserie Serie

Konzeptbewertung

• Kinematik

• Antriebe + Regelung

Auslegung

• Mechanik

• Antriebe

Analyse

• Abgleich mit

Experiment

Optimierung

• Dynamik

• Kosten

• FEM - Anys

• CACE - Matlab

Quality Gates

Ziele:

Qualität Leistungsfähigkeit

Entwicklungsrisiko Entwicklungszeit


Beispiel: Modellabgleich

Ausgangssituation der Drehzahlregelstrecke einer Neuentwicklung

Schon gute Übereinstimmung auf Basis der Katalogparameter


Ermittlung des Parametereinfluss auf das betrachtete Übertragungsverhalten

Definition verschiedener Frequenzbereiche zur Abgrenzung und Gewichtung

Sensitivität ist die Summe aller Veränderungen für die definierten Frequenzbereiche


29

Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der relevanten Parameter

1

2

3

45

Aus 42 Parameter werden 12 mit dem größten Einfluss ermittelt



Übereinstimmung nach gradientenbasierter Optimierung[N

/m]

Steifigkeiten

Startwert Optimierungsergebnis

Gütefunktional

Summe der Abweichung zwischen

Messung und Simulation für

definierte Frequenzpunkte

• Übereinstimmung

konnte verbessert

werden

• Geschlossener

Drehzahl- und Lage-

regelkreis zeigen mit

gleichen Parametern

gute Übereinstimmung



Übereinstimmung im Zeitbereich

Dynamik Auswertung Messstelle Abweichung

[-] [-] [%]

Testfall1 Peak2Peak TCP 7,2

Testfall1 Nachgiebigkeit TCP – Motor 0,9

Testfall2 Peak2Peak TCP 7,1

Testfall2 Nachgiebigkeit TCP – Motor 1,67

Messstellen

Mit dem abgeglichenen Modell wird eine sehr gute Übereinstimmungen erreicht!


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

Fazit

Mit den mitwachsende Modellen und dem zugehörigen Werkzeugkasten sind die

Rahmenbedingungen geschaffen worden, die Simulation im gesamten Entwicklungs-

prozess erfolgreich zu verankern



Dr.-Ing. Alexandra Ast, Maschinendynamik

Ditzingen

UND JETZT FREUE ICH MICH AUF

IHRE FRAGEN!



Alexandra AstMaschinendynamik

+49 7156 303-32496

[email protected]

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Import von FE-Modellen: ursprüngliches Vorgehen

35

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,...)

Werkzeugkasten

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