mechatronische simulation im entwicklungsprozeß · testfall1 peak2peak tcp 7,2 testfall1...
Post on 29-Jul-2020
1 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra AstMECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß
ENTWICKLUNGSBEGLEITENDE SIMULATION
3
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
Entwicklungsbegleitende Simulation
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:
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast 6
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. 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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast 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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra AstMECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß
MITWACHSENDE MODELLE
8
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Sollwerte
Strukturmechanik
Antriebsstrang & Regelung
Gesamtmodellbildung in Matlab/Simulink
9
Mitwachsende Modelle
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Beispiel Antriebsstrang
10
Mitwachsende Modelle
Modellbibliothek für wiederkehrende Elemente
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Bibliothek: Beispiel Getriebe mit optionalen Nichtlinearitäten
11
Mitwachsende Modelle
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Bibliothek: Beispiel Reglerblock Siemens840D/Sinamics
12
• abgeglichenes Verhalten zu Messungen
• Konfigurierbar für unterschiedliche Analysen
• Parametrierbar wie an der realen Steuerung
Mitwachsende Modelle
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Sollwerte
Strukturmechanik
Antriebsstrang & Regelung
Gesamtmodellbildung in Matlab/Simulink
13
Mitwachsende Modelle
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Strukturmechanik-Modelle
14
Mitwachsende Modelle
• 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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Bibliothek: Block für FE-Komponente
15
Mitwachsende Modelle
Übergabe FE-Modellstrukt
• Einfache Initialisierung: FE-Modellstrukt
• Informationen zum Inhalt des Modellstrukts in der Maske direkt visualisierbar
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Variantenbildung
16
Mitwachsende Modelle
Einfache Konfigurierbarkeit für verschiedene Simulationsvarianten
Variante 1
Variante 3
Variante 2
+ +
+ =
= =
Arbeitsraumposition
+ =
Variante 4
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra AstMECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß
WERKZEUGKASTEN
17
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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 %
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra AstMECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß
BEISPIEL: MODELLABGLEICH
26
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Entwicklungsbegleitende Simulation
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast 28
Beispiel: Modellabgleich
Ausgangssituation der Drehzahlregelstrecke einer Neuentwicklung
Schon gute Übereinstimmung auf Basis der Katalogparameter
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
Ermittlung des Parametereinfluss auf das betrachtete Übertragungsverhalten
Definition verschiedener Frequenzbereiche zur Abgrenzung und Gewichtung
Sensitivität ist die Summe aller Veränderungen für die definierten Frequenzbereiche
Beispiel: Modellabgleich
29
Sensitivitätsanalyse zur Ermittlung der relevanten Parameter
1
2
3
45
Aus 42 Parameter werden 12 mit dem größten Einfluss ermittelt
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast 30
Beispiel: Modellabgleich
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast 31
Beispiel: Modellabgleich
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!
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast 32
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
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra AstMECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG
Dr.-Ing. Alexandra Ast, Maschinendynamik
Ditzingen
UND JETZT FREUE ICH MICH AUF
IHRE FRAGEN!
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
TRUMPF Werkzeugmaschinen GmbH + Co. KG
Alexandra AstMaschinendynamik
+49 7156 303-32496
Alexandra.Ast@de.trumpf.com
ANSPRECHPARTNER
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
MECHATRONISCHE SIMULATION IM ENTWICKLUNGSPROZEß, Dr.-Ing. Alexandra Ast
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
top related