SimCAT

Problemstellung:
Der hohe Zeit- und Kostendruck zwingt Maschinenhersteller dazu, Entwicklungsprozesse ständig zu rationalisieren. Erprobungen und Optimierung mit Prototypen ist heute sowohl aus zeitlichen als auch aus Kostengründen kaum noch durchführbar. Entwicklungszeiten und damit die Time-to-market kann durch Einsatz von Berechnungs- und Optimierungswerkzeuge verkürzt werden, wenn Werkzeugmaschinen vollständig mit ihrer mechanischen Struktur, dem Antriebs- und Regelungsverhalten und ihrem Fertigungsprozessverhalten simuliert und optimiert werden können. Bisher eingesetzte Simulationsverfahren betrachten jedoch jeweils isoliert die Aspekte Mechanik, Steuerungs- und Antriebstechnik und die Prozesssimulation, wobei diese Verfahren zudem vorwiegend zeitlich hintereinander (sequentiell) eingesetzt werden, was eine ganzheitliche Betrachtung und auch Optimierung verhindert.

Projektziele:
Erklärtes Gesamtziel des Projektes ist es, eine integrierte Simulationsumgebung zu schaffen, mit der das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen durch virtuelle Modelle ganzheitlich abgebildet wird. Dies erfordert insbesondere die Einbeziehung der Maschinenregelung. Die Simulationsumgebung besteht aus gekoppelter Standardsoftware, die es ermöglicht, das reale Verhalten der Werkzeugmaschinen hinsichtlich Steifigkeit, Schwingungs- und Bewegungsverhalten zu simulieren und dabei Einwirkungen durch Prozesskräfte oder das Regelerverhalten zu betrachten. Die Simulation erfolgt auf verschiedenen Ebenen. Das Schwingungsverhalten wird sehr exakt im Frequenzbereich abgebildet, d.h. das Übertragungsverhalten der Werkzeugmaschine wird bei den Eigenfrequenzen untersucht. Das Bewegungsverhalten in Kombination mit einer Anbindung an eine virtuelle Maschinensteuerung wird im Zeitbereich analysiert, für die Anpassung einer realen NC-Steuerung an ein Maschinenmodell wird eine Hardware-in-the-Loop-Simulation in Echtzeit durchgeführt. Dies bildet wird die Grundlage für die Optimierung von einzelnen Bauteilen bis hin zum Gesamtsystem.

Vorgehensweise:
Zur erfolgreichen Realisierung dieser Ziele sind Know-how-Träger aus den Bereichen der Entwicklung und Simulation von Werkzeugmaschinen sowie der Software- und Methodenentwicklung notwendig. Das Konsortium wurde deshalb aus Werkzeugmaschinen-, Komponenten- und Steuerungs-, Softwareherstellern und Hochschulinstituten zusammengestellt, die allesamt ein umfangreiches Know-how zur Umsetzung der angestrebten Aufgaben in ihren Bereichen mit sich bringen.
Der Erfolg dieses Projektes wird daran gemessen, wie mit Hilfe der integrierten Simulation prozesskritische Komponenten von Beispielmaschinen identifiziert und optimiert werden können, wie sich die Praxistauglichkeit bei der Entwicklung von Prototypen verhält und wie die Simulation mit den messtechnischen Untersuchungen übereinstimmt.

Ergebnisse und Verwertungspotential:
Auf drei Arbeitsebenen im Projekt wurde eine Reihe nachhaltiger Ergebnisse erzielt.
1.) In der Simulation im Frequenzbereich wurde prototypisch ein Kaskadenregler mit werkzeugmaschinentypischem Aufbau entwickelt und als Reglerelement in die die FEM-Software Permas integriert. Das Verhalten dieses Reglers in mechatronischen FE-Modellen wurde in ausgiebigen Testläufen erprobt und durch Messungen verifiziert.
Prozessstabilitätsuntersuchungen wurden mit dem Softwaretool CutPro durchgeführt und experimentell verifiziert. Die Berechung von Stabilitätskarten mit CutPro bietet die Möglichkeit, die Stabilität von Zersp
anprozessen zu untersuchen und in den Berechnungs- und Optimierungszyklus einzubinden. Hier wurde erkannt, dass die Prognosefähigkeit - die wesentliche Voraussetzung für die Einsetzbarkeit des Verfahrens - noch verbesserungsbedürftig ist.
Im Projekt wurden durch dynamische Untersuchungen an Wälzführungen zum ersten Mal Dämpfungskoeffizienten dieser Maschinenkomponenten experimentell ermittelt. Diese Kenntnisse sind für eine belastbare, prognosefähige Simulation dringend erforderlich
2.) Für die Simulation im Zeitbereich wurden die Verfahren für die Modellreduktion Praxistauglichkeit erprobt. Mit den so reduzierten Modellen kann die Bewegungsdynamik von Werkzeugmaschinen hinsichtlich großer Verfahrwege und Genauigkeitsaspekten untersucht werden. 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.
3.) Verschiedene Lösungsansätze der Anbindung einer realen Steuerung an virtuelle Maschinenmodelle auf FEM- und MKS-Basis wurden untersucht, um eine Echtzeitsimulation zu realisieren. Es ist nun möglich, ein virtuelles Modell einer Werkzeugmaschine mit einer realen CNC-Steuerung in Achsregelung zu betreiben (Hardware-in-the-Loop-Simulation) und damit die Reglerparameter bereits in der Entwicklungsphase auf das jeweilige Maschinenverhalten abzustimmen. Dadurch können Inbetriebnahmezeiten massiv reduziert werden.
4.) Über die Simulation von Werkzeugmaschinen hinaus wurde in SimCAT auch deren Optimierung untersucht. Im Vordergrund stand, das dynamische Verhalten der Maschine möglichst gut zu gestalten, d.h. unerwünschte Schwingungen zu vermeiden und ein bestmögliches Positionier-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungsverhalten zu erreichen. Ein Ansatz hierfür liegt in der Strukturoptimierung. Ziel der Strukturoptimierung ist eine Bauteilgestalt, bei der maximale statische und dynamische Steifigkeit mit geringer Masse erreicht werden. Ein Lösungsansatz für diese Aufgabenstellung wurde erfolgreich in die Optimierungssoftware Tosca implementiert. Die Einbeziehung der Prozessstabilität (Software CutPro) in einen Optimierungsloop aus Finite-Elemente-Analyse (Software Permas) und Parameteropti-mierung (Software OptiSLang) konnte in SimCAT prototypisch realisiert werden.

Integration von CA-Techniken zur ganzheitlichen Simulation und Optimierung von Fertigungseinrichtungen vom CAD bis hin zur Hardware-in-the-Loop-Simulation

Autor: Fleischer, J.

Verlag: Universität Karlsruhe (TH) -wbk-

Erscheinungsjahr: 2006

Beschreibung: Auf Basis bekannter Simulationsverfahren wurde im Projekt SIMCAT eine durchgängige Simulationsumgebung definiert und prototypisch realisiert, in der viele bisher isoliert verwendete Simulationsverfahren in einer geschlossenen Struktur mit erklärten Schnittstellen und Übergängen eingesetzt werden können. Dabei wird mit einem ganzheitlichen mechatronischen Ansatz gearbeitet, der sowohl Regler, Aktoren und Sensoren einschließt als auch die Prozessstabilität des Systems betrachtet. Dadurch wird ein wesentlicher Beitrag geleistet, die Simulation auf eine breitere Basis zu stellen und für die Industrie durchgängig anwendbar zu machen.