A05: Prozessaktuelle Systemsimulation

Systemsimulation des prozessaktuellen Werkzeugmaschinenabbildes

Teilprojektleiter:

Prof. Dr.-Ing. Michael Beitelschmidt: TU Dresden, Institut für Festkörpermechanik, Professur für Dynamik/Mechanismentechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. Ralph Stelzer: TU Dresden, Lehrstuhl Konstruktionstechnik/CAD

Berechnungsmodelle des Gesamtsystems aus Maschine, Werkzeug, Prozess, Antriebs-und Kühlsystemen und Umgebung, welche im Zeitbereich simulierbar sind, werden für die Bewertung des thermo-elastischen Verhaltens als Ausgangspunkt zur Gestaltung und Validierung der Kompensationslösungen sowie zur Korrektur thermo-elastischer Fehler im Betrieb der Werkzeugmaschinen benötigt.

In der ersten Phase des SFB/TR 96 wurden für eine thermo-elastische, strukturvariable Gesamtmaschinensimulation Lösungswege und zugehörige Algorithmen entwickelt und erfolgreich in zwei Ausprägungen prototypisch umgesetzt:

  1. FE-Simulationsmodelle in einer proprietären FE-Umgebung (ANSYS/ANSYS WB) für die Bewertung des thermo-elastischen Verhaltens im konstruktiven Entwicklungsprozess; dabei wurde zunächst eine Methodik zur Einbindung translatorischer Strukturvariabilitäten im Rahmen sequentieller, thermo-elastischer Systemanalysen erarbeitet. Außerdem entstanden Modelle von Maschinenkomponenten wie Profilschienenführung, Linearmotor und Kugelgewindetrieb mit zugehörigen Verfahren zur Abbildung innerer Relativbewegungen. Des Weiteren wurde in mechanisch-theoretischen Grundlagenuntersuchungen ein erstes Verfahren zum Erhalt der Ergebnisgüte von translatorisch-strukturvariablen Analysen trotz grober Zeitdiskretisierung entwickelt.
  2. Schnelle, die Realität genügend genau approximierende Netzwerk-Simulationsmodelle für die Analyse eines breiten Spektrums thermischer Last- und Randbedingungen und für die Korrektur thermo-elastischer Fehler im Betrieb von WZM; hier entstanden ein effizientes, durchgängiges Lösungswegschema incl. zugehöriger mathematischer Algorithmen, mit deren Hilfe ausgehend von der CAD-Geometrie über eine FE-MOR-Modellierung thermo-elastische, strukturerhaltende, innere Relativbewegungen abbildende MATLAB/Simulink-Netzwerkmodelle generiert werden können. Die Funktionalität dieses Schemas und der zugehörigen Algorithmen wurde erfolgreich an den Beispielen eines Hexapoden und weiterer WZM-Teilstrukturen demonstriert.

Hierauf aufbauend und durch Fortschritte in anderen, hochspezialisierten TP des SFB/TR 96, die über den bisherigen Stand der Technik hinausweisende Modellierungsmethoden, Teilmodelle und Parametrierungsansätze für WZM-Teilsysteme und Komponenten wie Antriebe, Kühlkreisläufe, Zerspanungsprozesse zunehmend zur Verfügung stellen, lassen sich folgende Schwerpunkte für A05 in der zweiten Phase definieren:

  • Das TP A05 wird verstärkt in der Rolle als Methoden, Teilmodelle und Parametrierungsansätze zusammen¬führendes Projekt agieren. Diese Zusammenführung geschieht unter Berücksichtigung der in A05 gewonnenen Erkenntnisse bei der thermo-elastischen Gesamtsystemmodellierung wiederum parallel in den Modell-Ausprägungen FE-Modell und Netzwerkmodell, wobei als Beispiele der Demonstrator Versuchsträger, der mobile Demonstrator und eine Produktionsmaschine gewählt werden. Damit bleibt die Funktion des Teil¬projekts A05 als Lieferant thermo-elastischer Gesamtmaschinenmodelle an das Korrekturprojekt B07 und weitere TP erhalten.
  • Begleitet werden diese Arbeiten durch eine systematische Untersuchung der Auswirkungen problemangepasster Modellabstraktionen, typischer Parameterschwankungen und alternativer, aus A06 bereitgestellter MOR-Verfahren auf das Prognoseergebnis.
  • Ergänzend wird an verbliebenen Defiziten der Gesamtsystemmodellierung gearbeitet. Beispiele für notwendige Arbeitspunkte sind hier in der Ausprägung 1) die Themen der Parallelisierung und Zeitintegration und in der Ausprägung 2) die Themen der automatisierten Signalplanerstellung und Optimierung.