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antriebstechnik 10/2017

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Virtuelle Tools im

Virtuelle Tools im Maschinenbau Modellierung und Simulation von Vorschubachsen aus dem Baukasten Im Rahmen des Forschungsprojektes „Model-Win- Time“ fanden die Projektpartner Mittel und Wege, Simulationsmodelle derart vorzubereiten, dass sie erstmals auch für Ingenieure mit wenig Erfahrung in Systemsimulation nutzbar sind. Damit können jetzt auch kleine und mittelständische Unternehmen vom Zeit- und Kostengewinn des Virtual Prototypings profitieren und durch virtuelle Inbetriebnahmen bis hin zur Industrie 4.0 neue Geschäftsfelder erschließen. Christoph Schramm ist Applikationsingenieur bei ESI ITI GmbH in Dresden; Christian Friedrich ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWM der TU Dresden; Prof. Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt ist Inhaber der Professur für Werkzeugmaschinen entwicklung und adaptive Steuerungen am IWM der TU Dresden M ithilfe multiphysikalischer Systemsimulation lassen sich komplexe technische Systeme modellieren, simulieren und analysieren. Die virtuelle ganzheitliche Betrachtung von Prozess, Maschine und Steuerung erlaubt vielfältige Variantenuntersuchungen und Designentscheidungen in kurzer Zeit. Studien und Rückschlüsse, die an einer realen Anlage, wenn überhaupt, nur mit hohem zeitlichen und finanziellen Aufwand sowie Risiko für Mensch und Maschine durchführbar wären, lassen sich somit einfach realisieren. Die Systemsimulation ist damit ein wesentliches Werkzeug bei Auslegung und Entwurf technischer Systeme und bietet dem Anwender erhebliche Zeit- und Kostenvorteile gegenüber konventionellen Methoden bei der Entwicklung, Inbetriebnahme und späteren Optimierung seiner Produkte. Dennoch werden Systemsimulation und virtuelle Inbetriebnahme gerade bei KMUs im Maschinenbau kaum eingesetzt. Diese Tatsache kann im erforderlichen Aufwand und fehlendem Modellierungswissen begründet sein, denn die gängigen Softwareprogramme liefern zwar aus den Bereichen der Mechanik, Hydraulik, Elektrotechnik und Thermodynamik die dafür notwendigen Modellgrundelemente aber bisher keine vorgefertigten Modellelemente kompletter Baugruppen oder Gesamtanlagen. Um den Modellierungsaufwand zu senken und Einstiegshürden abzubauen, haben sich die Projektpartner daher zum Ziel gesetzt, eine Modellbibliothek mit vorein- 66 antriebstechnik 10/2017

KOMPONENTEN UND SOFTWARE gestellten Konfigurationen und validierten Teilmodellen für lineare Vorschubachsen zu entwickeln, in diese Fehler- und Testfälle zu integrieren sowie Schnittstellen für die virtuelle Inbetriebnahme in Echtzeit bereitzustellen. Dadurch gelingt es auch Simulationseinsteigern Modelle schnell und effizient zu erstellen, diese mit realen Steuerungsprogrammen zu koppeln und für verschiedene Simulationen und Analysen einzusetzen. Modellblöcke für effizientes Arbeiten Die im Forschungsprojekt entstandene Modellbibliothek enthält generische Vorschubachsmodelle, die durch entsprechende Konfiguration und Parametrierung an den konkreten Anwendungsfall angepasst werden können. Um ein Modell von mittlerer Komplexität zu erhalten, das ein breites Spektrum von Achstypen abdeckt, wird es in mehrere über spezielle Schnittstellen verbundene Teilmodelle untergliedert (Bild 01). Jede Achse besteht aus einem rotatorischen oder linearen Antrieb, sowie einer Führung und einem Abtrieb, welcher der Schlitten oder ein Teil der nachfolgenden kinematischen Kette sein kann. Des Weiteren hat jede Achse eine Basis, die fixiert oder mit einer weiteren Achse verbunden ist. Bei rotatorischen Achsen gibt es weitere Elemente, wie z. B. unterschiedliche Übersetzungsgetriebe, Kupplungen und als Hauptbestandteil Getriebe wie Kugelgewinde- oder Zahnstangengetriebe, welche die Linearbewegung realisieren. Für diese häufig verwendeten Vorschubachsentypen sind praxisrelevante „Vorkonfigurationen“ in der Modellbibliothek hinterlegt. Zugehörige Parametrierungsvarianten können als Datensätze in der Bibliothek ebenfalls hinterlegt werden. Den Entwicklern ist es damit gelungen, die Kombinatorik von mehr als 1 000 theoretisch möglichen Vorschubachskonfigurationen durch generische Modelle abzubilden und für den Nutzer einfach nutzbar zu machen. Der Anwender wird dabei, ganz intuitiv, anhand von Dialogen durch den Konfigurationsprozess geführt und erhält im Ergebnis ein übersichtliches Modell mit den notwendigen, entsprechend miteinander verbundenen, Elementen. Modellbasierte Steuerungsentwicklung Um die physikalischen Systemmodelle auch für die Steuerungsentwicklung nutzen 01 Konfigurationsmöglichkeiten linearer Vorschubachsen 02 Bibliotheksbaum (links), Konfigurationsdialog (oben), Modellansicht (unten) zu können, werden die folgenden drei Teil aufgaben bewältigt: Eine Verbindung zwischen der Systemsimulationssoftware SimulationX und der Steuerungssoftware Beckhoff TwinCAT, eine Steuerungsschnittstelle für die Vorschubachse und ein Reglermodell für den Servomotor der Achse. Bild 03 zeigt den Aufbau der Lösung. Eine SPS realisiert einen Wrapper in TwinCAT, welcher die Soll- und Istwerte von Position, Geschwindigkeit und Kraft/Drehmoment sowie Steuer- und Statuswort aus der spezifischen Antriebsschnittstelle an einer generischen Schnittstelle zur Verfügung stellt. Diese generische Schnittstelle ist mit der CNC-Steuerung anstelle vom, oder in Ergänzung zum, Prozessabbild der realen Achsen verbunden, sodass die reale und simulierte Achse mit derselben CNC auch simultan betrieben werden kann. Die Übertragung der Daten erfolgt über die TwinCAT ADS-Schnittstelle unter Nutzung im Projekt entwickelter Lese- und Schreibblöcke in SimulationX. Sollwerte werden damit dem Antriebsreglermodell in SimulationX zur Verfügung gestellt. Das Vorschubachsmodell liefert im Gegenzug entweder den Istwinkel des Motordrehgebers oder die Istposition des Schlittens z. B. ein Direktmesssystem in der Profilschienenführung. Automatisierte Testfallgenerierung Während der modellbasierten Steuerungsentwicklung muss insbesondere das korrekte antriebstechnik 10/2017 67

Aktuelle Ausgabe

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