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Die Gestaltung handhabbarer Lösungen setzt Erfahrung im Umgang mit den Simulationswerkzeugen und systematische Auseinandersetzung mit den jeweiligen Produkten voraus. Bei einer Modellordnungsreduktion löschen die Reduktionsalgorithmen der Software «Model Reduction inside Ansys» von Cadfem die für die Aufgabe nicht relevanten Informationen. Damit wird ein geringer Genauigkeitsverlust in Kauf genommen, der jedoch durch Modellvergleiche (FEM- mit reduziertem Modell) gut quantifiziert werden kann.

Ganzer Produktionstag samt Warmlaufphase untersucht

Am Beispiel einer virtuellen Portalfräsmaschine wird das Potential des Vorgehens ersichtlich: Im simulierten Fräsprozess werden Achsenpositionen, Prozesswärme, Werkstückwechsel, Umgebungsbedingungen usw. berücksichtigt und ein ganzer Produktionstag wird samt Warmlaufphase untersucht. Das errechnete thermomechanische Modell gibt Auskunft über die Temperaturverläufe an ausgewählten Stellen sowie über die thermisch induzierten Verformungen der Maschine, insbesondere die räumlichen Verschiebungen von Werkstück und TCP (Tool-Center-Point).

Die Zeitersparnis bei der Anwendung des neuen Simulationsverfahrens ist besonders bei transienten Simulationen mit höherer Zeitauflösung gross. Im Fall der Portalfräsmaschine erfolgt die Abbildung des Fräsprozesses über circa 6000 Schritte. Die Berechnung eines solchen Schrittes mit dem vollständigen FEM-Modell erledigt eine übliche Workstation in einer Minute. Mit dem reduzierten Modell sind lediglich 0,003 Sekunden nötig, was in diesem Fall einer Rechenzeitverkürzung um den Faktor 20 000 entspricht (für den gesamten Fräsprozess 18 Sekunden statt 100 Stunden).

Anwendungen und Aussichten

Die Simulation des thermomechanischen Verhaltens während der Entwicklungsphase einer Werkzeugmaschine ist die primäre Anwendung des neuen Verfahrens. Sie ermöglicht die rasche Prüfung neuer Varianten und kann das Verhalten unter verschiedenen Einflüssen sichtbar machen. Diese Funktionalität steht heute zur Verfügung.

Auf dieser Grundlage basierend, wird in einem nächsten Schritt die Überwachung von Maschinen möglich. Unbekannte oder nicht messbare Zustände können laufend berechnet werden, indem das reduzierte Modell auf einer Workstation während des Betriebs mitläuft. Interessante Zustände können Temperaturen an unzugänglichen Stellen oder die Position des TCP sein. Mit der Berücksichtigung laufend gemessener Temperaturen können die Modellungenauigkeiten und Drifts erkannt und korrigiert werden.

Die letzte Stufe wäre mit der autonomen Kompensation der thermisch induzierten Verformung erreicht. Anstatt auf einer externen Workstation wird das Modell in der Maschinensteuerung implementiert und die im Modell errechneten Verschiebungen des TCP gegenüber dem Werkstück werden als Korrekturwerte zur Kompensation an die Achsregelung weitergegeben. Warmlaufzeiten können reduziert und prozess- oder umgebungsbedingte Störungen können neutralisiert werden – für eine höhere Produktivität und stabilere Prozesse. <<

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