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Modellbasierte Wärmegangkompensation einer Fahrständerfräsmaschine
Luca Roncarati 16.06.2016, ACUM Winterthur
Inhalt
Einführung
FEM-Modell der Maschine
Modellordnungsreduktion (MOR)
Systemsimulation
Kompensation
Typische Projektphasen und Zusammenarbeit
Fazit und Fragen
2
Einführung
Warum kompensieren?
Robuste aber “dumme” Maschinen sind nicht die (CH-)Zukunft
Wir müssen unsere Maschinen besser kennen und intelligenter machen, um Erstklassigkeit zu bewahren – Zweitklassigkeit ist nicht genug
Wir brauchen “neue” Ansätze
Ziele von heute:
Simulations-Fachleute sollen verstehen wie die Kompensation funktioniert
Maschinenbauer sollen das Potential der Kompensation erkennen
CEOs sollen in unseren Lösungen investieren :)
3
Nicht wirklich neu… Beobachter-Theorie: Seit ca. 1970 Stand der Technik seit mehr als 20 Jahren in der
chemischen und verfahrenstechnischen Industrie
Einführung
Idee
Schätzung der nicht messbaren Zustände (z.B. Position des Tool Center Point)
Überwachung des Maschinenverhaltens
Echtzeit-Kompensation der thermisch induzierten TCP-Verlagerungen
4
Maschinen-modell
Maschinen-steuerung
Temperaturen
Achsenkorrektur
Achsen-fehler
Einführung
Ablauf Modellerstellung
5
FEM- Modell
Reduz. Modell
System-simulation
Kompen-sation
CAD- Modell
0 1 2 3 4
x 104
22
23
24
25
26
27
28
Time / s
Tem
pera
ture
/ °
C
O101
T - Output (simulation)
O101T - Output (reference)
O102T - Output (simulation)
O102T - Output (reference)
O112T - Output (simulation)
O112T - Output (reference)
O113T - Output (simulation)
O113T - Output (reference)
Heutige Präsentation
FEM-Modell der Maschine
Aufbau der Maschine
6
Tisch
Bett
Turm
Kopf
+
-
+
- + -
X
Z
Y
FEM-Modell der Maschine
Aufbau der Maschine und Wärmequellen und -senken
7
Spindel-Aufnahme
Montagefläche Z-Motor
Z-Kugelumlaufspindel
Y-Kugelumlaufspindel
Z-Encoder
Kühlschmierstoff
Konvektion
Strahlung
TCP (Tool Center Point)
FEM-Modell der Maschine
Randbedingungen
Konvektion
Strahlung
Kühlschmierstoff (KSS)
8
FEM-Modell
180’000 Elemente
300’000 Knoten
1’200’000 Freiheitsgrade (DOFs)
FEM-Modell der Maschine
Resultate einer transienten FEM-Analyse Temperatur
Berechnungszeit: 2’000s für 290 Zeitschritte (ca. 6s/Schritt)
9
Zeit t1 Zeit t2 Zeit t3
FEM-Modell der Maschine
Resultate einer transienten FEM-Analyse Verformung
Berechnungszeit: 1’500s für 13 Zeitschritte (ca. 115s/Schritt)
10
Deformations scaled (factor 1’700)
Modellordnungsreduktion (MOR)
11
0 1 2 3 4
x 104
22
23
24
25
26
27
28
Time / s
Tem
pera
ture
/ °
C
O101
T - Output (simulation)
O101T - Output (reference)
O102T - Output (simulation)
O102T - Output (reference)
O112T - Output (simulation)
O112T - Output (reference)
O113T - Output (simulation)
O113T - Output (reference)
FEM- Modell
Reduz. Modell
System-simulation
Kompen-sation
CAD- Modell
Modellordnungsreduktion (MOR)
Ziel: Modell kleiner machen bei gleichbleibendem Verhalten
12
FEM-Modell mit 1’200’000 DOFs
MOR-Modell mit 300 DOFs
FEM
-Mo
del
l 1
’20
0’0
00
DO
Fs
Modellordnungsreduktion (MOR)
Mathematische Grundlagen
MO
R-M
od
ell
30
0 D
OFs
Gleiche Outputs
13
14
Modellordnungsreduktion (MOR)
Export des Modells aus ANSYS Workbench
Definitionen in ANSYS Workbench:
Werkstoffe
Statische Kontakte
Inputs und Outputs des reduzierten Modells
Definitionen in Matlab/Simulink:
Bewegliche Kontakte
Verbindungen
Konvektion (linear oder nichtlinear)
Strahlung
Kräfte
Leistungen
Modellordnungsreduktion (MOR)
Export des Modells aus ANSYS Workbench
15
Erzeugte Dateien Makro in ANSYS Workbench
Reduziertes Modell (erzeugt mit “Model Reduction inside ANSYS”)
Datenmenge: 22GB
Fehler FEM VS MOR < 5 %
Systemsimulation
16
0 1 2 3 4
x 104
22
23
24
25
26
27
28
Time / s
Tem
pera
ture
/ °
C
O101
T - Output (simulation)
O101T - Output (reference)
O102T - Output (simulation)
O102T - Output (reference)
O112T - Output (simulation)
O112T - Output (reference)
O113T - Output (simulation)
O113T - Output (reference)
FEM- Modell
Reduz. Modell
System-simulation
Kompen-sation
CAD- Modell
Systemsimulation
Integration in Matlab/Simulink
17
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1022
22.5
23
23.5
24
24.5
Tem
pera
ture
/ °
C
Time / h
O1_T - Z-Motor (model)
O2_T - Spindel (model)
O3_T - Y-Kugelgewindetrieb (model)
O4_T - Z-Kugelgewindetrieb (Turm) (model)
O5_T - Z-Kugelgewindetrieb (Kopf) (model)
Systemsimulation
Simulation mit dem reduzierten Modell Temperatur
18
Simulation eines 10-stündigen Produktionstag
0 2 4 6 8 10-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPZ (model plant)
0 2 4 6 8 10-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPY (model plant)
0 2 4 6 8 10-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPX (model plant)
Systemsimulation
Simulation mit dem reduzierten Modell TCP-Verlagerung
19
TCPX TCPY TCPZ
Systemsimulation
Sensitivitätsanalyse mit dem reduzierten Modell
Veränderung von 5 Parametern mit je 3 Werten 125 Kombinationen
125 thermomechanische transiente Analysen mit je 3’600 Zeitschritten
Vorbereitungszeit: ca. 1h
Berechnungszeit: ca. 1h
Ziel: Beste Parameter ermitteln
Parameter-Beispiele:
Wärmeleitfähigkeit der Linearführungen
Verlustleistung der Motoren
Wärmeübergangskoeffizient der Konvektion
Emissionsgrad der Strahlung
Kontaktwärmeleitfähigkeit
… 20
0 2 4 6 8 10-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPY
Kompensation
21
0 1 2 3 4
x 104
22
23
24
25
26
27
28
Time / s
Tem
pera
ture
/ °
C
O101
T - Output (simulation)
O101T - Output (reference)
O102T - Output (simulation)
O102T - Output (reference)
O112T - Output (simulation)
O112T - Output (reference)
O113T - Output (simulation)
O113T - Output (reference)
FEM- Modell
Reduz. Modell
System-simulation
Kompen-sation
CAD- Modell
Kompensation
Kompensation mit dem Maschinenmodell
22
Maschinen-modell
TCPX TCPY TCPZ
Reelle Maschine
Maschinen-steuerung
Achsenkorrektur
Kompensation
Vergleich
Modell/Realität
23
Realität (real plant) VS Modell: 50% höhere Wärmeleistung 50% höhere Wärmeleitf. der Linearführ. Umgebungstemp.-Schwank. bis zu 10°C
Simulation-Szenario: 10h Produktionstag
Wärmeübergangskoeff. Konvektion
Schwankungen +/-100% 75% tieferer Strahlungsemissionsgrad
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPZ (real plant)
TCPZ (model plant)
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPY (real plant)
TCPY (model plant)
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPX (real plant)
TCPX (model plant)
Kompensation
Vergleich Modell/Realität TCP-Verlagerung
24
model plant
TCPX TCPY TCPZ
real plant
Kompensation
Kompensation mit dem Beobachter
25
TCPX TCPY TCPZ
Reelle Maschine
Beobachter
Maschinen-steuerung
7 Temperaturen
Achsenkorrektur
Kompensation
Beobachter
26
Beobachter-Theorie
B
A
C
B
H
A
C
error
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPY (real plant)
TCPY (observer plant)
TCPY (model plant)
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPZ (real plant)
TCPZ (observer plant)
TCPZ (model plant)
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
TCPX (real plant)
TCPX (observer plant)
TCPX (model plant)
Kompensation
Vergleich Modell/Realität/Beobachter TCP-Verlagerung
27
observer plant
TCPX TCPY TCPZ
model plant
real plant
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Time / h
Dis
pla
cem
en
t /
m
TCPX (real plant with observer)
TCPY (real plant with observer)
TCPZ (real plant with observer)
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Time / h
Dis
pla
cem
en
t /
m
TCPX (real plant without observer)
TCPY (real plant without observer)
TCPZ (real plant without observer)
Kompensation
Vergleich Modell/Realität/Beobachter TCP-Verlagerung
28
X Y Z X
Y
Z
Ohne Beobachter Mit Beobachter
Die TCP-Verlagerung kann um Faktor 30 reduziert werden!
Kompensation
Einschub 1: Einfluss der Achsenposition
Achsenposition beeinflusst Temperaturverteilung
TCP-Verlagerung hängt von Achsenposition ab
29
Z: +300mm Z: -300mm
0 2 4 6 8 10-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
20
40
Dis
pla
cem
en
t /
m
Time / h
Z: -300mm
TCPY
Z: +300mm
Kompensation
Einschub 2: Einfluss des Kühlschmierstoffes
Wärmeübergangskoeffizient: 500-1’000 W/m2/K (Anstatt 2-20 W/m2/K ohne KSS)
Nicht-konstanter Einfluss (z.B. jede Stunde während 30 Minuten)
30
Oberflächen in Kontakt mit KSS
0 2 4 6 8 10-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
Time / h
Dis
pla
cem
en
t /
m
TCPX (real plant with observer)
TCPY (real plant with observer)
TCPZ (real plant with observer)
0 2 4 6 8 10-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
Time / h
Dis
pla
cem
en
t /
m
TCPX (real plant without observer)
TCPY (real plant without observer)
TCPZ (real plant without observer)
Kompensation
Einschub 2: Einfluss des Kühlschmierstoffes
31
Ohne Beobachter Mit Beobachter
Typische Projektphasen und Zusammenarbeit
Wir bieten kein Produkt an, sondern eine Zusammenarbeit in Form eines Projektes
32
Projektphase 1 (z.B. 20kCHF) Erstellung eines FEM-Modells Modellordnungsreduktion Durchführung von
Systemsimulationen zur Erstanalyse der Maschine
„mit dem Modell spielen“
Projektphase 2 (ab 30kCHF) Temperaturmessung der
Maschine Optimierung des Modells Simulationen zur detaillierten
Analyse der Maschine Verbesserungen formulieren
Projektphase 3 Erstellung eines Beobachters Echtzeit-Überwachung der
Maschine Echtzeit-Kompensation der
thermisch induzierten Verformungen
Was Sie machen müssen: Sie unterstützen uns mit
detaillierten Informationen zur Maschine
Sie beurteilen kritisch die ersten Resultate :)
Was Sie machen müssen: Sie unterstützen uns während
der Messungen und der Optimierung
Was Sie machen müssen: Sie stellen eine Maschine zur
Verfügung zum Implementieren und Testen des Beobachters
Was Sie erhalten: State of the art Resultate der
thermomechanisch transienten Analysen
Werkzeug zur Untersuchung des Maschinenverhaltens
Was Sie erhalten: Validiertes Modell zur
quantitativen Analyse Einzigartiges Werkzeug zur
Analyse und Optimierung von Mc (z.B. Sensitivitätsanalyse)
Fazit und Fragen
Simulationsmethode
Einzigartiges Werkzeug zum Verstehen und Optimieren einer Maschine
Sehr schnelle Simulationen durchführen
Ermöglicht Sensitivitätsanalysen und Parameterstudien
Einsetzbar zur Echtzeit-Überwachung des Maschinenverhaltens
Kompensation
Hohes Potential
Nichtlinearitäten, KSS, Achsenbewegung usw. können modelliert werden
Viele arbeiten daran aber fast niemand hat zurzeit eine praktikable Lösung
Lösung für morgen (aber nicht übermorgen!)
33
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Kontakt
Luca Roncarati
M.Sc. Mech. Engineering FH
Zellweger Ingenieurgesellschaft mbH
Schwalmernstrasse 5
3600 Thun BE
D +41 33 223 49 12
M +41 76 403 53 32
www.zellweger.biz
www.zaft.ch
34
