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wt-online - Ausgabe 5-2015, S. 275-284

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Werkzeugmaschinen, Finite-Elemente-Methode (FEM), Simulation

Berücksichtigung des positionsabhängigen Maschinenverhaltens innerhalb der Simulation*

Dynamische Simulation holistischer FEM-Modelle

Die Leistungsfähigkeit und Ressourceneffizienz moderner Produktionssysteme wird wesentlich durch ihr dynamisch-mechatronisches Verhalten bestimmt. Um quantitative Aussagen hinsichtlich auftretender Bahnabweichungen zu erhalten, hat sich die kombinierte Simulation von mechanischer Struktur und Antriebsregelung etabliert. Während der Verfahrbewegung ändert sich jedoch das mechanische Strukturverhalten durch die Verlagerung von Komponenten wesentlich. In der flexiblen Mehrkörpersimulation (MKS) existieren verschiedene Ansätze dynamische Bahnbewegungen abzubilden, welche jedoch komplexe, genauigkeitsreduzierende Reduktionen der FEM (Finite-Elemente-Methode)-Submodelle und/oder aufwendige, zeitsynchronisierte Co-Simulation in unterschiedlichen Simulationsumgebungen erfordern. Innerhalb geschlossener FEM-Umgebungen bieten transiente Rechnungen eine hohe Abbildungsgüte für die Zeitbereichssimulation, die Berechnungsdauer für große Modelle schließt jedoch Parameterstudien und die Integration der Regelung de facto aus. Es wird ein alternativer Ansatz unter Nutzung holistischer FEM-Modelle beschrieben, welcher innerhalb der Grenzen der linearen Modalanalyse eine effiziente Simulation des dynamischen Bahnverhaltens unter Berücksichtigung großer Verfahrbewegungen erlaubt.

Position depending dynamic machine tool simulation by holistic FEM models

The capabilities of state-of-the art machine tools are significantly limited by their dynamic-mechatronic system properties. The combined simulation of the mechanical structure and control has been established to determine dynamic tool-path inaccuracies. While machining a work piece, the structural components of a machine tool change their position towards each other, which as a result leads to a different mechanical system. There exist different strategies to include that position dependent behavior within the coupled multi body simulation. However complex model-reduction methods for the flexible FEM substructures are necessary. Furthermore a time-synchronized parallel simulation between the simulation of the mechanical structure and the simulation of the control - typically carried out as digital block simulation - is necessary. On the other hand transient simulation approaches in the FEM environment of the overall structure are theoretically capable to represent realistic models but are by fare to complex and time-consuming to be implemented for time domain simulations including control. Based on these inadequatenesses the paper shows a new approach to consider the changing system behavior due to large movements of structural components based on holistic FEM-models. It allows an efficient integrated simulation inside the digital block simulation within the limits of a linear modal analysis.

Autor:
Ihlenfeldt, S.; Frieß, U.; Wabner, M.; Tehel, R.

Der vollständige Beitrag ist erschienen in:
wt-online 5-2015, Seite 275-284
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