Objektorientierte Multi-Domain-Modellierung und Simulation von Werkzeugmaschinen

Abstract

Viele aktuelle Forschungsprojekte mit dem Ziel die Energieeffizienz in Produktionsbetrieben zu steigern, verwenden umfassende Simulationsmodelle um qualifizierte Aussagen über die Effektivität von Energiesparmaßnahmen zu machen und Optimierungspotential aufzuzeigen. Derartige Analysen erfordern auch die Betrachtung einzelner Maschinen und Anlagen als Teil der Mikrostruktur in Produktionsprozessen.<br />Zur Untersuchung der Modellbildung und Simulation von Werkzeugmaschinen wird in dieser Arbeit ein Simulationsmodell einer CNC-Drehmaschine als repräsentatives Beispiel einer spanenden Werkzeugmaschine entwickelt.<br />Dabei wird eine reale Maschine für die Betrachtung herangezogen, was es ermöglicht das Modell anhand von Messdaten zu validieren.<br />Ein objektorientierter Modellierungsansatz für physikalische Systeme erlaubt dabei eine strukturierte Vereinigung von elektrischen, mechanischen und thermischen Aspekten in einem Multi-Domain-Gesamtmodell und bietet noch dazu die notwendige Modularität und Flexibilität für einfache Erweiterbarkeit, um diesen Bottom-up-Ansatz mit schrittweiser Top-down-Modellierung in mehreren Stufen zu kombinieren. Das ermöglicht es die Grenzen der numerischen Simulation zu identifizieren und gibt Aufschluss darüber welcher Grad an Modellkomplexität sich mit akzeptabler Performance (sowohl Rechenzeit als auch numerische Genauigkeit) umsetzen lässt und welche physikalischen Komponenten dafür berücksichtigt werden können.<br />Die erste Stufe in diesem Modellierungsprozess umfasst das elektromechanische Grundmodell mit den Antriebselementen sowie ein Modell für die während der Bearbeitung auftretenden Schnitt- und Vorschubkräfte. In der zweiten Stufe wird das Modell um eine Motorregelung sowie thermischer Aspekte erweitert. Das finale Modell enthält schließlich noch leistungselektronische Komponenten und eine verbesserte Berechnung der Zerspanungskräfte.<br />In der Simulation erlauben die implementierten Modelle dann z.B.<br />Auswertungen der Energieaufnahme und -verteilung im System, während der Bearbeitung auftretende Schnitt- und Vorschubkräfte sowie Motormomente bis hin zu Informationen über den an verschiedenen Stellen entstehenden Abwärmestrom.<br />Die Implementierung der Modelle erfolgt mit MATLAB/Simscape als einem der gängigen Software-Tools für die objektorientierte Modellbildung von physikalischen Systemen.<br />

There are currently a number of research projects which aim at increasing energy efficiency in production plants by using comprehensive simulation models to make qualified predictions about the efficiency of different energy saving measures and identify optimization potential.<br />This requires investigation of production machines as part of the micro-structures in production facilities.<br />To study modelling and simulation of machine tools, a simulation model of a CNC turning lathe as an example of a production machine is developed. For that, we consider an existing turning lathe in order to be able to validate the models against real measurement data.<br />Using an object-oriented modelling approach for physical systems allows combining component models of electrical, mechanical and thermal aspects in a structural manner and also provides flexibility and easy expandability for combining this bottom-up approach with stepwise top-down modelling in several stages with increasing level of detail.<br />This enables identifying numerical boundaries of the simulation and shows which model complexity can be handled with sufficient performance and which physical components can therefore be taken into account.<br />The first stage in the modelling process contains a model of the basic electrical and mechanical components as well as the feed and cutting forces occurring during the cutting process. In the second stage, the model is expanded by a vector control for all drive motors as well as thermal aspects. The final model also contains elements for power electronics and improved dynamic calculation of the cutting forces.<br />Simulation of different scenarios then allows evaluation of energy consumption and distribution in the System, comparison of feed and cutting forces plus information about waste heat generation in different places.<br />The models described here are implemented in MATLAB/Simscape as a common simulator for object-oriented modelling of physical systems.