Mechatronik im Modell

Mechatronik

Virtuelle Prototypenerstellung – Moderne CAD-Systeme mit integrierten Analysewerkzeugen verringern die Risiken bei der Entwicklung von Maschinen und beschleunigen mechatronische Entwicklungsprozesse.

31. August 2010

Heutzutage sehen sich Entwickler zunehmendem Druck seitens ihrer Kunden ausgesetzt, die Leistung von Maschinen zu steigern und gleichzeitig die Kosten zu senken. Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, den Entwicklungszyklus der Maschinen zu verkürzen, trotzdem aber effiziente und flexible Maschine zu entwickeln.

Die Grundlage jeder Maschine ist ihr Bewegungsprofil. Ganz einfach dargestellt soll dabei ein Objekt A von B nach C bewegt werden. Oft ist jedoch der beste Weg, um von B nach C zu gelangen, nicht klar. Ist eine Bewegung nötig oder zwei? Sollen es Kurvenscheiben oder Servomotoren sein? Durch Einsatz eines CAD-Systems lassen sich die beweglichen Bauteile einer Maschine schnell darstellen und mögliche Zusammenstöße sowie die Bewegungsbereiche untersuchen.

Selbst bei so einfachen Geometrien ist Software wie SolidWorks in der Lage, ausgehend von einer Zeichnung oder einem anwenderdefinierten Maß, angenäherte Kräfte und Drehmomente zu berechnen. Diese Anforderungen werden dem Elektroingenieur übergeben, der geeignete Motoren und Getriebe auswählt. In der ersten Entwicklungsphase werden die Kräfte bereitgestellt, um die Größe des ersten Entwurfs von Motoren und Getriebe zu ermitteln. Sind Motor und Getriebe des CAD-Modells in die Anordnung integriert, wird die Bewegungssimulation erneut ausgeführt, um die Motor- und Getriebeanforderungen abzustimmen. Während der Entwicklung der Maschinenkonstruktion und der Vervollständigung der CAD-Anordnung wird die Bewegungsanalyse immer wieder durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass beim Bau der eigentlichen Maschine keine Überraschungen passieren.

Ist die Größenbestimmung des Motors abgeschlossen, rückt die mechanische Leistung der Maschine und ihrer Struktur ins Blickfeld. Für gewöhnlich ist der wichtigste Leistungsindikator einer Maschine ihre Lagetoleranz, die auf mechanischer Ebene von der Struktursteifigkeit und Konformität des Getriebes bestimmt wird. Unter Nutzung der integrierten Simulationswerkzeuge von SolidWorks werden Kraft- und Drehmomentwerte von der Bewegungsanalyse für eine Struktursimulation verwendet, um Kräfte, Widerstandsfähigkeit und Flexibilität der Maschine zu evaluieren. Damit lassen sich fundamentale Fragen zur mechanischen Leistung der Maschine beantworten. Wird die Maschine ab einer bestimmten Betriebsgeschwindigkeit Schwingungen erzeugen? Ist die Maschine überdimensioniert? Können das Gewicht und somit der Kostenaufwand der Maschine reduziert werden? Auch diese Simulationen sind nicht einmalig, sondern werden mehrere Male ausgeführt und im Verlauf der Maschinenentwicklung immer weiter verbessert. Sie stellen dem Mechatronik-Team laufend aktuelle und genaue Informationen bereit, um fundierte Designentscheidungen zu treffen. Jetzt ist die Iterationsschleife der Entwicklung erreicht, die aus einem durchschnittlichen Entwurf einen optimalen Entwurf macht.

Virtueller Maschinenbetrieb

Bisher ging es lediglich um die Maschinenbauer und die Elektroingenieure, aber beim Mechatronik-Entwurf sind alle drei Technikerteams involviert, die parallel zusammenarbeiten. Wie kann also die virtuelle Prototypenerstellung die Regeltechniker unterstützen? Bisher wurde gezeigt, wie die virtuelle Maschine vom CAD-System in Bewegung gesetzt werden kann. Was jedoch der Regeltechniker benötigt, ist ein virtueller Regler, der direkt mit der CAD-Geometrie kommuniziert und die Bewegungsanalyse steuert. LabView NI Soft Motion for SolidWorks ist ein solches System.

Damit steht dem Regeltechniker eine Umgebung zur Verfügung, in der er die virtu-elle Maschine steuern und den Steuer- und Regelungscode einstellen kann. So wird sichergestellt, dass das Bewegungsprofil korrekt ist. Außerdem lassen sich die Auswirkungen der Konformität auf die Maschinenleistung untersuchen und Sicherheitsfunktionen, Sensoren oder Begrenzungsschalter integrieren. Ein zusätzlicher Vorteil für Maschinenbauer und Elektroingenieure ist, dass die virtuelle Maschine vom echten Code gesteuert wird, der Maschinenbauer die realen Kräfte und Drehmomente bestimmen und der Elektroingenieur die realen Motor- und Getriebeanforderungen bewerten kann.S. Endersby, SolidWorks,

Chr. Fritz und J. Gutierez, NI/csc

Erschienen in Ausgabe: 06/2010