Mechatronisch entwickeln

Mechatronik - Die Zeiten, in denen der Konstrukteur allein die Maschine vom Entwurf bis zum Prototyp entwickelte, sollten vorbei sein. Simulation und interdisziplinäre Zusammenarbeit, bei der sich auch der Zulieferer von elektrischen Komponenten mit einbringt, sind Stand der Technik. Doch wie wird mechatronisch entwickelt?

06. Juli 2005

Mechatronic Support nennt sich die Dienstleistung, die Siemens Produktionsmaschinenherstellern anbietet: Von der Idee über das Konzept mit virtuellem Prototyping werden gemeinsam mit allen Beteiligten innovative Maschinen entwickelt.

Die klassische Vorgehensweise ist durch ihren sequentiellen Ablauf festgelegt erst die Maschinenkonstruktion, dann die elektrischen Komponenten. Die reale Maschine wird gegen Ende der Entwicklung als Prototyp aufgebaut und erst dann gestestet. Ein Merkmal der neuen Vorgehensweise: Bei der mechatronischen Entwicklung arbeiten die Maschinenbaukonstruktion und die Elektrokonstruktion von Anfang an parallel zusammen und erstellen mit dem Mechatronic Support Experten die Maschine virtuell. Der Test der virtuellen Maschine liegt am Anfang der Entwicklung. Durch diese parallele Zusammenarbeit wird das angestrebte Ergebnis gemeinsam erreicht und gemeinsam verantwortet. Ein weiteres Merkmal ist die Sicherheit, mit der die Ergebnisse in der Simulation verifiziert werden können, bereits bevor die Maschine real gebaut ist. Der dritte und entscheidende Aspekt ist, daß diese neue Art der Maschinenentwicklung auch noch mit deutlich niedrigeren Kosten behaftet ist, und das bei schnellerem Markteintritt.

Jede Maschine entsteht aus der Idee und den Zielen, die mit ihr erreicht werden sollen. Die klare Zieldefinition ist entscheidend für den gegliederten Ablauf und daß hinsichtlich Fortschritt und Ergebnis der Arbeiten Mechanik- und der Elektrokonstruktion gemeinsam die Verantwortung übernehmen.

Phasen der EntwicklungDie Zieldefinition muß am Anfang als wichtige Klärung durchgeführt werden und festlegen, was die Maschine können soll. Kennzahlen sind geeignete Meßwerte für die Klärung der Ziel-erreichung z.B. maximale Beschleunigungen, Geschwindigkeiten, Bearbeitungskräfte, Prozeßeigenschaften und Produktivität).

Für die Realisierung der neuen Maschine existieren zu Beginn einer Entwicklung oft verschiedene Ideen und Konzepte. Mit gesicherten Entscheidungskriterien können direkt die richtigen Wege für die Entwicklung eingeschlagen werden und Sackgassen vermieden werden.

Da Simulationen von Maschinenkomponenten oder Teilsystemen, relativ schnell und preiswert durchgeführt werden können, liefert die Simulation frühzeitig die Kriterien für die zielgerichtete Auswahl des erfolgversprechenden Konzeptes.

Typisch für die eigentliche Maschinenentwicklungsphase ist, daß Optimierungsschleifen an der virtuellen Maschine durchlaufen werden. Bei der klassischen Vorgehensweise finden diese Optimierungen erst am realen Prototyp statt, das heißt: zu spät, zu aufwendig und mit weniger Chancen, etwas grundlegend ändern zu können.

Dank virtuellem Prototyping erfolgt die Optimierung zum frühestmöglichen Termin. Der Vorteil: Mit Mechatronic Support erhält man die Information, wie gut die gesetzten Ziele erreicht werden, kontinuierlich und entwicklungsbegleitend. Nach jeder Optimierungsschleife kann das Projekt mit nachvollziehbaren Ergebnissen weitergeführt oder abgeschlossen werden.

Die Optimierungsschleifen sind: Modellbildung der Maschine/ des Maschinenteils, der Simulationslauf, die Durchsprache der Ergebnisse der Simulation, die Änderungsvorschläge zur Konstruktion aufgrund der Durchsprache, die Modellanpassung aufgrund der geplanten Konstruktionsänderung, die erneute Simulation sowie die Durchsprache der Ergebnisse. Diese Schleifen werden so oft durchlaufen, bis die Ergebnisse der Simulation den festgelegten Zielen entsprechen. Bis jetzt wurden die Begriffe Modellbildung und Simulation verwendet, ohne genauer zu erklären, was sich dahinter verbirgt.

ModellbildungDas Modell soll die Maschine mit ihren Komponenten Mechanik und Elektrik abbilden, damit eine Simulation des Gesamtsystems möglich wird. Der Maschinenbaukonstrukteur verwendet heute schon 3D-CAD-Systeme in der Konstruktion und erstellt auch Finite-Elemente-Modelle, vorrangig für die statische Untersuchung. Das Besondere bei Mechatronic Support ist die Erzeugung eines Maschinenmodells, das für die Simulation alle oben genannten Elemente vereinigt. D.h. es enthält zusätzlich die Antriebsstränge sowie alle Regelkreise (z.B. Drehzahlregelkreis) der Maschinenachsen und Spindeln. Dabei kann von dem vorhandenen CAD-Modell der Maschinenkonstruktion ausgegangen werden. Das neuartige FEM-Modell entsteht danach aus der Vernetzung der CAD-Komponenten und der Kopplung der anderen Komponenten wie Führungen, Antriebsstränge, Meßsysteme usw. Hier zeigt sich das Know-how der Mechatronic-Support-Experten, die das Modell für die simulative Untersuchung so einfach wie möglich gestalten und so detailliert wie nötig. Auf diesem Modell basieren weitere Untersuchungen.

In der Simulation werden die dynamischen Eigenschaften des mechatronischen Systems identifiziert. Die relevanten Eigenschaften des FEM-Modells werden dazu in Simulationsprogramme übertragen und ermöglichen die Untersuchung des Verhaltens der geregelten Maschine. Das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten der Maschine über der Frequenz kann ermittelt werden. Die Begrenzungen der Maschine bezüglich maximaler Beschleunigungen, Geschwindigkeiten oder niedriger Eigenfrequenzen und ihre Ursachen werden sichtbar, denn die Simulation spiegelt das Verhalten der Maschine sehr genau wider. So können z.B. Resonanzen und das Ratterverhalten einer Maschine ermittelt werden. Die aus der Analyse der Simulationsergebnisse gewonnenen Informationen ermöglichen es dann, das Verbesserungspotential der Maschine abschätzen und gezielte konstruktive Optimierungsmaßnahmen durchzuführen. Diese Modifikationen werden in das FEM-Modell übernommen. Die Erkenntnisse aus einem erneuten Simulationslauf führen schließlich zur Entscheidung für die endgültige Umsetzung der Konstruktionsänderung. Wenn jetzt alle Vorgaben erfüllt sind, kann die Konstruktion in Auftrag gegeben und der Prototyp gebaut werden. Es folgt dann noch die Messung am realen Prototyp der Maschine, die erfahrungsgemäß das Ergebnis der vorangegangenen Simulation bestätigt. Bereits der erste tatsächlich gebaute Prototyp liefert das gewünschte Verhalten und ist nicht mehr der Beginn der Testphase wie in der traditionellen Maschinenentwicklung.

Günter Steinbusch, Siemens Automation and Drives

Erschienen in Ausgabe: 06/2004