Virtueller Prüfstand

Spezial Mechatronik

Simulation - Virtuelle Prototypen verbinden die Software der Motorsteuerung mit Simulationswerkzeugen.Die errechneten Modelle von mechatronischen Maschinen werden unter Einsatzbedingungen getestet.

15. Juni 2010

Steigerung der Wettbewerbsfähigkeit durch Entwicklung flexibler Mehrzweckmaschinen anstatt Sondermaschinen für spezielle Aufgaben. Diesem Trend folgen immer mehr Maschinenbauer und ersetzen bei neuen Maschinen mechanische und pneumatische Komponenten durch motorbasierte Lösungen. Die Anlagen sind zwar wartungsfreundlicher, kompakter und bieten Effizienzvorteile. Die Entwicklung der Bewegungsprofile wird jedoch mit jedem zusätzlichen Motor und jedem weiteren beweglichen Bauteil immer komplexer.

Es gilt dabei das System auf Grundlage von Funktionen zu definieren, die Standardbewegungen ausführen, wie geradlinige Kreisbögen oder freie Bahnkurven. Durch die Kombination von Funktionen und das Festlegen der Reihenfolge, in der diese Funktionen stattfinden werden, wird das Bewegungsprofil erstellt.

Auf Basis dieses Profils erzeugt das Embedded-Steuerungssystem die Bahnkurve und führt die genaue Bewegung und Positionierung koordinierter Achsen aus. Aufgaben wie die Überwachung oder die Spline-Interpolation für flüssige Bewegungen muss eine intelligente Motion Engine in der Software zur Verfügung stellen. Werkzeuge für die Softwareentwicklung für Motorsteuerungsanwendungen wie das LabView NI Soft Motion Module bieten solche High-Level-Funktionen und ermöglichen Anwendern den zügigen Entwurf beliebiger Bewegungsprofile.

Frühzeitiger Test

Im klassischen Konstruktionsprozess konnten Regeltechniker erst nach dem Bau des ersten Prototyps mit der Implementierung ihrer Algorithmen beginnen. Erst relativ spät konnte so feststellt werden, ob die Motorsteuerungsanwendung korrekt arbeitete. Auch wenn dieser Ablauf früher gut funktionierte, greift das Vorgehen bei modernen mechatronischen Systemen nicht mehr. Heute ermöglicht es die Integration von LabView NI Soft Motion und SolidWorks, bereits Bewegungsprofile zu entwerfen und zu validieren, sobald ein 3D-CAD-Modell verfügbar ist. Fehler sind so in einen sehr frühen Zeitpunkt der Entwicklung erkennbar, lange bevor die Bewegungsprofile auf die reale Hardware übertragen werden.

Auswahl des Motors

Im Prinzip ist die Bestimmung der Motorgröße einfach: Es wird der Motor gewählt, der den Geschwindigkeits-, Massenträgheits- und Drehmomentanforderungen der Anwendung am besten entspricht. Das U.S. Department of Energy schätzt allerdings, dass etwa 80 Prozent aller Motoren, die in den USA verwendet werden, überdimensioniert sind. Eine gewisse Überdimensionierung gleicht steigende Reibung während der Lebensdauer der Maschine aus, jedoch wird durch eine zu großzügige Beigabe die Leistung gemindert, da eine höhere Massenträgheit auftritt. Die Motoreffizienz sinkt und die Energiekosten steigen. Dies spielt eine noch größere Rolle, wenn der Motor Teil der Nutzlast ist, wie es bei vielen mehrachsigen Motorsteuerungssystemen der Fall ist. Etwa 96 Prozent der Kosten während der Einsatzzeit eines Motors entstehen durch die von ihm verbrauchte Energie und nicht durch die Kosten des Motors selbst. Eine Entscheidung zugunsten optimaler Komponenten wirkt sich auf die gesamte Lebensdauer, gesehen sowohl auf die Leistung als auch auf die Umweltverträglichkeit der Maschine, positiv aus.

Sicherer Testbetrieb

Schwingungen, die durch das Zusammenspiel der mechanischen Komponenten einer Maschine entstehen, können negative Auswirkungen auf das Gesamtsystem haben. Eigenschaften wie Flexibilität und Getriebespiel stören unter Umständen das PID-Regelsystem so stark, dass es schwierig oder gar unmöglich wird, die Maschine abzustimmen. Die Schwingungen mittels der Steuerungssoftware zu beheben, ist unmöglich. Daher erfordert die Gewährleistung der Anforderungen gewöhnlich eine komplette Überarbeitung der mechanischen Komponenten.

Eine Behelfslösung ist, im Steuersystem Totzeiten am Ende jeder Bewegungsoperation hinzuzufügen, um die Schwingungen abklingen zu lassen. In manchen Fällen kann auch eine schnellere Ausführung der Bewegungsprofile die Anzeichen reduzieren, indem die Erregerfrequenz der Bewegungsprofile über die Eigenfrequenz, die Resonanz, des mechanischen Systems angehoben wird.

Falls das System durch Reduzierung der PID-Verstärkungsparameter verstimmt wird, um Schwingungen zu vermeiden, hat dies mit hoher Wahrscheinlichkeit einen negativen Einfluss auf die Systemzykluszeit. Darum ist es besser, Schwingungen durch Änderung der Mechanik zu beheben.

Resonanzen können durch unterschiedliche Vorgehensweisen verhindert werden. Veränderungen der Massenträgheit des Motors beziehungsweise der Last oder Erhöhung der Systemsteifigkeit bei der Übersetzung können die Resonanzfrequenz so beeinflussen, dass diese im Betriebsbereich der Maschine keine Rolle mehr spielt. Allerdings erfordert dieses Vorgehen größere mechanische Veränderungen und diese erhöhen in der Regel die Maschinenkosten.

Einfacher und schneller sind Lösungen mit virtuellen Prototypenwerkzeugen wie NI Soft Motion für SolidWorks zu finden, die eine sichere Umgebung für den Test von Entwürfen bieten. Durch Anwendung realer Bewegungsbahnen auf das mechanische Modell und Simulation des Verhaltens des Gesamtsystems können Maschinenbauer und Regeltechniker unterschiedliche Entwurfskonzepte evaluieren. So können sie Abweichungen bei der Einhaltung der Anforderungen feststellen und lösen, während sich der Entwurf noch im Stadium eines virtuellen CAD-Modells befindet, noch lange bevor ein einziger realer, kostenaufwendiger Prototyp gebaut worden ist.

J. Gutierrez, Chr. Fritz, NI,

S. Endersby, SolidWorks/csc

Erschienen in Ausgabe: 04/2010