SFB/TR 96 A05 Prozessaktuelles WZM-Abbild

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität am Beispiel der spanenden Fertigung

Laufzeit:	07/2011 – 06/2015
Finanzierung:	DFG / SFB/TR 96
Bearbeiter:	Dipl.-Math. Alexander Galant
Kooperation:	Standorte Dresden, Aachen und Chemnitz des SFB/TR 96

Zielstellung

Für die Gestaltung von Kompensationslösungen, die Bewertung des thermo-elastischen Verhaltens und für die Korrektur thermo-elastischer Fehler im Betrieb von Werkzeugmaschinen werden im Zeitbereich simulierbare Modelle für das Gesamtsystem aus Maschine, Werkzeug, Prozess, Antriebs- und Kühlsystemen sowie Umgebung benötigt.
Für die Analyse eines breiten Spektrums thermischer Last- und Randbedingungen bezüglich ihrer Wirkungen im Arbeitsraum und für die Korrektur thermo-elastischer Fehler im Betrieb von Werkzeugmaschinen bei Berücksichtigung großer Relativbewegungen treten Forderungen nach Minimierung der Rechenzeit sowie nach Abbildbarkeit veränderlicher Koppelbedingungen und nichtlinearer Last- und Randbedingungen in den Vordergrund. Bei diesen Problemstellungen wird die Berechnung von Verfor-mungen aber nur für ausgewählte Punkte der Struktur benötigt – wie an Koppelstellen und am TCP. Eine übersichtliche Model-lierung als Kapazitäts-Leitwert-Netzwerkmodell bietet sich als Lösungsweg an: Die im CAD definierten, zunächst FE-modellierten Gestellstrukturen werden mit MOR-Algorithmen ordnungsreduziert, auf Koppel- und Ergebniskoordinaten kondensiert und als Objekte mit zu entwickelnden thermo-elastischen Koppel- und Lastelementen zu einem Netzwerkmodell verbunden.

Lösungsweg

Aufbauend auf der gewonnenen Erfahrung aus dem Projekt DFG GR 1458/43-1 „Kondensation und Freiheitsgrad-Reduktion für thermo-elastische Modelle von Gestellstrukturbauteilen an Werkzeugmaschinen“ und mit der Unterstützung des Teilprojektes DFG SFB/TR96 A06 „Modellordungsreduktion für thermo-elastische Baugruppenmodelle“ wurden im ersten Schritt die Modellordnungsreduktion-Verfahren problemspezifisch adaptiert und weiterentwickelt.

Basierend auf dem MOR-Verfahren und unter Ausnutzung der im Projekt DFG GR 1458/43-1 entwickelten Import-Export-Routinen zwischen ANSYS und MATLAB/Simulink wird ein effizientes, durchgängiges Lösungsschema von der CAD-Geometrie über die FEM-Modellierung bis hin zur Berechnung der thermisch bedingten Verformungen einer Baugruppe geschaffen.

Ergebnisse

Die alternative Simulationstechnologie mit Einbeziehung der MOR-Methoden wurde mit dem konventionellen Vorgehen in ANSYS am Beispiel der thermo-elastischen Berechnung eines Fräsmaschinen-Ständers bezüglich Genauigkeit, Anzahl der Freiheitsgrade, Speicherbedarf und Rechenzeit verglichen.

Ein wesentlicher Vorteil des entwickelten durchgängigen Lösungswegs von der CAD-Geometrie bis hin zur Berechnung der thermisch bedingten Strukturverformungen besteht u. a. in der Automatisierbarkeit der Export-/Import-Routinen zwischen ANSYS und MATLAB/Simulink sowie der Reduktions-/Berech-nungsalgorithmen in MATLAB/Simulink, so dass der Anwender diesen Ablauf als Black-Box nutzen kann und daher kein spezifisches Wissen – außer den Umgang mit ANSYS – benötigt.