Ganzheitliche Systemsimulation komplexer Antriebs- und Bewegungssysteme

MECHANISMENTECHNIK 4.0 – KANN ES DAS GEBEN?

Der fortschreitende und umfassende Strukturwandel im Bereich der Antriebs- und Bewegungstechnik betrifft sehr nachhaltig die Mechanismentechnik. Im industriellen Umfeld stehen heute vor allem zentrale oder dezentrale Motion-Control-Systeme (MCS) mit einem hohen Grad an Flexibilität und Adaptierbarkeit im Mittelpunkt. Innovationen aus den Bereichen der nichtlinearen „mechanischen“ Antriebstechnik  stellen, auch bedingt durch globale Schlagworte, wie Industrie 4.0, Elektromobilität, Flexibilität bzw. dem Internet of Thinks, mechanisch geprägte Antriebskonzepte mehr und mehr in den Schatten und es entsteht der Eindruck, als würde kein Interesse mehr an der Weiterentwicklung dieser Systeme bestehen. Und klar, komplexe Anforderungen, wie möglichst schnell, schwingungs- und verschleißarm, wenig kompliziert, modular, schnittstellenoffen, billig, vernetzt und vor allem in jeder Hinsicht „flexibel“, sind mit Mechanismen nur teilweise erfüllbar. Dieses „flexibel“ ist dann immer das „willige“ Argument, was gegen die Mechanismen spricht.

Aber ist dies so vollkommen korrekt? Sind mechanische Getriebe zur Erzeugung nichtlinearer Bewegungen wirklich zu altbacken und zu kompliziert?  Wohl kaum, denn es gibt Bereiche des Maschinenbaus, in denen Mechanismen - allen voran die ebenen Koppel- und Kurvengetriebe – einen hohen Stellenwert besitzen. Hierzu zählen u. a. der Textil-, Verpackungs- und Sondermaschinenbau.

In Textilmaschinen wird beispielsweise ein sechs- oder achtgliedriges Koppelgetriebe zur Erzeugung einer Barrenbewegung durch nur einen Motor angetrieben. Dabei kommt es auf präzise Bewegungen bei sehr hohen Drehzahlen an.  Die leistungsfähigsten Kettstühle am Markt bewegen sich im Bereich von über 4000 U/min und müssen auf einer Arbeitsbreite von mehr als 4,5 m tausende Nadeln exakt positionieren. Derartige Leistungsparameter und  Dimensionen stellen höchste Anforderungen an die Positionsgenauigkeit der maschenbildenden Wirkelemente. Die dabei auftretenden dynamischen Effekte, z.B.  in den Lagern, die Anregung von Schwingungen und daraus resultierende Problematik der starken Geräuschentwicklung sind sehr komplex  und es stellt sich die Frage nach geeigneten Werkzeugen zur Auslegung und Optimierung derart komplexer Antriebssysteme. Ein Servomotor ist gegenwärtig auch nicht die Lösung, denn ein Motor wird nie eine Masche bilden oder eine beliebige Bewegungsbahn erzeugen können. Hierzu müsste man - wenn schon - mehrere exakt synchron nutzen.  

AUSLEGUNG KOMPLEXER ANTRIEBSSYSTEME AUF BASIS DER SYSTEMSIMULATION

Um neue Antriebskonzepte umzusetzen, bedarf es Fachwissen gepaart mit effizienten Werkzeugen. Doch geeignete Software zum Entwurf und der Auslegung von Mechanismen gestaltet sich dahingehend schwierig, da es bis heute nicht das optimale Werkzeug gibt. Zwar sind problemspezifische Softwareapplikationen  bekannt, doch sind diese hochspezialisierten Programme oft nicht in der Lage, schnittstellenoffen mit anderen Programmen einer z.B. innerbetrieblichen Werkzeugkette (Stichwort Toolchain-Management) zu kommunizieren. Ebenso gibt es Softwareprogramme, welche entweder hinsichtlich der Maßsynthese oder der kinematischen und/oder kinetischen Analyse optimiert wurden. Beides kombiniert und zeitgleich zu betrachten, war bisher nicht vollumfänglich möglich.

In den vergangenen Jahren hat sich am Markt jedoch die Klasse des Systemsimulators mit Programmen wie Dymola, Wolfram Alpha, SimulationX oder Matlab Simulink etabliert. Die meisten Programme, wie auch SimulationX, nutzen hierbei die Programmiersprache Modelica, welche sich als Standard immer mehr verbreitet. An der Professur für Montage- und Handhabungstechnik der TU Chemnitz wurde in den vergangenen Jahren ein umfangsreiches Bibliothekskonzept für SimulationX entwickelt, welches die bestehende Lücke schließt und erstmals ein ganzheitliches Synthetisieren nichtlinearer Kurven, Bänder- und Koppelgetriebe zur Erfüllung simpler wie auch hochkomplexer Antriebsaufgaben ermöglicht.

So entstand in Kooperation mit dem Softwarehersteller, der damaligen ITI GmbH in Dresden, welche heute zur ESI Group gehört, eine 2D Koppelgetriebebibliothek auf Basis der in den letzten Jahren überarbeiteten und erweiterten VDI Richtlinie 2729.

  • VDI Richtlinie 2729 Blatt 1: Modulare Analyse ebener Gelenkgetriebe mit Dreh- und Schubgelenken - Kinematische Analyse, 2016
  • VDI Richtlinie 2729 Blatt 2: Modulare Analyse ebener Gelenkgetriebe mit Dreh- und Schubgelenken - Kinetostatische Analyse, 2017

Mit Hilfe der 2D-Koppelgetriebebibliothek (dargestellt im Bild 1) und der zugrunde gelegten Richtlinie können Anwender seit der Version SimulationX 3.7 einfache bis  komplexe ebene Koppelgetriebe schnell simulieren und analysieren. Die Besonderheit des Systemsimulators liegt hierbei in der Möglichkeit der Modellerweiterung zur Betrachtung domänenübergreifender Problemstellungen. So lässt sich beispielsweise ein Antriebsstrang auch symbolorientiert sehr einfach um mechatronische, pneumatische oder hydraulische Baugruppen erweitern. Auch ist es möglich, mittels der vorhandenen 3D-Bibliothek räumliche Effekte in Mechanismen zu simulieren, welche mit klassisch ebenen Herangehensweisen unberücksichtigt bleiben müssen. Die zugrundeliegenden Modellierungsmethoden und Berechnungsansätze wurden im Rahmen einer Dissertation veröffentlicht [1].

Bild 1: Übersicht über die in SimulationX 3.8 vorhandenen Module zur Analyse ebener Koppelgetriebe

Im Rahmen weiterer Forschungsaktivitäten ist es in den vergangenen Jahren auch gelungen, eine umfangreiche Bibliothek zur modularen Synthese ebener Koppelgetriebe zu entwickeln. Diese Synthesebibliothek ist direkt mit den Analysemodulen verbunden und erlaubt es dem Anwender, unterschiedliche Verfahren der Maßsynthese zum Ermitteln gültiger Abmessungen aufzurufen. Diese reichen von Verfahren der Zwei- und Dreilagensynthese hin zur Vierlagensynthese und der damit verbundenen Bestimmung von Kreis- und Mittelpunktkurve und noch darüber hinaus, bis zur Sechslagensynthese. Anwenderfreundlich sind in dieser Bibliothek auch Module zur Erzeugung oszillierender Abtriebsbewegungen implementiert, welche sich direkt auf die VDI Richtlinie 2130 beziehen. Ebenso ist es möglich, die in der VDI-Richtlinie 2728 beschrieben Methoden mit der neu geschaffenen Bibliothek anzuwenden.

  • VDI Richtlinie 2728 Blatt 1: Lösung von Bewegungsaufgaben mit symmetrischen Koppelkurven - Übertragungsaufgaben, 1996
  • VDI Richtlinie 2130: Getriebe- für Hub- und Schwingbewegungen – Konstruktion und Berechnung viergliedriger ebener Gelenkgetriebe für gegebene Totlagen, 2001

Bild 2 zeigt einige der mittlerweile über 30 Synthesemodule für unterschiedlichste Aufgabenstellungen, welche die Bearbeitung aller gängigen Syntheseaufgaben ermöglichen. So lassen sich beispielsweise hochgenaue Koppelrastgetriebe oder Kurvenkoppelgetriebe ebenso wie hybride Mechanismen mit den neuen Bibliotheken in SimulationX schnell und ganzheitlich synthetisieren und analysieren.

Bild 2: Übersicht über eine Auswahl der in SimulationX 3.8 neu implementierten Synthesemodule

Zur Modellierung werden einfach per Drag&Drop Module aus den Bibliotheken in die Strukturansicht des Modells gezogen und miteinander verbunden. Die Expertise des Getriebetechnikers hilft bei der Auswahl geeigneter Synthesemodule, welche in deren Kombination die Synthesestrategie bilden. Nach einer erfolgreichen Einbindung der benötigten Analysemodule können in diesem Kontext beliebige Problemstellungen des physikalischen Systems untersucht und hinsichtlich ihrer Kenndaten, wie z. B. Gelenkspiele, Gelenkkräfte, Antriebsmoment, Leistung, Frequenzspektren oder auch einfach nur die Abtriebsbewegung, während der Synthese bewertet werden (Bild 3).

Bild 3: Beliebiges Verknüpfen von Modulen für einen ganzheitlichen Simulationsansatz

Auf der VDI Bewegungstechnik-Tagung 2016 wurde diese neue Methode, welche als  modulbasierter Analyse-Synthese-Parameter-Abgleich (kurz ASPA) [2] deklariert wird, erstmals umfassend vorgestellt. Das vollständige Modellierungskonzept wird voraussichtlich Ende 2018 von S. Heinrich veröffentlicht.

Letztendlich muss man als Antwort auf die eingangs gestellte Frage -  Mechanismentechnik 4.0? – sagen, dass es für kinematisch und kinetisch anspruchsvolle, sensitive oder auch sicherheitsrelevante Maschinen, Geräte und Anlagen mit mechanischen Komponenten zur Bewegungserzeugung und –übertragung immer bessere, effizientere und integrierte Werkzeuge geben wird, welche die Auslegung mehr und mehr erleichtern und zukünftigen Ingenieuren die Angst vor dieser „antiquierten“  - aber oft wunderschön anzusehenden Technik -  nehmen.

Autoren

Prof. Dr.-Ing. Maik Berger, Stefan Heinrich, M.Sc.
Professur für Montage- und Handhabungstechnik
Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz

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