Aufwandsoptimierte Simulation von Produktionsanlagen durch Vergrößerung der Geltungsbereiche von Teilmodellen

Simulation konnte sich in größeren Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus im letzten Jahrzehnt etablieren. Sinkende Kosten für Rechentechnik und elektronische Datenspeicher sowie die steigende Leistungsfähigkeit von entsprechenden Softwaresystemen begünstigten diese Entwicklung. Im Bereich der dynamischen Simulation jedoch sind die abgeglichenen Teilmodelle weiterhin nur sehr lokal begrenzt gültig und die Prognosefähigkeit dieser Modelle beschränkt sich auf einen kleinen Bereich des Arbeitsraums. Um dennoch globale Aussagen bezüglich des dynamischen Verhaltens zu erhalten, sind Modalanalyse-Messungen und Modellabgleiche an einer Vielzahl von Positionen im Arbeitsraum das probate Mittel. Für Unternehmen ist dies zwangsläufig mit hohen Kosten verbunden. Ziel der vorliegenden Arbeit ist deshalb die Erarbeitung einer geschlossenen Methode zur aufwandsoptimierten dynamischen Simulation von Produktionsanlagen. Dies meint, dass der Geltungsbereich der vorkommenden Teilmodelle bei gleichbleibender Modellgüte vergrößert und damit auch ihre Prognosefähigkeit im Sinne der Vorhersagbarkeit des dynamischen Verhaltens gesteigert wird. Der Modellabgleich kann somit effektiver durchgeführt und der Simulationsaufwand optimiert werden. Zunächst wird hierzu ein Simulationsmodell aufgebaut, welches den Zugang zu seinen Modellparametern in geeigneter Weise gewährleistet. Als zweckmäßig wird der Aufbau eines mechanischen Mehrkörpermodells mittels der Bond-Graphen-Theorie erachtet. So können für alle betrachteten Positionen des Arbeitsraums dieselben dynamischen Bewegungsgleichungen verwendet werden und eine Differenzierung erfolgt allein durch Einsetzen der positionsspezifischen Werte in die Modellparameter der allgemeingültigen Gleichungen. Außerdem kann das dynamische Verhalten des Gesamtsystems effektiv und transparent analysiert werden. Als Maß für die Übereinstimmung von Simulation und Realität werden die gemessenen und die simulierten Nachgiebigkeitsfrequenzgänge am Tool Center Point der untersuchten Produktionsanlage verglichen. Um eine möglichst hohe Güte dieses Abgleichs zu erreichen, werden im Kern der Arbeit genetische Algorithmen zur Anpassung des Simulationsmodells an die Messdaten verwendet und zusammen mit den herkömmlichen, meist manuellen Verfahren bewertet. Hierbei zeigt sich, dass durch geeignete, physikalisch plausible Annahmen an die Steifigkeiten und Dämpfungen des Modells Parameterkonfigurationen gefunden werden können, die nicht nur an der Position des Abgleichs mit den Messdaten, sondern auch noch an den benachbarten Positionen das dynamische Verhalten hinreichend genau beschreiben. Basierend auf diesen Ergebnissen wird abschließend abgeschätzt, wie die Güte eines Teilmodells von dessen Größe des Geltungsbereichs abhängt und welchen wirtschaftlichen Nutzen Unternehmen daraus ziehen können. Nach der zusammenfassenden Darstellung der Methode wird sie am Beispiel eines 6-Achs-Knickarmroboters validiert. Damit wird den immer größer werdenden Einsatzfeldern von Industrierobotern im Bereich spanender Bearbeitungsaufgaben z. B. im Flugzeugbau Rechnung getragen.