Simulation von Systemen mit HD Getrieben

Höchster Gleichlauf eingebaut

Simulation dynamischer Systeme

"Der Einsatz moderner Simulationssysteme spart Zeit und Geld."

Dieser Satz klingt zunächst sehr plakativ. Dennoch ist darin vollständig begründet, wieso computerbasierte Simulationssysteme innerhalb weniger Jahre eine ungeahnte Verbreitung gefunden haben. Diese Entwicklung stellt in der Elektronik-Branche mittlerweile Stand der Technik dar, ist aber mehr und mehr auch in der maschinenbaulich orientierten Wirtschaft zu beobachten.

Die Harmonic Drive AG hat frühzeitig erkannt, dass die dynamische Simulation ein beachtliches Potenzial sowohl bei der Entwicklung neuer Produkte als auch bei der Betreuung von Kundenprojekten bietet. Wegen der offenen Architektur entschied man sich bei der Wahl eines geeigneten Werkzeuges für MATLAB/SIMULINK. MATLAB selbst ist eine leistungsfähige Sprache für technische Berechnungen. Die Erweiterung SIMULINK ist ein interaktives Werkzeug zur Simulation nichtlinearer dynamischer Systeme. Das Programmsystem wurde von The MathWorks, Inc.entwickelt und hat heute eine weltweite Nutzer-Gemeinde.

Modellierung und Simulation von Systemen mit HD-Getrieben

Antriebstränge können als eindimensionaler Sonderfall von dreidimensionalen Mehrkörpersystemen aufgefasst werden. Das Bild 1 zeigt die kinematische Struktur eines solchen Systems (offene Kette) und einen möglichen Ansatz zur komponentenorientierten Modellierung solcher Systeme. Die Berechnung erfolgt dabei in drei Stufen:

  • Berechnung der kinematischen Größen (Winkel, Winkelgeschwindigkeit) ausgehend von der Wurzel (z.B. Motor) zum Ende der Kette (z.B. Last)
  • Berechnung der Kraft-Größen (Moment, Massenträgheitsmoment) in umgekehrter Richtung
  • Berechnung der Beschleunigung (Winkelbeschleunigung)


Ausgangspunkt für das Modellieren eines technischen Systems ist sein Verhalten. Die Annäherung des Modellverhaltens an das Verhalten des realen Systems nimmt mit dem Detailierungsgrad des Modells zu, jedoch auch der Modellumfang und der Aufwand an Rechenzeit. Je nach Aufgabenstellung kann es daher für das gleiche reale System (z.B. Harmonic Drive-Getriebe) unterschiedliche Modelle geben (ideales Getriebe, elastisches Getriebe, ...).


Da reale antriebstechnische Systeme modular aufgebaut sind, kann auch die Modellierung sehr sinnvoll auf Basis von Komponenten erfolgen. Typische Elemente in Antriebssträngen sind Wellen, Motoren, Getriebe oder Kupplungen. Dazu kommen Komponenten wie Regler, Sollwertgeneratoren oder Sensoren. Sehr wichtig ist natürlich auch die Analyse des anzutreibenden Systems, sei es eine einfache Last oder ein komplexes Maschinensystem. Modelle von Standardkomponenten lassen sich in Bibliotheken zusammenstellen. Bild 2 zeigt die Komponente "elastisches Getriebe" in der Bibliothek "HDLibrary" und das zugehörige Modell. Bild 3 zeigt das SIMULINK-Modell eines typischen Antriebsstrangs mit Komponenten der "HDLibrary" Modell-Bibliothek.


Bild 4 zeigt das SIMULINK-Modell des Manipulators für ein 6-achsiges Force Feedback Device. Dieses Gerät kann als haptische Schnittstelle für chirurgische Simulatoren und allgemeine "Virtual Reality"-Systeme eingesetzt werden.


Ziel jeder Simulation ist es, Informationen über die modellierte Welt zu erhalten. Die sinnvolle Aufbereitung dieser Informationen von einer maschineninternen Darstellung in eine vom Menschen interpretierbare Form ist für die praktische Arbeit mit Simulationswerkzeugen ausschlaggebend. Die 3D-Visualisierung ist dabei eine sehr elegante Möglichkeit, komplizierte Bewegungsvorgänge darzustellen. Zu diesem Zweck wurde eine Anbindung von SIMULINK an das leistungsfähige Animationswerkzeug RealiMation geschaffen. Bild 5 zeigt das Prinzip der Programmkopplung über einen TCP/IP-Socket.


Neben der Online-Animation bietet das Animationswerkzeug auch die Möglichkeit, Bewegungsabläufe als Videosequenz zu speichern. Die Harmonic Drive AG wird das Thema Modellierung und Simulation dynamischer Systeme künftig noch stärker verfolgen. Neben der firmeninternen Nutzung der vielfätigen Möglichkeiten steht dabei die Zusammenarbeit mit unseren Kunden und Partnern im Mittelpunkt.

Autor:
Dipl.-Ing. Andreas Kayser
Entwicklung
Harmonic Drive AG
Limburg/Lahn
E-Mail:andreas.kayser@harmonicdrive.de

Autor: Dipl.-Ing. Andreas Kayser

Entwicklung

Harmonic Drive AG

E-Mail

andreas.kayser@
harmonicdrive.de