Antriebsoptimierung in der Simulation

Anja Andraschko, Baumüller Nürnberg GmbH

Lesedauer ca. min.

Sich spielend an eine Programmierung heranwagen. Parameteränderungen ausprobieren und sich die Auswirkungen genauer ansehen, diese variieren und das alles völlig ohne Risiko und mit geringen Kosten. Geht doch gar nicht? Oh doch! Mit Simulationen können komplexe Anwendungen virtuell getestet werden.

Wann macht Simulieren Sinn? Was bringt es?

Simulation bietet großen Mehrwert und ist eine Investition in die Zukunft
Jeder kennt sie und viele Ingenieure vertrauen auf ihre Unterstützung: Simulationssoftware. Sie bietet großen Mehrwert und ist eine Investition in die Zukunft. Doch wann macht Simulieren eigentlich Sinn? Immer dann, wenn ein System oder eine Anwendung zu komplex für eine theoretische Betrachtung ist, kommt die Simulation ins Spiel. Sie ermöglicht das sichere Programmieren und Testen verschiedener Konstellationen, die in der Realität oftmals nicht so leicht umgesetzt werden können. „Betrachten wir zum Beispiel die Auslegung eines Fahrradrahmens. Das Material muss eine gewisse Stärke haben, damit das Fahrrad stabil ist. Doch um sich sehr schnell fortbewegen zu können, muss der Rahmen so leicht wie möglich sein. Und auch die Kosten müssen überschaubar bleiben. Denn für den Kunden spielt der Preis eine große Rolle. Hier ist Konstruktions-Know-how gefragt. Zumindest in der Theorie“, erklärt Simulationsingenieur Stefan Hecht.
Risikofrei testen und optimieren

In der Praxis sieht das anders aus. Viele Konstrukteure nehmen einen etwas stärkeren Alurahmen, um auf Nummer sicher zu gehen. „Durch die Simulation kann die Stärke des Aluminiums exakt berechnet werden. Zu groß dimensionierte Fahrradrahmen gehören somit der Vergangenheit an“, so Stefan Hecht weiter. In der Simulation lässt sich risikofrei testen, was passiert, wenn die Stärke des Alus verringert wird. „Im virtuellen Raum kann die ideale Stärke ermittelt werden. Immer unter Berücksichtigung der Frage: Wann wird der Aluminiumrahmen instabil?“, verrät der Simulationsingenieur.

D.h. die Simulation bietet für sämtliche Problemstellungen eine Lösung, die virtuell unter Einbeziehung zahlreicher Daten und Überlegungen vorab modelliert, getestet und optimiert werden können. So entsteht die kostengünstigste und beste Lösung für jede Anwendung. Die Ergebnisse lassen sich anschließend auf die Realität übertragen und umsetzen.

Welche Simulationsarten gibt es?

Aus Anwendungssicht gibt es eine Vielzahl von Simulationsarten. Ein Blick in die technische Simulation zeigt, was alles möglich ist: Die Finite-Elemente-Methode (FEM) ist ein numerisches Verfahren, mit dem Festigkeits- und Verformungsberechnungen durchgeführt werden. Damit lässt sich beispielsweise berechnen, wie sich ein Auto bei einem Frontalaufprall verformt. Auch thermische Simulationen sind heutzutage gängige Praxis. Sie sind ein wichtiger Bestandteil, um das Temperaturverhalten verschiedener Bauteile zu bewerten. Durch ein effizientes Wärmemanagement kann die Leistungsdichte der Bauteile erhöht werden.

Des Weiteren gibt es für komplexe Fluide, wie polymerbasierte Flüssigkeiten, Partikel- und Fasersuspensionen, Schäume, Beton, etc. die Möglichkeit mithilfe von Simulation ein Abbild der Realität zu schaffen, um je nach Anwendungsfall robuste und effiziente Lösungen zu finden. Die Strömungssimulation bietet eine kostengünstige Alternative zu Versuchen im Wind- oder Wasserkanal und ermöglicht die Berechnung von Widerstandswerten. Zum Einsatz kommt die Strömungssimulation v.a. bei Flugzeugen, da diese immer wieder mit Turbulenzen zu kämpfen haben.

Von der Hardware-in-the-loop-Simulation (Echtzeitsimulation) wird im Maschinen- und Anlagenbau gesprochen, wenn eine speicherprogrammierbare Steuerung über einen Feldbus an ein Modell einer Maschine angeschlossen wird. Ziel der HiL-Simulation ist es, die Inbetriebnahmephase zu verkürzen. Ein weiterer Vorteil ist das sichere Testen – ohne den Bediener in Gefahr zu bringen. Die Prozesssimulation wird beispielsweise für die Simulation von Produktionsanlagen verwendet, um alternative Fertigungsabläufe und Optimierungspotentiale der Produktionslinien auszutesten.

Im Beitrag wird das Augenmerk auf die Antriebssimulation gelegt. Es geht also um virtuelle Inbetriebnahmen, Antriebsauslegungen, Optimierung der Reglerparameter und Themen wie das Energiemanagement.

Welche Hürden erschweren die Wahl des richtigen Softwareanbieters?

Die Entscheidung für eine Simulationssoftware ist alles andere als einfach. Der Markt bietet unterschiedliche Simulationstools an.

Doch welche Software ist geeignet?

Wer die Wahl hat, hat die Qual.

Um den passenden Anbieter zu finden, gibt es fünf Punkte zu beachten:

1. Komplexität
Viele Softwarelösungen sind komplex und nur nach viel Einarbeitungszeit nutzbar. Daher empfiehlt es sich bei der Wahl auf ein benutzerfreundliches und leicht zu bedienendes Tool zu setzen, das schnell und ohne große Vorkenntnisse verwendet werden kann.
2. Visualisierung

Die Visualisierungs- und Auswertemöglichkeiten unterscheiden sich stark voneinander. Daher sollte Wert auf eine gute Darstellungsform und auf übersichtliche Auswertungsoptionen gelegt werden.

3. Kosten

Die Lizenz einer Simulationssoftware kann schnell teuer werden. Häufig werden High-End-Lösungen überhaupt nicht benötigt. Daher sollte vor dem Kauf genau festgelegt werden, welche Features notwendig sind. Somit lässt sich bares Geld sparen

4. Flexibilität

Die Software sollte flexibel nutzbar sein. D.h. die Kompatibilität mit offenen Schnittstellen, wie FMI/FMU (Functional Mockup Interface) ist eine wichtige Voraussetzung. Diese ermöglicht den Import von Simulationsmodellen aus anderen Softwaretools.

5. Support

Zudem sollte die Software regelmäßig upgedatet werden und einen Support anbieten, damit Fragen schnell und einfach von Experten beantwortet werden können.

ProSimulation – Ein Tool für Einsteiger & Experten

Simulation hilft die Effizienz und Präzision von Maschinen zu erhöhen. Die Software ProSimulation ermöglicht es, Einstellungen am Antrieb ohne Risiko zu testen und Ergebnisse realitätsnah darzustellen. In ProSimulation kann der Antrieb virtuell eingestellt und mit der Realität verglichen werden. Die grafische Darstellung erleichtert die Interpretation der Ergebnisse. ProSimulation ist vollständig in ProDrive integriert und benutzt die identischen Bedienseiten. Anwender können dank des neuen Simulations-Tools frühzeitig mit der Parametrierung beginnen und diese schnell und leicht ändern. Damit finden sich auch Simulationsnovizen schnell zurecht und auch Elektrokonstrukteure, Inbetriebnehmer oder Service-Techniker können die Vorteile der Simulation nutzen.

ProSimulation ist sehr einfach und kann auch von Simulationsnovizen genutzt werden

Die Vorteile der Simulation

Die Simulationssoftware ProSimulation bietet dem Maschinenbauer eine kürzere Inbetriebnahmezeit, eine verbesserte Energieeffizienz, senkt Kosten und ermöglicht eine sichere Reglerparametrierung für präzise Ergebnisse. Mit ProSimulation kann der gesamte Engineering-Prozess abgedeckt werden. D.h. bereits in der Konstruktion kann die Simulation unterstützen.

Nach erfolgter Inbetriebnahme der Maschine oder bei bereits bestehenden Maschinen und Anlagen bietet die Simulations-Software außerdem die Möglichkeit für Fehlersuche und Optimierung. Nutzer können Parameter-Einstellungen schnell und direkt am digitalen Zwilling in ProSimulation testen, ohne die Anlage direkt vor Ort bedienen zu müssen.

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Einsetzbar ist das Tool für vielfältige Branchen und Maschinenarten, sowohl für Standard- als auch Sonderanlagen. Hersteller von z.B. Servopressen, Walzanlagen, Abfüllanlagen oder Robotern sparen mit der Simulations-Software bereits heute Zeit und Kosten. Denn der Einsatz von ProSimulation führt zur Optimierung bis hin zum kompletten Ersatz eines Prototyps. Der finanzielle und zeitliche Aufwand für die Entwicklung und Inbetriebnahme wird somit deutlich reduziert.
ProSimulation: Wie funktioniert die Software?

Simulationen wirken sich positiv auf den gesamten Engineering-Prozess aus

Antriebsoptimierung mit Simulation vereinfachen
Das Antriebsverhalten schon in der Konstruktionsphase realitätsnah testen und optimieren, ist eine der Stärken, die die Antriebssimulation bietet. Das Bewegungsprofil und einige Maschinendaten sind ausreichend, um ein Simulationsmodell zu erstellen. Mithilfe einer FFT-Analyse kann dann der Antrieb perfekt ausgelegt werden und das obwohl die Maschine real noch gar nicht vorhanden ist.
„Eine super Sache! Die dem Kunden gleich zwei Vorteile bringt: ein kosten- und bauraumoptimiertes Antriebssystem und eine Zeitersparnis bei der Inbetriebnahme der realen Maschine“, erklärt Simulationsingenieur Michael Stiegler. Auch die Effizienz kann mittels Simulation gesteigert werden. Ein ideales Energiemanagement oder die Optimierung von Parametereinstellungen sind weitere Möglichkeiten, wie Maschinenbauer die Simulationssoftware nutzen können.
Mehrwert für den Maschinenbau
„Simulationen haben also einen positiven Effekt auf den gesamten Engineering-Prozess. Und das ist ein echter Mehrwert, der gerade im Maschinenbau neue Möglichkeiten eröffnet und Ingenieure durch parallelisierte Prozesse enorm viel Zeit spart. Die Maschinenkonstruktion bewerten, Antriebsauslegungen vornehmen sowie eine virtuelle Inbetriebnahme vornehmen – all das bietet die Simulation“, resümiert Michael Stiegler.
Haben Sie noch Fragen?

Stefan Hecht
Simulationsingenieur

Unser zuständiger Experte hilft Ihnen gerne weiter.

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