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Entwicklungsumgebung für fluidtechnisch-mechatronische Systeme (FLUIDTRONIC)

Fluidtronic

Thema

Fluidtechnische Systeme stellen anspruchsvolle mechatronische Produkte dar. Nach VDI 2206 gilt die Mechatronik als Integration von Mechanik, Elektronik und Informatik, wobei die Fluidtechnik der klassischen Mechanik unterordnet ist. Dies greift häufig zu kurz, da mit dem Fluid weitere Disziplinen, wie Chemie und Tribologie, berücksichtigt werden müssen. Deshalb befasst sich dieses Forschungsvorhaben einmal gezielt mit einer Problemstellung aus der Fluidtechnik, um dieses Fachgebiet verstärkt zu betrachten.

Komponenten eines fluidtechnisch-mechatronischen Systems
Abb. 1: Komponenten eines fluidtechnisch-mechatronischen Systems

Aufgrund der disziplinübergreifenden Eigenschaften mechatronischer Systeme sind bei der Entwicklung in der Regel mehrere Zulieferer beteiligt (siehe Abb.1). Dies impliziert Schnittstellen zwischen den einzelnen Disziplinen, bzw. Komponenten. Heutzutage findet jedoch kaum eine ausreichende Kommunikation der einzelnen Zulieferer untereinander statt. Die Regel sind somit separate Lasten- bzw. Pflichtenhefte anstelle von disziplinübergreifenden Systementwürfen. Dadurch wird die Entwicklung eines optimalen Gesamtsystems nahezu ausgeschlossen (siehe Abb. 2).

Informationsfluss in der Produktentwicklung
Abb. 2: Informationsfluss in der Produktentwicklung

Ein weiterer Punkt dieses Projektes greift die aktuelle Stellung der Simulationshilfen auf. Bei den einzelnen Komponentenherstellern wird die Möglichkeit der entwicklungsbegleitenden Simulation meist nur unzureichend genutzt. Häufig fehlen Schnittstellen um den Informationsfluss unter den verschiedenen Software-Lösungen der Komponentenhersteller zu gewährleisten. Des Weiteren sind die Simulationsmodelle nur vielfach nur statisch einsetzbar. Zeitlich relevante Aspekte, wie zum Beispiel das Verschleiß- und Alterungsverhalten der Komponenten, können meist noch nicht von ihnen abgebildet werden. Diese mangelnde Softwareunterstützung führt in der Regel zu einer Zeit- und Kostenaufwendigen Inbetriebnahme des Systems. Die darüber hinaus notwendigen Anpassungen während des Betriebes durch veränderte Systemeigenschaften können dabei derzeit nur abgeschätzt werden.

Ziele

Mit dem vorliegenden Forschungsvorhaben soll zunächst eine projektbezogene interaktive Plattform entstehen, die es den Herstellern der einzelnen Komponenten ermöglicht online zu kommunizieren. Dabei entsteht eine Entwicklungsoberfläche jedes einzelnen Produktes mit den entsprechenden Kenndaten. Diese sind bei Relevanz mit den Eigenschaften anderer Produkte verlinkt, sodass jeder Hersteller die für sein Produkt notwendigen Daten, auch von anderen Zulieferern, sofort einsehen kann. Mit einer solchen übergeordneten Entwicklungsumgebung können Probleme, die sonst erst zu einem sehr späten Zeitpunkt im Entwicklungsprozess auftreten, frühzeitig beseitigt werden.

Außerdem soll eine Anwendung entwickelt werden, die eine Simulation des Gesamtsystems erlaubt. Neben der Bewertung und Verknüpfung bestehender Simulationskomponenten beinhaltet dieser Projektabschnitt eine zusätzliche Entwicklung neuer Routinen von bisher unberücksichtigten Einflüssen.

Mithilfe des entstandenen Simulationswerkzeugs kann, neben der Auslegung der regelungstechnischen Komponenten für die Inbetriebnahme, eine weiterführende Beobachtung der Anlage über geeignete Abgleichvorgänge erfolgen. Unter dem Begriff „Condition Monitoring“ soll so eine effektive Nutzung aller Komponenten über den gesamten Produktlebenszyklus ermöglicht werden.

Vorgehen

Die angestrebten Lösungen werden an dem fluidtechnisch-mechatronischen System einer hydraulischen Pressenanlage entwickelt.

Zu Beginn findet eine Aufnahme und Bewertung der existierenden Entwicklungsschritte und Simulationswerkzeuge bei den Projektpartnern statt. Die besonderen Anforderungen an eine integrierte Entwicklungsumgebung für fluidtechnisch-mechatronische Systeme werden identifiziert. Aus ihnen wird ein idealer Entwicklungsreferenzprozess abgeleitet, welcher als PLM-Demonstrator unter Zuhilfenahme der Plattform PTC-Winchill umgesetzt wird, der die Informationsflüsse entsprechend definierter Schnittstellen steuert.

Es werden neue Modelle zur Beschreibung von Komponentenverschleiß, Ölalterung, Schmutzeintrag sowie Dichtungsreibung untersucht und entwickelt. Die so erarbeiteten Ansätze werden anhand von eigens hierfür konzipierten Prüfstandversuchen verifiziert. Hieraus resultierende mathematische Modelle werden abschließend in eine entsprechende Simulationsumgebung implementiert. Außerdem sollen die angewandten Hilfsmittel um benötigte Schnittstellendefinitionen erweitert werden.

Mit Hilfe der Hardware-in-the-Loop Simulation soll die Steuerungshardware bereits im Vorfeld an ein Simulationsmodell der Anlage angekoppelt werden. Es ist zu untersuchen in wie weit dieser Ansatz einer virtuellen Inbetriebnahme des Systems zu einer vereinfachten Reglerabstimmung und somit zu einer beschleunigten Inbetriebnahme der Anlage führt.

Darüber hinaus soll eine Pressenanlage mit Sensorik ausgestattet und eine kontinuierliche Systemüberwachung durchgeführt werden. Unter dem Begriff “Condition monitoring“ soll dabei die Steuerung der Anlage autark auf Änderungen der Komponenteneigenschaften mit veränderten Reglereinstellungen reagieren.



1) Quelle: „Fluidtronic – Entwicklungsumgebung für fluidtechnisch-mechatronische Systeme“ Antrag des Verbundprojektes innerhalb des Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen“

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