DE102016202645A1

DE102016202645A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Simulation von Schwingungen in einem Bauteil

Info

Publication number: DE102016202645A1
Application number: DE102016202645.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Sicklinger; Rupert Ullmann; Fabian Bachmann; Melvin Liebsch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-02-22
Filing date: 2016-02-22
Publication date: 2017-08-24

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (100) zur Simulation von Schwingungen eines Bauteils (130) beschrieben, das in einem verbauten Zustand über eine Anbindungsstelle (132) an ein anderes Objekt gekoppelt ist. Die Vorrichtung (100) umfasst einen Generator (110), der eingerichtet ist, eine Schwingung des Bauteils (130) anzuregen. Außerdem umfasst die Vorrichtung (100) eine aktive Aktor/Sensor-Einheit (120), z. B. einen Hexapod, mit zumindest einem Aktor/Sensior-Modul (123), die an der zumindest einen Anbindungsstelle (132) mit dem Bauteil (130) in Kontakt steht. Das Aktor/Sensior-Modul (123) umfasst einen Aktor (124), mit dem an der Anbindungsstelle (132) eine Gegenkraft (204) in der Modul-Richtung des Aktor/Sensior-Moduls (123) auf das Bauteil (130) bewirkt werden kann; und einen Sensor (125), mit dem Information in Bezug auf eine Geschwindigkeit (122, 202) des Bauteils (130) an der Anbindungsstelle (132) in der Modul-Richtung des Aktor/Sensior-Moduls (123) erfasst werden kann. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung (100) eine Steuereinheit (140, 200), die eingerichtet ist, den Aktor (124) in Abhängigkeit von der durch den Sensor (125) erfassten Information in Bezug auf die Geschwindigkeit (122, 202) des Bauteils (130) und in Abhängigkeit von einer Ziel-Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil (130) und der aktiven Aktor/Sensor-Einheit (120) an der Anbindungsstelle (132) anzusteuern und zu regeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Simulation von Schwingungen und/oder zur Messung der Ausbreitung von Körperschall in einem Bauteil bzw. in einer Komponente eines Objektes, insbesondere eines Kraftfahrzeugs.
Die Untersuchung, wie sich Körperschall durch die einzelnen Baugruppen bzw. Bauteile einer komplexen Gesamtstruktur ausbreitet, ist herausfordernd, insbesondere wenn dabei Beschleunigungen bzw. Geschwindigkeiten und Kraftgrößen in einem Bauteil zugleich erfasst werden sollen. Typischerweise sind Impedanzmessköpfe, mit denen Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit und Kraftgrößen an einem Ort gleichzeitig erfasst werden können, darauf beschränkt, die Beschleunigung bzw. die Geschwindigkeit und die Kraft in einer einzigen Richtung (d. h. unidirektional) zu erfassen. Eine Erfassung von Beschleunigung bzw. Geschwindigkeit und Kraft in allen sechs Freiheitsgraden ist typischerweise nicht möglich.
Darüber hinaus stellt die Messung der Körperschallübertragung eines herausgelösten Bauteils eines Gesamtsystems eine Herausforderung dar. Ziel ist es dabei, an dem herausgelösten Bauteil die Körperschallübertragung zu messen, die sich ergeben würde, wenn das Bauteil in das Gesamtsystem eingebettet wäre. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die an den Anbindungsstellen des Bauteils zum Gesamtsystem tatsächlich auftretenden Anschlussimpedanzen in präziser Weise nachgebildet werden. Zu diesem Zweck können z. B. austauschbare und/oder variable Massen, Federn und Dämpfer verwendet werden, mit denen die Impedanz an den einzelnen Anbindungspunkten beeinflusst wird. Die Einstellung der Anschlussimpedanzen ist dabei jedoch typischerweise zeitaufwändig und ungenau.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, mit denen die Übertragung von Körperschall und/oder Schwingungen in einem isolierten Bauteil, das über ein oder mehrere Anschlusspunkte an ein oder mehrere andere Objekte gekoppelt werden kann, in effizienter und präziser Weise simuliert werden können.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u. a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zur Simulation von Schwingungen eines Bauteils bzw. zur Simulation des Schwindungsverhaltens eines Bauteils beschrieben. Das Bauteil ist dabei in einem verbauten Zustand über (mindestens) eine Anbindungsstelle an ein anderes Objekt bzw. mit einem Gesamtsystem gekoppelt. Beispielsweise kann das Bauteil Teil eines Kraftfahrzeugs (z. B. eines Personenkraftwagens oder eines Motorrads) sein, und über ein oder mehrere Anbindungsstellen im verbauten Zustand mit dem Kraftfahrzeug gekoppelt sein.
Dabei beeinflusst typischerweise die Kopplung des Bauteils mit dem anderen Objekt das Schwingungsverhalten des Bauteils. Insbesondere wird das Schwingungsverhalten des Bauteils typischerweise durch die Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil und dem Objekt an der Anbindungsstelle beeinflusst. Die Vorrichtung ermöglicht es, das Schwingungsverhalten des Bauteils im verbauten Zustand in präziser und effizienter Weise zu simulieren, auch wenn das Bauteil tatsächlich nicht mit dem anderen Objekt gekoppelt ist (und sich somit in einem nicht-verbauten Zustand befindet).
Die Vorrichtung umfasst einen Generator (z. B. einen Shaker)), der eingerichtet ist, eine Schwingung des Bauteils anzuregen. Dabei kann ggf. eine Schwingung mit einer bestimmten Schwingungsfrequenz angeregt werden. Zu diesem Zweck kann an einer Anregungsstelle eine Anregungs-Kraft mit einer bestimmten Phase und Amplitude auf das Bauteil einwirken.
Die Vorrichtung umfasst weiter eine aktive Aktor/Sensor-Einheit (insbesondere einen Hexapod) mit zumindest einem Aktor/Sensor-Modul für eine bestimmte Modul-Richtung (bzw. Wirk- und/oder Messrichtung). Typischerweise umfasst die aktive Aktor/Sensor-Einheit eine Mehrzahl von Aktor/Sensor-Modulen für eine entsprechende Mehrzahl von unterschiedlichen Modul-Richtungen. Beispielsweise kann die aktive Aktor/Sensor-Einheit eine Mehrzahl von Beinen mit unterschiedlichen axialen Richtungen aufweisen, wobei jedes Bein einen Aktor und einen Sensor umfasst. Insbesondere kann die aktive Aktor/Sensor-Einheit sechs Beine bzw. sechs Aktor/Sensor-Module mit sechs axialen Richtungen bzw. sechs Modul-Richtungen umfassen.
Die aktive Aktor/Sensor-Einheit kann somit insbesondere einen Hexapod mit einer Mehrzahl von Beinen umfassen bzw. einem Hexapod mit einer Mehrzahl von Beinen entsprechen. Der Hexapod kann bis zu sechs Beine umfassen, um bis zu sechs Freiheitsgrade abzudecken. Ein Aktor/Sensor-Modul kann ein Bein des Hexapods umfassen bzw. einem Bein des Hexapods entsprechen. Die Modul-Richtung eines Aktor/Sensor-Moduls kann einer axialen Richtung eines Beins des Hexapods entsprechen.
Die aktive Aktor/Sensor-Einheit steht an der zumindest einen Anbindungsstelle (anstelle des anderen Objekts) mit dem Bauteil in Kontakt. Insbesondere kann die aktive Aktor/Sensor-Einheit dazu verwendet werden, an der Anbindungsstelle die tatsächliche Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil und dem Objekt im verbauten Zustand zu simulieren bzw. nachzubilden. Als Folge daraus kann das Schwingungsverhalten des Bauteils in realistischer Weise simuliert werden (auch wenn sich das Bauteil in einem nicht-verbauten Zustand befindet).
Die ein oder mehreren Beine bzw. Aktor/Sensor-Module umfassen jeweils einen Aktor (insbesondere einen Linearaktor), mit dem an der Anbindungsstelle eine (komplexe) Gegenkraft in der axialen Richtung des jeweiligen Beins bzw. in der Modul-Richtung des jeweiligen Aktor/Sensor-Moduls auf das Bauteil bewirkt werden kann. Dabei können durch jeden Aktor Gegenkräfte mit einer bestimmten Amplitude und einer bestimmten Phase generiert werden. Bei Verwendung von Aktoren an den sechs Beinen eines Hexapods bzw. an sechs unterschiedlich ausgerichteten Aktor/Sensor-Modulen mit unterschiedlichen Modul-Richtungen einer aktiven Aktor/Sensor-Einheit können so Gegenkräfte für sechs Freiheitsgrade generiert werden.
Die ein oder mehreren Beine bzw. Aktor/Sensor-Module umfassen weiter jeweils einen Sensor, mit dem Information in Bezug auf eine (komplexe) Geschwindigkeit bzw. eine (komplexe) Beschleunigung des Bauteils an der Anbindungsstelle in der axialen Richtung des jeweiligen Beins bzw. in der Modul-Richtung des jeweiligen Aktor/Sensor-Moduls erfasst werden kann. Insbesondere können durch einen Sensor die Geschwindigkeit und/oder die Beschleunigung des Bauteils in der axialen Richtung eines Beins bzw. in der Modul-Richtung eines Aktor/Sensor-Moduls erfasst werden. Der Sensor eines Beins bzw. Aktor-Sensor-Moduls kann zu diesem Zweck z. B. einen Impedanzmesskopf umfassen. Die Information in Bezug auf die Geschwindigkeit bzw. in Bezug auf die Beschleunigung kann insbesondere Information in Bezug auf eine Phase und auf eine Amplitude der Geschwindigkeit bzw. der Beschleunigung umfassen. Bei Verwendung von Sensoren an den sechs Beinen eines Hexapods bzw. an sechs unterschiedlich ausgerichteten Aktor/Sensor-Modulen mit unterschiedlichen Modul-Richtungen einer aktiven Aktor/Sensor-Einheit kann somit Information in Bezug auf die Geschwindigkeit bzw. die Beschleunigung des Bauteils an der Anbindungsstelle in sechs Freiheitsgraden ermittelt werden.
Die Vorrichtung umfasst weiter eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, die Aktoren in Abhängigkeit von der durch die Sensoren der ein oder mehreren Beine bzw. Aktor/Sensor-Module erfassten Information in Bezug auf die Geschwindigkeit bzw. in Bezug auf die Beschleunigung des Bauteils und in Abhängigkeit von einer (komplexen) Ziel-Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil und der aktiven Aktor/Sensor-Einheit an der Anbindungsstelle anzusteuern. Dabei kann die Ziel-Anschlussimpedanz eine Phase und eine Amplitude umfassen. Insbesondere kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die ein oder mehreren Aktoren derart anzusteuern, dass eine Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil und der aktiven Aktor/Sensor-Einheit an der Anbindungsstelle in Abhängigkeit von der Ziel-Anschlussimpedanz eingestellt, insbesondere auf die Ziel-Anschlussimpedanz geregelt, wird.
Die Verwendung einer aktiven Aktor/Sensor-Einheit an den ein oder mehreren Anbindungsstellen eines Bauteils ermöglicht es, die Anschlussimpedanzen an den ein oder mehreren Anbindungsstellen in effizienter und präziser Weise einzustellen. Für die Bereitstellung von realistischen Simulationsbedingungen kann die Ziel-Anschlussimpedanz dabei einer Schätzung, einer Messung und/oder einer virtuellen Simulation der tatsächlichen Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil und dem Objekt an den ein oder mehreren Anbindungsstellen in dem verbauten Zustand entsprechen. So wird eine präzise Simulation des Schwingungsverhaltens eines Bauteils unter realistischen Simulationsbedingungen ermöglicht.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, auf Basis von Impedanz-Komponenten der Ziel-Anschlussimpedanz für sechs Freiheitsgrade, insbesondere für drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade, an der Anbindungsstelle, Impedanz-Komponenten der Ziel-Anschlussimpedanz in den axialen Richtungen der ein oder mehreren Beine bzw. in den Modul-Richtungen der ein oder mehreren Aktor/Sensor-Module der aktiven Aktor/Sensor-Einheit zu ermitteln. Insbesondere kann eine Koordinatentransformation dazu verwendet werden, die Impedanz-Komponenten für die sechs Freiheitsgrade in entsprechende Impedanz-Komponenten für die axialen Richtungen der Beine bzw. für die Modul-Richtungen der Aktor/Sensor-Module zu transformieren. Die Impedanz-Komponente für die axiale Richtung eines Beines bzw. für die Modul-Richtung eines Aktor/Sensor-Moduls kann dann für die Ansteuerung bzw. Regelung des Aktors dieses Beines bzw. dieses Aktor/Sensor-Moduls verwendet werden. So kann in effizienter Weise eine unabhängige Ansteuerung bzw. Regelung für die einzelnen Beine bzw. Aktor/Sensor-Module durchgeführt werden, um die Ziel-Anschlussimpedanz einzustellen.
Die Ziel-Anschlussimpedanz kann insbesondere eine erste Impedanz-Komponente in axialer Richtung eines ersten Beins der Mehrzahl von Beinen umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, in Abhängigkeit von der ersten Impedanz-Komponente und in Abhängigkeit von der durch den Sensor des ersten Beins erfassten Information in Bezug auf die Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung eine von dem Aktor des ersten Beins aufzubringende erste Soll-Kraft zu ermitteln. Dabei kann die erste Soll-Kraft derart ermittelt werden, dass die Anschlussimpedanz an der Anbindungsstelle die erste Impedanz-Komponente in axialer Richtung des ersten Beins aufweist, wenn die erste Soll-Kraft durch den Aktor des ersten Beins an der Anbindungsstelle bewirkt wird. Dies gilt in entsprechender Weise für ein erstes Aktor/Sensor-Modul einer Mehrzahl von Aktor/Sensor-Modulen.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die von dem Aktor des ersten Beins aufgebrachte Gegenkraft auf die (sich mit der Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung des Bauteils ändernde) erste Soll-Kraft zu regeln. Eine derartige Anpassung bzw. Regelung der Gegenkraft kann für jedes Bein der Mehrzahl von Beinen erfolgen. So kann die Anschlussimpedanz an der Anbindungsstelle in präziser und robuster Weise für alle sechs Freiheitsgrade auf die Ziel-Anschlussimpedanz eingestellt werden. Dies gilt in entsprechender Weise für ein erstes Aktor/Sensor-Modul einer Mehrzahl von Aktor/Sensor-Modulen einer aktiven Aktor/Sensor-Einheit.
Ein Sensor des ersten Beins kann eingerichtet sein, Information in Bezug auf eine Kraft des Bauteils an der Anbindungsstelle in axialer Richtung des ersten Beins zu erfassen. Diese Information kann z. B. bei Verwendung eines Impedanzmesskopfes als Sensor bereitgestellt werden. Die Steuereinheit kann dann eingerichtet sein, auf Basis der Information in Bezug auf die Kraft in axialer Richtung des ersten Beins und auf Basis der Information in Bezug auf die Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung in axialer Richtung des ersten Beins eine Wirkleistung des Bauteils an der Anbindungsstelle in axialer Richtung des ersten Beins zu ermitteln. In analoger Weise kann die Wirkleistung des Bauteils an der Anbindungsstelle für die axialen Richtungen der Mehrzahl von Beinen der aktiven Aktor/Sensor-Einheit ermittelt werden. Dies gilt in entsprechender Weise für die Aktor/Sensor-Module einer Mehrzahl von Aktor/Sensor-Modulen. Durch eine Koordinatentransformation können so die Wirkleistungen für die unterschiedlichen Freiheitsgrade bestimmt werden. Somit können in effizienter Weise Auswirkungen von Schwingungen des Bauteils auf ein benachbartes Objekt ermittelt werden.
Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, den Generator zu veranlassen, Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen im Bauteil anzuregen. Die Steuereinheit kann weiter eingerichtet sein, auf Basis der von den Sensoren der ein oder mehreren Beine bzw. Aktor/Sensor-Module erfassten Information in Bezug auf die Geschwindigkeit bzw. Beschleunigung Wirkleistungen des Bauteils an der Anbindungsstelle für unterschiedliche Frequenzen zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann die Anschlussimpedanz an der Anbindungsstelle auf unterschiedliche frequenzabhängige Ziel-Anschlussimpedanzen eingestellt werden. Die Vorrichtung ermöglicht somit die effiziente Durchführung von umfassenden und präzisen Schwingungsuntersuchungen für unterschiedliche Frequenzen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Simulation von Schwingungen eines Bauteils beschrieben. Dabei ist das Bauteil in einem verbauten Zustand über eine Anbindungsstelle an ein anderes Objekt gekoppelt. Das Verfahren umfasst das Anregen einer Schwingung des Bauteils. Das Verfahren umfasst weiter das Erfassen von Information in Bezug auf eine Geschwindigkeit des Bauteils an der Anbindungsstelle in einer Modul-Richtung eines Aktor/Sensor-Moduls einer aktiven Aktor/Sensor-Einheit, die mit dem Bauteil an der Anbindungsstelle in Kontakt steht. Außerdem umfasst das Verfahren das Generieren von Gegenkräften in der Modul-Richtung der ein oder mehreren Aktor/Sensor-Module auf das Bauteil. Dabei sind die Gegenkräfte von der Information in Bezug auf die Geschwindigkeit des Bauteils und von einer Ziel-Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil und der aktiven Aktor/Sensor-Einheit an der Anbindungsstelle abhängig.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Desweiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 eine beispielhafte Vorrichtung zur Untersuchung von Körperschall bzw. Schwingungen in einem Bauteil;
2 ein beispielhaftes Modul zur Einstellung der Anschlussimpedanz an einer Anbindungsstelle; und
3 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens eines Bauteils.
Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und präzisen Messung von Körperschall bzw. Schwingungen in einem Bauteil, das in einem eingebauten Zustand über ein oder mehrere Anbindungspunkte bzw. Anbindungsstellen in ein Gesamtsystem, z. B. in ein Fahrzeug, integriert ist. Die Anschlussimpedanz an den einzelnen Anbindungsstellen zu dem Gesamtsystem kann dabei über Massen, Federn und Dämpfer eingestellt werden.
Um eine Wirkleistung messen zu können, die an einer Anbindungsstelle von einem Bauteil auf das Gesamtsystem übertragen wird, ist es typischerweise erforderlich, dass an der Anbindungsstelle eine phasentreue Messung der Kraft und der Beschleunigung bzw. der Geschwindigkeit in sechs Freiheitsgraden möglich ist. Die Wirkleistung an einer Anbindungsstelle kann dann aus dem Produkt der (komplexen) Kraft f und der (komplexen) Geschwindigkeit v ermittelt werden.
Bei Verwendung von Massen, Federn und Dämpfern sind die Einstellungsmöglichkeiten der Anschlussimpedanz an Anbindungsstellen auf die verfügbaren Massen, Federn und Dämpfer beschränkt, was die Genauigkeit der Einstellung der Anschlussimpedanz beschränkt. Außerdem erfordert die Konfiguration der Massen, Federn und Dämpfer zur Einstellung der Anschlussimpedanz typischerweise aufwändige Messungen. Des Weiteren muss eine Konfiguration der Massen, Federn und Dämpfer typischerweise für unterschiedliche Frequenzen angepasst werden, was den Aufwand zur Messung einer frequenzabhängigen Übertragungsfunktion für Körperschall eines Bauteils weiter erhöht.
1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Ermittlung des Schwingungsverhaltens eines Bauteils 130. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Körperschall-Generator 110 (z. B. einen sogenannten Shaker), der eingerichtet ist, das Bauteil 130 in Schwingungen zu versetzen. Zu diesem Zweck wirkt der Körperschall-Generator 110 an einer bestimmten Anregungsstelle 131 mit einer Anregungs-Kraft f₁ 111 und einer Anregungs-Geschwindigkeit v₁ 112 auf das Bauteil 130 ein.
Das Bauteil 130 weist mindestens eine Anbindungsstelle 132 zu einem Gesamtsystem auf, in das das Bauteil 130 im Normalbetrieb eingebettet ist. Die Vorrichtung 100 umfasst für ein oder mehrere der Anbindungsstellen 132 jeweils eine aktive Aktor/Sensor-Einheit 120. Im Folgenden wird beispielhaft eine Vorrichtung 100 mit einem Hexapod 120 (d. h. mit einer Gough-Stewart-Plattform) als Beispiel für eine aktive Aktor/Sensor-Einheit 120 beschrieben. Der Hexapod 120 umfasst sechs Beine 123 mit veränderlicher Länge. Ein Bein 123 kann dabei allgemein als ein Aktor/Sensor-Modul 123 bezeichnet werden. Jedes Bein 123 umfasst einen Linearaktuator 124, mit dem eine Gegenkraft auf die Anbindungsstelle 132 in der Ausrichtung (d. h. in der axialen Richtung bzw. in der Modul-Richtung) des jeweiligen Beines 123 bewirkt werden kann. Durch die unterschiedliche Anordnung der sechs Beine 123 können Gegenkräfte in den sechs Freiheitsgraden (d. h. in drei translatorische und in drei rotatorische Freiheitsgrade) bewirkt werden. Durch die Aktuatoren 124 des Hexapods 120 kann die Anschlussimpedanz einer Anbindungsstelle 132 in flexibler und präziser Weise eingestellt werden.
Außerdem umfasst jedes Bein 123 einen ein-axialen Sensor 125, mit dem an der Anbindungsstelle 132 in der Richtung des jeweiligen Sensors 125 wirkende Kräfte und/oder Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen erfasst werden können. In Summe können somit über die Sensoren 125 der sechs Beine 123 die an der Anbindungsstelle 132 wirkenden Anbindungsstellen-Kräfte f₂ 121 und Anbindungsstellen-Geschwindigkeiten v₂ 122 in den sechs Freiheitsgraden erfasst werden. Folglich kann die über eine Anbindungsstelle 132 auf die Gesamtstruktur übertragene Wirkleistung in präziser Weise ermittelt werden.
Die Anschlussimpedanzen eines Bauteils 130 werden somit nicht über starre Randbedingungen definiert (die z. B. durch Massen, Federn und Dämpfer gegeben sind), sondern können über veränderliche und variabel einstellbare Reaktionskräfte eingestellt werden. Die Reaktionskräfte werden über Aktoren 124 auf das Bauteil 130 aufgebracht. An einer Anbindungsstelle 132 können für sechs Freiheitsgrade die Phase und Amplitude der jeweiligen Gegenkraft in Abhängigkeit von der Ziel-Anschlussimpedanz der Anbindungsstelle 132 für einen harmonischen Schwingungszustand geregelt werden. Ein beispielhaftes Modul 200 zur Regelung der durch einen Aktor 124 bewirkten Gegenkraft 204 ist in 2 dargestellt. Eine Steuereinheit 140 der Vorrichtung 100 kann ein Modul 200 für jedes Bein 123 des Hexapods 120 umfassen.
Zur gleichzeitigen Regelung der Anschlussimpedanz für alle sechs Freiheitsgrade an einer Anbindungsstelle 132 werden sechs Linearaktoren 124 und Sensoren 125 in den Beinen 123 eines Hexapods 120 angeordnet. Die Sensordaten der Sensoren 125 können von einer Steuereinheit 140 ausgewertet werden, und die Aktoren 124 können auf Basis der Sensordaten angesteuert werden. Insbesondere können die Aktoren 124 durch die Steuereinheit 140 derart angesteuert werden, dass sich an der Anbindungsstelle 132 eine bestimmte Ziel-Anschlussimpedanz ergibt.
Durch Koordinatentransformation werden im Zuge der Regelung die erforderlichen Gegenkräfte f_soll in Amplitude und Phase für die einzelnen Aktoren 124 der einzelnen Beine 123 berechnet. Des Weiteren ermöglicht die Anordnung von sechs ein-axialen Sensoren 125 (insbesondere von Impedanzmessköpfen) in der Parallelkinematik, dass die Sensoren 125 nur auf Längskräfte beansprucht werden und damit aus den Sensorsignalen der Sensoren 125 die Beschleunigungen bzw. Geschwindigkeiten 122 und Kräfte 121 in den sechs globalen Freiheitsgraden an einer Anbindungsstelle 132 eindeutig bestimmt werden können.
2 zeigt die Einstellung einer Impedanz-Komponente der Ziel-Anschlussimpedanz an einer Anbindungsstelle 132 für eine axiale Richtung eines Beines 123 des Hexapods 120 durch einen Aktor 124. Die (komplexe) Ziel-Anschlussimpedanz Z zeigt an, welche Gegenkraft f_soll 201 an der Anbindungsstelle 132 auf das Bauteil 130 wirken soll, wenn das Bauteil 130 mit einer Geschwindigkeit v 202 auf die Anbindungsstelle 132 einwirkt, d. h. Z = f_soll/v.
Das Modul 200 zur Regelung der durch einen Aktor 124 bewirkten Gegenkraft f_ist 204 umfasst ein Teilmodul 210 zur Einstellung (insbesondere zur Regelung) einer (komplexen) Ziel-Anschlussimpedanz, die durch eine Zielamplitude 212 und durch eine Zielphase 211 definiert ist. Aus einer aktuellen Geschwindigkeit 202 des Bauteils 130 an der Anbindungsstelle 132 kann durch Anpassung der Phase mit einem Phasenregler 215 und durch Anpassung der Amplitude mit einem Amplitudenregler 216 eine durch den Aktor 124 zu bewirkende aktuelle Soll-Kraft f_soll 201 ermittelt werden. Aus der aktuellen Soll-Kraft f_soll 201 und der aktuellen Geschwindigkeit v 202 ergibt sich die Ist-Phase und die Ist-Amplitude der durch das Teilmodul 210 eingestellten Anschlussimpedanz. Durch Vergleich mit der Zielphase 211 und der Zielamplitude 212 können in den Einheiten 213, 214 jeweilige Regelfehler ermittelt werden, die dann im Phasenregler 215 bzw. im Amplitudenregler 216 berücksichtigt werden. So können für wechselnde Geschwindigkeiten v 202 in Abhängigkeit von der Ziel-Anschlussimpedanz entsprechende Soll-Kräfte f_soll 201 ermittelt werden. Die von dem Aktor 124 bewirkte Gegenkraft f_ist 204 kann dann mittels eines Regelkreises 203 in Abhängigkeit von der jeweiligen Soll-Kraft f_soll 201 geregelt werden bzw. auf die jeweilige Soll-Kraft f_soll 201 geregelt werden.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 300 zur Simulation von Schwingungen eines Bauteils 130, das in einem verbauten Zustand über eine Anbindungsstelle 132 an ein anderes Objekt gekoppelt bzw. in ein Gesamtsystem ungebunden ist. Das Verfahren 300 umfasst das Anregen 301 einer Schwingung des Bauteils 130. Zu diesem Zweck kann ein Schwingungs- oder Körperschall-Generator 110 verwendet werden, der das Bauteil 130 an einer Anregungsstelle 131 anregt, um die Schwingung des Bauteils 130 zu erzeugen.
Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Erfassen 302 von Information in Bezug auf eine Geschwindigkeit 122, 202 des Bauteils 130 an der Anbindungsstelle 132 in axialer Richtung einer Mehrzahl von Beinen 123 eines Hexapods 120, der mit dem Bauteil 130 an der Anbindungsstelle 132 in Kontakt steht. Insbesondere kann dabei der Hexapod 120 anstelle des Objektes an der Anbindungsstelle 132 mit dem Bauteil 130 in Kontakt stehen. Die Information in Bezug auf die Geschwindigkeit 122, 202 kann durch ein oder mehrere (axiale) Sensoren 125 in jedem der Mehrzahl von Beinen 123 des Hexapods 120 erfasst werden. Insbesondere kann durch die ein oder mehreren Sensoren 125 eine Geschwindigkeit und/oder eine Beschleunigung des Bauteils 130 als Information in Bezug auf die Geschwindigkeit ermittelt werden.
Außerdem umfasst das Verfahren 300 das Generieren 303 von Gegenkräften 204 in axialer Richtung der Mehrzahl von Beinen 123 des Hexapods 120 auf das Bauteil 130. Die Gegenkräfte 204 können durch ein oder mehrere (axiale) Aktoren 124 der einzelnen Beine 123 der Mehrzahl von Beinen 123 des Hexapods 120 generiert werden. Dabei hängen die Gegenkräfte 204 von der Information in Bezug auf die Geschwindigkeit 122, 202 des Bauteils 130 und von einer Ziel-Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil 130 und dem Hexapod 120 an der Anbindungsstelle 132 ab. Insbesondere können die Gegenkräfte 204 derart generiert werden, dass die tatsächliche Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil 130 und dem Hexapod 120 auf die Ziel-Anschlussimpedanz geregelt wird.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen können beliebige, frequenzabhängige Anschlussimpedanzen in sechs Freiheitsgraden exakt und automatisch an einer Anbindungsstelle 132 einstellgestellt werden. Dies ermöglicht die Messung des Wirkleistungsflusses in einem Bauteil 130 unter Berücksichtigung realer Einbauverhältnisse. Dabei ist keine Kalibrierung erforderlich und es ergeben sich nur geringe Messunsicherheiten. Des Weiteren können Messzeiten reduziert werden. Durch die beschriebenen Maßnahmen können Kräfte und Geschwindigkeiten in den sechs Freiheitsgraden einer Anbindungsstelle 132 ermittelt werden, was die Ermittlung des Wirkleistungsflusses für sechs Freiheitsgrade ermöglicht.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.

Claims

Vorrichtung (100) zur Simulation von Schwingungen eines Bauteils (130), das in einem verbauten Zustand über eine Anbindungsstelle (132) an ein anderes Objekt gekoppelt ist; wobei die Vorrichtung (100) umfasst, – einen Generator (110), der eingerichtet ist, eine Schwingung des Bauteils (130) anzuregen; – eine aktive Aktor/Sensor-Einheit (120) mit zumindest einem Aktor/Sensor-Modul (123) für eine Modul-Richtung, wobei die aktive Aktor/Sensor-Einheit (120) an der Anbindungsstelle (132) mit dem Bauteil (130) in Kontakt steht; wobei das zumindest eine Aktor/Sensor-Modul (123) – einen Aktor (124) umfasst, mit dem an der Anbindungsstelle (132) eine Gegenkraft (204) in die Modul-Richtung des Aktor/Sensor-Moduls (123) auf das Bauteil (130) bewirkt werden kann; und – einen Sensor (125) umfasst, mit dem Information in Bezug auf eine Geschwindigkeit (122, 202) des Bauteils (130) an der Anbindungsstelle (132) in der Modul-Richtung des Aktor/Sensor-Moduls (123) erfasst werden kann; und – eine Steuereinheit (140, 200), die eingerichtet ist, den Aktor (124) in Abhängigkeit von der durch den Sensor (125) erfassten Information in Bezug auf die Geschwindigkeit (122, 202) des Bauteils (130) und in Abhängigkeit von einer Ziel-Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil (130) und der aktiven Aktor/Sensor-Einheit (120) an der Anbindungsstelle (132) anzusteuern.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (140, 200) eingerichtet ist, den Aktor (124) derart anzusteuern, dass eine Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil (130) und der aktiven Aktor/Sensor-Einheit (120) an der Anbindungsstelle (132) in Abhängigkeit von der Ziel-Anschlussimpedanz eingestellt, insbesondere geregelt, wird.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die aktive Aktor/Sensor-Einheit (120) eine Mehrzahl von Aktor/Sensor-Modulen (123) mit unterschiedlichen Modul-Richtungen umfasst; – die Ziel-Anschlussimpedanz eine erste Impedanz-Komponente in der Modul-Richtung eines ersten Aktor/Sensor-Moduls (123) der Mehrzahl von Aktor/Sensor-Modulen (123) der aktiven Aktor/Sensor-Einheit (120) umfasst; und – die Steuereinheit (140, 200) eingerichtet ist, in Abhängigkeit von der ersten Impedanz-Komponente und in Abhängigkeit von der durch den Sensor (125) des ersten Aktor/Sensor-Moduls (123) erfassten Information in Bezug auf die Geschwindigkeit (122, 202) eine von dem Aktor (125) des ersten Aktor/Sensor-Moduls (123) aufzubringende erste Soll-Kraft (201) zu ermitteln.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (140, 200) eingerichtet ist, die von dem Aktor (125) des ersten Aktor/Sensor-Moduls (123) aufgebrachte Gegenkraft (204) auf die erste Soll-Kraft (201) zu regeln.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Sensor (105) des zumindest einen Aktor/Sensor-Moduls (123) der aktiven Aktor/Sensor-Einheit (120) eingerichtet ist, Information in Bezug auf eine Kraft (121) des Bauteils (130) an der Anbindungsstelle (132) in der Modul-Richtung des zumindest einen Aktor/Sensor-Moduls (123) zu erfassen; und – die Steuereinheit (140, 200) insbesondere eingerichtet ist, auf Basis der Information in Bezug auf die Kraft (121) in der Modul-Richtung des Aktor/Sensor-Moduls (123) und auf Basis der Information in Bezug auf die Geschwindigkeit (122, 202) in der Modul-Richtung des Aktor/Sensor-Moduls (123) eine Wirkleistung des Bauteils (130) an der Anbindungsstelle (132) in der Modul-Richtung des Aktor/Sensor-Moduls (123) zu ermitteln.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die aktive Aktor/Sensor-Einheit (120) eine Mehrzahl von Aktor/Sensor-Modulen (123) mit unterschiedlichen Modul-Richtungen umfasst; und – die Steuereinheit (140, 200) eingerichtet ist, auf Basis von Impedanz-Komponenten der Ziel-Anschlussimpedanz für sechs Freiheitsgrade, insbesondere für drei translatorische und drei rotatorische Freiheitsgrade, an der Anbindungsstelle (132), Impedanz-Komponenten der Ziel-Anschlussimpedanz in den unterschiedlichen Modul-Richtungen der Mehrzahl von Aktor/Sensor-Modulen (123) der aktiven Aktor/Sensor-Einheit (120) zu ermitteln.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ziel-Anschlussimpedanz auf einer Schätzung, einer Messung und/oder einer Simulation einer tatsächlichen Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil (130) und dem Objekt an der Anbindungsstelle (132) in dem verbauten Zustand basiert.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Ziel-Anschlussimpedanz eine Phase und eine Amplitude umfasst; – die Information in Bezug auf die Geschwindigkeit (122, 202), Information in Bezug auf eine Phase und auf eine Amplitude der Geschwindigkeit (122, 202) umfasst; und – die Gegenkraft (204) eine Phase und eine Amplitude umfasst.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (140, 200) eingerichtet ist, – den Generator (110) zu veranlassen, Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen im Bauteil (130) anzuregen; und – auf Basis der von dem Sensor (125) des Aktor/Sensor-Moduls (123) erfassten Information in Bezug auf die Geschwindigkeit (122, 202) Wirkleistungen des Bauteils (130) an der Anbindungsstelle (132) für unterschiedliche Frequenzen zu ermitteln.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die aktive Aktor/Sensor-Einheit (120) einen Hexapod mit einer Mehrzahl von Beinen umfasst; – das Aktor/Sensor-Modul (123) ein Bein des Hexapods umfasst; und – die Modul-Richtung des Aktor/Sensor-Moduls (123) einer axialen Richtung eines Beins des Hexapods entspricht.
Verfahren (300) zur Simulation von Schwingungen eines Bauteils (130), das in einem verbauten Zustand über eine Anbindungsstelle (132) an ein anderes Objekt gekoppelt ist; wobei das Verfahren (300) umfasst, – Anregen (301) einer Schwingung des Bauteils (130); – Erfassen (302) von Information in Bezug auf eine Geschwindigkeit (122, 202) des Bauteils (130) an der Anbindungsstelle (132) in einer Modul-Richtung eines Aktor/Sensor-Moduls (123) einer aktiven Aktor/Sensor-Einheit (120), die mit dem Bauteil (130) an der Anbindungsstelle (132) in Kontakt steht; und – Generieren (303) von Gegenkräften (204) in der Modul-Richtung des Aktor/Sensor-Moduls (123) auf das Bauteil (130); wobei die Gegenkräfte (204) von der Information in Bezug auf die Geschwindigkeit (122, 202) des Bauteils (130) und von einer Ziel-Anschlussimpedanz zwischen dem Bauteil (130) und der aktiven Aktor/Sensor-Einheit (120) (120) an der Anbindungsstelle (132) abhängen.