WO2015078601A1 - Vorrichtung, verfahren zur automatischen erzeugung eines fem modells und regler - Google Patents

Vorrichtung, verfahren zur automatischen erzeugung eines fem modells und regler Download PDF

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WO2015078601A1
WO2015078601A1 PCT/EP2014/067621 EP2014067621W WO2015078601A1 WO 2015078601 A1 WO2015078601 A1 WO 2015078601A1 EP 2014067621 W EP2014067621 W EP 2014067621W WO 2015078601 A1 WO2015078601 A1 WO 2015078601A1
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WO
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model
components
mechanical system
description
fem
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Application number
PCT/EP2014/067621
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Baudisch
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]

Definitions

  • the present invention relates to a device for automatically generating a FEM model which describes the mechanical components of a mechanical system, a corresponding method and a model - based controller, in particular a state controller.
  • the present invention will be described below mainly in terms of mechanical equipment, but may also be generally used to model any FEM model.
  • the mechanical part of a mechanical system is usually using a CAD program (computer
  • the CAD mode11 in the CAD program corresponds exactly to the real structure of the mechanics of the mechanical system in reality. This is necessary because the CAD mode11 forms the basis for the later production of the mechanical components of the mechanical system.
  • the state space mode 11 is especially regarded as an engineering-suitable method for the analysis and synthesis of dynamic systems in the time and frequency domain.
  • the state space model can be used, in particular, for the control technology treatment of multivariable systems and non-linear and time-variable overmodulation. transmission systems are used.
  • all relationships of the state variables, the input variables and the output variables in the state space model are represented in the form of state matrices and vectors.
  • the basis for this state space mode11 can be a FEM model.
  • State space models are not used today in conjunction with mechanical equipment, since the cost of creating a state space model for all components of such a mechanical system, which may consist of several 1000 individual parts, is too large.
  • the object of the present invention is to provide a simple way to transfer the use of state space models to mechanical installations.
  • a device for the automatic generation of a FEM model which describes in particular the mechanical components of a mechanical system
  • a model generating device which is adapted to produce a functional model I description of the mechanical system from a three-dimensional model description of the mechanical system
  • a Converter designed to convert the generated functional model description of the mechanical system into a FEM model
  • a method for automatically generating a FEM model which in particular describes the mechanical components of a mechanical system, comprising the steps of generating A functional model description from a three-dimensional model description of the mechanical system, and the conversion of the functional model description of the mechanical system into a FEM model.
  • a model - based controller in particular a state governor, for a mechanical plant, having an observer model based on a FEM model created by an apparatus or method according to the present invention.
  • the finding underlying the present invention is that it requires such a high outlay to generate a FEM model from a three-dimensional model or a 3D-CAD model that this is not practical today. Furthermore, the procedure for the creation of a FEM model and the software for the creation of such models are rather models or. whose operation is known only to a few experts.
  • the present invention provides a device that reduces the developer's work and automates the process of creating the FEM model as much as possible.
  • a model generating device generates from a three-dimensional model description of the mechanical Components of the mechanical system, eg CAD data, a functional model.
  • the developer e.g. a mechanical engineer, in particular, uses the technical terms of his field of expertise and does not have to familiarize himself with the technical terms of the finite element method.
  • the three - dimensional model describes the mechanical system in particular in its geometric or. mechanical design, as the mechanical system is built later.
  • the functional model describes the mechanical system in functional blocks that are arranged according to their functional relationships. The arrangement of the individual components can differ significantly between the three-dimensional model and the functional model description.
  • This functional model then converts a generator according to the invention into a FEM model, without the developer having to spend any further work on this.
  • the present invention enables developers, e.g. Mechanical engineers can create a FEM model very easily and time efficiently.
  • the observer model for a model according to the invention controller or. a state governor are created and used to control the mechanical plant.
  • the mode production device has a model interface which is designed to capture a three-dimensional model description designed as a CAD mode 11 and has an analysis device which is designed to analyze the CAD mode 11 and components of the mechanical model Extract attachment from the CAD model.
  • the model generation device has an input interface for manually inputting the components of the mechanical system. This allows a user, eg a mechanical engineer, to define the components of the mechanical plant itself.
  • the mode generator comprises means by which a user can manually rework the components extracted by the analyzer.
  • the model generation device has a database in which component data is stored on a plurality of components that may have a mechanical attachment. This makes it possible to quickly read out a large amount of data on the individual components from the database when the FEM model is created. A manual input of the data is not required.
  • the mode generating device has a coupling device which is designed to examine the relevant components based on the component data for a necessary coupling with other components of the mechanical system and to automatically detect this coupling. table or on input by a user in the functional model description. This makes it possible to determine the structure of the components in the functional model description on the basis of their functionality, even if the individual components are geometrically not coupled with one another, for example in the CAD mode11, or the coupling from the CAD mode 11 is not apparent.
  • the mode-generating device has a parameterization device that is configured to parameterize the components.
  • Each component can have a variety of parameters. The type of parameters and the number of parameters depend very much on the individual component. The parameterization of the components makes it possible to adapt the individual components to the respective application.
  • the parameterization device is designed to automatically parameterize the components based on the component data. This allows a very fast and efficient parameterization of the individual components.
  • the parameterization device is configured to query parameters for the components from a user. This makes it possible to customize the individual parameters for each individual case.
  • the parameterization device is designed to automatically parameterize the components based on the component data and then allow a correction of individual parameters by a user. This allows a user to individually review the already set parameters and adjust if necessary. This allows the user to set the parameters faster than is possible if he himself would have to specify all the parameters.
  • the model-generating device has a grouping device which is designed to automatically identify kinematic main components of the mechanical system in the functional model description.
  • the mechanical system consists of individual main components that can move against each other. The movement is possible because there is storage between the one and the other main components, e.g. a linear guide or a rotary bearing.
  • Each main component is composed of many individual components in the CAD system. By grouping the individual components into a main component, the number of individual components and thus the complexity is reduced.
  • the converter has a reduction device, which is designed to reduce the geometric complexity of the three-dimensional model description. This allows a very efficient transfer of the CAD model into a FEM model.
  • the converter includes a generator configured to generate an FEM model from the three-dimensional model description.
  • the FEM model has at least one FEM network.
  • the generator is in particular designed to comply with predetermined rules when creating the FEM model.
  • the given rules may have so-called "meshing constraints.”
  • Behind the components in the functional description library is the blueprint for how to implement this component in the FEM model, for example, the "shoe" component is known to be two components connects with each other. It is also known how to realize this connection. That is to say, it is known that at each of the two locations to be connected, an area must always be selected between which the connection is created. Furthermore, it is deposited that eg An RBE3 element must be generated on each of these surfaces.
  • Elements in the FEM model can only be created at nodes of the FEM network. By selecting the geometric area, the generator is aware that all nodes that lie in the selected area are used to generate the FEM element. Alternatively, it is also possible that due to the selection of the surface in the geometry exactly in this area nodes according to a specific pattern, the meshing
  • Constraint can be generated.
  • the automatic generation of the model description enables a very fast and exact generation of the FEM model.
  • the generator is configured to create the FEM model based on standardized description elements of the functional model description.
  • the standardized description elements can be used in particular as RBE3 resp. CBUSH elements or the like may be formed.
  • the use of standardized description elements makes it possible to create a FEM model that can be processed with a variety of different tools.
  • the generator is configured to build the FEM model based on the parameterized components of the functional model description. If the parameters specified for the individual components are included in the creation of the FEM model, the FEM model can be created without further intervention by a user since the parameters for the elements of the FEM model can be adopted.
  • the generator has an output device that is configured to display the FEM model in a generally readable or non-readable manner.
  • a standardized format can be, for example, a text format, in particular, for example, a NASTRAN input-deck file format. This allows easy replacement of the FEM model between different tools.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of a device according to the present invention
  • FIG. 3 is a block diagram of an embodiment of a regulator according to the present invention
  • 4 is a block diagram of an embodiment of a device according to the present invention
  • FIG. 5 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention
  • 6 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention
  • Fig. 7 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention
  • Fig. 8 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention.
  • Fig. 9 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention.
  • Fig. 10 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention.
  • Fig. 11 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention
  • Fig. 12 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention
  • Fig. 13 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention.
  • a FEM model is a description of the mechanical components of a mechanical To understand equipment that is capable of describing the mechanical equipment in a FEM (Finite Element Method) system or in a FEM software so that the FEM system can perform the desired calculations based on the FEM model.
  • FEM Finite Element Method
  • a mechanical system is to be understood as any device which is physically graspable and planned or planned by a developer. must be developed.
  • a mechanical system according to the present invention may also be part of a mechatronic system, which has both the mechanical system, as well as sensors, actuators and control devices. Examples of what is considered to be a mechatronic system in this invention disclosure include, among others, tooling or production machines.
  • the exemplary systems are systems in which individual mechanical components carry out greater traversing movements.
  • a three-dimensional model description is understood to mean any model description which describes the geometric properties of the mechanical system.
  • the three-dimensional model description can be present, for example, as CAD mode11.
  • a CAD mode 11 is understood to mean any model that can be used with a CAD tool or a CAD tool.
  • a CAD program is created or edited.
  • CAD tools are tools that assist a designer with the three-dimensional design of a mechanical system.
  • a functional model description is a description of the mechanical system in which the individual components of the mechanical system are arranged and coupled according to their function and their functional relationships.
  • the functional model description can be very different from the three-dimensional model description because the geometric arrangement can be at least partially independent of the function of the components. For example, components with dependent functions in the three-dimensional model description can be arranged directly next to each other.
  • the components of the mechanical system are to be understood as each component of the mechanical system, which can be recognized as a single component. It may also be provided kom lexe components that may consist of a variety of individual components. Among the main kinematic components is a single
  • Each main component is composed of many individual components in the CAD system.
  • a database containing a description of a multiplicity of components that may have a mechanical system is to be understood as a database in which information about all components from which a developer can select when designing a mechanical system is stored.
  • the parameterization of a component is the definition of the variable parameters of a component. Default values can already be stored in the database for these variable parameters, which can then be changed during parameterization.
  • geometric features are removed which, when interlinked, would greatly increase the number of elements in the FEM mesh, but would hardly affect the calculation result. These mainly include small holes, chamfers and rounding. This also includes that components of the CAD model that are not ne importance for the FEM model have been omitted for the creation of the FEM model, such as machine cladding or cable tractors. the other nodes are removed, which are superfluous for further calculations.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of a device 1 according to the present invention.
  • the device 1 in FIG. 1 has a model-generating device 4, which processes a three-dimensional model description 5 of the mechanical system 3.
  • the model generating device 4 generates a functional model description 6 of the mechanical system 3 and provides it to a converter 7.
  • the converter 7 converts the functional model description 6 of the mechanical system 3 into a FEM model 2.
  • the device 1 may be formed in one embodiment as a hardware device. In a further embodiment, the device 1 can also be designed as a computer program or the like, which is executed on a computer.
  • Fig. 2 shows a flowchart of an embodiment of a method according to the present invention.
  • the method has two steps Sl, S2.
  • a functional model description 6 is generated from a three-dimensional model description 5 of the mechanical system 3.
  • the functional model description 6 of the mechanical system 3 is converted into a FEM model 2.
  • the three-dimensional model description 5 may be designed as a CAD mode 11 5.
  • individual components 12-1 - 12 -n of the mechanical system 3 are read from the CAD mode 11 5. Additionally or alternatively, the individual components of FIGS. 12-1 - 12-n may also be predetermined by a user.
  • component data 16-1 - 16 -n are provided, which indicate whether a component 12-1 - 12 -n is associated with another component 12-1 - 12 -n is functionally coupled or. must be coupled. If so, a coupling between two components 12-1 - 12 -n may be automatically stored in the functional model description 6 based on the component data 16-1 - 16 -n or upon input from a user.
  • components 12-1 - 12 -n are parameterized. This means that individual parameters for the components 12-1 - 12 -n are recorded and stored in the functional model description 6. This parameterization can take place automatically or by a user. In particular, parameterization can be carried out automatically on the basis of the component data 16-1 - 16 -n and the parameters can then be adapted manually by a user. Getting corrected . In one embodiment, the geometric complexity of the three-dimensional model description 5 is reduced such that only the few nodes in the three-dimensional model description 5 that are necessary for the subsequent FEM calculations are maintained.
  • the three-dimensional model description 5 becomes the FEM model 2 based on standardized description elements and / or based on the parameterized components 12-1 - 12 -n generated.
  • Fig. 3 shows a block diagram of an embodiment of a regulator 20 according to the present invention.
  • the model-based controller 20 is referred to as so-called.
  • State controller 20 is formed and has an observer model 21, which is based on a FEM model 2, which was created by a Vorricht- device 1 or a method according to the present invention.
  • Fig. 4 shows a block diagram of a further embodiment of a device 1 according to the present invention.
  • the device 1 of FIG. 4 is based on the device 1 of FIG. 1.
  • the device 1 of FIG. 4 differs from the device of FIG. 1 in that the model generating device 4 has a model interface 9 which is coupled to an analysis device 11.
  • the analysis device 11 is coupled to a user interface 13 and to a coupling device 15.
  • the coupling device 15 is coupled to a parameterization device 17 which is coupled to a database 1, to the user interface 13 and to the grouping device 26.
  • the three-dimensional model description 5 and the functional model description 6 have components 12-1 and 12-n. Other possible components are represented by three points.
  • the model interface 9 reads in the three-dimensional mode description 5 designed as a CAD mode 11 5 and forwards it to the analysis device 11, which analyzes the CAD mode 11 5 on the components 12-1 - 12 -n of the mechanical system 3. Additionally or alternatively, the components 12-1 - 12 - n of the mechanical system 3 can also be input via the input interface 13.
  • the coupling device 15, based on the component data 16-1-16 -Ii to the j eology components 12-1 - 12 - n of the mechanical system 3 couples the j e election components 12-1 - 12 -n with a corresponding further component 12-1 - 12 -n of the mechanical system 3, if it can be seen from the component data 16-1 - 16 -n that such a coupling is necessary.
  • the coupling device 15 can also perform a coupling to an input of a user. By carrying out a coupling, it is to be understood here that the functional coupling of two components 12-1 - 12 -n is noted in the functional model description 6, respectively.
  • the component data 16-1 - 16 - n are stored into a plurality of components 12-1 - 12-n.
  • the database may contain the component data 16-1 - 16 -n for components 12-1 - 12 -n that may be commonly used in mechanical assets 3.
  • the database 14 may thus also contain component data 16-1 - 16 -n for components 12-1 - 12 -n that are not needed in a current project.
  • the parameterization device 17 serves to parameterize the components 12-1 - 12 -n. This can be done automatically based on the component data 16-1 - 16 -n. Additionally or alternatively, the parameters for the components 12-1 - 12 -n may be queried by a user.
  • the grouping device 26 then automatically identifies and groups in the functional model description 6 the kinematic main components of the mechanical system 3.
  • the grouping device 26 can thus identify the main kinematic components by, for example, These components are interpreted as interruptions and the resulting component groups are classified as the main kinematic components.
  • the converter 7 has for this purpose a reduction device 18, which reduces the geometric complexity of the three-dimensional model description 5, if this is possible.
  • the reduction of the geometric complexity of the three-dimensional model description 5 can be achieved, for example, by means of a so-called.
  • the generator 19 generates from the three-dimensional model description 5, in particular from the three-dimensional model description 5 with reduced geometrical complexity, and from the parameterized components 12-1 - 12 - n a FEM network.
  • the generator 19 can create the FEM network in one embodiment based on standardized description elements, such as RBE3 and CBUSH elements.
  • FEM network When the FEM network is generated, coupling nodes are generated at specific points. Based on the information stored in the functional components, entire FEM part models are generated at the above-mentioned coupling nodes. These FEM part models can also have a variety of different writing elements, such as CBUSH or RBE3 elements.
  • the specific locations at which the coupling nodes are generated are, for example, contact areas between two components 12-1 - 12 -n.
  • Fig. 5 shows a section of an embodiment of a user interface 13 of a device 1 according to the present invention.
  • FIG. 5 shows a component library "library” and a window "structure browser" in which the components 12-1 - 12 -n can be arranged and structured according to their function.
  • the component library has a tree structure in which the components 12-1 - 12 -n are shown ordered by functions.
  • a developer e.g. a mechanical engineer, can select from this component library the individual components 12-1 - 12 - n of the mechanical equipment 3 to be developed, which are used in the respective mechanical installation 3 and arrange these according to their function in the "structure browser" In this way, the designer can generate an abstract block diagram of the mechanical system 3, which serves as a functional model description 6, without having to have detailed knowledge of different FEM tools or the like.
  • this parameter may indicate the respective component 12-1 - 12 -n needed to properly place the component 12-1 - 12 -n in the functional model description 6 to be able to record.
  • the user can general data or. Give information about the mechanical system 3. For example, the user can enter how many axes the mechanical system 3 has, such as the mechanical system 3 with the foundation resp. Underground is connected and the like.
  • the components 12-1 - 12 -n present in the component library can contain metadata or data. have additional information. This metadata resp. Additional information may also include, for example, logic that automatically queries or provides for further processing necessary parameters for the respective component 12-1 - 12-n. For example, these metadata or.
  • FIG. 6 shows in more detail how components 12-1 - 12 - of the mechanical system 3 can be selected and parameters entered therefor.
  • Fig. 6 shows a section of the "structure browser.”
  • FIG. 6 On the right side of Fig. 6 it can be seen how two guide shoes 12-13, 12-14 are automatically arranged in the model of the mechanical system 3 on the basis of the parameter entered.
  • the model of FIG. 6, which forms the basis for the functional model description 6, may differ significantly from the three-dimensional model description 5.
  • the parameter defining the number of guide shoes 12-13, 12-14 is another example of the meta-data or data. Additional information shown in FIG. 5 have already been described.
  • the carriage 12-10 On the right side of Fig. 6, the carriage 12-10 is arranged at the top. Below this, two guide shoes “g.shoe” 12-13, 12-14 are arranged, under which a guide rail "guiding rail” 12-15 is arranged. Finally, under the guide rail 12-15, the machine foundation "machine_bed” 12-12 is arranged.
  • connection points are each marked with a " ⁇ " or a "v” if the respective component 12-1 - 12 -n must be coupled with a further component 12-1 - 12 -n. If 5 additional data have to be provided for a component 12-1 - 12 -n in the three-dimensional model description, the connection point of the component 12-1 - 12 -n is marked with a " ⁇ " this already provided, the junction is marked with an "A”.
  • Fig. 6 are e.g.
  • connection points of the two guide shoes 12-13, 12-14 to the guide rail 12-15 marked with a ⁇ .
  • further data for example the contact surfaces, have to be provided in the three-dimensional model description 5.
  • Fig. 7 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device 1 according to the present invention.
  • Fig. 7 also shows a section of the "structure browser”.
  • FIG. 7 four further components 12-16-12- 19 fasteners 12-16-12-19 have been placed under the machine foundation 12-12 which are coupled to the floor.
  • j is shown as "1" for 1 s, indicating that the mounts 12-16- 12-19 must be coupled with at least one other component.
  • components 12-16-12-19 which have no " ⁇ " coupling is possible if provided by the type of the respective component 12-16-12-19 as an option.
  • the metadata of the respective component 12-1 - 12-n it is deposited with which type of further components 12-1 - 12 -n this component 12-1 - 12 -n can be coupled. If a coupling is performed with a component 12-1 - 12 -n which is not stored in the metadata, e.g. a warning message is issued or the pairing is denied.
  • fasteners 12-16-12- 19 are all coupled to machine foundation 12-12. This is illustrated by connecting lines between the fixtures 12-16-12-19 and the machine foundation 12-12.
  • FIG. 9 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device 1 according to the present invention.
  • Fig. 9 the same section of the "structure browser" is displayed as in the previous figures, however, the model has been extended by some components 12-20 - 12-26, so that between the machine base 12-12 and the slide 12-10 are parallel to the guide shoes 12-13, 12-14 and the guide rail 12-15 in series a direct measuring system 12-20 and a scanning unit for the direct measuring system
  • a bearing 12-22 and a spindle bushing 12-23 is disposed above the carriage 12-10. Coupled to the bearing 12-22 and the spindle sleeve 12-23 is a Spindle 12 -2, with which in turn a coupling 12-25 is coupled. Finally, coupled to the clutch 12-25 is a motor 12-26.
  • Fig. 9 it can be seen that all elements 12-1 - 12-26 each have a thin border. This indicates in the embodiment of FIG. 9 indicates that these elements still need to be parameterized. In Fig. 9 also shows how such a parameterization can be carried out in one embodiment for the guide shoe 12-13. For this purpose, in Fig. 9 shows a box 25 in which the parameters necessary for a correct parameterization of the guide shoe 12-13 can be entered.
  • FIG. Figure 10 shows a further section of an embodiment of a user interface of a device according to the present invention.
  • FIG. 10 the same section of the "structure browser" is shown as in the previous figures, however, the guide shoe 12-13 has a thicker border than the rest of the elements 12-1 - 12 -n, through the thicker border in FIG. 10 shows that the guide shoe 12-13 no longer requires any parameterization.
  • Fig. 11 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device 1 according to the present invention.
  • Fig. 11 is the functional model description 6 of FIG. 10 is shown.
  • a second guide rail 12-27 and two further guide shoes 12-28 and 12-29 are arranged in parallel.
  • the main kinematic components are grouped and represented by different borders.
  • the guide shoes 12-13, 12-14 and the two further guide shoes 12-28, 12-29 and the carriage 12-10 have a dark black border and the guide rails 12-15, 12-27 and the machine foundation 12th -12 a lighter border.
  • the further components 12-1 - 12 -n which are not assigned to any of the two groups, have a dashed border.
  • the circled border means that the respective components
  • Fig. 12 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device 1 according to the present invention.
  • connection point of a component 12-1 - 12 -n is marked with a " ⁇ " if 5 additional data has to be provided for a component 12-1 - 12 -n in the three-dimensional model description.
  • Fig. 12 an example of this is shown.
  • a "pop-up" window is shown, which prompts a user to select the corresponding contact surfaces in the three-dimensional model description 5. Since this has already been done, the junction of the guide shoe 12-13 with an "A "marked.
  • the user selects those surfaces that will make the coupling between two components 12-1 - 12 -n.
  • Such a coupling can be in the real mechanical system, for example a mechanical sliding of a carriage on a rail.
  • a user may select in the three-dimensional model description the particular surfaces of the respective components 12-1 - 12 -n that will contact and slide on top of each other.
  • the connection points between the guide shoes 12 -27, 12-28 and the guide rail 12-27 is still marked with a " ⁇ ".
  • Fig. 12 it can be seen that for the connection point zwi - see the spindle bushing 12-23 and the slide 12-10 as well as for the connection points of the machine foundation 12-12 for fastening 12-19 and bearing 12-30 already the required data in the three-dimensional model description 5 were provided.
  • FIG. 12 the relevant sections from the three-dimensional model description 5 to the respective connection points are shown.
  • FIG. 13 shows a further detail of an embodiment of a user interface of a device 1 according to the present invention.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Erzeugung eines FEM Modells, welches insbesondere die mechanischen Komponenten einer mechanischen Anlage beschreibt, mit einer Modellerzeugungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, aus einer dreidimensionalen Modellbeschreibung der mechanischen Anlage eine funktionale Modellbeschreibung der mechanischen Anlage zu erzeugen, und mit einem Konverter, der dazu ausgebildet ist, die funktionale Modellbeschreibung der mechanischen Anlage in ein FEM Modell zu konvertieren. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und einen Regler.

Description

Beschreibung
Vorrichtung , Verfahren zur automatischen Erzeugung eines FEM Modells und Regler
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Erzeugung eines FEM Modells , welches die mechani - sehen Komponenten einer mechanischen Anlage beschreibt , ein entsprechendes Verfahren und einen modellbasierten Regler, insbesondere einen Zustandsregler .
TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden hauptsächlich in Bezug zu mechanischen Anlagen beschrieben, kann aber auch allgemein für die Modellbildung beliebiger FEM Modelle genutzt werden .
In der Entwicklung moderner mechanischer Anlagen wird heute eine Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge verwendet .
Zum Beispiel wird der Mechanikanteil einer mechanischen Anla- ge üblicherweise mit Hilfe eines CAD- Programms (Computer
Aided Design) geplant . Dabei entspricht das CAD-Mode11 in dem CAD- Programm exakt dem realen Aufbau der Mechanik der mechanischen Anlage in der Realität . Dies ist notwendig, da das CAD-Mode11 die Grundlage für die spätere Fertigung der mecha- nischen Komponenten der mechanischen Anlage bildet .
Ferner ist es bekannt , dynamische Übertragungssysteme , wie beispielsweise die hier beschriebenen mechanischen Systeme, in Form einer Zustandsraumdarstellung zu beschreiben . Das Zustandsraummode11 gilt insbesondere als ingenieurtechnisch ge- eignete Methode zur Analyse und Synthese dynamischer Systeme im Zeit- und Frequenzbereich . Das Zustandsraummodell kann insbesondere bei der regelungstechnischen Behandlung von Mehrgrößensystemen und nichtlinearen und zeitvariablen Über- tragungsSystemen eingesetzt werden . Dabei werden alle Beziehungen der ZuStandsgrößen, der Eingangsgrößen und der Ausgangsgrößen in dem Zustandsraummodell in Form von Zustands- matrizen und Vektoren dargestellt . Die Basis für dieses Zu- standsraummode11 kann dabei ein FEM Modell bilden .
Zustandsraummodelle werden heute nicht in Verbindung mit mechanischen Anlage genutzt , da der Aufwand für die Erstellung eines Zustandsraummodells für alle Komponenten einer solchen mechanischen Anlage , die aus mehreren 1000 Einzelteilen bestehen kann, zu groß ist .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, eine einfache Möglichkeit bereitzustellen, die Verwendung von Zustandsraummodellen auf mechanische Anlagen zu übertragen .
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen An- Sprüche gelöst .
Demgemäß ist vorgesehen :
Eine Vorrichtung zur automatischen Erzeugung eines FEM Mo- dells , welches insbesondere die mechanischen Komponenten einer mechanischen Anlage beschreibt , mit einer Modellerzeugungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist , aus einer dreidimensionalen Modellbeschreibung der mechanischen Anlage eine funktionale Model Ibeschreibung der mechanischen Anlage zu erzeugen, und mit einem Konverter, der dazu ausgebildet ist , die erzeugte funktionale Modellbeschreibung der mechani - sehen Anlage in ein FEM Modell zu konvertieren .
Ferner ist vorgesehen :
Ein Verfahren zum automatischen Erzeugen eines FEM Modells , welches insbesondere die mechanischen Komponenten einer mechanischen Anlage beschreibt , mit den Schritten Erzeugen ei - ner funktionalen Modellbeschreibung aus einer dreidimensionalen Modellbeschreibung der mechanischen Anlage , und Konvertieren der funktionalen Modellbeschreibung der mechanischen Anlage in ein FEM Modell .
Schließlich ist vorgesehen :
Ein modellbasierter Regler, insbesondere ein ZuStandsregier, für eine mechanische Anlage , mit einem Beobachtermodell , wel - ches auf einem FEM Modell basiert , welches durch eine Vorrichtung oder ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erstellt wurde .
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass es einen derart hohen Aufwand bedeutet , aus einem dreidimensionalen Modell oder einem 3D-CAD Modell ein FEM Modell zu erzeugen, dass dies heute nicht praktisch durchführbar ist . Ferner ist die Vorgehensweise zur Erstellung eines FEM Modells und die Software zur Erstellung sol - eher Modelle bzw . deren Bedienung nur wenigen Experten bekannt .
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ei - ne Möglichkeit vorzusehen, mit deren Hilfe z.B. ein Entwickler eines dreidimensionalen Modells einer mechanischen Anlage bzw . der mechanischen Komponenten der mechanischen Anlage sehr einfach ein FEM Modell erstellen kann, ohne dass der Entwickler sich mit der Mode11bi1dung von FEM Modellen aus- kennen muss .
Dazu sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung vor, die dem Entwickler diese Arbeit abnimmt und den Vorgang der Erstellung des FEM Modells weitestgehend automatisiert .
Eine erfindungsgemäße Modellerzeugungseinrichtung erzeugt aus einer dreidimensionalen Modellbeschreibung der mechanischen Komponenten der mechanischen Anlage , z.B. CAD-Daten, ein funktionales Modell .
Dabei kann der Entwickler, z.B. ein Maschinenbauer , sich ins- besondere der Fachbegriffe seines Fachgebiets bedienen und muss sich nicht in die Fachbegriffe der Finite Elemente Methode einarbeiten .
Das dreidimensionale Modell beschreibt die mechanische Anlage dabei insbesondere in ihrer geometrischen bzw . mechanischen Ausgestaltung, so, wie die mechanische Anlage später aufgebaut wird . Das funktionale Modell beschreibt die mechanische Anlage in Funktionsblöcken, die entsprechend ihrer funktionalen Zusammenhänge angeordnet werden . Die Anordnung der ein- zelnen Komponenten kann dabei zwischen dem dreidimensionale Modell und der funktionalen Modellbeschreibung deutlich voneinander abweichen .
Dieses funktionale Modell konvertiert ein erfindungsgemäßer Generator anschließend in ein FEM Modell , ohne dass der Entwickler dazu weitere Arbeit aufwenden müsste .
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es , dass Entwickler, z.B. Maschinenbauingenieure , ein FEM Modell sehr einfach und zeiteffizient erstellen können .
Aus diesem Modell kann dann sehr einfach auch für große mechanische Anlagen das Beobachtermodell für einen erfindungs- gemäßen modellbasierten Regler bzw . ein Zustandsregier er- stellt werden und eingesetzt werden , um die mechanische Anlage zu steuern .
Derartige Zustandsregier können heute für die Steuerung mechanischer Anlagen nicht eingesetzt werden, da der Aufwand zu deren Erstellung bisher zu hoch war und einen Experten für die Modellbildung des Beobachters erforderte . Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiter ildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren . In einer Ausführungsform weist die ModeHerzeugungseinrich- tung eine ModellSchnittstelle auf , welche dazu ausgebildet ist , eine als CAD-Mode11 ausgebildete dreidimensionalen Modellbeschreibung zu erfassen, und eine Analyseeinrichtung aufweist , welche dazu ausgebildet ist , das CAD-Mode11 zu ana- lysieren und Komponenten der mechanischen Anlage aus dem CAD- Modell zu extrahieren . Dies ermöglicht es , CAD-Daten einer Vielzahl von unterschiedlichen Konstruktionsprogrammen als Basis für die Erstellung des FEM Modells zu nutzen . In einer Ausführungsform weist die Modellerzeugungseinrich- tung eine Eingabeschnittstelle zur manuellen Eingabe der Komponenten der mechanischen Anlage auf . Dies ermöglicht es einem Benutzer, z.B. einem Maschinenbauingenieur, die Komponenten der mechanischen Anlage selbst zu definieren .
In einer Ausführungsform weist die ModeHerzeugungseinrich- tung Mittel auf , mit welchen ein Benutzer die durch die Analyseeinrichtung extrahierten Komponenten manuell nachbearbeiten kann .
In einer Ausführungsform weist die Modellerzeugungseinrich- tung eine Datenbank auf , in welcher Komponentendaten zu einer Vielzahl von Komponenten, die eine mechanische Anlage aufweisen kann, gespeichert sind . Dies ermöglicht es , bei der Er- Stellung des FEM Modells eine Vielzahl von Daten zu den einzelnen Komponenten sehr schnell aus der Datenbank auszulesen . Eine manuelle Eingabe der Daten ist nicht erforderlich .
In einer Ausführungsform weist die Mode11erzeugungseinrich- tung eine Koppeleinrichtung auf , die dazu ausgebildet ist , basierend auf den Komponentendaten die j eweiligen Komponenten auf eine notwendige Kopplung mit anderen Komponenten der mechanischen Anlage zu untersuchen und diese Kopplung automa- tisch oder auf eine Eingabe eines Benutzers hin in der funktionalen Modellbeschreibung zu speichern . Dies ermöglicht es , die Struktur der Komponenten in der funktionalen Modellbeschreibung anhand deren Funktionalität festzulegen, auch wenn die einzelnen Komponenten z.B. in dem CAD-Mode11 geometrisch nicht miteinander gekoppelt sind oder die Kopplung aus dem CAD-Mode11 nicht ersichtlich ist .
In einer Ausführungsform weist die ModeHerzeugungseinrich- tung eine Parametrierungseinrichtung auf , die dazu ausgebildet ist , die Komponenten zu parametrieren . Jede Komponente kann eine Vielzahl von Parametern aufweisen . Die Art der Parameter und die Anzahl der Parameter hängen dabei sehr von der einzelnen Komponente ab . Die Parametrierung der Komponen- ten ermöglicht es , die einzelnen Komponenten an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen .
In einer Ausführungsform ist die Parametrierungseinrichtung dazu ausgebildet , die Komponenten basierend auf den Komponen- tendaten automatisch zu parametrieren . Dies ermöglicht eine sehr schnelle und effiziente Parametrierung der einzelnen Komponenten .
In einer Ausführungsform ist die Parametrierungseinrichtung dazu ausgebildet , Parameter für die Komponenten von einem Benutzer abzufragen . Dies ermöglicht es , die einzelnen Parameter für j eden Einzelfall spezifisch anzupassen .
In einer Ausführungsform ist die Parametrierungseinrichtung dazu ausgebildet , die Komponenten basierend auf den Komponentendaten automatisch zu parametrieren und danach eine Korrektur einzelner Parameter durch einen Benutzer zuzulassen . Dadurch kann ein Benutzer die bereits gesetzten Parameter einzeln überprüfen und falls notwendig anpassen . Dadurch kann der Benutzer die Parameter schneller festlegen, als dies möglich ist , wenn er alle Parameter selbst vorgeben müsste . In einer Ausführungsform weist die Modellerzeugungseinrich- tung eine Gruppierungseinrichtung auf , die dazu ausgebildet ist , in der funktionalen ModellbeSchreibung kinematische Hauptkomponenten der mechanischen Anlage automatisch zu iden- tifizieren .
Die mechanische Anlage besteht aus einzelnen Hauptkomponen- ten, die sich gegeneinander bewegen können . Die Bewegung ist möglich , da zwischen der einen und der anderen Hauptkomponen- te eine Lagerung existiert , z.B. eine Linearführung oder ein rotatorisches Lager . Jede Hauptkomponente setzt sich im CAD System aus vielen einzelnen Bauteilen zusammen . Durch das Gruppieren der einzelnen Bauteile zu einer Hauptkomoponente wird die Anzahl der Einzelkomponenten und damit die Komp1exi - tat reduziert .
In einer Ausführungsform weist der Konverter eine Reduktions - einrichtung auf , welche dazu ausgebildet ist , die geometrische Komplexität der dreidimensionalen Modellbeschreibung zu reduzieren . Dies ermöglicht eine sehr effiziente Überführung des CAD-Modells in ein FEM Modell .
In einer Ausführungsform weist der Konverter einen Generator auf , der dazu ausgebildet ist , aus der dreidimensionalen ModellbeSchreibung ein FEM Modell zu erzeugen . Das FEM Modell weist dabei zumindest ein FEM Netz auf .
Dabei ist der Generator insbesondere dazu ausgebildet , vorgegebene Regeln bei der Erstellung des FEM Modells einzuhalten . Beispielsweise können die vorgegebenen Regeln sogenannte „Meshing Constraints " aufweisen . Hinter den Komponenten in der Bibliothek der funktionalen Beschreibung verbirgt sich der Bauplan, wie diese Komponente im FEM Modell umzusetzen ist . Z.B., ist über die Komponente „ Führungsschuh" bekannt , dass sie zwei Komponenten miteinander verbindet . Ferner ist bekannt , wie diese Verbindung zu realisieren ist . D.h., es ist bekannt , dass an j eder der beiden zu verbindenden Stellen je eine Fläche ausgewählt werden muss , zwischen denen die Verbindung erzeugt wird . Weiterhin ist hinterlegt , dass z.B. an j eder dieser Flächen ein RBE3 Element erzeugt werden muss . Elemente im FEM Modell können nur an Knoten des FEM Netzes erzeugt werden . Durch Selektion der geometrischen Fläche ist dem Generator bekannt , dass alle Knoten, die in der selek- tierten Fläche liegen, zur Erzeugung des FEM Elements herangezogen werden . Alternativ ist auch möglich, dass auf Grund der Selektion der Oberfläche in der Geometrie genau in dieser Fläche Knoten nach einem bestimmten Muster, den Meshing
Constraint erzeugt werden .
Die automatische Erzeugung der Modellbeschreibung ermöglicht eine sehr schnelle und exakte Erzeugung des FEM Modells .
In einer Ausführungsform ist der Generator dazu ausgebildet , das FEM Modell basierend auf standardisierten Beschreibungs- elementen der funktionalen Modellbeschreibung zu erstellen . Dabei können die standardisierten Beschreibungselemente insbesondere als RBE3 bzw . CBUSH Elemente oder dergleichen ausgebildet sein . Die Verwendung standardisierter Beschreibungs - elemente ermöglicht es , ein FEM Modell zu erstellen, welches mit einer Vielzahl unterschiedlicher Werkzeuge bearbeitet werden kann .
In einer Ausführungsform ist der Generator dazu ausgebildet , das FEM Modell basierend auf den parametrisierten Komponenten der funktionalen Modellbeschreibung zu erstellen . Werden die Parameter, die für die einzelnen Komponenten vorgegeben wurden, in die Erstellung des FEM Modells einbezogen, kann das FEM Modell ohne weiteres Zutun eines Benutzers erstellt wer- den, da die Parameter für die Elemente des FEM Modells übernommen werden können .
In einer Ausführungsform weist der Generator eine Ausgabeeinrichtung auf , die dazu ausgebildet ist , das FEM Modell in ei - nem allgemein lesbaren bzw . einem standardisierten Format auszugeben . Dieses Format kann z.B. ein Textformat , insbesondere z.B. ein NASTRAN Input-Deck File Format sein . Dies er- möglicht den einfachen Austausch des FEM Modells zwischen unterschiedlichen Werkzeugen .
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll , beliebig miteinander kombinieren . Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbi1düngen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung . Insbe- sondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der j eweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen .
INHALTSANGABE DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematisehen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert . Es zeigen dabei : Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform ei - ner Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ;
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines
Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ;
Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Reglers gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform ei - ner Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ;
Fig. 5 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs- form einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 6 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs- form einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig . 7 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs- form einer BenutzerSchnittstelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig . 8 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs- form einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ;
Fig . 9 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs - form einer Benutzerschnittsteile einer Vor- richtung gemäß der vorliegenden Erfindung ;
Fig . 10 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs - form einer Benutzerschnittsteile einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ;
Fig . 11 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs- form einer Benutzerschnittsteile einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ; Fig . 12 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs - form einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig . 13 einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungs - form einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung .
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen worden .
Im Rahmen dieser Patentanmeldung ist unter einem FEM Modell eine Beschreibung der mechanischen Komponenten einer mechani - sehen Anlage zu verstehen, die dazu geeignet ist in einem FEM ( Finite Elemente Methode) System bzw. in einer FEM Software die mechanische Anlage zu beschreiben, so dass das FEM System die gewünschten Berechnungen basierend auf dem FEM Modell durchführen kann .
Unter einer mechanischen Anlage ist im Rahmen dieser Patentanmeldung j ede Vorrichtung zu verstehen, die physisch greifbar ist und von einem Entwickler geplant bzw . entwickelt wer- den muss . Eine mechanische Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch Bestandteil einer mechatronischen Anlage sein, die sowohl die mechanische Anlage aufweist , als auch Sensoren, Aktoren und Steuereinrichtungen . Beispiele dafür, was in dieser Erfindungsmeldung als mechatronisehen Anlage angesehen wird, sind unter anderem Werkzeug- oder Produkti - onsmaschinen . Es handelt sich bei den beispielhaften Systemen um Systeme , bei denen einzelne mechanische Komponenten größere Verfahrbewegungen ausführen . Unter einer dreidimensionalen ModelIbeschreibung ist im Rahmen dieser Patentanmeldung j ede Modellbeschreibung zu verstehen, die die geometrischen Eigenschaften der mechanischen Anlage beschreibt . Die dreidimensionale Modellbeschreibung kann z.B. als CAD-Mode11 vorliegen . Unter einem CAD-Mode11 ist da- bei j edes Modell zu verstehen, das mit einem CAD-Werkzeug bzw . einem CAD-Programm erstellt oder bearbeitet wird . CAD- Werkzeuge sind Werkzeuge , die einen Entwickler bei dem dreidimensionalen Entwurf einer mechanischen Anlage unterstützen . Eine funktionale Modellbeschreibung ist eine Beschreibung der mechanischen Anlage , in der die einzelnen Komponenten der mechanischen Anlage gemäß ihrer Funktion und ihrer funktionalen Zusammenhänge angeordnet und gekoppelt werden . Die funktionale ModelIbeschreibung kann sich sehr von der dreidimensiona- len Modellbeschreibung unterscheiden, da die geometrische Anordnung zumindest teilweise unabhängig von der Funktion der Komponenten erfolgen kann . So können z.B. Komponenten mit un- abhängigen Funktionen in der dreidimensionalen Modellbeschreibung direkt nebeneinander angeordnet sein .
Unter den Komponenten der mechanischen Anlage ist j edes Bau- element der mechanischen Anlage zu verstehen, welches als einzelnes Bauelement zu erkennen ist . Es können auch kom lexe Komponenten vorgesehen sein, die aus einer Vielzahl einzelner Komponenten bestehen können . Unter den kinematische Hauptkomponenten ist eine einzelne
Hauptkomponenten zu verstehen, die sich gegenüber einer anderen Hauptkomponente bewegen kann . Die Bewegung ist möglich, da zwischen der einen und der anderen Hauptkomponente eine Lagerung existiert , z.B. eine Linearführung oder ein
rotatorisches Lager . Jede Hauptkomponente setzt sich im CAD System aus vielen einzelnen Bauteilen zusammen .
Eine Datenbank mit einer Beschreibung einer Vielzahl von Komponenten, die eine mechanische Anlage aufweisen kann, ist im Rahmen dieser Patentanmeldung als eine Datenbank zu verstehen, in welcher Informationen zu allen Komponenten, aus denen ein Entwickler beim Entwurf einer mechanischen Anlage auswählen kann, hinterlegt sind . Unter dem Parametrieren einer Komponente ist das Festlegen der variablen Parameter einer Komponente zu verstehen . In der Datenbank können für diese variablen Parameter bereits Vorgabewerte hinterlegt sein, die dann beim Parametrieren geändert werden können .
Unter dem Reduzieren der geometrischen Komplexität der dreidimensionalen Modellbeschreibung ist zu verstehen, dass in der dreidimensionalen Modellbeschreibung geometrische Features entfernt werden, die bei ihrer Vernetzung die Anzahl der Elemente im FEM Netz stark vergrößern würden, j edoch kaum Auswirkungen auf das Berechnungsergebnis hätten . Hierzu zählen im Wesentlichen kleine Löcher , Fasen und Abrundungen . Hierzu zählt auch, dass Komponenten des CAD Modells , die kei - ne Bedeutung für das FEM Modell haben, für die Erzeugung des FEM Modells weggelassen werden, wie z.B. Maschinenverkleidung oder Kabelschlepps . die enigen Knotenpunkte entfernt werden, die für weitere Berechnungen überflüssig sind .
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN Fig . 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung .
Die Vorrichtung 1 in Fig . 1 weist eine Modellerzeugungsein- richtung 4 auf , die eine dreidimensionale Modellbeschreibung 5 der mechanischen Anlage 3 verarbeitet . Die Modellerzeu- gungseinrichtung 4 erzeugt eine funktionale Modellbeschrei - bung 6 der mechanischen Anlage 3 und stellt diese einem Konverter 7 bereit . Der Konverter 7 konvertiert die funktionale Modellbeschreibung 6 der mechanischen Anlage 3 in ein FEM Modell 2.
Die Vorrichtung 1 kann in einer Ausführungsform als Hardware- Vorrichtung ausgebildet sein . In einer weiteren Ausführungs- form kann die Vorrichtung 1 auch als Computerprogramm oder dergleichen ausgebildet sein, welches auf einem Computer ausgeführt wird .
Fig . 2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung .
Das Verfahren weißt zwei Schritt Sl , S2 auf .
In dem ersten Schritt Sl wird eine funktionale Modellbeschreibung 6 aus einer dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 der mechanischen Anlage 3 erzeugt . Schließlich wird in dem zweiten Schritt S2 die funktionale Modellbeschreibung 6 der mechanischen Anlage 3 in ein FEM Modell 2 konvertiert . In einer Ausführungsform kann die dreidimensionale Modellbeschreibung 5 als CAD-Mode11 5 ausgebildet sein .
In einer Ausführungsform werden zum Erzeugen Sl der funktio- nalen Modellbeschreibung 6 einzelne Komponenten 12-1 - 12 -n der mechanischen Anlage 3 aus dem CAD-Mode11 5 ausgelesen . Zusätzlich oder alternativ können die einzelnen Komponenten der 12-1 - 12 -n auch durch einen Benutzer vorgegeben werden . In einer Ausführungsform werden zu den einzelnen Komponenten 12-1 - 12 -n Komponentendaten 16-1 - 16 -n bereitgestellt , aus denen hervorgeht , ob eine Komponente 12-1 - 12 -n mit einer weiteren Komponente 12-1 - 12 -n funktional gekoppelt ist bzw . gekoppelt werden muss . Falls dies der Fall ist , kann eine Kopplung zwischen zwei Komponenten 12-1 - 12 -n automatisch auf Basis der Komponentendaten 16-1 - 16 -n oder auf eine Eingabe eines Benutzers hin in der funktionalen Modellbeschreibung 6 gespeichert werden . In einer Ausführungsform werden die Komponenten 12-1 - 12 -n parametriert . Darunter ist zu verstehen, dass einzelne Parameter zu den Komponenten 12-1 - 12 -n erfasst und in der funktionalen Modellbeschreibung 6 gespeichert werden . Diese Para- metrierung kann dabei automatisch oder durch einen Benutzer erfolgen . Insbesondere kann eine Parametrierung anhand der Komponentendaten 16-1 - 16 -n automatisch vorgenommen werden und die Parameter danach von einem Benutzer manuell angepasst bzw . korrigiert werden . In einer Ausführungsform wird die geometrische Komplexität der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 derart reduziert , dass lediglich diej enigen Knotenpunkte in der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 beibehalten werden, die für die folgenden FEM Berechnungen notwendig sind .
In einer weiteren Ausführungsform wird aus der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 das FEM Modell 2 basierend auf standardisierten Beschreibungselementen und/oder basierend auf den parametrisierten Komponenten 12-1 - 12 -n erzeugt .
Fig . 3 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Reglers 20 gemäß der vorliegenden Erfindung .
Der modellbasierte Regler 20 ist als sog . Zustandsregler 20 ausgebildet und weist ein Beobachtermodell 21 auf , welches auf einem FEM Modell 2 basiert , welches durch eine Vorrich- tung 1 oder ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erstellt wurde .
Fig . 4 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungs- form einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung .
Die Vorrichtung 1 der Fig . 4 basiert auf der Vorrichtung 1 der Fig . 1.
Die Vorrichtung 1 der Fig . 4 unterscheidet sich von der Vor- richtung der Fig . 1 dahingehend, dass die Modellerzeugungs - einrichtung 4 eine Modellschnittstelle 9 aufweist , die mit eine Analyseeinrichtung 11 gekoppelt ist . Die Analyseeinrichtung 11 ist mit einer Benutzerschnittstelle 13 und mit einer Koppeleinrichtung 15 gekoppelt . Die Koppeleinrichtung 15 ist mit einer Parametrierungseinrichtung 17 gekoppelt , die mit einer Datenbank 1 , mit der Benutzerschnittstelle 13 und mit der Gruppierungseinrichtung 26 gekoppelt ist . Ferner weisen die dreidimensionale Modellbeschreibung 5 und die funktionale Modellbeschreibung 6 Komponenten 12-1 und 12 -n auf . Weitere mögliche Komponenten sind durch drei Punkte dargestellt .
Die Modellschnittstelle 9 liest die als CAD-Mode11 5 ausgebildete dreidimensionale Mode1Ibeschreibung 5 ein und gibt diese an die Analyseeinrichtung 11 weiter, die das CAD-Mode11 5 auf die Komponenten 12-1 - 12 -n der mechanischen Anlage 3 hin analysiert . Zusätzlich oder alternativ können die Kompo- nenten 12-1 - 12 -n der mechanischen Anlage 3 auch über die Eingabeschnittstelle 13 eingegeben werden . Die Koppeleinrichtung 15 koppelt basierend auf den Komponentendaten 16-1 - 16 -Ii zu den j eweiligen Komponenten 12-1 - 12 - n der mechanischen Anlage 3 die j eweiligen Komponenten 12-1 - 12 -n mit einer entsprechenden weiteren Komponente 12-1 - 12 -n der mechanischen Anlage 3 , falls den Komponentendaten 16-1 - 16 -n zu entnehmen ist , dass eine solche Kopplung notwendig ist . Die Koppeleinrichtung 15 kann eine Kopplung auch auf eine Eingabe eines Benutzers hin durchführen . Unter dem Durch- führen einer Kopplung ist hier zu verstehen, dass die funktionale Kopplung zweier Komponenten 12-1 - 12 -n in der funktionalen Modellbeschreibung 6 vermerkt bzw . gespeichert wird .
In der Datenbank 14 werden die Komponentendaten 16-1 - 16 -n zu einer Vielzahl von Komponenten 12-1 - 12 -n gespeichert . Insbesondere kann die Datenbank die Komponentendaten 16-1 - 16 -n zu Komponenten 12-1 - 12 -n enthalten, die allgemein in mechanischen Anlagen 3 genutzt werden können . Die Datenbank 14 kann also auch Komponentendaten 16-1 - 16 -n zu Komponenten 12-1 - 12 -n enthalten, die in einem aktuellen Projekt nicht benötigt werden .
Die Parametrierungseinrichtung 17 dient dazu, die Komponenten 12-1 - 12 -n zu parametrieren . Dies kann basierend auf den Komponentendaten 16-1 - 16 -n automatisch erfolgen . Zusätzlich oder alternativ können die Parameter für die Komponenten 12-1 - 12 -n von einem Benutzer abgefragt werden .
Die Gruppierungseinrichtung 26 identifiziert und gruppiert daraufhin in der funktionalen Modellbeschreibung 6 die kinematischen Hauptkomponenten der mechanischen Anlage 3 automatisch .
Dies kann z.B. basierend auf dem Typ der einzelnen Komponen- ten 12-1 - 12 -n erfolgen . Z.B. trennen üblicherweise Verbindungselemente die einzelnen Hauptkomponenten voneinander . Die Gruppierungseinrichtung 26 kann folglich die kinematischen Hauptkomponenten identifizieren, indem sie z.B. alle Verbin- dungseiemente als Unterbrechungen interpretiert und die dann entstehenden Komponentengruppen als die kinematischen Haupt - komponenten klassifiziert . Nachdem die funktionale Modellbeschreibung erstellt wurde , wird diese von dem Konverter 7 verarbeitet . Der Konverter 7 weist dazu eine Reduktionseinrichtung 18 auf , die die geometrische Komplexität der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 reduziert , wenn dies möglich ist . Die Reduzierung der geomet- rische Komplexität der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 kann dabei z.B. mit Hilfe einer sog . „ Shrink Wrap" Funktionalität eines CAD-Programms oder in einer Ausführungsform auch händisch erfolgen . Schließlich erzeugt der Generator 19 aus der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5, insbesondere aus der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 mit reduzierter geometrische Komplexität , und aus den parametrisierten Komponenten 12-1 - 12 - n ein FEM Netz .
Dabei kann der Generator 19 das FEM Netz in einer Ausführungsform basierend auf standardisierten Beschreibungselementen, wie z.B. RBE3 und CBUSH Elementen erstellen . Bei der Erzeugung des FEM Netzes werden an speziellen Stellen Koppelknoten erzeugt . Auf Basis der in den funktionalen Komponenten hinterlegten Informationen werden an oben genannten Koppelknoten ganze FEM Teil -Modelle erzeugt . Diese FEM Teil - Modelle können ebenfalls eine Vielzahl unterschiedlicher Be- Schreibungselemente , wie z.B. CBUSH oder RBE3 Elemente , auf - weisen . Die speziellen Stellen, an welchen die Koppelknoten erzeugt werden, sind z.B. Kontaktflächen zwischen zwei Kompo- nenten 12-1 - 12 -n . Fig . 5 zeigt einen Ausschnitt einer Ausführungsform einer Benutzerschnittstelle 13 einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung . In Fig. 5 ist eine Komponentenbibliothek „ library" und ein Fenster „ structure browser" zu sehen, in welchem die Kompo- nenten 12-1 - 12 -n angeordnet und gemäß ihrer Funktion strukturiert werden können .
Die Komponentenbibliothek weist eine Baumstruktur auf , in welcher die Komponenten 12-1 - 12 -n nach Funktionen geordnet dargestellt sind . Ein Entwickler , z.B. ein Maschinenbauingenieur, kann aus dieser Komponentenbibliothek die einzelnen Komponenten 12-1 - 12 -n der zu entwickelnden mechanischen Anlage 3 auswählen, die in der j eweiligen mechanischen Anlage 3 verwendet werden und diese gemäß ihrer Funktion in dem „ structure browser" anordnen . Auf diese Weise kann der Entwickler sich ein abstraktes Blockschaltbild der mechanischen Anlage 3 erzeugen, welches als funktionale Modellbeschreibung 6 dient , ohne detaillierte Kenntnisse unterschiedlicher FEM Werkzeuge oder dergleichen haben zu müssen .
Bei der Auswahl der einzelnen Komponenten 12-1 - 12 -n durch den Benutzer, kann dieser Parameter der j eweiligen Komponente 12-1 - 12 -n angeben, die benötigt werden, um die Komponente 12-1 - 12 -n ordnungsgemäß in die funktionale Modellbeschreibung 6 aufnehmen zu können . Ferner kann der Benutzer allgemeine Daten bzw . Informationen zu der mechanischen Anlage 3 angeben . Der Benutzer kann z.B. eingeben, wie viele Achsen die mechanische Anlage 3 aufweist , wie die mechanische Anlage 3 mit dem Fundament bzw . Untergrund verbunden ist und dergleichen . Die in der Komponentenbibliothek vorhandenen Komponenten 12-1 - 12 -n können dabei Metadaten bzw . zusätzliche Informationen aufweisen . Diese Metadaten bzw . zusätzlichen Informationen können z.B. auch eine Logik aufweisen, die automatisch notwendige Parameter für die j eweilige Komponente 12-1 - 12 -n von einem Benutzer abfragt oder für die weitere Verarbeitung bereitstellt . Beispielsweise können diese Metadaten bzw . zusätzlichen Informationen eine Auskunft darüber geben, ob die j eweilige Komponente 12-1 - 12 -n mit einer weiteren Komponen- te 12-1 - 12 -n mechanisch gekoppelt ist oder mechanisch gekoppelt werden muss . Eine solche mechanische Kopplung kann in der realen mechanischen Anlage z.B. ein Gleiten eines Schlittens auf einer Schiene sein . In solch einem Fall können in einer Ausfuhrungsform von einem Benutzer in der dreidimensionalen Modellbeschreibung z.B. diej enigen Flächen der j eweili - gen Komponenten 12-1 - 12 -n ausgewählt werden, die sich berühren . In Fig . 6 ist genauer dargestellt , wie Komponenten 12-1 - 12 - n der mechanischen Anlage 3 ausgewählt und Parameter dazu eingegeben werden können . Fig . 6 zeigt dabei einen Ausschnitt des „ structure browser " . In Fig . 6 sind links drei Komponenten 12-10 - 12-12 der mechanischen Anlage 3 dargestellt . Diese sind ein Schlitten „X . Slide " 12 - 10 , eine Linearführung „XI . linear_guideway" 12 - 11 und ein Maschinenfundament „machine_bed" 12-12. Zu der Li - nearführung wird der Parameter abgefragt , der angibt , wie viele Führungsschuhe „g.shoe" 12 - 13 , 12-14 für die Linearführung benötigt werden .
Auf der rechten Seite der Fig . 6 ist zu sehen, wie anhand des eingegebenen Parameters automatisch zwei Führungsschuhe 12 - 13 , 12-14 in dem Modell der mechanischen Anlage 3 angeordnet werden . Das Modell der Fig . 6 , welches die Basis für die funktionelle Modellbeschreibung 6 bildet , kann dabei von der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 deutlich abweichen . Der Parameter, welcher die Anzahl der Führungsschuhe 12 - 13 , 12-14 definiert , ist ein weiteres Beispiel für die Metadaten bzw . zusätzlichen Informationen, die in Fig . 5 bereits beschrieben wurden . Durch die zu der Linearführung 12-11 hinterlegte Logik und die entsprechenden Metadaten, wird es mög- lieh, automatisch aus der komplexen Komponente Linearführung „XI . linear_guideway" 12-11 die notwendigen Einzelkomponenten Führungsschuhe 12 - 13 , 12-14 und Führungsschiene 12-15 zu erzeugen . Auf der rechten Seite der Fig. 6 ist der Schlitten 12-10 oben angeordnet . Darunter sind zwei Führungsschuhe „g.shoe" 12 - 13 , 12-14 angeordnet , unter welchen eine Führungsschiene „guiding rail" 12-15 angeordnet ist . Schließlich ist unter der Führungsschiene 12-15 das Maschinenfundament „machine_bed" 12-12 angeordnet .
Der Schlitten 12 - 10 , die zwei Führungsschuhe 12 - 13 , 12 - 14 , die Führungsschiene 12-15 und das Maschinenfundament 12-12 sind dabei von oben nach unten j eweils mit Verbindungslinien miteinander gekoppelt . Dabei sind die Anschlussstellen jeweils mit einem ,,Λ" bzw . einem „ v" gekennzeichnet , wenn die j eweilige Komponente 12-1 - 12 -n mit einer weiteren Komponen- te 12-1 - 12 -n gekoppelt werden muss . Müssen zu einer Kompo- nente 12-1 - 12 -n in der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 weitere Daten bereitgestellt werden, so ist die Anschlussstelle der Komponente 12-1 - 12 -n mit einem ,,Δ" gekennzeichnet . Sind weitere Daten erforderlich und wurden diese bereits bereitgestellt , so ist die Anschlussstelle mit einem „ A" gekennzeichnet . In Fig . 6 sind z.B. die Anschlussstellen der zwei Führungsschuhe 12 - 13 , 12-14 zu der Führungsschiene 12-15 mit einem Δ gekennzeichnet . Dies bedeutet , dass zu der Verbindung der zwei Führungsschuhe 12 - 13 , 12-14 zu der Führungs - schiene 12-15 weitere Daten, beispielsweise die Kontaktflächen, in der dreidimensionalen Model lbeschreibung 5 bereitgestellt werden müssen .
Fig . 7 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungsform einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung . Fig . 7 zeigt dabei ebenfalls einen Ausschnitt des „ structure browser " .
In Fig . 7 sind vier weitere Komponenten 12-16 - 12 - 19 , Befes - t igungen 12-16 - 12-19 unter dem Maschinenfundament 12-12 angeordnet worden, welche mit dem Boden gekoppelt sind . An der Oberseite der Befestigungen 12-16 - 12-19 ist j ewei 1 s ein ,,Λ" dargestellt , welches angibt dass die Befestigungen 12-16 - 12-19 mit mindestens einer weiteren Komponente gekoppelt werden müssen . Auch bei Komponenten 12-16 - 12-19 , die kein ,,Λ" aufweisen, ist eine Kopplung möglich, wenn dies durch den Typ der j eweiligen Komponente 12-16 - 12-19 als Option vorgesehen ist .
In einer Ausführungsform ist in den Metadaten der j eweiligen Komponente 12-1 - 12 -n hinterlegt , mit welcher Art von weiteren Komponenten 12-1 - 12 -n diese Komponente 12-1 - 12 -n ge- koppelt werden kann . Wird eine Kopplung mit einer Komponente 12-1 - 12 -n durchgeführt , die nicht in den Metadaten hinterlegt ist , kann z.B. eine Warnmeldung ausgegeben werden oder die Kopplung verweigert werden . In Fig . 8 ist dargestellt, dass die Befestigungen 12-16 - 12 - 19 alle mit dem Maschinenfundament 12-12 gekoppelt wurden . Dies ist durch Verbindungslinien zwischen den Befestigungen 12-16 - 12-19 und dem Maschinenfundament 12-12 dargestellt . Die Koppelstellen der Verbindungslinien an dem Maschinenfun- dament 12-12 sind dabei j eweils mit einem „Δ" gekennzeichnet . Dadurch wird dem j eweiligen Entwickler sofort klar, dass er in z.B. dem CAD-Mode11 weitere Daten zu dem Maschinenfundament 12-12 hinterlegen muss . Fig . 9 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungsform einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung .
In Fig . 9 ist der gleiche Ausschnitt des „ structure browser" angezeigt , wie in den vorangegangenen Figuren . Allerdings wurde das Modell um einige Komponenten 12-20 - 12-26 erweitert . So sind zwischen dem Maschinenfundament 12-12 und dem Schlitten 12-10 parallel zu den Führungsschuhen 12 - 13 , 12-14 und der Führungsschiene 12-15 in Reihe eine direktes Messsys - tem 12-20 und eine Abtasteinheit für das direkte Messsystem
12-21 angeordnet . Ferner ist über dem Schlitten 12-10 ein Lager 12-22 und eine Spindelbuchse 12-23 angeordnet . Mit dem Lager 12-22 und der Spindelbuchse 12-23 gekoppelt ist eine Spindel 12 -2 , mit welcher wiederum eine Kup lung 12-25 gekoppelt ist. Schließlich ist mit der Kupplung 12-25 ein Motor 12-26 gekoppelt . In Fig . 9 ist zu erkennen, dass alle Elemente 12-1 - 12-26 j eweils eine dünne Umrandung aufweisen . Dies deutet in der Ausführungsform der Fig . 9 darauf hin, dass diese Elemente noch parametriert werden müssen . In Fig . 9 ist ferner dargestellt , wie eine solche Parametrie- rung in einer Ausführungsform für den Führungsschuh 12-13 durchgeführt werden kann . Dazu ist in Fig . 9 ein Kasten 25 dargestellt , in welchem die Parameter eingegebenen werden können, die für eine korrekte Parametrierung des Führungs - schuhs 12-13 notwendig sind .
Fig . 10 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungsform einer Benutzerschnittsteile einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung .
In Fig . 10 ist der gleiche Ausschnitt des „ structure browser" angezeigt , wie in den vorangegangenen Figuren . Allerdings weist der Führungsschuh 12-13 eine dickere Umrandung auf , als der Rest der Elemente 12-1 - 12 -n . durch die dickere Umrandung in Fig . 10 wird dargestellt , dass der Führungsschuh 12-13 keiner Parametrierung mehr bedarf .
Fig . 11 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungsform einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung .
In Fig . 11 ist die funktionale Modellbeschreibung 6 der Fig . 10 dargestellt . Allerdings sind zusätzlich zu den Führungs- schuhen 12 - 13 , 12-14 und der Führungsschiene 12-15 parallel eine zweite Führungsschiene 12-27 und zwei weitere Führungs - schuhe 12-28, 12-29 angeordnet . In der funktionalen Modellbeschreibung 6 sind ferner die ki - nematischen Hauptkomponenten gruppiert und durch unterschiedliche Umrandungen dargestellt . So haben z.B. die Führungs - schuhe 12 - 13 , 12-14 sowie die zwei weiteren Führungsschuhe 12-28, 12-29 und der Schlitten 12-10 eine dunkle schwarze Umrandung und die Führungsschienen 12-15, 12-27 sowie das Maschinenfundament 12-12 eine hellere Umrandung . Die weiteren Komponenten 12-1 - 12 -n, die keiner der zwei Gruppen zugeordnet sind, weisen eine gestrichelte Umrandung auf . Die gestri - chelte Umrandung bedeutet , dass den j eweiligen Komponenten
12-1 - 12 -Ii keine 3D-Geometrie bzw . keine Kontaktfläche zugewiesen werden muss .
Fig . 12 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungsform einer Benutzerschnittstelle einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung .
Wie bereits in Fig . 6 erläutert , ist die Anschlussstelle einer Komponente 12-1 - 12 -n mit einem ,,Δ" gekennzeichnet , wenn zu einer Komponente 12-1 - 12 -n in der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 weitere Daten bereitgestellt werden müssen .
In Fig . 12 ist ein Beispiel hierfür dargestellt . So ist zu dem Führungsschuh 12-13 ein „Pop-Up" Fenster dargestellt , welches einen Benutzer auffordert , die entsprechenden Kontaktflächen in der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 auszuwählen . Da dies bereits erfolgt ist , ist die Anschlussstelle des Führungsschuhs 12-13 mit einem „A " gekennzeichnet . Beim Auswählen der Kontaktflächen werden durch den Benutzer diej enigen Flächen ausgewählt , die die Kopplung zwischen zwei Komponenten 12-1 - 12 -n herstellen . Eine solche Kopplung kann in der realen mechanischen Anlage z.B. ein mechanisches Gleiten eines Schlittens auf einer Schiene sein . In solch einem Fall können in einer Ausführungsform von einem Benutzer in der dreidimensionalen Modellbeschreibung z.B. diej enigen Flächen der j eweiligen Komponenten 12-1 - 12 -n ausgewählt werden, die sich berühren und aufeinander gleiten . Die Anschlussstellen zwischen den Führungsschuhen 12 -27 , 12 - 28 und der Führungsschiene 12-27 dagegen ist weiterhin mit einem ,,Δ" gekennzeichnet .
In Fig . 12 ist zu erkennen, dass für die Anschlussstelle zwi - sehen der Spindelbuchse 12-23 und dem Schlitten 12-10 sowie für die Anschlussstellen des Maschinenfundaments 12-12 zu Befestigung 12-19 sowie Lager 12-30 bereits die erforderlichen Daten in der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 bereitgestellt wurden .
Zur Veranschaulichung wurden in Fig . 12 j ewei1s die betroffenen Ausschnitte aus der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 zu den j eweiligen Anschlussstellen dargestellt .
Fig . 13 zeigt einen weiteren Ausschnitt einer Ausführungsform einer Benutzerschnittsteile einer Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung .
In der funktionalen Modellbeschreibung 6 der Fig . 13 sind al - len notwendigen Daten bzw . Parameter zu allen Komponenten eingegeben worden und alle erforderlichen Daten in der dreidimensionalen Modellbeschreibung 5 bereitgestellt worden .
Damit sind alle Daten bekannt , die der Konverter 7 benötigt , um aus der funktionalen ModelIbeschreibung 6 ein FEM Modell 2 zu erzeugen . Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen vorstehend beschrieben wurde , ist sie darauf nicht beschränkt , sondern auf vielfältige Art und Weise modi - fizierbar . Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1) zur automatisehen Erzeugung eines Fini - te-Elemente-Methoden Modells , FEM Modells , (2), welches ins - besondere mechanische Komponenten einer mechanischen Anlage (3 ) beschreibt ,
mit einer Modellerzeugungseinrichtung (4 ) , welche dazu ausgebildet ist , aus einer dreidimensionalen Modellbeschreibung (5) der mechanischen Anlage (3 ) eine funktionale Modellbe- Schreibung (6) der mechanischen Anlage (3 ) zu erzeugen ; und mit einem Konverter (7) , der dazu ausgebildet ist , die erzeugte funktionale Modellbeschreibung (6) der mechanischen Anlage (3 ) in ein FEM Modell (2 ) zu konvertieren .
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
wobei die Modellerzeugungseinrichtung (4 ) eine Modellschnitt- stelle (9) aufweist , welche dazu ausgebildet ist , eine als CAD-Mode11 (5) ausgebildete dreidimensionale Modellbeschrei - bung (5) zu erfassen, und eine Analyseeinrichtung (11) auf - weist , welche dazu ausgebildet ist , das CAD-Mode11 (5) zu analysieren und Komponenten (12-1 - 12 -n) der mechanischen Anlage (3 ) aus dem CAD-Mode11 (5) zu extrahieren; und/oder wobei die Modellerzeugungseinrichtung (4 ) eine Eingabeschnittstelle ( 13 ) zur manuellen Eingabe der Komponenten ( 12 - 1 - 12 -n) der mechanischen Anlage (3 ) aufweist .
3. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ,
wobei die Modellerzeugungseinrichtung (4 ) eine Datenbank ( 14 ) aufweist , in welcher Komponentendaten (16-1 - 16 -n) zu einer Vielzahl von Komponenten (12-1 - 12 -n) , die eine mechanische Anlage (3 ) aufweisen kann, gespeichert sind .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 ,
wobei die Modellerzeugungseinrichtung (4 ) eine Koppeleinrich- tung ( 15 ) aufweist , die dazu ausgebildet ist , basierend auf den Komponentendaten (16-1 - 16 -n) zu der j eweiligen Kompo- nente (12-1 - 12 -n) der mechanischen Anlage (3 ) die j eweilige Komponente (12-1 - 12 -n) auf eine notwendige Kopplung mit anderen Komponenten (12-1 - 12 -n) der mechanischen Anlage (3 ) zu untersuchen und diese Kopplung automatisch oder auf eine Eingabe eines Benutzers hin in der funktionalen Modellbe- Schreibung (6) zu speichern .
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 2 - ,
wobei die Modellerzeugungseinrichtung (4 ) eine
Parametrierungseinrichtung ( 17 ) aufweist , die dazu ausgebil - det ist , die Komponenten (12-1 - 12 -n) zu parametrieren;
wobei die Parametrierungseinrichtung ( 17 ) dazu ausgebildet ist , die Komponenten (12-1 - 12 -n) basierend auf den Kompo- nentendaten (16-1 - 16 -n) automatisch zu parametrieren ;
und/oder
wobei die Parametrierungseinrichtung ( 17 ) dazu ausgebildet ist , Parameter für die Komponenten (12-1 - 12 -n) von einem Benutzer abzufragen .
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei die Modellerzeugungseinrichtung (4 ) eine Gruppierungs- einrichtung (26 ) aufweist, die dazu ausgebildet ist , in der funktionalen Modellbeschreibung (6) kinematische Hauptkompo- nenten der mechanischen Anlage (3 ) automatisch zu identifizieren und zu gruppieren .
7. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei der Konverter (7) eine Reduktionseinrichtung ( 18 ) aufweist , welche dazu ausgebildet ist , die geometrische Komplexität der dreidimensionalen Modellbeschreibung (5) zu reduzieren .
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ,
wobei der Konverter (7) einen Generator (19) aufweist , der dazu ausgebildet ist , aus der dreidimensionalen Modellbe- Schreibung (5) ein FEM Modell , insbesondere ein auf standardisierten Beschreibungselementen basierendes FEM Modell , zu erzeugen .
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 und Anspruch 8 ,
wobei der Generator (19) dazu ausgebildet ist , das FEM Modell (2 ) basierend auf den parametrierten Komponenten (12-1 - 12 - n) der funktionalen Modellbeschreibung (6) zu erstellen .
10. Verfahren zum automatischen Erzeugen eines Finite-
Elemente-Methoden Modells , FEM Modells , (2 ) , welches insbesondere mechanische Komponenten einer mechanischen Anlage (3 ) beschreibt , mit den Schritten :
Erzeugen (Sl ) einer funktionalen Model lbeschreibung (6) aus einer dreidimensionalen Modellbeschreibung (5) der mechani - sehen Anlage (3) ; und
Konvertieren (S2 ) der funktionalen Modellbeschreibung (6) der mechanischen Anlage (3 ) in ein FEM Modell (2 ) .
11. Verfahren nach Anspruch 10 ,
wobei beim Erzeugen (Sl ) der funktionalen Modellbeschreibung (6) eine als CAD-Mode11 (5) ausgebildete dreidimensionale Modellbeschreibung (5) erfasst wird; und
Komponenten (12-1 - 12 -n) der mechanischen Anlage (3 ) aus dem CAD-Mode11 (5) automatisch extrahiert werden und/oder Kompo- nenten (12-1 - 12 -n) der mechanischen Anlage (3 ) manuell vorgegeben werden .
12. Verfahren nach Anspruch 11 ,
wobei beim Erzeugen (Sl ) der funktionalen Model lbeschreibung (6) basierend auf Komponentendaten (16-1 - 16 -n) zu der jeweiligen Komponente (12-1 - 12 -n) der mechanischen Anlage (3 ) die j eweilige Komponente (12-1 - 12 -n) auf eine notwendige Kopplung mit anderen Komponenten (12-1 - 12 -n) der mechani - sehen Anlage (3 ) untersucht wird und diese Kopplung automatisch oder auf eine Eingabe eines Benutzers hin in der funktionalen Modellbeschreibung (6) gespeichert wird .
13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 11 und 12 ,
wobei die Komponenten (12-1 - 12 -n) basierend auf den Kompo- nentendaten (16-1 - 16 -n) automatisch parametriert werden ; und/oder
wobei die Parameter für die Komponenten (12-1 - 12 -n) von ei - nem Benutzer abgefragt werden .
14. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden An- Sprüche 10 bis 13 ,
wobei die geometrische Komplexität der dreidimensionalen Modellbeschreibung (5) reduziert wird ; und/oder
wobei aus der dreidimensionalen Modellbeschreibung (5) das FEM Modell (2 ) basierend auf standardisierten Beschreibungs- elementen und/oder basierend auf den parametrisierten Kompo- nenten (12-1 - 12 -n) erzeugt wird .
15. Modellbasierter Regler, insbesondere Zustandsregler, für eine mechanische Anlage (3 ) ,
mit einem Beobachtermodell (21 ) , welches auf einem FEM Modell (2 ) basiert , welches durch eine Vorrichtung (1) oder ein Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche erstellt wurde .
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