Modellbildung und numerische Optimierung am Beispiel eines servopneumatischen Membranzylinderantriebs

Entwurf und Optimierung servopneumatischer Zylinderantriebe erfordern eine ganz-heit-liche und disziplin-übergreifende Betrachtungsweise, welche die unterschiedlichen Fachgebiete, vor allem Maschinenbau, Elektrotechnik und Informationstechnik, und darüber hinaus den Informationsfluss zwischen diesen technischen Domänen abbildet. Die Vernetzung der verschiedenen Wissensgebiete ermöglicht die Entwicklung neuer und leistungsfähiger Produkte. Die vorliegende Arbeit zeigt Möglichkeiten zur Modellierung eines komplexen nichtlinearen mechatronischen Systems und leistet einen Beitrag zum simulationsgestützten Produktentwicklungsprozess in der Fluidtechnik. Darüber hinaus werden Schritte zur robusten und zuverlässigen Systemauslegung aufgezeigt und so die Erweiterung einer bestehenden Entwicklungsmethodik vorgenommen. Für die Untersuchungen wird beispielhaft ein servopneumatischer Membranzylinderantrieb bestehend aus Regelventil und Membranzylinder verwendet. Zur Erfüllung medizintechnischer Prüfaufgaben erreicht er derzeit eine Schwingungsamplitude von ca. ± 0,5 mm bei einer Schwingfrequenz von 50 Hz. Der Einsatz der ganzheitlichen Modellierungsmethodik sowie der numerischen Optimierung eröffnet die Möglichkeit zur gezielten Vergrößerung der Schwingungsamplitude bei gleich bleibender Schwingfrequenz.

Die zwischen den unterschiedlichen Teilsystemen eines servopneumatischen Membranzylinderantriebs auftretenden Wechselwirkungen erfordern eine ganzheitliche physikalische Systembetrachtung. Sie wird durch die Erstellung eines Systemsimulationsmodells (Netzwerkmodell mit konzentrierten Parametern) ermöglicht. Erfolgt dessen Parametrierung ausschließlich durch Geometrie- bzw. Materialdaten und mit Hilfe der Feldsimulation (CFD, FEM) entsteht ein virtueller Prototyp. Der Verzicht auf die Verwendung von Messergebnissen eröffnet so die Möglichkeit, einen Systementwurf bereits vor der realen Prototypenphase virtuell durch den Einsatz der Simulationstechnik durchzuführen. Somit lässt sich das Systemverhalten anhand mathematischer Modelle vorhersagen und schon in der Entwurfsphase des Entwicklungsprozesses weiterentwickeln. Dieses ganzheitliche, modellbasierte sowie zuverlässigkeitsorientierte Vorgehen weist die Schwerpunkte Modellbildung, Modellparametrierung und Modelloptimierung auf. Dieses Vorgehen zeigt für das Regelventil und den pneumatischen Membranzylinder Wege zur deutlichen Leistungssteigerung (elektrische Leistungsaufnahme, Ventildynamik, maximale Schwingungsamplitude) und deren robuster und zuverlässiger konstruktiver Umsetzung auf. Daraus resultierende Demonstratoren von Regelventil und Membranzylinder bestätigen die simulationstechnisch getroffenen Vorhersagen in hohem Maße. Beispielsweise wurde das die Ventildynamik charakterisierende ITAE-Kriterium um durchschnittlich 83 % und die Schwingungsamplitude des gesamten Membranzylinderantriebs um ca. 80 % verbessert. Dieses Ergebnis stützt die praxisnahe Anwendbarkeit der eingesetzten ganzheitlichen und modellbasierten sowie zuverlässigkeitsorientierten Vorgehensweise und ist ohne Einschränkung auf andere technische Problemstellungen übertragbar.