Model Order Reduction for Thermo-Elastic Assembly Group …SFB/Transregio 96 Thermo -Energetische...

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September 19, 2012 Anif (Salzburg) Model Order Reduction for Thermo-Elastic Assembly Group Models Dr. Jens Saak representing Project A06 in SFB-TR/96 Chemnitz UT, Department of Mathematics, Mathematics in Industry and Technology SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 1/19

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SFB/Transregio 96

Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

September 19, 2012Anif (Salzburg)

Model Order Reduction for Thermo-ElasticAssembly Group Models

Dr. Jens Saakrepresenting

Project A06 in SFB-TR/96

Chemnitz UT, Department of Mathematics,Mathematics in Industry and Technology

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 1/19

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SFB/Transregio 96

Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Outline

1 SFB/Transregio 96Conflicting goalsGeneral approachParticipating institutionsResearch fields and project groupsOnline / offline machine tool model

2 Challenges

3 Preliminary ResultsMOR for parametric heat equationsTime domain system identification

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 2/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: Conflicting goals

increase Productivity increase product Quality

reduce Energy consumption

DFG Transregio SFB 96:Thermo-energetic design of machine tools

A systemic approach to solve the conflict between power efficiency, accuracy

and productivity demonstrated at the example of machining production

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 3/19

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SFB/Transregio 96

Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: Conflicting goals

increase Productivity

increase product Quality

reduce Energy consumption

DFG Transregio SFB 96:Thermo-energetic design of machine tools

A systemic approach to solve the conflict between power efficiency, accuracy

and productivity demonstrated at the example of machining production

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 3/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: Conflicting goals

increase Productivity increase product Quality

reduce Energy consumption

DFG Transregio SFB 96:Thermo-energetic design of machine tools

A systemic approach to solve the conflict between power efficiency, accuracy

and productivity demonstrated at the example of machining production

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 3/19

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Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: Conflicting goals

increase Productivity increase product Quality

reduce Energy consumption

DFG Transregio SFB 96:Thermo-energetic design of machine tools

A systemic approach to solve the conflict between power efficiency, accuracy

and productivity demonstrated at the example of machining production

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: General approach

Systematic investigation of the possibilities forminimization of thermally driven manufacturing errors

Correction

� model or measurementbased computation ofinput corrections

� virtual

� neutral in energy

Compensation

� physical manipulation ofthe thermoelasticcausality chain viamachine components

� material/design based

� low energy

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 4/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: General approach

Systematic investigation of the possibilities forminimization of thermally driven manufacturing errors

Correction

� model or measurementbased computation ofinput corrections

� virtual

� neutral in energy

Compensation

� physical manipulation ofthe thermoelasticcausality chain viamachine components

� material/design based

� low energy

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 4/19

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Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

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SFB/Transregio 96:Participating institutions

� Dresden◦ TU Dresden (5 institutes)◦ Fraunhofer IWU

� Aachen◦ RWTH Aachen (4 institutes)◦ Fraunhofer IPT

� Chemnitz◦ Chemnitz UT (5+1 institutes)◦ Fraunhofer IWU

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Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: Research fields and project groups

submodels – system integration – structure and parameterupdates – high fidelity and high resolution simulation

parameter dependence – identification of parameters – devel-opment and evaluation of correction algorithms

development and evaluation of compensation approaches –new measurement techniques – basis for comparison

A: online/offline machine tool model

B: parameters and correction

C: design and evaluation of machines and components

A06

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: Research fields and project groups

submodels – system integration – structure and parameterupdates – high fidelity and high resolution simulation

parameter dependence – identification of parameters – devel-opment and evaluation of correction algorithms

development and evaluation of compensation approaches –new measurement techniques – basis for comparison

A: online/offline machine tool model

B: parameters and correction

C: design and evaluation of machines and components

A06

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 6/19

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Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

SFB/Transregio 96: Online / offline machine tool model

A01tool deformation

models

A02cutting energy

models

A03grinding energy

models

A04thermo-fluidic

models

A05process network

model

A06high fidelity

simulation

A07high precision

simulation

SIMULATION CORE

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Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Challenges

� MOR for parametric heat equations◦ Full observation◦ Highly ruffled parameter dependence

� MOR for coupled thermo-elastic models◦ Structure exploitation,◦ Physically interpretable ROMs

� Interplay of MOR, parameter identification and sensitivityanalysis

� Time domain system identification◦ Transfer of frequency domain ideas (Loewner approach)◦ Derivation of parametric models

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

Sliding Carriage Support:� ANSYS FEM model:

◦ dofs: n = 16626◦ inputs: m = 1◦ outputs: p = n

(here: p = 1 = temperature mean)

� sliding carriage movement⇒ input matrix depends on position

� vertical position serves as parameter

� here: [Baur/Benner ’09]

balanced truncation + interpolation

[Benner/Schneider ’11]

Balanced Truncation Model Order Reduction for

LTI Systems with many Inputs or Outputs

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

Sliding Carriage Support:� ANSYS FEM model:

◦ dofs: n = 16626◦ inputs: m = 1◦ outputs: p = n

(here: p = 1 = temperature mean)

� sliding carriage movement⇒ input matrix depends on position

� vertical position serves as parameter

� here: [Baur/Benner ’09]

balanced truncation + interpolation

[Benner/Schneider ’11]

Balanced Truncation Model Order Reduction for

LTI Systems with many Inputs or Outputs

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 9/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

absolute error ‖G (jω, µ)− G (jω, µ)‖ for k = 5 interpolation points.

Computations by N. Langconstant parameter mask

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Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

absolute error ‖G (jω, µ)− G (jω, µ)‖ for k = 5 interpolation points.

Computations by N. Langconstant parameter mask

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 10/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

relative error ‖G (jω, µ)− G (jω, µ)‖ for k = 5 interpolation points.

Computations by N. Langexponential parameter mask

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 10/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

Computations by N. Langexponential parameter mask

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

Computations by N. Langexponential parameter mask

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 11/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

balanced truncation + interpolation

� has difficulties with oscillations in parameter direction

� performs better when FEM discretization fine enough oncontact surface (for academic test model)

� test with original model still due

parametric H2-MOR

� different strategy for model interpolation

� seems to be more robust w.r.t. oscillations

� PMOR error ≈ FEM error for only 5 interpolation point infirst tests

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsMOR for parametric heat equations

balanced truncation + interpolation

� has difficulties with oscillations in parameter direction

� performs better when FEM discretization fine enough oncontact surface (for academic test model)

� test with original model still due

parametric H2-MOR

� different strategy for model interpolation

� seems to be more robust w.r.t. oscillations

� PMOR error ≈ FEM error for only 5 interpolation point infirst tests

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 12/19

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Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

spindle load dependent correction of tool displacements

inputs:

� time domain measurement data for x , y , z , displacements

� 7 rotation speeds of the spindle

� 4 different load values each

desired output:

� “easy to use” surrogate model for displacement simulations

� preferably “real time” capable

� covering broad range of working conditions

data courtesy of SP B06 (RWTH Aachen)

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

0

10

20

Inputs u1 = 1000 rpm, u

2 = 20 bar

u1/100 u

2

0 1 2 3 4 5

x 104

0

10

20

time (seconds)

de

via

tio

n (

µm

) y1

y2

y3

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 14/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

0

50

100

u

1/100 u

2

0

20

40

de

via

tio

n (

µm

)

Y Z

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 14/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

Perfect playground for Loewner?

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 15/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

Unfortunately not!

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 15/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

� Loewner acts in frequency domain

� transformation of time domain data required⇒ FFT/DFT

� observation:adds artificial peaks to the transfer function

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 16/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

� Loewner acts in frequency domain

� transformation of time domain data required⇒ FFT/DFT

� observation:adds artificial peaks to the transfer function

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 16/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

� Loewner acts in frequency domain

� transformation of time domain data required⇒ FFT/DFT

� observation:adds artificial peaks to the transfer function

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 16/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

Fallback: Subspace Identification(all data sets)

0

10

20

30

40

50

de

via

tio

n (

µm

)

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 17/19

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Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

Fallback: Subspace Identification(zoom on first and last sets (1k and 7k rpm))

0

20

40

de

via

tio

n (

µm

)

0

20

40

de

via

tio

n (

µm

)

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 17/19

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SFB/Transregio 96

Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

Fallback: Subspace Identificationwith additional I/O non-linearities)

0

20

40

de

via

tio

n (

µm

)

0

20

40

de

via

tio

n (

µm

)

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 17/19

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SFB/Transregio 96

Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

Results

� Methods tried: Fourier+Loewner, partial realization, subspaceidentification (sid), sid+non-linearity

� sid performed best

� data sets with single rotation speed much better

ToDo: parametric method

� exploit better results for single rotation speed

� use switching or interpolating model

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 18/19

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Eine systemische Lösung des Zielkonflikts

von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität

am Beispiel der spanenden Fertigung

Finanzierungsantrag 2011-2015

Preliminary ResultsTime domain system identification

Results

� Methods tried: Fourier+Loewner, partial realization, subspaceidentification (sid), sid+non-linearity

� sid performed best

� data sets with single rotation speed much better

ToDo: parametric method

� exploit better results for single rotation speed

� use switching or interpolating model

Cooperation with Cosmin Ionita (Rice University)

SFB/Transregio 96: Thermo-energetic design of machine tools 18/19

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