Methode zur motorintegrierten Dämpfung von Spindelschwingungen bei Werkzeugmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena; Professor Dr.-Ing. Bernd Ponick
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 112455566

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des durchgeführten Projekts wurden ein Funktionsmuster einer aktiv gedämpften Frässpindel aufgebaut und die Grenzen des gewählten neuartigen Ansatzes zur Erhöhung der Prozessstabilität aufgezeigt. Zunächst wurden Methoden zur automatischen Parametrierung des Regelkreises des aktiven Dämpfungssystems anhand eines bereits umgesetzten Spindel-Funktionsmusters erforscht. Hierfür wurde eine Methode erarbeitet, in der durch die Anregung mit dem integrierten Aktorsystem die Spindelwelle zu Schwingungen angeregt wird. Anhand der Auswertung des Übertragungsverhaitens von Aktorkraft zu Spindel-Auslenkung des Schwingungsbauchs konnte mittels eines Black-Box-Modells das strukturdynamische Verhalten der Spindelwelle als echtzeitfähiges Zustandsraummodell modelliert werden. Es zeigte sich jedoch, dass aufgrund der Aktordynamik und der resultierenden Phasenverschiebung zwischen Soll- und Istkraft eine modellbasierte Kraftregelung nicht realisierbar ist. Es konnte jedoch anhand eines Störkraftbeobachters gezeigt werden, dass prinzipiell eine Substitution der Kraftmessplattform durch einen Störgrößenbeobachter zur Vorhersage des Schwingungsverhaltens realisierbar ist. Als wesentlicher Aspekt des Projekts erfolgte die Erarbeitung von Auslegungsmethoden hinsichtlich des zweiten Funktionsmusters (Bauform b), basierend auf einem in der Statornut integrierten Aktorsystem. Durch die Dimensionierung einer Induktions- sowie einer permanenterregten Synchronmaschine mit Aktorwicklung konnte der Einfluss der zusätzlichen Wicklung auf das Systemverhaiten der beiden Maschinen untersucht werden. Aufgrund der geringeren Erwärmung des Läufers und einer höheren verbleibenden Bemessungsleistung bei der PSM wurde die PSM für die prototypische Realisierung ausgewählt. Abschließend erfolgte die Erarbeitung von Methoden zur Schwingungsdämpfung des neuen Funktionsmusters. Hierfür wurde zunächst das strukturdynamische Verhalten der Spindelwelle des neuen Konzepts ermittelt und ein modales Modell abgeleitet. Es konnte gezeigt werden, dass aufgrund des nichtlinearen, von Rotorwinkel und -drehzahl abhängigen Aktorverhaltens, keine gezielte Aktorregelung in eine entsprechende Wirkrichtung realisierbar ist. Anhand einer externen harmonischen Anregung konnte jedoch gezeigt werden, dass das strukturdynamische Verhalten durch direkte Geschwindigkeitsrückführung mit Störgrößenbeobachter beeinflusst wird. Durch Untersuchungen der Spindel im Zerspanprozess konnte gezeigt werden, dass der Zerspanprozess durch ein Aktorsegment in bestimmten Arbeitspunkten stabilisiert werden kann, dass jedoch der Einsatz aller Aktoren aufgrund von nichtlinearen Querkräften zu Instabilitäten führt. Anhand des ermittelten Leistungszuwachses des Motors der Bauform b ggü. der Bauform a konnte insgesamt das Potenzial der Bauform b aufgezeigt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2015) Frässpindel mit Motorintegrierter aktiver Dämpfung, Dr.-Ing. Diss, Garbsen, Leibniz Universität Hannover, IFW
  Bickel W
  
• (2018) Dimensionierung motorintegrierter elektromagnetischer Aktoren zur Dämpfung von Rotorschwingungen, Dr.-Ing. Diss, Hannover, Leibniz Universität Hannover, IAL
  Emmrich J
  
• (2018) Highly dynamic spindle integrated magnet actuators for chatter reduction, Int. J. Autom. Technol., Band 12, Nr. 5
  Königsberg J, Reiners J, Ponick B, Denkena B, Bergmann B
  
• (2018) Operating Characteristics of Actively Damped Motor Spindles, in AST – Symposium on Automated Systems and Technologies, 2018, pp. 39–42
  Koenigsberg J, Ponick B
  
• (2018) Stator-Integrated Damping of Chatter Vibrations for Induction Motor Spindles, in ICEMS 2018, 21st International Conference on Electrical Machines and Systems, pp. 99–103
  Königsberg J, Reiners J, Böhse F, Bergmann B, Denkena B, Ponick B
  
• (2019) Störfaktoren ausgeschlossen, NC-Fertigung, Ausgabe 7-8: S. 18-21
  Denkena B, Bergmann B, Teige C, Böhse F, Königsberg J, Klemme H
  
• (2020) Leistungspotenzial ausgeschöpft – Neues aktives Dämpfungskonzept für Motorspindeln, mav, Ausgabe 8: S. 58-61
  Denkena B, Bergmann B, Böhse F, Königsberg J, Ponick B
  
• (2020) Mechatronic Damping Systems as Enablers for Autonomous Machine Tools, in MIC Procedia, 2020, pp. 166–173
  Denkena B, Bergmann B, Böhse M-F
  
• (2021) Auf dem Weg zur autonomen Werkzeigmaschine: Mechatronische Dämpfungssysteme als Befähiger, antriebstechnik, Ausgabe 1-2: S. 38-43
  Denkena B, Bergmann B, Böhse F, Königsberg J, Ponick B