Konzeptionierung und Auslegung strukturintegrierter adaptronischer Kompensationsmodule für den Einsatz in Strukturbauteilen spanender Werkzeugmaschinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Leistungsvermögen einer spanenden Werkzeugmaschine wird wesentlich durch ihr statisches und dynamisches Nachgiebigkeitsverhalten bestimmt. Während eines Bearbeitungsprozesses können hohe statische und dynamische Belastungen auftreten, die zu Verlagerungen an der Maschine führen. Die resultierenden Verlagerungen sollten insbesondere am Tool-Center-Point (TCP) der Maschine möglichst klein sein, um eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu gewährleisten. Die steigenden Anforderungen hinsichtlich der Produktivität und Leistung von Werkzeugmaschinen führen zwangsläufig zu Maschinenkonzepten, die möglichst hohe Verfahrgeschwindigkeiten und Achsbeschleunigungen bei gleichzeitig hoher Bearbeitungsqualität ermöglichen. Für die Erfüllung dieser zum Teil gegenläufigen Anforderungen spielt das strukturmechanische Verhalten der im Kraftfluss liegenden Bauteile eine wesentliche Rolle. Anzustreben sind eine hohe statische und dynamische Steifigkeit sowie eine möglichst hohe Systemdämpfung der Werkzeugmaschine bei gleichzeitigem Leichtbau der bewegten Strukturbauteile. Im Rahmen des Forschungsprojektes sollten Lösungen gefunden werden, um diese Anforderungen erfüllen zu können. Das Ziel des vorliegenden Forschungsprojektes lag darin, strukturintegrierte, adaptronische Kompensationsmodule zu entwickelt, mit deren Hilfe statische und dynamische Verformungen der Strukturbauteile kompensiert werden können. Durch die Einleitung von Rückstellkräften in die Strukturbauteile mit Hilfe der Kompensationsmodule sollen die auftretenden Eigenverformungen aktiv kompensiert werden. Die Wirksamkeit der Kompensationsmodule wurde zunächst anhand von Simulationsrechnungen untersucht. Die praktische Umsetzbarkeit der strukturintegrierten adaptronischen Kompensationsmodule wurde an einem Demonstrator erprobt. Als Grundlage für die Untersuchungen wurde im ersten Antragzeitraum (2 Jahre) flexible Mehrkörpermodelle dreier Werkzeugmaschinen unterschiedlichen Konzepts aufgebaut und mit den realen Maschinen abgeglichen. Die Schwachstellenanalyse der Werkzeugmaschinen zeigte, dass Z-Schieberstrukturen von Portalmaschinen konzeptbedingt eine sowohl dynamische als auch statische Schwachstelle aufweisen und besonders für den effektiven Einsatz der Kompensationsmodule geeignet sind. Ein Schwerpunkt der Arbeiten lag weiterhin auf der Untersuchung der Wirksamkeit unterschiedlicher adaptronischer Kompensationsmodule in Abhängigkeit des Anbringungsortes und der Krafterzeugung. Aufgrund der geringeren Stellzeiten bei gleichzeitig hohen dynamischen Kräften und inhärenten sensorischen Eigenschaften erwiesen sich die Piezostapelaktoren als besonders geeignet für die vorliegende adaptronische Anwendung in Werkzeugmaschinen. Zur Modellierung des Kompensationsmoduls wurde ein Piezoaktormodell unter Berücksichtigung der Nichtlinearitäten und eine Reglerstruktur in der Simulationsumgebung Matlab/Simulink® aufgebaut und mit dem flexiblen Mehrkörpermodell der Z-Schieberstruktur gekoppelt. Die Untersuchungen zeigten, dass sich das strukturmechanische Verhalten der Z-Schieberstrukturen mit dem Ansatz der strukturintegrierten Kompensationsmodule wesentlich verbessern lässt. Zusätzlich wurde ein modellbasierter Ansatz für eine sensorlose Regelung entwickelt. Hierzu wurde auf Basis des nichtlinearen Piezmodells ein Detektionsmodell für Lasten und Verlagerungen, die am Piezoaktor entstehen, entwickelt. Im Forstsetzungszeitraum wurden die adaptronischen Kompensationsmodule samt der Reglerstrategie mit einem Simulationsmodell einer Portalmaschine gekoppelt. Die Wirksamkeit der adaptronischen Kompensationsmodule wurde durch die Gegenüberstellung des statischen und dynamischen Nachgiebigkeitsverhalten am TCP mit und ohne Kompensation bewertet. Um die Leistungsfähigkeit der Systeme im Bezug auf die statische und dynamische Kompensation auch praktisch nachzuweisen, wurde ein Demonstrator in Form eines Z-Schieberprüfstandes konzipiert und gebaut. Die Untersuchungen an diesem zeigten, dass die kritische Amplitudenüberhöhung, die aufgrund der Biegeeigenschwingung des Z-Schiebers entsteht, unter Einsatz der geregelten Kompensationsmodule um ein Vielfaches reduziert werden kann. Zudem konnten die auftretenden Neigungsverlagerungen im Kraftbereich eines Schlichtprozesses (bis zu 1100 N) vollständig kompensiert werden. Nachdem die Funktionsfähigkeit der adaptronischen Kompensationsmodule am Demonstrator gezeigt werden konnte, liegen die Schwerpunkte zukünftiger Arbeiten auf der Integration der Kompensationsmodule in eine Portalmaschine. Damit konnte die Effektivität dieses Kompensationsansatzes und Steigerung der Produktivität anhand von Zerspanversuchen verifiziert werden. Im Hinblick auf die wirtschaftliche Anwendung im industriellen Einsatz müssen weitere praxistaugliche Aktorprinzipien für die Erzeugung der Kompensationskräfte untersucht werden. Die effektive Kompensation der Bauteilverformungen eröffnet die Möglichkeit, weitergehende als die heute üblichen und allgemein zulässigen Leichtbaumaßnahmen umzusetzen und somit die Leistungsfähigkeit spanender Werkzeugmaschinen weiter zu steigern.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Simulation aktiver Systeme für Werkzeugmaschinen, wt Werkstattstechnik Online, 97 (2007) Nr.5, 2007
Brecher, C.; Manoharan, D.; Witt, S.
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Strukturintegrierte adaptronische Kompensationsmodule für Werkzeugmaschinen, in: ABS-Treffen, Neue Anwendungsbereiche adaptronischer Systeme, Stuttgart, Juni 2007
Brecher, C.; Manoharan, D.
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Adaptive Produktion, in: 9. Karlsruher Arbeitsgespräche Produktionsforschung 2008, Spitzentechnologien für den Wirtschaftsmotor Produktion, März 2008
Brecher, C.; Schapp, L.
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Adaptive Produktion, Tagungsband zu den Karlsruher Arbeitsgesprächen Produktionsforschung 2008, FZK-PFT 214, ISSN 0948-1427, S. 449-455, 2008
Brecher, C.; Schapp, L.
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Structure integrated Adaptronical Systems for Machine Tools, Production Engineering - Research and Development, Vol. II/II (2008), S. 219-223, 2008
Brecher, C.; Manoharan, D; Witt, S.
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Strukturintegrierte adaptronische Kompensationsmodule für Werkzeugmaschinen, Neue Anwendungsbereiche adaptronischer Systeme, Fortschritt-Berichte VDI Reihe 2/666, Fertigungstechnik, S. 1-11, 2008
Brecher, C.; Manoharan, D.
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Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften von Werkzeugmaschinen, in: Seminar Messtechnik und Strukturanalyse von Werkzeugmaschinen, Aachen, September 2008
Brecher, C.; Manoharan, D.
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Aktive Dämpfung für Portalmaschinen, wt- Werkstattstechnik Online, 99 (2009) Nr.5, 2009
Brecher, C.; Manoharan, D.
