Ganzheitliche, rechnergestützte Konfigurationsoptimierung adaptronischer Komponenten für Werkzeugmaschinen
Final Report Abstract
In dem am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) bearbeiteten Teilprojekt des SPP1156 mit dem Titel „Ganzheitliche, rechnergestützte Konfigurationsoptimierung adaptronischer Komponenten für Werkzeugmaschinen“ wurde eine durchgängige, systematische Entwurfsmethodik für aktive Dämpfungssysteme an spanenden Werkzeugmaschinen entwickelt, die den Konstrukteur von der Platzierung der Dämpfungsaktoren über die Ableitung adaptiver Regelungsalgorithmen bis hin zur simulationsgestützten Prognose der erreichbaren Erhöhung von Ratterstabilität und Oberflächenqualität begleitet. Der erste Schritt beim Entwurf eines aktiven Dämpfungssystems ist die Platzierung der Aktoren. Hierzu wurde eine auf einem mathematischen Kriterium basierende Methode zur Bestimmung der optimalen Position der Aktoren in der mechanischen Struktur entwickelt. Dadurch wird die maximale Ausnutzung der verfügbaren Aktorleistung sichergestellt. Das dynamische Verhalten einer Werkzeugmaschinenstruktur hängt signifikant von der Stellung der Vorschubachsen im Arbeitsraum ab; dies liegt in der Änderung der Massenverteilung beim Verfahren begründet. Daraus ergibt sich, dass bei der Regelung eines aktiven Dämpfungssystems eine autonome Anpassung an die veränderlichen Streckeneigenschaften notwendig ist. Dazu wurde eine adaptive Regelungsstrategie entwickelt, die sich sowohl an die stellungsabhängige Änderung der dynamischen Maschineneigenschaften wie auch an die frequenzveränderlichen Störkräfte selbsttätig anpasst. Abschließend wurde mit dem Aufbau eines ganzheitlichen Simulationsmodells zur Untersuchung der komplexen Wechselwirkungen von Werkzeugmaschinenstruktur, Zerspanungsprozess und aktivem Dämpfungssystem begonnen. Dies soll künftig bereits vor dem Bau eines teuren Prototyps eine Prognose der mit einem aktiven Dämpfungssystem erzielbaren Verbesserung hinsichtlich Ratterstabilität und Oberflächenqualität ermöglichen. Mit der vorliegenden Methodik wird die Werkzeugmaschinenindustrie in die Lage versetzt, spanende Produktionssysteme mit Hilfe adaptronischer Komponenten anforderungsgerecht zu optimieren. Dadurch werden die Markteintrittsbarrieren für den Einsatz dieser innovativen Technologie signifikant reduziert. Die Forschungsarbeiten haben aufgezeigt, dass ein rein geräteorientierter Entwurfsansatz für aktive Dämpfungssysteme an Werkzeugmaschinen zu kurz greift, da die komplexen Wechselwirkungen zwischen Maschinenstruktur, Zerspanungsprozess und aktivem Dämpfungssystem nicht berücksichtigt werden. Das iwb plant daher im Rahmen eines nachfolgenden Forschungsprojekts die Erweiterung der bisherigen Arbeiten um die systematische Untersuchung des Einflusses adaptronischer Systeme auf die Dyna3 mik des spanenden Fertigungsprozesses. Weiterhin sollen die erarbeiteten Methoden in Zusammenarbeit mit einem Werkzeugmaschinenhersteller anhand der Entwicklung einer neuen Maschine in die Praxis überführt werden. Mehrere namhafte Unternehmen haben hieran bereits ihr Interesse signalisiert. Zudem ist die Anwendbarkeit der Entwurfssystematik für aktive Dämpfungssysteme keineswegs auf spanende Werkzeugmaschinen beschränkt. Aktuell steht das iwb hierzu in Projektvorgesprächen mit einem Unternehmen, welches den Einsatz adaptronischer Komponenten zur Kompensation der Schwingungen eines Verdichters plant.
Publications
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Computer-Aided Configuration Optimization of Adaptronic Components for Machine Tools. In: Wall, W. A. et al. (Hrsg.): 2nd GACM Colloquium on Computational Mechanics 2007, S. 118-119
Zäh, M. F.; Waibel, M.
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Potenziale aktiver Schwingungsdämpfung an Werkzeugmaschinen. iwb Newsletter 15 (2007) 1/2, S. 7-9
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Praktischer Einsatz aktiver Schwingungsdämpfung. ZWF-Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 102 (2007) 7-8, S. 456-460
Zäh, M. F.; Waibel, M.; Baur, M.
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Rechnergestützte Konfigurationsoptimierung adaptronischer Komponenten für Werkzeugmaschinen. In: VDI Wissensforum IWB GmbH (Hrsg.): Schwingungsdämpfung - Modellbildung - Numerische Umsetzung - Experimentelle Verfahren - Praxisrelevante passive und adaptive Anwendungen. Düsseldorf: VDI-Verlag 2007, S. 271-287
Zäh, M. F.; Waibel, M.
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A Computational Approach to the Integration of Adaptronical Structures in Machine Tools. In: Yuan, Y. et al. (Hrsg.): Computational Structural Engineering. New York: Springer-Verlag 2009, S. 1017-1028
Zäh, M. F.; Waibel, M.; Baur, M.
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Aktive Komponenten und adaptive Regelstrategien zur Schwingungsreduktion an Werkzeugmaschinen. In: Gausemeier, J. et al. (Hrsg.): Entwurf mechatronischer Systeme 2009. Paderborn: Heinz-Nixdorf-Institut 2009, S. 335-348. (HNI-Verlagsschriftenreihe 250)
Zäh, M. F.; Waibel, M.; Baur, M.; Teufelhart, S.
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Systematische Integration von Piezoaktoren in mechanische Strukturen am Beispiel einer Werkzeugmaschine. In: Clusterland Oberösterreich GmbH (Hrsg.): Internationales Forum Mechatronik 2009
Zäh, M. F.; Waibel, M.
