Lokale Dämpfungsmodellierung zur Simulation und Optimierung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 344540240

Die Leistungsfähigkeit und Arbeitsgenauigkeit einer spanenden Werkzeugmaschine wird maßgeblich durch ihr dynamisches Nachgiebigkeitsverhalten bestimmt. Unausgeglichene dynamische Eigenschaften können in Wechselwirkung mit dem Prozess zu Schwingungen führen, deren Folgen ungenügende Bearbeitungsergebnisse, erhöhter Verschleiß sowie eine Beschädigung der Werkzeugmaschine sein können. Um diese ungewollten Effekte zu vermeiden und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit zu steigern, ist eine umfassende Optimierung des dynamischen Verhaltens in der Entwicklungsphase erforderlich. Hierfür sind entsprechende Modelle für die verschiedenen Einflussfaktoren nötig. Während die Massen- und Steifigkeitseigenschaften bereits heute mit ausreichender Genauigkeit prognostiziert werden können, standen bisher für die verschiedenen Dämpfungseinflüsse in einer Werkzeugmaschine keine geeigneten Modelle und Parameter zur Verfügung. Um dieses Defizit zu beheben, wird die Forschergruppe "Dämpfungseffekte in Werkzeugmaschinen" von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Dabei wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) eine mechatronische Grundstruktur einer Werkzeugmaschine untersucht und eine Methode erarbeitet, die es ermöglicht, für die verschiedenen Dissipationsquellen in einer Werkzeugmaschine geeignete Modelle zu identifizieren und zu parametrieren. Aufbauend auf diesen Ergebnissen konnte ein Modellierungsansatz entwickelt werden, der es ermöglicht, die verschiedenen Einflussfaktoren, wie die Massen- und Steifigkeitseigenschaften, die lineare Dämpfung, die Reibung, die Regelung und die Bewegung, in der Simulation zu berücksichtigen und deren Auswirkungen auf das dynamische Verhalten mit hoher Genauigkeit zu prognostizieren. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten für eine ganzheitliche Optimierung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen. In diesem Projekt werden die erarbeiteten Ergebnisse und Methoden aus der Forschergruppe FOR 1087 in die Industrie transferiert und dort genutzt, um das dynamische Verhalten eines Bearbeitungszentrums des Anwendungspartners zu optimieren. Dabei wird zunächst eine mechatronische Grundstruktur untersucht, um die erarbeiteten Methoden in die Industrie zu transferieren. Von der Grundstruktur wird anschließend der Übergang auf die Gesamtmaschine vollzogen, um weitere relevante Dissipationsquellen zu identifizieren. Mit diesen Erkenntnissen wird eine ganzheitliche Optimierung unter Berücksichtigung der verschiedenen Einflussfaktoren durchgeführt. Dabei erfolgt die Optimierung hinsichtlich des Führungsverhaltens sowie der Nachgiebigkeit am Tool Center Point. Die Optimierung umfasst die Identifikation von Verbesserungspotenzialen, das Ableiten von Optimierungsmaßnahmen sowie die prototypische Umsetzung und Bewertung der Maßnahmen. Aus den erhaltenen Erkenntnissen wird ein allgemeingültiges Vorgehen zur ganzheitlichen Optimierung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen abgeleitet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: Maschinenfabrik Berthold Hermle AG