Autonome Berechnung von Stabilitätsgrenzen auf Basis sensorischer Strukturkomponenten eines Fräszentrums
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projekts wurden Methoden zur Ermittlung von SLD mittels Prozessdaten untersucht. Dafür wurden Methoden zur Bestimmung von Kraftkoeffizienten und dem Nachgiebigkeitsfrequenzgang (NFG) am TCP durch die Daten von DMS und Beschleunigungssensoren am Spindelschlitten einer Fräsmaschine entwickelt und erforscht. Zusätzlich zum vorgesehenen Arbeitsprogramm wurden dabei auch die Daten von am Spindelschlitten applizierten H.-DMS berücksichtigt. Als Grundlage für das Projekt wurden zunächst zusätzliche Beschleunigungssensoren am Spindelschlitten appliziert. Zur Berechnung von Referenz-SLD wurde der NFG am TCP für die betrachteten Werkzeug-Werkzeughalter-Kombinationen durch EMA ermittelt. Zusätzlich zum Antrag wurden auch EMA mit rotierender Spindel durchgeführt. Neben dem NFG am TCP wurde auch das Übertragungsverhalten zwischen TCP und Sensoren ermittelt. Dabei konnte gezeigt werden, dass zwar drehzahlabhängige Änderungen des NFG am TCP auftreten, das Übertragungsverhalten zu den Sensoren jedoch gleichbleibt. Als Startwerte für die Bestimmung des NFG am TCP durch Prozessdaten wurde Receptance Coupling Substructure Analysis (RCSA) verwendet. Dabei wurde die Methode auch für Hydrodehnspannfutter untersucht. Um die im Prozess wirkenden Kräfte zu ermitteln, wurde eine Methode zur prozessparallelen Approximation von Zerspankraftkoeffizienten mit der sensorischen Z-Achse der Fräsbearbeitungszentrums entwickelt. Dafür wurden für die am Spindelschlitten applizierten H.-DMS mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate eine Kalibriermatrix berechnet. Zur Berechnung der Zerspankraftkoeffizienten wurde eine lineare Regression verwendet. Dabei wurden die mittlere Spanungsdicke und die gemessenen, quasi-statischen Kräfte von Prozessen mit variierender Schnittbreite verwendet. Zur Bestimmung des NFG am TCP durch Prozessdaten war im Antrag ein Optimierungsverfahren vorgesehen. Dabei sollten die Modellparameter bei der RCSA so optimiert werden, dass der Fehler zwischen Modell und Messung möglichst gering ist. Als Messwerte sollte dabei das mit der sensorischen Z-Achse und dem Kraftmodell ermittelte Schwingungsverhalten im Prozess verwendet werden. Um von den Sensordaten auf das Schwingungsverhalten am TCP zu schließen wird jedoch das Übertragungsverhalten zwischen TCP und Sensor benötigt. Eine Modellierung dieses Übertragungsverhaltens durch RCSA, war jedoch nicht wie vorgesehen möglich, sodass weitere Messungen erforderlich sind. Zudem weisen die Sensordaten durch Eigenschwingungen der Spindel drehzahlabhängige Störfrequenzen im Frequenzbereich der Kraftanregung im Prozess auf. Die Entwicklung eines Filters zur Beseitigung dieser Störfrequenzen war während des Projekts nicht erfolgreich. Alternativ zu dem vorgesehenen Arbeitsprogramm wurde die Optimierung daher mit Daten aus der EMA durchgeführt. Dabei wurden die mittels EMA aufgenommenen NFG an 12 Stützstellen ausgewertet. Durch die Optimierung konnte eine Verbesserung der modellierten NFG an den Stützstellen erzielt werden. Im Frequenzbereich oberhalb von 3 kHz unterlagen die NFG mit den optimierten Modellen jedoch deutlichen Schwankungen. Zusätzlich zum Antrag wurde ein Kalman-Filter eingesetzt, um die drehzahlabhängigen Änderungen des NFG am TCP durch die sensorische Z-Achse zu bestimmen. Aufgrund der dafür notwendigen vereinfachten Modellierung des Übertragungsverhaltens zwischen TCP und Sensoren durch entkoppelte Ein- Masse-Schwinger konnten jedoch keine nennenswerten Ergebnisse erzielt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Baukasten für die effiziente Optimierung von Prozessparameterwerten, Zukunft. Digital – Digitalisierung von der Idee zur Umsetzung 01/22: 34-37
Denkena B., Klemme H., Reimer S. & Blech H.
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Modellierung der dynamischen Werkzeugnachgiebigkeit mithilfe der Receptance-Coupling-Analyse. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 117(11), 758-762.
Klemme, Heinrich; Reimer, Svenja & Uhlmannsiek, Jonas
