Ermittlung prozessrelevanter modaler Parameter von Werkzeugmaschinen während der Fräsbearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Martin Dix, seit 5/2021; Dr.-Ing. Martin Kolouch, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449987778

Schwingungen in Werkzeugmaschinen (WZM) limitieren die Arbeitsgenauigkeit und die Produktivität. Sie tragen deutlich zum Werkzeug- und Maschinenverschleiß bei und belasten die Umwelt durch Geräusche und Erschütterungen. Die experimentelle Modalanalyse (EMA) ist ein etabliertes Werkzeug zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens von WZM. Sie wird aufgrund der Annahmen eines linearen, reziproken, zeitinvarianten, kausalen und stabilen Verhaltens des Untersuchungsobjekts an WZM im Stillstand durchgeführt. Dadurch werden Effekte, die ausschließlich im Betrieb auftreten, inklusive ihrer Auswirkungen auf das dynamische Verhalten ignoriert. Zu diesen Effekten gehören veränderte Schwingformen der Spindel durch gyroskopische Momente, veränderte Steifigkeiten in Baugruppen mit nichtlinearem Verhalten durch veränderte Vorspannungen, veränderte Trägheitsmassen durch das Werkstück, Spannmittel, Werkzeug etc. sowie veränderte Dämpfungseigenschaften inklusive der Prozessdämpfung während der Bearbeitung.Die Betriebsmodalanalyse (OMA) bietet prinzipiell eine Möglichkeit, diese Effekte bei einer messtechnischen Analyse zu berücksichtigen, indem das dynamische Verhalten einer WZM direkt im prozessrelevanten Arbeitspunkt erfasst wird. Die Durchführung der OMA an Werkzeugmaschinen erfordert neue Ansätze zur breitbandigen Anregung durch den Zerspanprozess, zur Berücksichtigung des zeitinvarianten Verhaltens einer WZM und zur Behandlung der Tatsache, dass sich die Betriebsbelastung in WZM, d. h. vor allem der Zerspanprozess, deutlich von denen bei der OMA angenommenen Belastungsarten unterscheidet. Während die breitbandige Anregung und das zeitinvariante Verhalten im Rahmen der eigenen Vorarbeiten adressiert wurden, fokussiert dieses Vorhaben auf die Entwicklung von zwei neuen Methoden zur Behandlung einer an wenigen Messpunkten konzentrierten Belastung durch den Zerspanprozess bei der Identifikation von modalen Parametern aus der Schwingungsmessung im Betrieb einer WZM. Hierbei werden mathematische Werkzeuge für die zwei Methoden entwickelt und der Charakter der Belastung (statistisch, deterministisch) sowie der Einfluss von Störungen (der Zerspanprozess ist nicht die einzige Anregungsquelle) untersucht. Diese Methoden werden mit Simulationsmodellen und in Experimenten entwickelt und an einer WZM validiert.Wird die OMA an WZM etabliert, kann sie die aus dem Betrieb resultierenden Effekte berücksichtigen sowie einen bedeutenden Beitrag für Überwachung von WZM und Prozessen mit systembeschreibenden Größen (modale Parameter) leisten. Darüber hinaus kann sie im Rahmen der Digitalisierung von WZM Anwendung finden, indem z. B. digitale Zwillinge mittels einer Identifikation mit den modalen Parametern strukturmechanisch an den aktuellen Maschinenzustand angepasst werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Matthias Putz, bis 4/2021