Modellbasierte prädiktive Kraftregelung für das mehrachsige Schruppfräsen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Dr.-Ing. Sebastian Stemmler
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 450794086

Fräsen ist ein flexibles und hochdynamisches, spanendes Fertigungsverfahren zur Herstellung von einfachen Geometrien bis hin zu komplexen Freiformflächen. Dabei führt das Werkzeug eine rotatorische Schnittbewegung an einem fest eingespannten Werkstück aus. Überlagert mit einer translatorischen Vorschubbewegung kommt es zu einem zyklisch unterbrochenen Schnittvorgang, der durch eine kontinuierlich variierende Spanungsdicke gekennzeichnet ist. Das Ergebnis ist eine pulsierende Belastung von Werkstück, Werkzeug und Maschine. In der ersten Projektphase wurde ein Modellprädiktiver Regler (MPR) zur Regelung der Aktivkraft in einem mehrachsigen Fräsprozess ohne simultane Tischbewegung erforscht. Als Vorarbeit diente ein MPR für das zweiachsige Fräsen. Die Kraftmessung findet mittels eines Tischdynamometers statt. Bei Auslenkung des Maschinentisches und damit des Dynamometers im Mehrachsfräsprozess kommt es zu einer Störung der Messung der Prozesskräfte und einer Rotation der Messkräfte gegenüber den simulativen Eingriffsbedingungen. Zur Korrektur dieser Effekte wurde ein Messmodell formuliert. Daneben wurde eine Methode zur Onlineschätzung der Parameter eines Kraftmodells entwickelt. Der bestehende zweischichtige MPR, bestehend aus einem Trajektoriengenerator der optimalen Vorschubgeschwindigkeit und eines MPR zum Einstellen der Geschwindigkeit, wurde für den komplexeren Eingriff weiterentwickelt. Daneben wurden weitere Regelungsansätze entwickelt, welchen die Aktivkraft direkt im MPR selbst berücksichtigen. Die Validierung der Regelung fand simulativ und experimentell statt. In der nun beantragten Projektphase sollen die Entwicklungen aus der ersten Projektphase fortgeführt werden, um die erforschte Kraftregelung auf einen mehrachsigen Simultanfräsprozess anzuwenden. Hierzu müssen die komplexen Eingriffsbedingungen in der Regelung berücksichtigt und dynamische Messstörungen mithilfe des Messmodells kompensiert werden. Die bisherigen Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass der erhebliche Rechenaufwand der Kraftregelung das entscheidende Hindernis darstellt, um da Regelungssystem in einer industrienahen Produktionsumgebung zu nutzen. Deshalb sollen Methoden untersucht werden, mit denen die Rechenzeit der verschiedenen Komponenten der Kraftregelung reduziert werden. Abschließend soll die Kraftregelung unter produktionsnahen Bedingungen validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr.-Ing. Heike Vallery