Entwicklung und Erprobung eines Konzepts zur Gewichtsreduzierung und Dynamiksteigerung bei Hochpräzisionswerkzeugmaschinen durch die Kompensation der statischen und dynamischen Strukturverlagerung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Vorhaben befasst sich mit einem Designkonzept zur Gestaltung von Gestellen für Werkzeugmaschinen mit dem Ziel, gleichzeitig eine hohe Dynamik der Bewegung der Maschinenachsen und eine kompakte und leichte Bauweise zu ermöglichen. Das Konzept basiert auf der Kompensation der dynamischen Verlagerung der die Arbeitsgenauigkeit bestimmenden Maschinenkomponenten. Durch eine überlagerte Bewegung der Maschinenachsen wird die auf die Bearbeitungsstelle bezogene dynamische Verlagerung minimiert. Dadurch soll es möglich werden, Maschinengestelle im Vergleich zu nach der etablierten Vorgehensweise ausgelegten Gestellen nachgiebig, das heißt mit niedrigen mechanischen Eigenfrequenzen auszulegen. Die Verlagerung wurde modellbasiert geschätzt und an die Eingänge des Lage- und Geschwindigkeitsregelkreises des Achsreglers geführt. Das an einem Versuchsstand ermittelte Bodediagramm zeigt, dass die mechanische Eigenfrequenz bei Kompensation nicht die die Bandbreite des Achsreglers begrenzende Größe ist. Anhand eines hochdynamischen Führungsgrößensprungs wurde nachgewiesen, dass mit der Kompensation eine Arbeitsgenauigkeit sichergestellt werden kann, die den Anforderungen an Hochpräzisionswerkzeugmaschinen genügt. Die Wirksamkeit der Kompensation wurde auch bei einem Lastkraft-Sprung nachgewiesen. Es wurde ein Steuerungssystem zur Echtzeitberechnung der Verlagerung umgesetzt, welches in wesentlichen Teilen aus Open-Source-Software besteht und die Systemidentifikation der das Modell zur Verlagerungsschätzung bestimmenden Größen wurde durchgeführt. Für eine Modellerstellung auf der Basis von Finite-Elemente-Modellen wurde die Krylov-Unterraum-Methode zur Ordnungsreduktion programmtechnisch zur Nutzung in der Steuerungsumgebung umgesetzt. Beispielhaft wird das Konzept für Werkzeugmaschinen zur Mikrofräsbearbeitung entwickelt, Ansätze des Konzepts werden darüber hinaus für eine Laserpulverauftragsschweißmaschine und eine Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine übertragen.
