Adaptronischer - Präzisions- Werkstückhalter für die Erhöhung der statischen und dynamischen Prozessgenauigkeiten zur universellen aktiven Kompensation von Bearbeitungsfehlern an vertikalen Bearbeitungszentren
Final Report Abstract
Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und zur Integration neuer und innovativer Funktionalitäten bei spanenden Werkzeugmaschinen kommen verstärkt aktive Systeme zum Einsatz. Ein leistungsbegrenzender Faktor bei Fräsoperationen sind auftretende Ratterschwingungen infolge von instabilen Prozesszuständen. Zur Steigerung der Stabilität und damit der Produktivität beim Fräsen, bietet sich der Einsatz von spindelseitigen oder werkstückseitigen adaptronischen Systemen an. In diesem Forschungsprojekt wurde eine adaptronische Werkstückhalterung entwickelt und untersucht. Ziel der aktiven Werkstückhalterung ist es Ratterschwingungen mit verschiedenen Regelungsstrategien zu vermeiden und damit die Stabilitätsgrenze zu erhöhen, um eine Produktivitätssteigerung zu bewirken. Daneben soll es auch ermöglicht werden, die dynamische und statische Genauigkeit von Fräsoperationen auf vertikalen Bearbeitungszentren sowie eine gezielte dynamische Beeinflussung der Werkstückoberfläche zu ermöglichen. Im Rahmen des Projekts wurde eine aktive Werkstückhalterung auf Basis von piezoelektrischen Stapelaktoren entwickelt und realisiert. Daneben wurde die notwendige Leistungselektronik entwickelt und miniaturisiert, um eine möglichst hohe Systemintegration ermöglichen zu können. Die adaptronische Komponente wurde in verschiedenen Umgebungen auf ihre Tauglichkeit untersucht. Zum Nachweis der grundsätzlichen Machbarkeit wurde das System in verschiedenen Simulationen untersucht. Es konnte simulativ eine Steigerung der Stabilitätsgrenze durch die aktive Werkstückhalterung gezeigt werden. Es wurde ein Prüfstand, der ratterähnliche Schwingungen ohne einen Zerspanprozess erzeugen kann, entwickelt. Verschiedene Regelungsstategien wurden an der Werkstückhalterung im Prüfstand erprobt. Es konnte eine Minderung von Ratterschwingungen bei Frequenzen um ca. 200 Hz bei Kräften von ca. 30 N am Prüfstand nachgewiesen werden. Weiterhin wurden Versuche auf zwei vertikalen Bearbeitungszentren durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass eine statische und dynamische Beeinflussung der Werkstückoberfläche durch den Einsatz der aktiven Werkstückhalterung möglich ist. Eine effektive Minderung von Ratterschwingungen im realen Fräsprozess konnte bei den bisherigen Fräsversuchen noch nicht durchgängig bestätigt werden. Grund für die geringe Wirksamkeit sind die vorwiegend hohen auftretenden Ratterfrequenzen im Bereich 1000 bis 4000 Hz. Aus den Erkenntnissen erschließt sich, dass die aktive Werkstückhalteung besonders für kleine Maschinen, die bereits bei kleinen Kräften zu niederfrequenten Strukturschwingungen (<200 Hz) neigen, effektiv eingesetzt werden kann. Ein weiterer denkbarer Einsatzfall können hochgenaue Fräsoperationen sein, bei denen Fußpunktstörungen auftreten. Ratterschwingungen und die daraus resultierenden schlechten Bearbeitungsergebnisse hinsichtlich der Oberflächenqualität der gefertigten Werkstücke stellen eine zentrale Problematik in der Produktionstechnik dar. Weiterhin beeinflussen Ratterschwingungen erheblich den Werkzeugverschleiß und die Lebendsauer von Maschinenkomponenten wie Kugelgewindetrieben und Führungen. Sie haben somit einen signifikanten Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit des Produktionsprozesses. Der im Rahmen dieses Projektes entwickelte adaptronische Seite 6 Werkstückhalter unter Einsatz von Piezokeramiken stellt eine Möglichkeit zur Reduzierung von Ratterschwingungen und somit zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der spanenden Bearbeitungsverfahren dar. Maßnahmen zur Reduzierung von Ratterschwingungen, welche an der Spindel oder an der Maschinenstruktur angreifen sind teilweise mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand verbunden, da sie direkt in die Maschinenstruktur integriert werden müssen. Hier liegt der Vorteil des im Rahmen dieses Projekts aufgebauten Prototyps in seiner kompakten Bauweise. Diese ermöglicht es das System auf allen gängigen Maschinentischen von Bearbeitungszentren nachzurüsten, und somit Ratterschwingungen auch an bestehenden Altmaschinen zu vermindern. Zur Reduzierung des Inbetriebnahmenaufwands und der Abmaße der benötigten Peripherie zum Betrieb des Werkstückhalters ist es sinnvoll Systeme zu entwickeln, bei denen sowohl die Leistungselektronik als auch ein Rechner für die Regelung z.B. in Form eines Microcontrollers implementiert ist. So kann ein einfaches und portables Gesamtsystem adaptronische Werkstückhalterung realisiert werden. Der im Rahmen dieses Projekts aufgebaute Prototyp und die miniaturisierte Verstärkerelektronik stellen dabei eine umfangreiche Basis an Grundlagenwissen dar, welches auch der Industrie bereitgestellt werden kann. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des adaptronischen Werkstückhalters ist eine Steigerung der Positioniergenauigkeit von Werkzeugmaschinen. So ist es denkbar eine Grobpositionierung mit den Vorschubachsen der Werkzeugmaschinen und eine Feinpositionierung mit dem Werkstückhalter zu realisieren. Diese Kombination stellt eventuell eine kostengünstige Alternative zu den z.B. in der Mikrobearbeitung eingesetzten Ultrapräzisionsmaschinen dar. Hier ist es möglich mit Hilfe des aufgebauten Prototyps eine Analyse der Einsatzgrenzen von Werkstückhalterungen zur Feinpositionierung vorzunehmen. Zu diesem Zweck müssten die momentan eingesetzten Federpakete zur Erzeugung der Rückstellkraft durch ein zweites Paar Piezokeramiken ausgetauscht werden, welches mit dem gegenüberliegenden Paar in einer push-pull-Anordnung betrieben wird. Weiterhin stellt der adaptronische Präzisionswerkstückhalter eine Möglichkeit zur gezielten Strukturierung von Bauteiloberflächen dar, so dass eine Nachbearbeitung wie z.B. Sandstrahlen evtl. entfallen kann. Erste Grundlagenversuche hierzu wurden im Rahmen dieses Projekts durchgeführt, sollten allerdings in Zukunft noch ausgebaut werden.
Publications
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Development and Design of an Active Work Piece Holder Driven by Piezo Actuators; Journal: Production Engineering, Research and Development; Springer Berlin/Heidelberg; 2008
Abele, E.; Hanselka, H.; Haase, F.; Schlote, D.; Schiffler, A.
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‚Milling better without chatter’ – Developement of an Adaptive Workpiece Holder, Newsletter: European Center of Adapive Systems (ECAS), 01/2009
Melz, T.; Haase, F.; Schlote, D.
