Bohrstange mit integrierter hochdynamischer Zustellung sowie Schwingungs- und Formfehlerkompensation

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5407109

Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll eine Bohrstange entwickelt werden, die adaptiv mittels integrierter Aktoren und Sensoren eine aktive Schwingungsdämpfung bewirkt und Form- bzw. Lagefehler einer Vorbohrung bei der Endbearbeitung ausgleicht. Damit lässt sich erreichen, dass die Formgenauigkeit und die Qualität der Bohrungsoberfläche gesteigert wird. Adaptierte Sensoren detektieren die verschiedenen Schwingungsformen der Bohrstange. Ein optisches Messsystem erfasst zudem die Verdrängung der Bohrstange und der Werkzeugschneide während der Bearbeitung. Die Messsignale werden in einem digitalen Signal-Prozessor verarbeitet. Der adaptive Regelalgorithmus, der in dem Signal-Prozessor abgelegt ist, berechnet die erforderlichen Kompensationsbewegungen des aktiven Werkzeugs. Die Bewegungen werden von Aktoren und Verstelleinheiten ausgeführt, die in die Bohrstange integriert sind. Aktoren an der Werkzeugeinspannung und in den Werkzeugführungsleisten werden für die Dämpfung der Biegeschwingungen eingesetzt. Ein Piezoaktor übernimmt die Schneidenverstellung für die Werkzeugverschleißkorrektur und ermöglichst gleichzeitig eine hochdynamische Zustellung mit einer Frequenz von bis zu 1 kHz bei einem Hub von 15 µm, um Unrundheiten der Bohrung zu kompensieren und darüber hinaus die Bohrungsinnenseite gezielt zu strukturieren. Ein weiterer langhubiger Zustellantrieb der Werkzeugschneide in Form eines unwuchtkompensierten Linearmotors ermöglicht darüber hinaus Hübe von mehreren Millimetern für das Auskammern der Bohrung. Auf Grund des sich drehenden Werkzeugs müssen die elektrischen Signale auf den Rotor des Werkzeugs übertragen werden. Hierfür wird ein kombiniertes System aus einem berührungslosen Drehübertrager und einem Schleifringübertrager erarbeitet. Die Hochspannungserzeugung für die Piezoaktoren erfolgt auf dem rotierenden Teil des Werkzeugs und wird im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelt. Die einzelnen Entwicklungsschritte werden durch Simulationen begleitet. Insbesondere die Simulation der mehrschichtigen Reglerstruktur sowie der mechanischen Komponenten bezüglich der Steifigkeit und des dynamischen Verhaltens stehen dabei im Mittelpunkt. Abschließend werden Probekörper zum Nachweis der Funktionsfähigkeit hergestellt. Messtechnische Untersuchungen und Optimierungen der aktiven Bohrstange schließen die Arbeiten ab.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1156: Adaptronik für Werkzeugmaschinen