Adaptive Reibflächen zur Schwingungsreduktion in Werkzeugmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lothar Gaul (†)
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung
• Förderung: Förderung von 2003 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5407318

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurden Anwendungen von Reibansätzen an einem INDEX-Drehfräszentrum und an einer Herlme-Fräsmaschine untersucht. Die Effekte in der Steifigkeit und Dämpfung wurden quantifiziert und eine Vorgehens weise für die Dimensionierung solcher Ansätze erarbeitet. Die dynamischen Eigenschaften (Eigenfrequenzen und -formen) der WZM wurden zuerst identifiziert. Damit erhält man Kenntnis welcher der Reibansätze geeignet ist. Punktuelle Ansätze eignen sich für die Dämpfung von Starrkörpermoden, während linien- und flächenhaften Ansätze für die Dämpfung von Körpermoden geeignet sind. Trotz seiner geringen Komplexität, erwies sich das Masing-Reibmodell für die Beschreibung der Reibeffekten in allen Ansätzen als geeignet. Als Anwendung des punktförmigen Ansatzes wurde ein adaptiver Reibtilger entwickelt. Die Grundfrequenz des Reibtilgers kann mittels der Einstellung der Normalkraft schnell angepasst werden und damit deckt der Reibtilger ein breites Frequenzspektrum ab. Der adaptive Reibtilger ist ein effizienter Ansatz für die Schwingungsreduktion bei Maschinen, die bei unterschiedlichen und schnell wechselhaften Betriebsbedingungen operieren. Bei den Schlittensystemen der INDEX-Drehfräszentren ist das der Fall. Mit den Untersuchungen anhand des Schlittenexperimentes als Hauptstruktur wurde die Effizienz des Reibtilgers nachgewiesen, nicht nur durch numerische Simulationen, sondern auch durch experimentelle Verifizierung. Die Dämpfung zweier dominanter Eigenmoden wurde allein durch die Variation der Normalkraft des Reibtilgers erzielt. Reibflächen können nicht nur als effektive Strukturdämpfer, sondem auch für die Verstimmung von Eigenfrequenzen verwendet werden. Sie finden ein großes Anwendungsfeld im Maschinenbau und können ohne Aufwand, nicht nur in der Projektphase, sondem nachträglich in Strukturen, die sich schon im Betrieb befinden, appliziert werden. Für eine effektive Applikation wurde eine detaillierte Dimensionierung durchgeführt. Sowohl die Steifigkeit und Masse, als auch die Positionierung muss an die Eigenmoden der Struktur angepasst werden. Die Normalkräfte müssen als Funktion der Erregungskraft eingestellt werden. Diese Anpassung erfolgte durch numerische Simulationen und experimentelle Verifizierung. Die Applikation der Reibflächen in der Hermle-Fräsmaschine führte zu einer deutlichen Reduktion der Schwingungsamplituden des Aufspanntisches, was die Effizienz selbst bei hochsteifen Strukturen beweist. Ihre Einfachheit, Flexibilität, Effizienz und geringe Kosten machen einen Erfolg versprechenden Ansatz in den unterschiedlichsten Applikationen bei denen die Erhöhung der Dämpfung und die Verstimmung bei Resonanzerscheinungen gewünscht ist. Für eine weitere Steigung der Effizienz der Reibflächen wurden Reibflächen mit geregelter Normalkraft erforscht. Zwei Regelungskonzepte wurden für diesen Zweck untersucht: der Hysterese-Optimale- und der Lyapunov-Regler. Anhand von Voruntersuchungen mit einer Balkenstruktur, erwies sich das Lyapunov Konzept als effizienter. Dieses wurde für die durch Piezo-Stapelaktuartoren geregelte Reibfläche des Aufspanntisches der Hermle-Fräsmaschine getestet und eine Verdopplung der Effizienz bezüglich des passiven Konzeptes wurde erzielt. Die Applikation des adaptiven Reibtilgers auf dem INDEX-Drehfräszentrum hinsichtlich des serienmäßigen Einbaus ist im DFG-Transferprojekt in enger Kooperation mit den Industrie-Partnern durchzuführen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 'A Nonlinear Control Algorithm for Semi-Active Structural Vibration Damping by Adaptive Friction Dampers'. CANCAM, 2005
  Becker, J.; Gaul, L.
  
• 'Control Algorithms for Semi-Active Vibration Control of Mechanical Structures with Adaptive Friction Dampers'. 13 International Congress on Sound and Vibration (ICSV13), 2006
  Becker, J.; Gaul, L.
  
• 'Segment-to-segment contact elements for modeling joint interfaces infinite element analysis'. Mechanical Systems and Signal Processing 21, 724-734,2007
  Mayer, M.; Gaul, L.
  
• Semi-active control of adaptive friction dampers for structural vibration control. Proceedings of the IMAC-XXV: A Conference & Exposition on Structural Dynamics, Orlando, Florida USA, 2007
  Becker, J.; Gaul, L.
  
• Friction based vibration absorber with application in machine-tools. International Conference on Noise & Vibration Engineering 2008 (ISMA 2008), Leuven, Belgium, CD-ROM Proceedings, Session AVC(5), Paper ID 44, pp. 323-337
  Roseira, J.; Gaul, L.; Krappel, T.
  
• Reduction of structural vibrations by passive and semi-active controlled friction dampers. Proceedings of the 9th International Conference on Motion and Vibration Control MOVIC2008 (Session AV3, ID 1103), TU München, 15.-18.09.2008, CD-ROM
  Becker, J.; Gaul, L.
  
• Structural damping with friction beams. Shock and Vibration journal. Special Issue ICED 2007, Vol. 15, nos. 3-4, June 2008, pp. 291-298
  Gaul, L.; Roseira, J.; Becker, J.