Aktive Schwingungsreduzierung bei Spannvorrichtungen der Holzbearbeitung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens über die gesamten drei Förderperioden war die aktive Schall- und Schwingungsreduzierung bei der Bearbeitung von plattenförmigen Werkstücken auf stationären CNC-Holzbearbeitungszentren. Dieses Ziel sollte durch die Integration von adaptronischen Komponenten in das Werkstückspannsystem eines Bearbeitungszentrums erreicht werden. Die ersten beiden Förderungszeiträume befassten sich mit der Auswahl, der Auslegung sowie der Integration des entwickelten adaptronischen Konzeptes in den Versuchsträger. Aus den gewonnenen Erkenntnissen der ersten messtechnischen Untersuchungen (Modalanalysen und Betriebschwingungsanalysen) wurden anhand von Simulationen systematisch eine geeignete Aktorik, Sensorik und Regelung ausgewählt und zahlreiche konstruktive Optimierungen durchgeführt. Im Rahmen von ersten grundlegenden Untersuchungen mit einem aktiven Vakuumspannelement (Blocksauger) konnte gezeigt werden, dass mit dem entwickelten Konzept beim Fräsen eine aktive Schwingungsreduktion am Werkstück erreicht werden kann. Im zurückliegenden Förderzeitraum wurde zunächst die Integration eines adaptronischen Vakuumspannelementnetzwerkes in den Aufspanntisch des Versuchsträgers abgeschlossen. Des Weiteren wurde die eingesetzte Regelungsstrategie im Hinblick auf das Erreichen einer Schallreduzierung optimiert. Zusätzlich wurde ein akustisches Simulationsmodell des Versuchsaufbaus erstellt. Mittels Simulationen sowie experimentellen Schallanalysen wurden grundlegende Untersuchungen hinsichtlich Beurteilung der vibro-akustischen Zusammenhänge während der Zerspanung von plattenförmigen Werkstücken auf Holzbearbeitungszentren durchgeführt. So konnte mit Hilfe der Berechnungen und einer akustischen Kamera gezeigt werden, dass die Schallabstrahlung während des Werkzeugeingriffes beim Fräsen überwiegend vom Werkstück verursacht wird. Des Weiteren konnte mit Hilfe dieser Untersuchungen eine optimale Sensorposition bestimmt werden. Anhand von Zerspanversuchen konnte anschließend gezeigt werden, dass bei der Fräsbearbeitung mit dem integrierten adaptronischen System neben einer aktiven Schwingungsreduktion auch eine aktive Schallreduktion erreicht werden kann. Zusammen mit dem Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik der DLR aus Braunschweig wurde im Rahmen des Schwerpunktprogramms zusätzlich die Integration eines adaptronischen Sägeaggregates in den Versuchsträger realisiert. Der adaptronische Aufspanntisch wurde im Anschluss während der Sägebearbeitung und in Kombination mit dem adaptronischen Werkzeug (adaptronisches Sägeaggregat) analysiert. Das adaptronische Konzept wurde im Rahmen dieses Forschungsvorhabens für eine aktive Schall- und Schwingungsreduktion von plattenförmigen Werkstücken auf CNC-Holzbearbeitungszentren entwickelt. Aufgrund der verwendeten modularen Bauweise kann das Konzept auch auf Werkzeugmaschinen aus dem Bereich der Metallbearbeitung verwendet werden. Insbesondere ist das System für Fertigungsprozesse geeignet, bei denen großflächige Strukturen oder lange Werkstücke bearbeitet werden. Des Weiteren kann das System auch zur Kompensation bzw. Ausgleich von statischen Verlagerungen oder thermischen Deformationen verwendet werden. Um zukünftig die industrielle Umsetzbarkeit des entwickelten Konzeptes voranzutreiben sollte im Rahmen von weiterführenden Arbeiten ein höherer Integrationsgrad der einzelnen Komponenten (Aktorik, Sensorik, Regelung) erfolgen. Dies kann durch die Integration des adaptronischen Konzeptes bzw. der Komponenten während der Planung und Konstruktion der gesamten Maschinenstruktur erreicht werden. Voraussetzung dafür ist, dass ein hoher mechanischer Standard der Maschine bzw. der jeweiligen Maschinenkomponenten vorhanden ist und dieser auch nach dem Einsatz der adaptronischen Komponenten aufrechterhalten bleibt. Des Weiteren kann anhand der gewonnenen Erkenntnisse künftig die Weiterentwicklung und Optimierung der eingesetzten Komponenten (Aktorik, Sensorik und Regelung) vorangetrieben werden. Eine kompakte Bauweise sowie eine Optimierung dieser in Richtung Miniaturisierung wird zukünftig eine industrielle Umsetzung des untersuchten Konzeptes ermöglichen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Optimization of active vibration reduction on a clamping system for stationary machining centers using sdaptive cancellation path modeling. Proceedings: Adaptronic Congress, Seite 214-217, Berlin, 2008
Hoffmeister, H.-W., Loeis, K., Schuller, B.-C.
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Application of an active clamping system in wood machining. Proceedings: ASPE, Monterey California, S. 123, USA, 2009
Hoffmeister, H.-W., Loeis, K., Schuller, B.-C.
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Multichannel adaptive control for active vibration reduction in wood milling processes. Proceedings: euspen International Conference, Seite 184-187, San Sebastian, Spain, 2009
Hoffmeister, H.-W., Loeis, K., Schuller, B.-C.
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Aktive Schall- und Schwingungsreduzierung bei CNC-Bearbeitungszentren. 36. Deutsche Jahrestagung für Akustik - DAGA, Berlin, 2010
Hoffmeister, H.-W., Schuller, B.-C., Loeis, K.
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Piezo actuator and its hysteresis compensation for an active clamping system in wood machining. Proceedings: International Conference on Precision Engineering ICoPE2010 & 13th ICPE, Singapur, 2010
Hoffmeister, H.-W., Loeis, K., Schuller, B.-C.
