Entwicklung positionsveränderlicher Koppelelemente zur Mehrkörpersimulation dynamischer Bahnabweichungen von Werkzeugmaschinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wesentliches Ergebnis des Projektes ist die Entwicklung und Implementierung einer theoretischen Grundlage für die Bahnsimulation mit flexiblen Mehrkörpersystemen. Dabei finden die hohen Anforderungen an Werkzeugmaschinen besondere Berücksichtigung. Im Gegensatz zum Automobilbau oder Schienenfahrzeugbau sind hier Genauigkeiten im Bereich weniger Mikrometer notwendig, damit eine Bahnsimulation sinnvoll anwendbar ist und Ergebnisse in ausreichender Genauigkeit liefert. Alle Strukturbauteile einer Werkzeugmaschine müssen zur Erfüllung der hohen Anforderungen an die Simulationsgüte durch flexible Körper in der Mehrkörpersimulation (MKS) abgebildet werden. Die Kontaktbedingungen in den Führungs- und Antriebselementen, die die einzelnen Strukturbauteile verbinden, müssen sehr genau wiedergegeben werden. Hierfür sind positionsveränderliche Kontaktelemente entwickelt worden, die das Verfahren flexibler Körper relativ zueinander ermöglichen. Diese Funktionalität ist in kommerziell erhältlichen MKS-Systemen auf Grund der hohen Komplexität nicht enthalten. Auf den entwickelten, theoretischen Grundlagen konnte eine parametrische Modellbibliothek im Mehrkörpersimulationsprogramm MSC.ADAMS® aufgebaut werden. Es wurden Kraftmodelle für Wälzführungen, Kugelgewindetriebe, Lineardirektantriebe und Ritzel-Zahnstangen-Antriebe entwickelt und implementiert. Die Kraftmodelle wurden durch Messungen an Einfachprüfständen verifiziert. In gekoppelten flexiblen Mehrkörpersimulationen konnten bereits positionsabhängige Veränderungen des Nachgiebigkeitsfrequenzgangs bei Kugelgewindetrieben abgebildet werden. Die neue Modellierungstechnik erlaubt auch die Simulation von Betriebsschwingungsanalysen. Die Anregung der Struktur durch dynamische Verfahroperationen kann durch die im Projekt entwickelte Methodik erstmals mit Hilfe von Simulationen untersucht werden. Deshalb konnte erstmalig der Einfluss nichtlinearer Steifigkeitseigenschaften von Ritzel-Zahnstangenantrieben auf das Positionierverhalten von Großwerkzeugmaschinen detailliert betrachtet werden. Für den genauen quantitativen Abgleich der Kraftmodelle wurde ein zweiachsiger Prüfstand mit Wälzführungen und Kugelgewindetrieben aufgebaut. Der Prüfstand weist eine hohe Abhängigkeit der Gestellsteifigkeit von der Schlittenposition auf und erlaubte die genaue Überprüfung der Kraftmodelle. In ersten Versuchen wurden die quasistatischen Verformungen, die sich bei langsamem Verfahren der Achsen ergeben, im Modell erfolgreich abgeglichen. Ein anschließender Abgleich von Nachgiebigkeitsfrequenzgänge in mehreren Positionen zeigte eine gute örtliche Auflösung der Kraftmodelle. Die Vorgehensweise konnte erfolgreich von den Prüfständen auf eine Drehmaschine mit Parallelkinematik übertragen werden. Messungen und Rechnungen zeigen ein positionsveränderliches, dynamisches Verhalten im Arbeitsraum der Maschine. Somit ist die Methodik auch bei realistischen, steifen Strukturen von Werkzeugmaschinen anwendbar. Kreisformtests und Positionierversuche auf der Maschine konnten ebenfalls simulativ nachvollzogen werden, was die industrielle Anwendbarkeit der Methodik demonstriert. Durch die Kopplung verfahrbarer Maschinenmnodelle mit Prozessmodellen für das Drehen entstand eine integrierte Simulationsumgebung, die eine Abschätzung der Fertigungsergebnisse ermöglicht. Zu diesem Zweck wurde der Punktkontakt von Drehmeißel und Werkstück positionsveränderlich modelliert. Mit hinreichend genauen Simulationsmodellen von Maschine und Prozess ist anschließend eine Optimierung von Fertigungsprozessen möglich. Ein hier vorgestelltes Beispiel ist die Ermittlung von neuartigen, positionsabhängigen Kompensationsstrategien für Drehprozesse zur Reduzierung der Formabweichungen von Bauteilen. Der Anwendungsbereich der entwickelten Bahnsimulation liegt im Bereich der Werkzeugmaschinen und der Automatisierungstechnik. Alle bisherigen Vergleiche zwischen Mess- und Simulationsergebnissen zeigen, dass die neu entwickelten, positionsveränderlichen Kraftmodelle für Führungs- und Antriebselemente den hohen Anforderungen an die Bahngenauigkeit von Werkzeugmaschinen gerecht werden. Im Vordergrund der Arbeiten stand eine rechenzeiteffiziente Abbildung der Maschinenelemente zur Simulation vollständiger, komplexer Maschinensysteme. Mit zukünftigen Entwicklungen im Bereich der Mehrkörpersimulation können sich hier neue Optionen zur Effizienzsteigerung ergeben. Andererseits können Einzelapplikationen auch einen höheren Detaillierungsgrad der Kontaktabbildung notwendig machen, so dass nachträgliche Erweiterungen der Kontaktsubroutinen entwickelt und implementiert werden müssen. Mit Abschluss des Projekts steht ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem viele verschiedene Einflüsse der Maschinentechnik auf die Bahngenauigkeit untersucht werden können, woraus sich neue Forschungsbereiche ergeben. Beispielsweise werden für die genauere Voraussage der erreichbaren Bahngenauigkeit eines neuen Maschinenkonzepts wesentliche genauere Angaben über das Dämpfungs- und Reibungsverhalten der einzelnen Komponenten benötigt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Brecher, C.; Hoffmann, F.: Simulation dynamischer Bahnabweichungen von Werkzeugmaschinen. In Tagungsband: Elektrisch-mechanische Antriebssysteme, , VDI-Verlag Düsseldorf 2006, ISBN 3-18-091963-9, S. 301-314, (VDIBerichte1963).
- Brecher, C.; Hoffmann, F.: Simulation of dynamic path deviations in machine tools. In: Proceedings of "CIRP January meeting", STC M, Paris, 26.-27. Januar 2006.
- Brecher, C.; Hoffmann, F.: Simulation von Verfahroperationen - Verfahrbare flexible Mehrkörpermodelle von Werkzeugmaschinen. In: wt Werkstattstechnik online 95 (2005) 7/8, S.506-512.
- Brecher, C.; Hoffmann, F.; Großmann, K.; Rudolph, H.: Simulationstechnologien für die virtuelle Werkzeugmaschine - Neue Methoden zur Simulation der prozessgerecht bewegten virtuellen Werkzeugmaschine. In: ZWF - Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 102 (2007), 10, S. 614-619.
- Brecher, C.; Hoffmann, F.; Witt, S.: Virtuelle Werkzeugmaschine - bestehende Hindernisse und Möglichkeiten. In: Mechatronik -Vorsprung durch Simulation, Hrsg.: Zäh, M.; Reinhart, G.iwb Seminarberichte 88, Herbert Utz Verlag Wissenschan München 2007, ISBN 978-3-89675-088-4, S. 6/1-6/19
- Brecher, C.; Queins, M.; Witt, S.: Coupled simulation of structural dynamics and control loops with MSC.ADAMS for the development of high-dynamic machine tools. In: Proceedings of "MSC Software Virtual Product Development Conference/ User Meeting", Munich, 22.-24.November 2004.
- Hoffmann, F.: Simulation des dynamischen Verhaltens von Ritzel- Zahnstangenantrieben. In: Seminar "Vorschubantriebe für Werkzeugmaschinen", Hrsg.: Brecher, C., Eigendruck WZL Forum Aachen 2007, S. o. A. S.
- Hoffmann, F.: Simulation dynamischer Bahnabweichungen mit der flexiblen Mehrkörpersimulation. In: Seminar "Messtechnik und Strukturanalyse von Werkzeugmaschinen", Hrsg.: Brecher, C., Eigendruck WZL Forum Aachen 2007, S. o. A. S.
- Hoffmann, F.: Simulation dynamischer Bahnabweichungen mit Hilfe der flexiblen MKS. In: Seminar für Messtechnik und Strukturanalyse von Werkzeugmaschinen, WZL RWTH, Aachen, 19.-20. Januar 2005.
