Systematische Untersuchungen zum Einsatz von Dämpfungselementen in Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematiken
Final Report Abstract
In diesem Abschlussbericht werden die wesentlichsten Erkenntnisse aus dem Forschungsprojekt zusammengefasst. Anhand konkreter Ansatzpunkte für eine Fortführung bzw. Anwendung der Arbeiten erfolgt ein Ausblick hinsichtlich möglicher Folgeprojekte. Ziel des Projektes war es, systematisch den Einfluss der Dämpfung auf das Verhalten von Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematiken sowie den gezielten Einsatz von Dämpfungselementen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens zu untersuchen. Neben theoretischen und allgemeingültigen Betrachtungen auf Basis einer Systematik für parallelkinematische Strukturen wurden die praktischen Untersuchungen im Wesentlichen auf den Bereich von spanenden Werkzeugmaschinen eingeschränkt. Das dynamische Verhalten von Parallelkinematiken, insbesondere das von Strukturen mit höherem Endeffektorfreiheitsgrad (DOF) und schlanken Streben wie Pentapoden (D0F=5) und Hexapoden (D0F=6), ist im Vergleich zu konventionellen Maschinenstrukturen durch einige Besonderheiten gekennzeichnet. Dazu zählen die höhere Anzahl von Eigenfrequenzen im Arbeitsbereich, die stärkere Kopplung von Eigenmoden aufgrund der geschlossenen kinematischen Ketten und das schlechte Dämpfungsverhalten, Schwerpunkt der Projektarbeit lag in der Erarbeitung von Methoden und Werkzeugen sowie von Entwurfsregeln, um das dynamische Verhalten von Parallelkinematiken schon im Entwicklungsstadium zu bewerten und zu optimieren. Eine besondere Bedeutung kam daher der Systemidentifikation und der Entwicklung einer effizienten Simulationsumgebung zu. Die Modellbildung wird dabei vor allem durch die starke Positions- und Richtungsabhängigkeit des dynamischen Verhaltens sowie nichtlineare Dämpfungseffekte beeinflusst. Es wurde eine Simulationsumgebung entwickelt, in der auf Basis von FEMModalanalysen linearisierte Zustandsraummodelle erstellt werden, die in einer Regelungssimulationssoftware das strukturdynamische Maschinenverhalten abbilden. Die Zustandsraummodelle werden auf die notwendigen Freiheitsgrade reduziert. Das Modenspektrum kann hinsichtlich Relevanz für das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten und nach Steuer- und Regelbarkeit bewertet und gegebenenfalls reduziert werden. Damit ergibt sich ein gegenüber dem FEM-Modell stark reduziertes Zustandsraummodell mit allen relevanten modalen Eigenschaften. In der Regelungssimulationssoftware wird das Zustandsraummodell mit geregelten Antrieben zum mechatronischen Gesamtmodell erweitert. Passive und aktive Dämpfer können fast beliebig integriert werden. Zu berücksichtigen ist die Linearisierung der Mechanik, die keine großen Verfahrbewegungen zulässt. Zur Lösung der Problematik wurden prinzipielle Ansätze entwickelt. Praktisch wurde im Rahmen des Projektes jedoch mit angepassten Bewertungskriterien gearbeitet, wie z.B, die hinreichende Begrenzung von Verfahrlängen. Auf Basis der entwickelten Simulationsmodelle wurden systematisch Untersuchungen zum Einfluss lokaler Dämpfungselemente durchgeführt, wobei in einem ersten Schritt mit vereinfachten Dämpfungsmodellen und ohne Berücksichtigung konstruktiver Lösungen gearbeitet wurde. Dadurch können Anforderungen und Randbedingungen an reale Dämpfer hinsichtlich Wirkungsort, Wirkungsrichtung und Dämpfungsgrad abgeleitet werden. Danach erfolgte eine Gegenüberstellung von existierenden konstruktiven Lösungen bzw. Ansätzen. In einem nachfolgenden Arbeitsschritt wurde insbesondere das Dämpfungsverhalten von PKM-Gelenken auf einem speziell entwickelten Versuchsstand eingehender untersucht. Hier war die Annahme viskoser Dämpfungsmodelle nicht mehr ausreichend und es wurde ein nichtlineares Dämpfungsmodell identifiziert. Aufgrund der Kopplung der kinematischen Ketten bei Parallelkinematiken und der oftmals nah benachbarten Eigenmoden hat sich gezeigt, dass tn der Regel nur ein oder zwei kinematische Ketten stärker gedämpft werden müssen, um eine deutliche breitbandige Verbesserung am Endeffektor zu erreichen. In etwas abgeschwächter Form gilt das auch für regelungsrelevante Schwingungen in Vorschubrichtung. Die Erzeugung aperiodischer Dämpfung führte jedoch im Gegensatz dazu teilweise zur Verstärkung anderer Moden und muss deshalb kritisch bewertet werten. Die Erzeugung notwendiger Dämpfungsgrade durch entsprechende konstruktive Lösungen konnte teilweise nur mit erheblichem Aufwand erreicht werden. Insbesondere ökonomische Lösungen zur Dämpfung von Biegeschwingungen der längenveränderlichen Streben und von Starrkörperschwingungen in den Gelenken bleiben eine Herausforderung. Grundsätzlich hat sich auch gezeigt, dass derzeit aktive Dämpfungssysteme ein deutlich höheres Potenzial als passive Systeme besitzen. Ergebnis des Projektes sind eine effektive Simulationsumgebung, Dämpfungsmodelle für Gelenkbaugruppen sowie Methoden und Regeln zur Definition von Anforderungen an lokale Dämpfungssysteme. Deutlicher Handlungsbedarf ist jedoch noch bei der konstruktiven Realisierung wirtschaftlicher Lösungen zu sehen. Zwar konnten eine Vielzahl prinzipieller Lösungen erarbeitet werden, eine hohe Akzeptanz in industriellen Anwendungen ist jedoch aus ökonomischer Sicht heute noch nicht wahrscheinlich. Beim Abschluss des Projektes besaßen aktive Dämpfungselemente aus Sicht eines Kompromisses aus Funktion und Wirtschaftlichkeit das größte Potenzial, weil die schwingungsfähigen Massen von Parallelkinematiken vergleichsweise gering sind. Hier fehlen jedoch noch anwendbare Lösungen für multiaxiale Hilfsmasseaktoren und für Hilfsmasseaktoren, die ihre Funktion auch bei hohen Beschleunigungen des Endeffektors realisieren. Auch muss der wirtschaftliche Nutzen zusätzlicher Dämpfungselemente deutlich darstellbar werden, da sich die Industrie bis heute aufgrund der zunehmende Systemkomplexität einer breiten Anwendung verweigert. Als ein nächster Schritt muss deshalb auf Basis der geschaffenen Simulationsumgebungen der Fokus auf der Verschiebung der Maschinengrenzen durch (aktive) Dämpfung gelegt werden, Ziel muss es sein, eine ganzheitliche wirtschaftliche Bewertung schon im Entwurfsstadium zu erreichen.
Publications
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