Entwicklung eines Prognosetools zur Identifizierung von stabilen Fräsprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wechselwirkungen zwischen Prozess und Struktur sind der Hauptgrund für das Auftreten unerwünschte Ratterschwingungen bei Fräsprozessen. Aus diesem Grund stellen die Bestimmung stabiler Prozesszustände für gegebene Maschinenstrukturen und die Entwicklung effizienterer Fräsmaschinen wichtige Forschungsfelder in der Produktionstechnik dar. Die größte Herausforderung ist es hierbei, mathematische Beschreibungen der Modellkomponenten Maschinenstruktur, Werkstück und Prozess integriert in einem gekoppelten Modell zu beschreiben sowie Simulationsrechnungen mit angepassten numerischen Algorithmen durchzuführen, um Stabilitätsgrenzen und das dynamische Verhalten des realen System korrekt wiederzugeben. Weitere Herausforderungen liegen in der übertragbaren Gestaltung und Steigerung der Recheneffizienz der komplexen Modelle sowie in der gewünschten Standardisierung des experimentellen Verfahrens zur Identifikation der nötigen Modellparameter, um Fehlereinflüsse zu minimieren. Folglich wurde im Rahmen des Projektes das Ziel verfolgt ein recheneffizientes, übertragbares, gekoppeltes Modell zu entwickeln, mit welchem durch Zeitbereichssimulationen das dynamische Verhalten des Fräsprozesses sowie Einflüsse der Maschinen- und Werkstückstruktur untersucht werden können. Um sich den zu erwartenden langen Rechenzeiten anzunehmen, wurde die Maschinenstruktur als Mehrkörpersystem und das Werkstück als thermoelastischer Körper abgebildet. Zahlreiche experimentelle Studien wurden durchgeführt, um die Grundlage für die mathematische Modellierung zu schaffen, Modellparameter zu identifizieren und die numerischen Ergebnisse zu validieren. Die wesentlichen Ergebnisse des Projektes stellen die konsistente Modellierung eines komplexen Frässystems inklusive der mathematischen Analyse der abgeleiteten Gleichungen dar sowie die numerische Implementierung eines Systems zur Zeitbereichssimulation und seine experimentelle Validierung. Hierbei zeigen die Simulationsergebnisse, dass das entwickelte Modell fähig ist, Effekte in instabilen Prozessen zu reproduzieren, welche in experimentellen Untersuchungen identifiziert wurden. Weiterhin wurde eine neue Methode zur Stabilitätsanalyse entwickelt, die zum ersten Mal die Möglichkeit bietet, Stabilitätsgrenzen großer Differentialgleichungssysteme mit Verzögerungsterm und periodischen Koeffizienten zu bestimmen. Darüber hinaus standen experimentelle Studien im Mittelpunkt, die eine Abhängigkeit des Stabilitätsverhaltens von der Temperatur, den Prozessparametern und der Werkstückgeometrie und -dynamik aufzeigen. Dadurch konnte gezeigt werden, dass Stabilitätsgrenzen durch Vorerwärmung des Werkstückes erhöht sowie das bei gering ausgeprägter Steifigkeit des Werkstückes (z. B. bei dünnwandigen Strukturen) vermeidlich stabile Prozesszustände instabil werden können. Diese Ergebnisse wurden in der Modellierung einbezogen, wobei eine gute Übereinstimmung der Simulations- und Messergebnisse erreicht werden konnte. Des Weiteren zeigen experimentellen Studien zur Vorgehensweise der Parameteridentifikation, dass das Übertragungsverhalten am Werkzeugmittelpunkt stark von der verwendeten Anregungsart abhängt sowie das die betrachtete Spindelposition und der Drehwinkel der Spindel zur Änderung der Übertragungsfunktion führen. Weiterhin wurden auch zahlreiche Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses der Fügestelleneigenschaften und den resultierenden Einfluss auf das dynamische Verhalten der Gesamtstruktur durchgeführt und im Modell berücksichtigt. Die gewonnen Erkenntnisse und das entwickelte Modell bieten durch Prognose des realen Maschinenverhaltens und der Identifikation stabiler Prozesszustände mit maximaler Produktivität, hervorragende Möglichkeiten im Bereich der Prozessplanung. Darüber hinaus bietet das Modell Potential für die virtuelle Inbetriebnahme von Maschinensteuerungen sowie der Unterstützung in der Identifikation von Schwachstellen in Maschinenstrukturen und der Konstruktionsoptimierung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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New Structure Optimisation Procedure for Improving the Dynamic Behaviour of HPC-Milling Machines. In: Proceedings of the 5th CIRP International Seminar on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering, Ischia, Italien, 2006, ISBN 88-95028-01-5
Mense, C.; Uhlmann, E.
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Analysis of the interaction between milling processes and milling machines for stability prediction and machine tool optimization. In: Proceedings of the 2nd manufacturers engineering society international conference, Madrid, 2007
Uhlmann, E.; Mense, C.
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Analysis of the Milling Machine Operation Behaviour for Process Stability and Machine Tool Optimisation. In: Proceedings of the 10th CIRP International Workshop on Modelling of Machining Operations, Reggio Calabria, Italien, 2007
Uhlmann, E.; Mense, C.
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A milling model with thermal effects including the dynamics of machine and work piece. In: Denkena, B. (Hrsg.): Proceedings of the 1st International Conference on Process Machine Interactions, Hannover-Garbsen, 2008, S. 369-378
Rott, O.; Rasper, P.; Hömberg, D.; Uhlmann, E.
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Milling machine evolution based on process-machine interaction analysis. In: Denkena, B. (Hrsg.): Proceedings of the 1st International Conference on Process Machine Interactions, Hannover-Garbsen, 2008, S. 213-220
Uhlmann, E.; Mense, C.; Rasper, P.
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Modelling, analysis and stability of milling processes including workpiece effects. In: Fitt, A.D.; Norbury, J.; Ockendon, H.; Wilson, E. (Hrsg.): Progress in Industrial Mathematics at ECMI 2008, 15 of Mathematics in Industry, Springer, 2010, S. 493-498
Hömberg, D.; Rott, O.
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Temperaturabhängiges Stabilitätsverhalten – Untersuchung des Temperatureinflusses auf das Stabilitätsverhalten beim Umfangsstirnfräsen. wt Werkstattstechnik online 99 (2009) 7/8, Springer, S. 464-469
Uhlmann, E.; Rasper, P.
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An iterative method for the multipliers of periodic delay-differential equations and the analysis of a pde milling model. In: Vyhlidal, T. (Hrsg.): Proceedings of the 9th IFAC Workshop on Time Delay Systems, Prague, 2010
Rott, O.; Jarlebring, E.
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Analysis of uncertainties in the stability prediction for milling processes, In: Altintas, Y.; Denkena, B.; Brecher, Ch. (Hrsg.): Proceedings of the 2nd International Conference on Process Machine Interactions, Vancouver, 2010
Rasper, P.; Rott, O.; Hömberg, D.; Uhlmann, E.
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Mathematics for machine tools and factory automation. In: Production Factor Mathematics, Grötschel, M.; Lucas, K.; Mehrmann, V. (Hrsg.), acatech, Springer, 1st Edition, 2010, S. 231-246
Denkena, B.; Hömberg, D.; Uhlmann, E.
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Influences on specific cutting forces and their impact on the stability behaviour of milling processes. Production Engineering Research and Development. WGP Volume 5 Number 2, Springer, 2011, S. 175 -181
Uhlmann, E.; Rasper, P.
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Mathematical analysis of a thermomechanical milling process. GAMM-Mitt., 34, 2011, S. 59–63
Chelminski, K.; Hömberg, D.; Rott, O.
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On a thermomechanical milling model. Nonlinear Analysis Real World Applications 12, 2011, S. 615–632
Chelminski, K.; Hömberg, D.; Rott, O.
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Integrierte Prozess- und Maschinensimulation. In: Uhlmann, E. (Hrsg.): Futur 1/2012, Berlin: Heenemann Druck GmbH, 2012, S. 30-31
Rasper, P.; Mewis, J.
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Parametrisierung von Prozess-Struktur-Modellen - Analyse von Fehlereinflüssen in der messtechnischen Parametererfassung und Modellierung. wt Werkstattstechnik online 102 (2012) 5, Springer, 2012, S. 267-275
Uhlmann, E.; Rasper, P.
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(2013) Development of a Stability Prediction Tool for the Identification of Stable Milling Processes. In: Denkena B., Hollmann F. (eds) Process Machine Interactions. Lecture Notes in Production Engineering. Springer, Berlin, Heidelberg, pp 203-224
Hömberg, D.; Uhlmann, E.; Rott, O.; Rasper, P.
