Simulation von Dämpfungseffekten in der gesamten Werkzeugmaschinenstruktur

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2009 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 67192760

Im Teilprojekt liegt der Schwerpunkt nach wie vor auf der Modellierung und Prognose der Dämpfung des Gesamtsystems Werkzeugmaschine und der Erarbeitung der in diesem Kontext relevanten Fragestellungen. Konkret bedeutet dies, dass der bereits in Projektphase eins teilweise aufgebaute mechanische Versuchsträger DMC55H fertig zusammengesetzt und unter Verwendung der in den Teilprojekten eins und zwei entwickelten Objektmodelle für Strukturkomponenten, Verbindungselemente und Maschinenelemente in der Simulation vollständig abgebildet wird. Gleichzeitig findet dabei eine Validierung der eingesetzten Objektmodelle für den ruhenden Fall statt. Darauf aufbauend soll der Versuchsträger DMC55H mit Antrieben, den zugehörigen Anbauteilen und entsprechender Regelung für die drei translatorischen Achsen ausgestattet werden, um sowohl die Dämpfungswirkung der Regelung als auch während langsamer Verfahrbewegungen, wie sie typischerweise in Bearbeitungsprozessen vorkommen, im Versuchsträger isoliert betrachten und vermessen zu können. Dabei ist die Betrachtung von drei geregelten, bewegten Achsen geplant, um den Einfluss sowohl von unterschiedlichen Einbaulagen als auch von Wechselwirkungen zwischen aufeinander aufbauenden Achskonfigurationen untersuchen zu können. Die hierbei auftretenden nichtlinearen Effekte sollen anschließend mit Hilfe linearer Ersatzmodelle mit definiertem Gültigkeitsbereich in der bestehenden Simulationsumgebung abgebildet werden, um später eine Prognose des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens im geregelten, bewegten Zustand zu ermöglichen. Um eine hohe Prognosegenauigkeit der in der Forschergruppe erarbeiteten Objektmodelle für das Gesamtsystem Werkzeugmaschine gewährleisten zu können, wird darauf aufbauend einerseits der Einfluss des Abstraktionsgrades der Objektmodelle auf die Genauigkeit des Gesamtmodells untersucht und andererseits durch eine Erweiterung der bestehenden Simulationsumgebung die Berücksichtigung von Fertigungs- und Montagetoleranzen als Unsicherheiten ermöglicht. Anschließend soll die Übertragbarkeit der ermittelten Objektmodelle auf andere Maschinenkonfigurationen überprüft und nachgewiesen werden. Die zu erarbeitende Modellierungssystematik ist dabei auf lineare Ersatzmodelle geregelter, quasistätionär bewegter Werkzeugmaschinenstrukturen begrenzt. Dies bedeutet, dass keine Untersuchung des Dämpfungseinflusses von Bearbeitungsprozessen, Werkstücken oder Spannsystemen stattfindet. Ebenso wird der Einfluss des Verschleißes auf Gesamtsystemebene nicht betrachtet. Hierzu finden in Teilprojekt 2 lediglich Stichversuche auf Komponentenebene statt. Lageregelung und Bewegung werden, wie bereits erwähnt, nur als Dämpfungseinfluss im linearen Finite-Elemente-Modell abgebildet; es entsteht somit weder ein bewegtes Modell noch eine mechatronische Gesamtsimulation. Eine Verwendung der erarbeiteten Modellierungssystematik in derartigen Modellen ist jedoch nach einer korrekten Prognose der Nachgiebigkeitsfrequenzgänge durch eine Überführung in den Zustandsraum mit anschließender Modellreduktion möglich. Bei den geplanten Untersuchungen wird die Drehachse des Werkstücktisches aufgrund der zu erwartenden nichtlinearen Effekte in der hydraulischen Achsklemmung nicht betrachtet.

• DFG Programme: Research Units
• Subproject of: FOR 1087: Damping Effects in Machine Tools
• Major Instrumentation: Ausbau des Versuchsträgers
• Instrumentation Group: 2070 Hilfsgeräte und Meßeinrichtungen für Werkzeugmaschinen