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

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Der Wettbewerb auf dem internationalen Markt zwingt die Werkzeugmaschinenhersteller, Entwicklungszeiten zu reduzieren. Dies kann unter anderem durch den Einsatz moderner Simulationsmethoden erreicht werden. Um in Dynamiksimulationen von Werkzeugmaschinen zu eine ausreichend hohe Prognosegenauigkeit gelangen zu können, ist unter anderem eine korrekte Modellierung der Dämpfung notwendig. In der mechatronischen Grundstruktur von Werkzeugmaschinen setzt sich diese aus der lokalen Energiedissipation der eingesetzten Materialien und Kontaktstellen sowie dem Einfluss der Linearantriebskomponenten zusammen. Die genauen physikalischen Wirkzusammenhänge waren jedoch lange Zeit nicht ausreichend bekannt, um sie auf komplexe Strukturen wie Werkzeugmaschinen übertragen zu können. Die Nachbildung des Verhaltens von Werkzeugmaschinen gelang durch die bisher verwendeten globalen Dämpfungsgrade nicht mit ausreichender Genauigkeit. Insbesondere bei entwicklungsbegleitenden Simulationen, in denen kein messtechnischer Abgleich möglich ist, waren deshalb keine verlässlichen Aussagen über das Maschinenverhalten hinsichtlich der späteren ratterfreien Zerspanleistung zu erwarten. Demzufolge wurde bisher bei der Optimierung des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens einer Maschine hauptsächlich auf Veränderungen der Steifigkeits- und Massenverteilung zurückgegriffen. Um dieses Defizit zu beheben, wurde die Forschergruppe FOR1087 „Dämpfungseffekte in Werkzeugmaschinen“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit dem Ziel, eine lokale Modellierung der einzelnen Dämpfungseinflüsse zu ermöglichen, gefördert. Besonderes Augenmerk lag dabei auf einer einfachen und allgemeingültigen Modellierung. Es wurden parametrierbare Modelle für Werkzeugmaschinenkomponenten entwickelt, welchen abgesicherte Vertrauensbereiche hinterlegt werden konnten. Dabei wurde am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universität München im Teilprojekt 3 „Simulation von Dämpfungseffekten in der gesamten Werkzeugmaschinenstruktur“ eine Methode erarbeitet, die es ermöglicht, für die verschiedenen Dissipationsquellen in einer Werkzeugmaschine geeignete Modelle zu identifizieren und zu parametrieren. Die Identifikation und Parametrierung erfolgt dabei zum einen anhand eines sequenziellen Aufbaus einer Werkzeugmaschine und zum anderen auf Versuchsständen. Darüber hinaus wurde der Einfluss von Streuungen und Unsicherheiten in der Modellierung untersucht, um die Prognosegenauigkeit der identifizierten Modelle zu erhöhen. Aufbauend auf den dabei erzielten Ergebnissen konnte ein Modellierungsansatz entwickelt werden, der es ermöglicht, die verschiedenen Einflussfaktoren, wie Massen- und Steifigkeitseigenschaften, lineare Dämpfung, Reibung, Regelung und Bewegung, in der Simulation zu berücksichtigen und deren Effekte auf das dynamische Verhalten mit hoher Genauigkeit zu prognostizieren. Damit ergeben sich neue Möglichkeiten für eine ganzheitliche Optimierung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen.

Publications

• Dämpfungseffekte in Werkzeugmaschinen. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 105 (2010) 7 – 8, S. 676 – 680
  Großmann, K.; Rudolph, H.; Brecher, C.; Fey, M.; Zäh, M. F.; Niehues, K.; Schwarz, S.
  
• Struktur- und Fügestellendämpfung in Werkzeugmaschinenstrukturen. In: VDI-Wissensforum (Hrsg.): Schwingungsdämpfung, 2. VDI-Fachtagung. Leonberg, 16. und 17. November 2011. Düsseldorf: VDI-Verlag 2011, S. 21 – 34. (VDI-Berichte Nr. 2164)
  Zäh, M. F.; Niehues, K.; Schwarz, S.
  
• Lineare Dynamikmodelle für verschraubte Fugen: Vergleichende Untersuchung von Modellen mit unterschiedlichem Abstraktionsgrad. wt Werkstattstechnik online 102 (2012) 5, S. 276 – 281
  Brecher, C.; Großmann, K.; Zäh, M. F.; Fey, M.; Niehues, K.; Rudolph, H.; Schwarz, S.
  
• Lokale Dämpfungsmodellierung an Werkzeugmaschinenstrukturen: Methode zur Identifikation von Dämpfungsparametern. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 107 (2012) 7 – 8, S. 513 – 517
  Niehues, K.; Zäh, M. F.
  
• Reliable Material Damping Ratio Determination in Machine Tool Structures. Production Engineering 6 (2012) 4 – 5, S. 475 – 484
  Niehues, K.; Schwarz, S.; Zaeh, M. F.
  
• Identification and Evaluation of Uncertainties and Errors in Dynamic Models of Casted Machine Tool Components. Production Engineering 8 (2014) 1 – 2, S. 175 – 185
  Schwarz, S.; Sing, A.; Zaeh, M. F.
  
• Identification of Local Damping Models of Machine Tools by a Sequential Assembling Process. In: Altintas, Y. (Hrsg.): 4th International Conference on Virtual Machining Process Technology (VMPT), Vancouver, June 2. – 5., 2015
  Niehues, K.; Rebelein, C.; Zaeh, M. F.
  
• Prognosefähigkeit dynamischer Simulationen von Werkzeugmaschinenstrukturen. (Diss.) Technische Universität München. München: Utz 2015. (Forschungsberichte IWB Band 313)
  Schwarz, S.
  
• Friction in feed drives of machine tools: investigation, modeling and validation Production Engineering 10 (2016) 4, S. 497 – 507
  Rebelein, C.; Zaeh, M.
  
• Identifikation linearer Dämpfungsmodelle für Werkzeugmaschinenstrukturen. (Diss.) Technische Universität München. München: Herbert Utz 2016. (Forschungsberichte IWB Band 318)
  Niehues, K.
  
• The Effect of the Feed Drive Control on the Damping of Structural Vibrations of Machine Tools. Proceedings of the XIIIth International Conference on High Speed Machining 2016. HSM. Metz, 4. – 5.10.2016
  Vlacil, J.; Rebelein, C.; Zaeh, M. F.
  
• Modeling of the dynamic behavior of machine tools: influences of damping, friction, control and motion. Production Engineering 11 (2017) 1, S. 61 – 74
  Rebelein, C.; Vlacil, J.; Zaeh, M.