Simulation von Dämpfungseffekten in der gesamten Werkzeugmaschinenstruktur
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
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