Experimentelle Analyse des Verschleißzustandes von Werkzeugmaschinen sowie deren konstruktive Optimierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Forschergruppe "Gezielte vorbeugende Wartung durch automatisierte Zustandsbeobachtung" wurde im Vorhaben "Experimentelle Analyse des Verschleißzustandes von Werkzeugmaschinen sowie deren konstruktive Optimierung" eine Methodik entwickelt, die eine zeitunabhängige eindeutige Identifikation des Betriebsverhaltens eines Werkzeugmaschinen-Vorschubantriebs und dessen Komponenten wie insbesondere eines Kugelgewindetriebs ermöglicht. Die Lebensdauer von Kugelgewindetrieben - und dementsprechend auch die mit der jeweils zugrunde liegenden Werkzeugmaschine erreichbare Produktivität und Bearbeitungsgenauigkeit - ist stark abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall in Form des Schmutzeintrags, der stattfindenden Oszillationsbewegungen bzw. der vorliegenden Lastverteilung über der Spindel. Gegenstand der Arbeiten im hier vorliegenden Vorhaben war daher die Erfassung und Analyse der mechanischen Komponenten eines Vorschubantriebs mit Kugelgewindetrieb. Das kinematische Verhalten eines Vorschubantriebs wird in der entwickelten Methode ausschließlich mit geometrischen Größen beschrieben. Dabei gilt es bei einer Verschleißanalyse, das bestehende Modell auf eine konkrete Messung an einem Vorschubantrieb bzw. Kugelgewindetrieb anzupassen. Wird eine geometrische Bewegungsgröße wie beispielsweise die Tischposition im Arbeitsraum als Führungsgröße der Messung verwendet, entsteht ein lineares Messsignal, welches mit einfachen Transformationen in seine Bestandteile (hier definiert als Charakteristische Distanz und Auflösung) zerlegt werden kann. Mit Hilfe der physikalisch-mathematischen Kopplung der abhängigen Messgröße (hier: Lagedifferenz zur IST-Position des Tisches) und systeminterner Führungsgröße (hier: Tischposition im Arbeitsraum - im Gegensatz zur Messgröße "Zeit" als systemexterne globale Führungsgröße) bildet die Messung das Übertragungsverhalten des Vorschubsystems direkt ab. Dabei kann gezielt bei ungleichförmigen Bewegungen und transienten Vorgängen gemessen werden, wodurch eine direkte Zustandserfassung während des Regelbetriebs des Vorschubsystems möglich wird. Desweiteren kann die hier verwendete dimensionsbehaftete Verschleißkenngröße Lagedifferenz auch mit der bekannten Schwingungsenergie verglichen werden, ebenso ist der Vergleich mit Kalibriergrößen nach DIN ISO 230-2 möglich. Der Vorteil der Methode liegt in der Verwendung einer "statischen" Kenngröße, wie der hier definierten Lagedifferenz, da diese nicht hochgerechnet bzw. kumuliert werden muss. Dadurch kann ein langfristiger Abnutzungsgrad detailgetreu im Sinne eines Condition Monitorings wiedergegeben werden (im Gegensatz hierzu geben dynamische Größen lediglich aktuelle, zum jeweiligen Zeitpunkt der Messung bestimmte Belastungsgrade wieder, ein Langzeitverhalten ist hierdurch nur schwerlich zu analysieren.). Im Rahmen des Vorhabens wurde weiter ein prototypischer Demonstrator zur Validierung der entwickelten Methode realisiert. Daran wurde einerseits die bauteilspezifische Abnutzung untersucht, um die entstehenden Ergebnisse, insbesondere die Modelle, zu integrieren und mit den Messungen anzupassen. Dabei wurden die Parameter der Messungen schrittweise dahingehend geändert, dass möglichst beliebige Profile (geometrischer Bahnverlauf und Beschleunigung) zur Diagnose genutzt werden können und die Methode somit für Verschleißuntersuchungen unterschiedlichster Vorschubantriebe mit Kugelgewindetrieben zur Verfügung steht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Sensorlose vorausschauende Wartung von Vorschubantrieben an Werkzeugmaschinen. VDI-Schwingungstagung 2007. Würzburg: 2007
Maier, D.; Nebel, S.; Rüdele, H.; Walther, M.; Oglodin, V.
- Automated Condition Monitoring for the Control of the Predictive Maintenance of Machine Tools. In: Annals of the CIRP Vol. 58 (2009) 1
Verl, A.; Heisel, U.; Maier, D.; Walther, M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2009.03.039) - Dynamische Fehlermessung erfasst Verschleiß an Vorschubantrieben. In: MM Maschinen Markt - Das Industriemagazin, Ausgabe 40, September 2009, Vogel Verlag, S. 40 - 42
Maier, D.; Ziegler, F.
- Onboard Condition Monitoring of Feed Axes by Signal Decomposition for Machines with Ball Screw Drives. In: Proceedings of the XXI International CIRP Sponsorship Conference on Supervising and Diagnostics of Machining Systems, 15. - 18. März 2010, Karpacz, Polen, 2010
Maier, D.; Sun, Z.
- Sensorlose automatisierte Verschleißdiagnose an Vorschubsysteme mit Kugelgewindetrieben in Werkzeugmaschinen. In: VDI-Berichte, Nr. 2093, 2010, VDI-Verlag
Walther, M.; Birenbaum, C.; Maier, D.
- A Comparision of Model and Signal based Condition Monitoring and Mode Separation for predictive Maintenance of Feed Drives. In: Proceedings of the XXIII International CIRP Sponsored Conference on Supervising and Diagnostics of Machining Systems Manufacturing Precision, 12. - 15. März 2012, Karpacz Polen, 2012
Heisel, U.; Maier, D.
- Relation of Process and Condition Monitoring at Deep Hole Drilling. In: Proceedings of the XXIII International CIRP Sponsored Conference on Supervising and Diagnostics of Machining Systems Manufacturing Precision, 12. - 15. März 2012, Karpacz Polen, 2012
Heisel, U.; Sabou, F.; Maier, D.
