Strukturintegrierte Kompensationsmodule für Portalmaschinen
Final Report Abstract
Die Produktivität einer Werkzeugmaschine hängt im entscheidenden Maße von der Wechselwirkung zwischen dem Schnittprozess und dem dynamischen Nachgiebigkeitsverhalten der Werkzeugmaschine ab. Durch eine Kompensation von Maschinenschwachstellen mit Hilfe der aktiven Systeme sind weitgehende Verbesserungspotenziale und große Leistungssteigerungen zu erwarten. In diesem Projekt wurde ein Prototyp zur aktiven strukturintegrierten Kompensation von Verlagerungen des Tool Center Points (TCP) lang auskragender Schieberstrukturen gemeinsam mit einem Industriepartner (kurz: GEORG) entwickelt. Basis für den Erkenntnistransfer von der Laboranwendung hin zum industrietauglichen Prototypen bildete die im SPP 1156 entwickelte Kompensationsmethode von dynamischen Schwingungen. Für dieses Projekt konstruierte und fertigte die Fa. GEORG eine Versuchsmaschine, welche in ihren dynamischen Eigenschaften der anvisierten Portalmaschine (Bohrportal der Fa. GEORG) gleicht. Das Projekt wurde in insgesamt vier Abschnitt gegliedert: Voruntersuchungen, Entwicklungsphase, Inbetriebnahme und Bewertung. Während der Voruntersuchungen wurde das dynamische Verhalten der anvisierten Portalmaschine der Fa. GEORG detailliert untersucht. Fräsversuche und Nachgiebigkeitsfrequenzgänge konnten eine kritische Resonanzstelle der Maschine bei ca. 71 Hz identifizieren. Mit Hilfe der Modalanalyse konnte als Schwachstelle der Maschine eine Drehschwingung des Z-Schiebers um die X-Achse festgestellt werden. Für eben diese Schwachstelle wurde das aktive System entwickelt und gefertigt. Zur Wahrung der späteren Vergleichbarkeit (Maschine ohne aktives System vs. mit aktivem System) wurden die Eigenschaften des neu konstruierten Z-Schiebers mit Hilfe von einer FE-Simulation derartig ausgelegt, dass die neue Stahl-Schweiß-Konstruktion in ihren Eigenschaften denen des originalen Gussteils gleicht. Um den im Projektverlauf aufgetretenen Projektverzögerungen entgegen zu wirken, wurde ein Prüfstand der Werkzeugmaschinenlabors WZL derartig umkonstruiert, sodass an diesem die Neuentwicklung in Betrieb genommen und abschließend auch bewertet werden konnte. Wesentliche Herausforderung im Projekt war die Implementierung einer MIMO (multiple input, multiple output) Regelung der vier entwickelten hydraulischen Aktoren. Mit Hilfe des H∞-Loop-Shapings konnte abschließend ein optimaler Mehrgrößenregler entwickelt und angewandt werden. Schlussendlich konnte die kritische Resonanzstelle deutlich gedämpft und insbesondere der absolute Betrag des negativen Realanteils des direkten Nachgiebigkeitsfrequenzganges am Tool Center Point der Maschine halbiert werden.
Publications
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Aktive Systeme für Werkzeugmaschinen. Frästagung 27.-28.11.2013, Stuttgart, Hanser Verlag
Brecher, C.; Bäumler, S.; Brockmann, B.
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Avoiding Chatter by Means of Active Damping Systems for Machine Tools. In: Journal of Machine Engineering. 13. Jg., 2013, Nr. 3, S. 117-128
Brecher, C.; Bäumler, S.; Brockmann, B.
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Closed-Loop Position Control of a Membrane Based Electrohydraulic Actuator for an Active Damping System for Portal Milling Machines. Enhancement of the position accuracy of a highly dynamic electrohydraulic actuator. In: Tagungsband zum 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Wien, 10.-13. November 2013. S. 3891-3895
Brecher, C.; Bäumler, S.; Brockmann, B.
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Herausforderungen bei der messtechnischen Untersuchung von Werkzeugmaschinen. In: ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Betrieb. 109. Jg., 2014, Nr. 12, S. 885-888
Brecher, C.; Brockmann, B.; Daniels, M.; Wennemer, M.
