Experimentelle Substrukturkopplung zur Schwingungsanalyse an Werkzeugmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Produktionssystematik, Betriebswissenschaften, Qualitätsmanagement und Fabrikplanung ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 245846105

Das dynamische Maschinenverhalten bestimmt die Arbeitsgenauigkeit und das Leistungsvermögen spanender Werkzeugmaschinen in großem Maße. Beispielsweise führen Anpassungen der im Kraftfluss liegenden Maschinenstruktur oder eine Variationen der Achskonfiguration zu Änderungen des Schwingungsverhaltens am Tool Center Point. Da solche Anpassungen bei Werkzeugmaschinen häufig vorkommen, versuchen Maschinenhersteller das resultierende Schwingungsverhalten frühzeitig vorherzusagen. Aktuell übliche Methoden bedürfen der aufwändigen Erstellung eines virtuellen Gesamtmaschinenmodells mit Messungen an physikalischen Prototypen.Das Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Methode zur Prognose der Auswirkungen von Strukturmodifikationen auf das dynamische Maschinenverhalten auf Basis experimenteller Daten. Hierfür bietet der Ansatz der experimentellen Substrukturkopplung eine effiziente Lösung, bei der die modifizierte Komponente der Maschine analytisch beschrieben und die unveränderte Grundstruktur basierend auf Messungen modelliert wird.In der 1. Förderperiode des Forschungsvorhabens wurden Kopplungsgleichungen zur frequenzbasierten Substrukturkopplung für die Anwendung auf Werkzeugmaschinen erweitert. Dazu wurde die Vorgehensweise zur analytischen Modellbildung optimiert und in einer Softwareumgebung umgesetzt, sodass einfache Strukturkomponenten ohne messtechnischen Abgleich realitätsnah modelliert werden können. Für zwei Anwendungsfälle (Prognose des Schwingungsverhaltens bei Verfahrbewegung und Auslegung passiver Zusatzsysteme) wurde die Methode bereits erfolgreich umgesetzt.Die entwickelte Methode erfordert jedoch eine Demontage der Komponenten zur Kopplungspunktmessung. Mit dem Einsatz der Substrukturentkopplung können die Koppelstelleneigenschaften ohne Demontage identifiziert werden. In der 2. Förderperiode werden dementsprechend die Methoden zur modalen und frequenzbasierten Substrukturentkopplung für die Anwendung auf Werkzeugmaschinen erweitert. Neben der Identifikation der Koppelstelleneigenschaften durch Substrukturentkopplung ist die Entwicklung der Methoden zur experimentellen Untersuchung der Koppelelementeigenschaften ein weiteres Ziel. Zur Validierung der entwickelten Methoden werden abschließend ausgewählte Anwendungsfälle für Werkzeugmaschinen umgesetzt und bewertet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen