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

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Der Schwerpunkt der ersten Förderperiode lag auf der Erforschung der Grundlagen zur Kopplungsrechnung und zur effizienten Beschreibung von diskretisierten und reduzierten Komponentenmodellen. Der Schwerpunkt der zweiten Periode lag dagegen auf der Erforschung von Ansätzen und Methoden zur effizienten und genauen experimentellen Modellierung von Werkzeugmaschinenstrukturen, sodass das dynamische Verhalten für unterschiedliche, industrierelevante Anwendungsfälle zuverlässig vorhergesagt werden konnte. Dabei wurden modale und frequenzbasierte Kopplungsrechnungen implementiert, untersucht und hinsichtlich ihrer Eignung für Werkzeugmaschinenstrukturen bewertet. Die aktuellen Ansätze zur modalen Kopplungsrechnung wurden zuerst für Simulationsmodelle systematisch umgesetzt und eine Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt. Als erster geeigneter Anwendungsfall für die modale Kopplungsrechnung wurde die rechnerische Fixierung des experimentellen Modal-Modells eines Spindelprüfstands gewählt. Die Anwendung der auf der Sensitivitätsanalyse basierenden modalen Randbedingungen konnte zwar die Schwingungsmode des Prüfstandes fixieren, jedoch wurde die Lage der Resonanzstellen der Spindelwelle leicht verschoben prognostiziert. Daraus wurde deutlich, dass die Anwendung von modalen Randbedingungen in der Nähe und nicht unmittelbar an der Koppelstelle von komplexen Strukturen unzureichend war. Dies zeigte erneut, wie bedeutend die zuverlässige Ermittlung des experimentellen Response-Modells an den Koppelstellen für Kopplungsberechnungen ist. Frequenzbasierte Ansätze bieten den großen Vorteil, dass komplexe Koppelstellen von Werkzeugmaschinen durch direkte oder indirekte Ansätze zuverlässig abgebildet werden können. Ein wichtiger Beitrag dieses Projekts war daher die systematische Einordnung, Erweiterung und Anpassung vorhandener Methoden zur experimentellen, frequenzbasierten Ermittlung der translatorischen und rotatorischen Nachgiebigkeiten für verschiedene Koppelstellen. So konnten Empfehlungen hinsichtlich der Verwendung eines geeigneten Ansatzes zur Ermittlung des experimentellen Response-Modells der jeweiligen Koppelstelle erarbeitet und validiert werden. Darüber hinaus ist die Wahl der Kopplungsfreiheitsgrade (KFHG) von zentraler Bedeutung für die Bestimmung der Genauigkeit der Mehrpunktankopplung und des Messaufwands. Mittels systematischer Sensitivitätsanalysen wurden wichtige Erkenntnisse zur Auswahl der KFHG sowie zur Gestaltung der Kopplungsmatrizen gewonnen und erfolgreich validiert. Ein Hauptziel des Projekts war es, die gewonnenen Erkenntnisse zur experimentell-analytischen Substrukturkopplung für industriell relevante Probleme umzusetzen. Dabei wurde die frequenzbasierte Mehrpunktankopplung verwendet, um das analytische Modell eines modifizierten Maschinenständers mit dem experimentellen Response-Modell von vier Führungsschuhen zu koppeln. Auch Werkstücke konnten erfolgreich mit balkenartigen (Nullpunktspannsystem) und nicht-balkenartigen (Maschinentisch) Koppelstellen gekoppelt werden. Sowohl für die Werkstücke als auch für den Maschinenständer konnten mit minimalem Messaufwand zuverlässige Ergebnisse erzielt werden, wodurch die entwickelten Methoden zur analytischen und experimentellen Response-Modellierung validiert werden konnten. Darüber hinaus konnte durch die Entfernung von finiten Elementen durch Substrukturentkopplung in der physikalischen Domäne die Auswirkung des Materialabtrags auf die Werkstückdynamik genau abgebildet werden. Die Kopplung von Fräswerkzeugen mit Maschinenspindeln zur Vorhersage des TCP-FRF ist ein Thema von hoher industrieller Bedeutung und stellte somit einen besonders wichtigen Anwendungsfall und einen Schwerpunkt dieser Projektperiode dar. Zur experimentellen Response-Modellierung der Spindelseite wurden zwei neue Methoden erarbeitet, die das Problem der Erzeugung von falschen Resonanzen umgehen. Zur Identifikation unbekannter Parameter des analytischen Werkzeugmodells wurde der Extended Tool Model Updating- Ansatz (ETMU) entwickelt, der in einem frei hängenden Zustand erhaltene FRFs zum Abgleich heranzieht. Zur Demonstration wurden die Fügestelleneigenschaften zwischen Halter und Schaftfräser, sowie der effektive Werkzeugdurchmesser des Spannutensegments identifiziert und erfolgreich validiert. Anschließend wurde die Werkzeugkopplungsrechnung um eine zusätzliche Kopplungsebene der spindelintegrierten Verlagerungssensoren erweitert, sodass die Übertragungsfunktion zwischen dem TCP und der Sensoreinheit zur Prozesskraftschätzung effizient prognostiziert werden konnte. Die im Rahmen dieser Förderperiode erzielten Ergebnisse sind vielversprechend und zeigen das Potenzial der experimentell-analytischen Substrukturkopplung zur effizienten Schwingungsanalyse von Werkzeugmaschinen. Weiterer Forschungsbedarf besteht bei der Quantifizierung der Messunsicherheiten experimenteller Modelle und deren Fortpflanzung in den Kopplungsrechnungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• A substructuring approach for simulation of time dependent workpiece dynamics during milling. In: MM Science Journal. 12. Jg., 2018, Nr. 2018, S. 2625–2632
  Brecher, C.; Chavan, P.; Spierling, R.; Fey, M.
  
• Experimentell-analytische Substrukturkopplung zur Ankopplung von Werkstücken. In: VDI Wissensforum GmbH (Hrsg.): VDI- Berichte. 2. VDI-Fachtagung Schwingungen 2019: Würzburg, 05. und 06. November 2019. Düsseldorf: VDI-Verlag, 2019, S. 229–240
  Brecher, C.; Chavan, P.; Fey, M.
  
• Workpiece Coupling in Machine Tools Using Experimental-Analytical Dynamic Substructuring. In: Linderholt, A.; Mayes, R.; Rixen, D.; Allen, M. S. (Hrsg.): Dynamic substructures. (Reihe: Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series). Cham, Switzerland: Springer, 2020, S. 47–56.
  Chavan, P.; Brecher, C.; Fey, M.; Loba, M.
  
• Efficient joint identification and fluted segment modelling of shrink-fit tool assemblies by updating extended tool models. In: Production Engineering Research and Development 15, 2021, S. 21-33
  Brecher, C.; Chavan, P.; Fey, M.