Local damping modeling for simulation and optimization of the dynamic behavior of machine tools
Engineering Design, Machine Elements, Product Development
Final Report Abstract
Die Leistungsfähigkeit und Arbeitsgenauigkeit einer spanenden Werkzeugmaschine wird maßgeblich durch ihr dynamisches Nachgiebigkeitsverhalten bestimmt. Um sowohl die Leistungsfähigkeit als auch die Arbeitsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine zu steigern, ist in der Entwicklungsphase eine umfassende Optimierung (im Sinne des Ausreifens der Konstruktion) des dynamischen Verhaltens erforderlich. Hierfür sind entsprechende Modelle für die verschiedenen Einflussfaktoren nötig. Während die Massen- und Steifigkeitseigenschaften bereits heute mit ausreichender Genauigkeit prognostiziert werden können, standen bisher für die verschiedenen Dämpfungseinflüsse in einer Werkzeugmaschine keine geeigneten Modelle und Parameter zur Verfügung. Um dieses Defizit zu beheben, wurde die Forschergruppe FOR1087 „Dämpfungseffekte in Werkzeugmaschinen“ von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert. Basierend auf den Ergebnissen dieser Forschergruppe verfolgte dieses Projekt das Ziel, die gewonnenen Ergebnisse in die Industrie zu transferieren sowie gezielt Optimierungspotentiale hinsichtlich der Dämpfungseigenschaften aufzuzeigen. Hierzu wurde in einem ersten Schritt eine elektrifizierte Grundstruktur ohne Verkleidungen und Anbauelemente untersucht. Die im Vorgängerprojekt erarbeiteten Methoden zur Identifikation von Dämpfungsund Reibungsmodellen, zum Umgang mit Streuungen und Unsicherheiten in der Simulation sowie zur Modellierung der verschiedenen Einflussfaktoren in der Werkzeugmaschine wurden in die Industrie transferiert und weiterentwickelt. Speziell die Parameteridentifikation wurde dabei mit Hinblick auf eine Reduktion der benötigten Messungen und eine Erhöhung der Praxistauglichkeit angepasst. Hierzu wurden industrietaugliche Versuchsstände für die Untersuchung einzelner Komponenten des Vorschubantriebs entwickelt. In einem zweiten Schritt wurde ein flexibles Mehrkörpermodell, welches die effiziente Abbildung unterschiedlicher Achspositionen sowie lokaler Dämpfungen ermöglicht, aufgebaut. Dieses Modell bildet die Grundlage für einen effizienten, modellbasierten Abgleich der Parameter zwischen Messung und Simulation. Es konnte gezeigt werden, dass die im Vorprojekt entwickelten lokalen Dämpfungs- und Reibungsmodelle auch einer Übertragung auf den in diesem Projekt untersuchten Maschinentyp standhalten und somit Allgemeingültigkeit besitzen. Anschließend wurde die Maschine komplettiert und erneut vermessen. Zusätzlich wurden mehrere Maschinen derselben Baureihe vermessen, um Streuungen in der Produktion von Serienmaschinen einschätzen zu können. Abschließend wurden die entwickelten lokalen Dämpfungsmodelle zusammen mit dem parametrischen und flexiblen Modellierungsansatz genutzt, um Optimierungspotentiale hinsichtlich des dynamischen Verhaltens aufzuzeigen. Die Besonderheit ist hierbei eine ganzheitliche Betrachtung, die neben Massen- und Steifigkeitseinflüssen auch eine gezielte Abbildung und Veränderungen von Dämpfungseigenschaften ermöglicht.
Publications
- (2019): Prediction of the position dependent dynamic behavior of a machine tool considering local damping effects. In: CIRP J. Manuf. Sci. Tech 27, S. 68–77
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(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirpj.2019.08.001) - (2019): Predictive simulation of damping effects in machine tools. In: CIRP Annals 68 (1), S. 393–396
Zaeh, M. F.; Rebelein, C.; Semm, T.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2019.03.018) - (2019): Substructure Coupling of a Machine Tool in Arbitrary Axis Positions Considering Local Linear Damping Models. In: J. Manuf. Sci. Eng 141 (7), S. 071014-1–8
Semm, T.; Nierlich, M. B.; Zaeh, M. F.
(See online at https://doi.org/10.1115/1.4043767) - Prognosefähige Simulation von Dämpfungseffekten in mechatronischen Werkzeugmaschinenstrukturen (Diss.) Technische Universität München. München: Herbert Utz 2019. (Forschungsberichte IWB Band 346)
Rebelein, C.
