Effiziente Parametrierung strukturdynamischer Hauptspindelmodelle

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512773132

Informationen über die Eigenschaften relevanter Komponenten einer Werkzeugmaschine während des Betriebs gewinnen im Kontext der Themen Industrie 4.0 und Digitaler Zwilling immer mehr an Bedeutung. Die Hauptspindel und deren Eigenschaften spielen bei der spanenden Bearbeitung eine zentrale Rolle. Im Rahmen von Anwendungen, die die Werkstückqualität adressieren, wie z. B. der Zustandsüberwachung oder der Prozesskraftmessung, ist die Kenntnis der aktuellen physikalischen Eigenschaften der Hauptspindel, als Kernkomponente einer Werkzeugmaschine, von großer Bedeutung. Die strukturdynamischen Eigenschaften der Hauptspindel werden im Betrieb von unterschiedlichen mechanischen und thermo-elastischen Effekten beeinflusst, deren Überwachung sowie ihre modellbasierte Abbildung eine anspruchsvolle Aufgabe darstellen. Um die Identifikation der statischen und dynamischen Parameter der Hauptspindel zu ermöglichen, kommen spindelintegrierte Sensoren zur Messung der relativen Verlagerung zwischen der Spindelwelle und dem Spindelgehäuse zum Einsatz. Das Ziel dieses Forschungsvorhaben ist die Entwicklung und Untersuchung einer Methode zur effizienten prozessparallelen Parametrierung eines Modells, das das elastische Verhalten der Hauptspindel abbildet. Die initiale Parametrierung des Modells erfolgt auf Basis einer Simulation und messtechnischen Untersuchung mit zusätzlichen Messaufbauten. Prozessbedingte Änderungen der strukturdynamischen Eigenschaften werden im Modell auf Basis der spindelintegrierten Sensoren und der maschineninternen Daten adaptiv berücksichtigt. Hierbei sind für die Identifikation der strukturdynamischen Eigenschaften im Betrieb zwei Vorgehensweisen vorgesehen. Die erste Vorgehensweise fokussiert die Ermittlung der strukturdynamischen Eigenschaften auf Basis der parallelen Erfassung der Verlagerung der Spindelwelle und der mit maschineninternen Daten identifizierten Prozesskräfte. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Berechnung der statischen Steifigkeiten des gesamten Spindelsystems sowie die indirekte Ermittlung der dynamischen Eigenschaften. Die zweite Vorgehensweise basiert auf der Identifikation der strukturdynamischen Spindeleigenschaften mithilfe der Ausführung von maschineninternen Standardfunktionen, wie z. B. Werkzeugwechsel, Eilgang usw. Bei der Ausführung solcher Standardfunktionen erfährt die Hauptspindel mechanische Belastungen, deren Analyse eine indirekte Ermittlung des strukturdynamischen Verhaltens der Hauptspindel ermöglicht. Die Validierung der Methoden erfolgt über den Vergleich der Prozesskräfte, die einerseits über eine Kraftmessplattform gemessenen und andererseits auf Basis des parametrierten Modells ermittelt wurden. Mit diesem Vorgehen kann die Methode in einem breiten Last-Spektrum in prozessrelevanten Frequenzbereichen validiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen