FOR 1087: Damping Effects in Machine Tools
Final Report Abstract
Die stetig steigenden Anforderungen an die Produktivität und Arbeitsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen erfordern eine gezielte Auslegung des dynamischen Verhaltens. Für eine zuverlässige Prognose des dynamischen Verhaltens ist die Kenntnis der Steifigkeiten, Massen und der Dämpfung aller im Kraftfluss befindlichen Strukturbauteile, Maschinenelemente und Fügestellen Voraussetzung. Während Massen und Steifigkeiten in der Regel bekannt sind, fehlen validierte Dämpfungsmodelle und deren Parametrierung. Ein gängiger Ansatz zur Abbildung der Systemdämpfung ist die Verwendung von globalen Dämpfungsgraden. Dabei ist die Dämpfung nicht ihren lokalen Ursachen zugeordnet. Eine Übertragung auf ein anderes dynamisches System ist somit nicht möglich. Das Ziel der Forschergruppe FOR 1087 ist die systematischen Untersuchung und Beschreibung der in Werkzeugmaschinen auftretenden Dämpfungseffekte. Zur Strukturierung werden dazu alle Bauteile der mechanischen Werkzeugmaschinenstruktur, welche im Rahmen dieses Projekts untersucht wurden, in drei Klassen unterteilt: Strukturkomponenten, Fügeverbindungen und Maschinenelemente. Der Begriff der Strukturkomponenten umfasst all jene Bauteile, welche nicht mehr sinnvoll teilbar sind und deren Dämpfungswirkung daher abhängig von der vorliegenden Geometrie homogenisiert modelliert werden kann. Fügeverbindungen bilden die Schnittstellen zwischen Strukturkomponenten und tragen einen signifikanten Anteil zur im Gesamtsystem vorhandenen Dämpfungswirkung bei. Maschinenelemente sind heterogene Baugruppen aus Strukturkomponenten und Fügeverbindungen, die als geometrieunabhängige Einheiten betrachtet werden und deren weitere Zerlegung im Hinblick auf die Betrachtung ganzer Werkzeugmaschinen nicht vorgenommen wird. Dies trifft zum Beispiel für Profilschienenführungen und Kugelgewindetriebe zu. Für jedes Untersuchungsobjekt innerhalb dieser Klassen wurden in diesem Projekt einerseits Untersuchungsmethoden zur Dämpfungsbestimmung entwickelt und andererseits Objektmodelle zur Dämpfungsabbildung aufgebaut und validiert. Die Methoden und Modelle werden dabei derart gestaltet, dass einerseits die Übertragbarkeit auf andere Maschinenkonzepte und -größen gegeben ist und andererseits die Streuungen der Untersuchungsobjekte Berücksichtigung finden, um das Dämpfungsverhalten der Gesamtmaschine prognostizieren zu können. Dafür wurden die Elemente einer seriennahen Werkzeugmaschinenstruktur ohne Gehäuse und Anbauteile untersucht. Hieraus entstanden validierte Modelle mit Parametersätzen und zugehörigen Vertrauensbereichen für Gestellbauteile, Pressverbände, verschraubte Fugen, Profilschienenführungen, Kugelgewindetriebe, Spindelkörper und -lager, Werkzeugschnittstellen, Keilschuhe, Kupplungen, Motoren und Energieketten. Am Versuchsträger wurde nachgewiesen, dass mit den identifizierten Objektmodellen das dynamische Verhalten mit hoher Genauigkeit prognostiziert werden kann. Durch die Untersuchung verschiedener Einflussfaktoren, wie beispielsweise Vorspannung und Schmierzustand von Maschinenelementen sowie Bewegung und Regelung, wird zudem das Verständnis über die Dämpfungseffekte in Werkzeugmaschinen erhöht. Mit der erreichten Prognosegenauigkeit und dem erweiterten Verständnis über die Dämpfungseigenschaften und deren Wirkung kann die Produktivität von Werkzeugmaschinen gezielter ausgelegt und optimiert werden als das mit dem bisherigen Stand der Technik möglich war.
