Aktive Ruckentkopplung für Werkzeugmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Berend Denkena
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 269666724

Für die Hochgeschwindigkeitszerspanung z. B. von Aluminium werden Werkzeugmaschinen (WZM) mit einer hohen Achsdynamik benötigt. Hierfür ist ein schneller Aufbau der maximalen Beschleunigung erforderlich. Aufgrund hoher Ruckwerte in direkt angetriebenen Achsen wird die Maschinenstruktur jedoch zu Schwingungen angeregt, sodass dynamische Auslenkungen des Maschinenbettes oder des Tool-Center-Points die Genauigkeit der WZM negativ beeinflussen. Als Gegenmaßnahme erfolgt i. d. R. eine Begrenzung der Reglerdynamik. Als Folge wird das Potenzial von Lineardirektantrieben nicht vollständig genutzt. Neuartige Ansätze zur Reduzierung dieses Effekts sind Ruck- oder Impulsentkopplungen (passive Ruckentkopplung, im Folgenden: passive REK bzw. PREK). Als mechanischer Tiefpassfilter wird ein zusätzlicher Feder-Masse-Dämpfer in die Maschinenstruktur integriert. Prinzipbedingt fügt dieser dem System jedoch eine weitere Resonanz hinzu. Die Einstellung der REK-Parameter ermöglicht einen Kompromiss zwischen der Amplitude der hinzugefügten REK-Resonanz und den resultierenden Strukturschwingungen. Dieses Verfahren stößt bei hochgedämpften WZM und niederfrequenten Schwingungen an seine Grenzen. Zudem müssen die notwendigen Parameter für jeden Maschinentyp individuell bestimmt werden. Das IFW hat daher in der ersten Projektphase des Grundlagenprojekts „Aktive Ruckentkopplung für WZM“ eine Methode erforscht, mit der durch zusätzliche aktive Elemente sowohl die Gestell- als auch die REK-Resonanz wesentlich reduziert werden können. In der ersten Projektphase wurde gezeigt, dass durch die zusätzlichen Aktoren die Gestell- und REK-Resonanzen deutlich reduziert werden. Es wurde weiterhin gezeigt, dass die modellbasierten Regelungsansätze zur Regelung der aktiven Elemente anfällig für Modellungenauigkeiten aufgrund von Änderungen der dynamischen Maschineneigenschaften sind. Zudem müssen die notwendigen Reglerparameter für jeden Maschinentyp individuell ausgelegt werden. Durch die Komplexität der Regelung kann die aktive Ruckentkopplung (AREK) momentan nicht ohne signifikanten Mehraufwand auf unterschiedliche Maschinenkinematiken übertragen werden. In der beantragten zweiten Projektphase wird daher ein autonomer, sich selbst parametrierender, robuster REK-Regler (SP-AREK) erforscht, der eine Inbetriebnahme ohne Expertenwissen ermöglicht. Hierfür wird zunächst ein robuster SP-AREK Regler anhand eines Prüfstands erforscht. Durch die Übertragung auf eine weitere Maschinenstruktur wird die Übertragbarkeit der Methode erforscht. Anhand der Erforschung der Wechselwirkungen von SP-AREK und Prozesskräften werden die Potenziale und Grenzen der SP-AREK für den Bearbeitungsprozess ermittelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen