Blick ins Buch

Funktionalitätsverbesserung von spanenden Werkzeugmaschinen durch additive mechatronische Systeme

Berichte aus dem IWU, Band 116

Markus Wabner (Autor)

Welf-Guntram Drossel (Herausgeber)

Buch

200 Seiten

2020
Wissenschaftliche Scripten (Verlag)
978-3-95735-124-1 (ISBN)

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Additive mechatronische Systeme (AMS) sind geeignet, die Funktionalität von Werkzeugmaschinen (WZM) zu verbessern. Die Vielfalt und Redundanz der entwickelten Lösungen erschwert jedoch die optimale Berücksichtigung von AMS im frühzeitigen Entwicklungsprozess von WZM. In der vorliegenden Arbeit wird eine Vorgehensweise aufgezeigt, den möglichen Lösungsraum schon frühzeitig einzugrenzen und damit zielführende Lösungen effektiv zu kanalisieren. Hierfür werden im ersten Schritt Funktionalitätsgrenzen von WZM bewertet. Danach erfolgt die Definition von AMSFunktionsprinzipien und eines geeigneten Beschreibungsansatzes, um daraus allgemeine Eingriffsstrategien für AMS in WZM abzuleiten und vergleichend zu bewerten.
Abschließend werden die Auswirkungen der vorgeschlagenen Vorgehensweise auf den Entwicklungsprozess von WZM diskutiert. Anhand dreier Anwendungsbeispiele werden die erarbeiteten Vorgehensweise und Werkzeuge validiert und Grenzen aufgezeigt.

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Additive mechatronic systems (AMS) are suitable for improving the functionality of machine tools. However, the variety and redundancy of the solutions developed make it difficult to optimally take AMS into account in the early development process of machine tools. In the present work a procedure is shown to limit the possible solution space and thus to identify effective solutions at an early stage. For this purpose, the functional limits of machine tools are assessed in the first step. This is followed by the definition of AMS functional principles and a suitable description approach in order to derive general intervention strategies for AMS in machine tools and to evaluate them comparatively. Finally, the effects of the proposed procedure on the development process of machine tools are discussed. Using three application examples, the developed procedures and tools are validated and limits are shown.

1 EINLEITUNG

2 STAND DER WISSENSCHAFT UND TECHNIK
2.1 Begriffsabgrenzung additive mechatronische Systeme
2.2 Additive mechatronische Systeme für spanende Werkzeugmaschinen
2.2.1 Übersicht
2.2.2 AMS für Vorschubsysteme
2.2.3 AMS für Gestellkomponenten
2.2.4 AMS für Führungssysteme
2.2.5 AMS für Hauptspindeln
2.2.6 AMS für Werkzeuge und Werkzeugaufnahmen
2.2.7 AMS für Werkstücke und Werkstückaufnahmen
2.2.8 Neuordnung nach Integrationszielen
2.3 Entwicklungsmethoden für mechatronische Systeme
2.4 Entwicklungsmethoden für Werkzeugmaschinen
2.5 Schlussfolgerung und Defizite

3 ZIELSTELLUNG

4 EINGRIFFSPOTENZIALE ZUR FUNKTIONALITÄTSVERBESSERUNG VON WERKZEUGMASCHINENKOMPONENTEN

4.1 Übersicht

4.2 Mechanische Komponenten von Werkzeugmaschinen
4.2.1 Funktionen mechanischer Komponenten
4.2.2 Funktionalitätsbestimmende Parameter
4.2.3 Eingriffspotenziale

4.3 Mechanische Elemente von Servoachsen
4.3.1 Funktionen inhärenter mechatronischer Antriebssysteme
4.3.2 Funktionalitätsbestimmende Parameter
4.3.3 Einfluss mechanischer Parameter auf die Funktionalität von Servoachsen
4.3.3.1 Messsystemankopplung
4.3.3.2 Steifigkeit
4.3.3.3 Dämpfung
4.3.3.4 Dämpfung einer zweiten lastseitigen Trägheit
4.3.3.5 Elastischen Basis
4.3.4 Alternative steuerungs- und regelungsseitige Ansätze

4.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

5 BEWERTUNG VON EINGRIFFSSTRATEGIEN FÜR ADDITIVE MECHATRONISCHE SYSTEME

5.1 Übersicht

5.2 Funktionen additiver mechatronischer Systeme

5.3 Funktionalitätsbestimmende Kriterien

5.4 Vereinfachte Modellierung von AMS

5.5 Systemintegrationsszenarien

5.6 Diskussion von AMS-Szenarien zur Funktionalitätsverbesserung von WZM
5.6.1 Vorgehensweise
5.6.2 Betrachtete Reglungsstrategien
5.6.3 Betrachtete Eingriffsstrategien
5.6.4 Eingriffsstrategien für störkrafterregte mechanische Systeme
5.6.4.1 Parallel-strukturintegrierter Aktor
5.6.4.2 Inertialmasseaktor
5.6.4.3 Seriell-strukturintegrierter nachgeordneter Aktor, Masseverhältnis 1:99
5.6.4.4 Seriell-strukturintegrierter nachgeordneter Aktor, Masseverhältnis 1:1
5.6.4.5 Seriell-strukturintegrierter nachgeordneter Aktor, Masseverhältnis 99:1
5.6.4.6 Seriell-strukturintegrierter vorgeordneter Aktor, Masseverhältnis 1:99
5.6.4.7 Seriell-strukturintegrierter vorgeordneter Aktor, Masseverhältnis 1:1
5.6.4.8 Seriell-strukturintegrierter vorgeordneter Aktor, Masseverhältnis 99:1
5.6.5 Eingriffsstrategien für wegerregte mechanische Systeme
5.6.5.1 Seriell-strukturintegrierter Aktor mit starrer Maschine
5.6.5.2 Seriell-strukturintegrierter Aktor mit elastischer Maschine
5.6.6 Eingriffsstrategien für Servoachsen mit mechanischen Elastizitäten
5.6.6.1 Aktive Beeinflussung der lastseitigen Elastizität mittels parallel-strukturintegriertem Aktor
5.6.6.2 Aktive Beeinflussung der lastseitigen Elastizität mittels Inertialmasseaktor
5.6.6.3 Aktive Beeinflussung der lastseitigen Elastizität mittels seriell-strukturintegriertem nachgeordnetem Aktor
5.6.6.4 Aktive Erhöhung der Eigenfrequenz der lastseitigen Elastizität mittels parallel-strukturintegriertem Aktor
5.6.6.5 Redundantes Antriebssystem mit unabhängiger Sollwertvorgabe
5.6.6.6 Redundantes Antriebssystem mit Regelabweichung der Grundachse als Sollwertvorgabe für Zusatzachse

5.7 Zusammenfassung und Ableitungen von Auswirkungen auf den Entwicklungsprozess von Werkzeugmaschinen und additiven mechatronischen Systemen

6 ANWENDUNGSBEISPIELE

6.1 Übersicht

6.2 Aktive Schwingungsisolation von Werkzeugmaschinen
6.2.1 Zielstellung und Einordnung
6.2.2 Modell der Werkzeugmaschine
6.2.3 Aktive Schwingungsisolation mit vereinfachtem Isolatormodell
6.2.4 Konzept und Modell eines elektrohydraulischen Schwingungsisolators
6.2.5 Aktive Schwingungsisolation mit detailliertem Isolatormodell

6.3 Erzeugung von hochdynamischen Schwingbewegungen zum Festklopfen
6.3.1 Zielstellung und Einordnung
6.3.2 Prinzip des piezobasierten Festklopfwerkzeuges
6.3.3 Vereinfachte Modellierung von Klopfprozess, PFKW und WZM
6.3.4 Experimentelle Verifizierung

6.4 Aktive Dämpfung zur Erhöhung der Prozessstabilität beim Fräsen
6.4.1 Zielstellung und Einordnung
6.4.2 Modell der Werkzeugmaschine
6.4.3 Aktive Dämpfung mit vereinfachtem Aktormodell
6.4.4 Aktive Dämpfung mit detailliertem Aktormodell
6.4.5 Experimentelle Verifizierung

7 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

LITERATURVERZEICHNIS

ANLAGEN

Erscheinungsdatum	24.09.2020
Reihe/Serie	Berichte aus dem IWU ; 116
Zusatzinfo	107 Abbildungen und 5 Tabellen
Verlagsort	Auerbach
Sprache	deutsch
Maße	148 x 210 mm
Themenwelt	Technik ► Maschinenbau
Schlagworte	Adaptronik • Dämpfung • Mechatronik • Strukturmechanik • Vorschubsystem • Werkzeugmaschine
ISBN-10	3-95735-124-3 / 3957351243
ISBN-13	978-3-95735-124-1 / 9783957351241
Zustand	Neuware