Parallelkinematische Maschinen (eBook)

Entwurf, Konstruktion, Anwendung

Reimund Neugebauer (Herausgeber)

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2006 | 2006
XIV, 262 Seiten
Springer Berlin (Verlag)
978-3-540-29939-4 (ISBN)

Infos

Parallelkinematische Maschinen stellen die spektakulärste Innovation auf dem Gebiet der Maschinenstrukturen im letzten Jahrzehnt dar. Das als Nachschlagewerk konzipierte Buch vereint erstmals das umfangreiche Wissen zu diesem Thema. Der konstruktive Entwicklungsprozess parallelkinematischer Maschinen und der Einsatz in der industriellen Fertigung werden an Beispielen dargestellt.

Schwerpunkte bilden die praktischen Anforderungen an parallelkinematische Maschinen, deren strukturelle Konzeption, die richtige Auslegung von Steuerung und Komponenten sowie die messtechnische Bewertung solcher Maschinen. Probleme der Modellbildung werden ebenfalls dargestellt. Einsatzerfahrungen, wie sie mit parallelkinematischen Werkzeugmaschinen und Handhabeeinrichtungen gewonnen wurden, und Felder potenzieller Anwendungen werden genauso beschrieben wie Gesichtspunkte der Programmierung solcher Maschinen. Ein einführender historischer Abriss und Erläuterungen zur Terminologie runden das Buch inhaltlich ab.

Ein Verzeichnis der verwendeten Formeln, ein ausführliches Literaturverzeichnis sowie ein Sachverzeichnis sind Hilfen, die dem Leser das Arbeiten mit dem Buch erleichtern.

Professor Dr.-Ing. habil. Reimund Neugebauer, Jahrgang 1953, studierte Werkzeugmaschinenkonstruktion an der TU Dresden. Von 1979 bis 1984 war er als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Oberassistent an der TU Dresden tätig und promovierte dort 1984. Nach leitender Tätigkeit bei Umformtechnik ERFURT und der Habilitation wurde er 1989 als Hochschullehrer an die TU Dresden berufen. Seit 1992 ist er Institutsleiter des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik in Chemnitz. 1995 wurde er zum Ordinarius für Werkzeugmaschinen an die TU Chemnitz berufen. Seit 2000 leitet er das Universitätsinstitut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse. Professor Neugebauer ist Mitglied der Arbeitsgemeinschaft Umformtechnik (AGU), Mitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik e.V. (WGP), Korrespondierendes Mitglied der Internationalen Forschungsgemeinschaft für Mechanische Produktionstechnik (CIRP) und Präsident des Industrievereins Sachsen 1828 e.V.

Inhalt

Vorwort 6
Autorenverzeichnis 8
Inhaltsverzeichnis 10
Formelzeichen und Abkürzungen 14
1 Einleitung 16
1.1 Was sind Parallelkinematiken? 16
1.2 Historischer Überblick 17
Teil I:Grundlagen des Entwurfsvon Parallelkinematiken 22
2 Strukturkonzeption 24
2.1 Allgemeine Kriterien 24
2.2 Struktursystematik 28
2.3 Kinematik 50
2.4 Grundlegende Bemessung 64
2.5 Optimierung 70
3 Steuerungskonzeption 86
3.1 Anforderungen 86
3.2 Basisfunktionen 89
3.3 Lagebestimmung und -regelung 98
3.4 Kalibrierung und Kompensation 101
4 Theoretische Modellbildung 106
4.1 Übersicht 106
4.2 Modellbildung und Simulation der mechanischen Struktur 108
4.3 Simulation des Gesamtverhaltens 120
5 Experimentelle Modellbildung 138
5.1 Vorbetrachtung 138
5.2 Messung statischer Eigenschaften 140
5.3 Messung dynamischer Eigenschaften 146
5.4 Messung thermoelastischer Eigenschaften 150
Teil II: Maschinengestaltung und Einsatzerfahrungen Ausgewählte Beispiele
6 Komponenten 156
6.1 Übersicht 156
6.2 Strebe und Antrieb 157
6.3 Gelenke 177
6.4 Gestell 189
6.5 Adaptronische Komponenten 196
7 Anwendung von Parallelkinematiken: Beispiele 206
7.1 Werkzeugmaschinen 206
7.2 Handhabungseinrichtungen 236
7.3 NC-Programmierung und Referenzbeispiel 247
Terminologie 256
Literatur 260
Sachverzeichnis 274

Textauszug

5 Experimentelle Modellbildung (S. 123-125)

5.1 Vorbetrachtung

Die Zielstellung der messtechnischen Bewertung von Maschineneigenschaften besteht im Wesentlichen in der Beantwortung zweier Fragen:

1. Entsprechen die Maschineneigenschaften den Erwartungen?
2. Was sind die Ursachen für eventuelle Abweichungen?

Die Erwartungswerte resultieren aus projektierten und konstruktiv realisierten Parametern, die sich ihrerseits aus den Anforderungen an die zu entwickelnde Maschine ableiten. Nach Abschluss der Konstruktion liegen die Erwartungswerte beispielsweise als Ergebnisse von Rechnungen mit Finite-Elemente-Modellen vor. Ein wesentlicher Unsicherheitsfaktor bei solchen Simulationen ist die ungenaue Kenntnis des Steifigkeits- und Dämpfungsverhaltens von Koppelstellen. Bei Parallelkinematiken sind das insbesondere die Gelenke, die Führungen und die mechanischen Antriebskomponenten. Es ergeben sich somit auch weitere Zielstellungen, z. B., Ergebnisse aus den genannten Simulationsrechnungen zu verifizieren oder anhand von Messwerten abzugleichen.

Eine messtechnische Bewertung setzt die Verfügbarkeit einer Maschine oder wichtiger Baugruppen voraus, und sie ist zeit- und kostenaufwändig. Experimentelle Eigenschaftsermittlungen werden deshalb zweckmäßig an Prototypen durchgeführt, mit der Möglichkeit, nicht tolerierbare Abweichungen konstruktiv zu beheben.

Eine weitere wichtige Fragestellung zielt auf die zu erwartende dynamische Prozessstabilität. Diese wird sowohl von den Maschineneigenschaften als auch von technologischen Parametern sowie den Werkstück- und Werkzeugeigenschaften beeinflusst. Sie ist im Kontext mit konkreten Bearbeitungsaufgaben zu sehen und wird im Folgenden mit den dynamischen Maschineneigenschaften betrachtet.

Anhand der globalen Eigenschaften Arbeitsgenauigkeit, Leistungsvermögen, Umweltverhalten und Zuverlässigkeit können sowohl serielle als auch parallelkinematische Maschinen ausreichend bewertet werden. Für die globalen Eigenschaften gelten die folgenden Zuordnungen [148]:

• Die Arbeitsgenauigkeit wird durch das kinematische und geometrische Verhalten der Maschine beschrieben, relevante Einflussgrößen sind die konstruktive Auslegung, die Herstellungs- und Montagegenauigkeit sowie das elastische Last- und Verformungsverhalten hinsichtlich angreifender Gewichtskräfte, statischer und dynamischer Prozesskräfte, Massenkräfte und Wärmelasten.
• Das Leistungsverhalten wird durch Drehzahlen, Momente, Achsvorschübe und -beschleunigungen sowie die Werkzeug- bzw. Werkstückwechselzeiten beschrieben.
• Das Umweltverhalten umfasst die Geräusch- und Vibrationsemissionen, die Belastung mit Hilfsstoffen und Prozessabfällen, den Unfallschutz und die Ergonomie.
• Die Zuverlässigkeit wird bestimmt von der Ausfallhäufigkeit, der Prozessstabilität und der Instandsetzbarkeit.

Die Mess- und Bewertungsmethoden für die beiden letztgenannten globalen Eigenschaften unterscheiden sich nicht von denen seriellkinematischer Maschinen. Sie sind deshalb auch nicht Gegenstand weiterer Betrachtungen. Für die Beantwortung der Frage nach vorhandenen Abweichungen von Erwartungswerten hinsichtlich der Arbeitsgenauigkeit und des Leistungsverhaltens müssen die Eigenschaften entweder direkt an der Wirkstelle zwischen Werkzeug und Werkstück oder indirekt anhand von Musterwerkstücken messtechnisch ermittelt werden. Die Mess- und Bewertungsmethoden hierzu unterscheiden sich ebenfalls nicht grundsätzlich von denen an seriellen Kinematiken. Insbesondere das kinematische Verhalten einschließlich der Positionierunsicherheit kann gleichermaßen an seriell- und parallelkinematischen Maschinen auf Basis von Maschinenabnahmevorschriften entsprechend [25] für Bearbeitungszentren und [63] für Drehzentren geprüft werden.

Ein deutlicher Unterschied in den anzuwendenden Mess- und Bewertungsmethoden besteht bei Parallelkinematiken in der Ursachenermittlung für Abweichungen. Die Messungen an der Wirkstelle liefern Summeninformationen aus allen relevanten Einflüssen. Bei der Ursachenermittlung sind aber die anteiligen Einflüsse auf die festgestellten Abweichungen zu ermitteln. Das ist bei seriell aufgebauten Kinematiken relativ einfach, weil die Fehleranteile der einzelnen Maschinenachsen in Bezug zum Werkzeugmittelpunkt als weitestgehend entkoppelt angesehen werden können. Die Ermittlung anteiliger Einflüsse bei parallelkinematischen Maschinen gestaltet sich wegen der gekoppelt wirkenden Komponenten schwieriger, weil einerseits gemessene Abweichungen in der Regel nicht mehr direkt einzelnen Maschinenkomponenten zuzuordnen sind und andererseits der anteilige Einfluss zusammenwirkender Komponenten abhängig ist von den Posen und Positionen der Arbeitsplattform im Arbeitsraum.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 30.3.2006
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Reihe/Serie: VDI-Buch
• Zusatzinfo: XIV, 262 S.
• Verlagsort: Berlin
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Themenwelt: Wirtschaft
• Schlagworte: Experimentelle Modellbildung • Fertigung • Getriebetechnik • Handhabeeinrichtungen • Industrie • Komponenten • Maschine • Maschinenstrukturen • Nachschlagewerk • Parallelkinematiken • Programmierung • Steuerung • Strukturkonzeption • Werkzeug • Werkzeugmaschinen
• ISBN-10: 3-540-29939-4 / 3540299394
• ISBN-13: 978-3-540-29939-4 / 9783540299394