SimTech Posenidentifikation

Hintergrund

Werkzeugmaschinen, speziell in Gantry- und Fahrständerbauweise, haben posenabhängige Eigenfrequenzen innerhalb ihres Arbeitsraumes. Diese lassen sich durch die Kragbalkenstrukturen und die sich ändernden Trägheitsverhältnisse erklären. Variable Eigenfrequenzen werden bei der Reglereinstellung im Allgemeinen nicht berücksichtigt und die Regler werden nach dem dynamisch schlechtesten Fall eingestellt.



Problemstellung

Die Einsparung von Rohstoffen und Ressourcen in Produktionsanlagen ist ein langfristiges Ziel der Europäischen Kommission, welches durch die Richtlinie 2009/125/EG forciert wird. Eine Möglichkeit zur Ressourceneinsparung in Werkzeugmaschinen ist die Massenreduktion der Strukturbauteile.

Bei einer, über die Topologieoptimierung hinausgehenden, Massenreduktion der Strukturbauteile von Werkzeugmaschinen werden die dynamischen Steifigkeiten ebendieser Strukturen reduziert. Dies hat wiederum Auswirkungen auf die auftretenden Strukturschwingungen. Diesen muss mit aktiven Schwingungsreduktionsmethoden begegnet werden. Allerdings sind bei vielen herkömmlichen Schwingungsreduktionsmethoden die genaue Kenntnis der aktuell auftretenden Eigenfrequenz und Eigenform essentiell. Diese variieren jedoch über den Arbeitsraum der Maschine und sind weiterhin vom Bearbeitungszustand abhängig. Die alleinige messtechnische Erfassung der auftretenden Eigenfrequenzen ist sehr aufwändig. Die detaillierte Modellierung des posenabhängigen dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen ist nicht weniger kostenintensiv. Weiterhin ist die Übereinstimmung von Modell und Realität bei dem komplexen System einer Werkzeugmaschine mit Mehrskalen- und Multiphysiksimulationen ohne Parameteranpassung fraglich. Aufgrund der Rechenzeit ist die echtzeitfähige Integration eines sehr detaillierten Modells in industrielle Steuerungstechnik aktuell nicht möglich.



Kenntnisgewinn

Dieses Projekt verbindet den modellbasierten mit dem messtechnischen Ansatz. Die Parameter relativ einfacher, genereller Werkzeugmaschinenmodelle in Fahrständer- und Gantrybauweise werden über steuerungsinterne Signale und über zusätzliche Sensorsignale an das aktuelle dynamische Verhalten der Werkzeugmaschine angepasst. Die Modelle sind als parametrische Mehrkörpermodelle mit definierten Eigenmoden realisiert. Diese Eigenmoden können aufgrund der Bauform der Strukturen als dominant vorhergesagt werden. Die Modellparameter werden online über rekursive Least-Squares-Algorithmen an das aktuelle reale dynamische Maschinenverhalten angepasst. Diese Modelle wiederum können zur Echtzeitregelung bzw. -schwingungsreduktion verwendet werden. Der beschriebene Ansatz wird am ISW für den dargestellten Laborprototyp einer Leichtbauwerkzeugmaschine in Fahrständerbauweise umgesetzt. 



Förderung

Das Projekt wird im Rahmen des Exzellenzclusters SimTech gefördert.