Forschungsprojekte

Adaptive Spindelhalterung zur Schwingungskompensation an Werkzeugmaschinen

Zielbranchen

Werkzeugmaschinenbau

Problemstellung

Bei der Eigenschaftsverbesserung von Werkzeugmaschinen müssen die konkurrierenden Forderungen nach einer hohen Produktivität und gleichzeitig hoher Fertigungsqualität berücksichtigt werden. Die Genauigkeit und Oberflächenqualität kann mit herkömmlichen konstruktiven Lösungen nicht mehr in einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand verbessert werden.

Lösung

Gesteigerte Dynamik, fehlende Dämpfung und wechselnde Fertigungsaufgaben begrenzen die Prozessstabilität. Die Funktionalität von Werkzeugmaschinen kann durch subkinematische Antriebe erweitert werden. Das Konzept für die adaptive Spindelhalterung beinhaltet die Kompensation von Verformungen des Werkzeugs, die ergänzende Feinpositionierung sowie die Schwingungskompensation. Das dezentral gesteuerte Subsystem bestehend aus Aktorik, Sensorik und Reglerstruktur ist in vorhandene Werkzeugmaschinenkonzepte modular integrierbar.

Bei der konkreten Anwendung wird die HSC-Motorspindel von einer Hexapod-Kinematik gehalten und in fünf Freiheitsgrade bewegt. Die sechste Richtung wird durch ein kardanisches Festkörpergelenk gebunden. Die Bewegungsparameter ergeben sich aus den maximalen Hüben und den Anstellwinkeln der Piezoaktoren.

Durch die Berücksichtigung von Nachgiebigkeiten, beschrieben durch die Gestaltungsfaktoren der Kinematik, war es möglich, das Bewegungsverhalten und den Arbeitsraum des Endeffektors anhand einer Simulation zu ermitteln. Die Simulationsergebnisse wurden durch Untersuchungen am realen Objekt bestätigt. Durch den parallelkinematischen Antrieb werden im quasistatischen Bereich hohe Stellkräfte realisiert. Gleichzeitig ermöglichen die Piezoaktoren aufgrund der geringen bewegten Massen hochdynamische Zustellbewegungen.

Im Auftrag eines Industriepartners wurden die Einsatzgrenzen des adaptiven Systems hinsichtlich der quasistatischen Kennwerte der piezobasierten Baugruppe analysiert und die Bandbreite der aktiven Schwingungsminderung des Systems ermittelt. Die aktive Regelung ist bis 250 Hertz wirksam und reduziert Resonanzspitzen deutlich. Um eine hohe Positioniergenauigkeit zu erreichen, wird ein direktes Messsystem zur Positionsbestimmung des Endeffektors eingesetzt. Integriert in eine Reglerstruktur erreicht die Kinematik eine minimale Schrittweite von 0,3 μm bei einem Achsstellbereich von bis zu +/-60 μm. Es wurde eine Erhöhung der effektiven statischen Steifigkeit nachgewiesen.