Simulationsgestützte Bewertung und Optimierung mechatronischer Werkzeugmaschinen

Zielbranchen

Werkzeugmaschinenbau, Metallerzeugung und -bearbeitung, Maschinenbau

Problemstellung

Geregelte mechatronische Antriebssysteme bestimmen die erreichbare Fertigungsgenauigkeit und Leistungsfähigkeit von Produktionssystemen. Nur im optimalen Zusammenspiel des komplexen Gesamtsystems aus Mechanik, Antrieb, Regelung und Prozess können höchste Anforderungen hinsichtlich Qualität, Effizienz und Performance erzielt werden.

Lösung

Zur Simulation des dynamisch-mechatronischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen ist die Zusammenführung des Verhaltens der Mechanik – daher der statischen und dynamischen Steifigkeiten und die Abbildung der Eigenfrequenzen – mit dem Verhalten der digitalen Regelung notwendig. Die Variante der Einbindung der Mechanik in die Umgebung der Regelungssimulation wird am Fraunhofer IWU seit Jahren erfolgreich angewandt und weiterentwickelt.

Aufbauend auf einer FEM- oder experimentellen Modalanalyse der ungeregelten Werkzeugmaschine erfolgt die Überführung in die Zustandsraumdarstellung, die anschließend das mechanische Systemverhalten innerhalb der Umgebung der Regelungssimulation abbildet. Die Nachbildung der Regelung und des Prozesses orientiert sich sehr stark an der Realität und ermöglicht die vollumfängliche Berücksichtigung typischer kaskadierter Reglerstrukturen von Vorschubachsen mit Lage- und Geschwindigkeitsregelkreis, Vorsteuerung der Sollwertvorgaben und Berücksichtigung diverser Filter und Verzögerungsglieder.

Im Ergebnis stehen Aussagen sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich zur Verfügung:

  • Erreichbare Bahngenauigkeit bei unterschiedlichen Bahnparametern (Beschleunigung, Ruck)
  • Reglerauslegung zur Vorhersage einstellbarer Regelparameter
  • Berechnung des Führungs- und Störverhaltens von Vorschubachsen
  • Bestimmung der Prozessstabilität und Grenzspanungstiefe
  • Hauptzeiten und Bahngenauigkeiten für definierte Bearbeitungsszenarien
  • Hinweise für den konstruktiven Eingriff