SFB653 – N1: Gentelligente Maschinenkomponenten für Werkzeugmaschinen

Das Teilprojekt N1 stellt das zentrale Demonstrationsprojekt des SFB 653 dar. Durch die systematische Untersuchung gentelligenter Technologien innerhalb funktionsfähiger Werkzeugmaschinenkomponenten werden Erkenntnisse hinsichtlich der Umsetzung, Nutzungspotenziale und Leistungsfähigkeit gewonnen. Schwerpunkte des Teilprojekts sind die Erforschung gentelligenter Komponenten, die Interaktion zwischen diesen Komponenten und die Vererbung von Lebenszyklusinformationen. Mit den vorgesehenen Forschungsarbeiten wird die Vision verfolgt, eine „fühlende“ Werkzeugmaschine zu realisieren. Das Ziel besteht darin, mit Hilfe verteilter, verschiedenartiger, inhärenter sensorischer Fähigkeiten beliebige Prozess-, Maschinen- und Werkstückzustände zu erfassen und zu interpretieren. Diese Fähigkeiten sollen zur Zustandsüberwachung, Eigenschaftsanpassung und evolutionären Komponentenverbesserung genutzt werden.

In den ersten zwei Projektzeiträumen wurde eine erste Generation gentelligenter Maschinenkomponenten in Form eines modularen sensorischen Werkstückspannsystems und eines sensorischen Spindelschlittens (Bild 1) aufgebaut und in ein Fräsbearbeitungszentrum integriert. Zur sensorischen Auslegung dieser Komponenten wurden simulationsbasierte Methoden entwickelt. Mit Hilfe eines Ansatzes zur gezielten lokalen Adaption von Kraftflüssen in den hochsteifen Komponentenstrukturen konnte die Sensitivität dieser Komponenten hinsichtlich einwirkender mechanischer Belastungen deutlich gesteigert werden (Bild 2), ohne die Gesamtsteifigkeit zu reduzieren (Bild 3). Es konnte zudem eine integrierte Kommunikations- und Informationsverarbeitungsstruktur implementiert und in umfangreichen Versuchsreihen hinsichtlich des Potentials zur Prozess- und Maschinenüberwachung untersucht werden. Zu den innovativen und erfolgreich umgesetzten Anwendungen der “fühlenden” Werkzeugmaschine zählen die Online-Messung der Werkzeugsteifigkeit und die Online-Detektion der Werkzeugabdrängung im Fräsprozess.

Ziel des Teilprojekts N1 im aktuellen Projektzeitraum ist es, den Aufbau und die Nutzungspotentiale „fühlender“ Werkstücke in einer Werkzeugmaschine zu erforschen. Das erste Arbeitspaket des Teilprojektes befasst sich mit der Realisierung von „fühlenden“ Werkstücken, die befähigt werden, in Kooperation mit der „fühlenden“ Werkzeugmaschine, die eigene Bearbeitung zu überwachen und zu optimieren. Im zweiten Arbeitspaket wird eine neue Generation von sensorischen Komponenten mit verbesserter Funktionsinhärenz für die „fühlende“ Werkzeugmaschine entwickelt. Darauf basierend wird im dritten Arbeitspaket eine Kommunikationsarchitektur erforscht und umgesetzt, die die entwickelten sensorischen Maschinenkomponenten und Werkstücke unter Fertigungsbedingungen zusammenführt und steuert. Die aus den sensorischen Maschinenkomponenten und fühlenden Werkstücken zur Verfügung stehenden Informationen werden im vierten Arbeitspaket zur Erarbeitung von Methoden für die Prozess-, Bauteil- und Maschinenüberwachung genutzt. Zur Kompensation der mit Hilfe der Überwachung detektierten Prozessfehler (bspw. Anteile der Werkstück- und Werkzeugabdrängung) wird im letzten Arbeitspaket der Einsatz von adaptiven Regelungsverfahren untersucht.