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Maschinenschwingungen im Griff

Maschinenschwingungen im Griff

© IFW
Prüfstand aktive Ruckentkopplung

Gleichzeitig schneller und präziser! Häufig stellen Maschinenschwingungen einen Zielkonflikt zwischen schneller Positionierung und höherer Genauigkeit der Vorschubachsen dar. Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) erforscht daher die Methode der „aktiven Ruckentkopplung“, um die Grenzen von Maschinendynamik und Genauigkeit weiter zu verschieben. In dem DFG-geförderten Projekt „Aktive Ruckentkopplung für Werkzeugmaschinen“ werden Maschinenschwingungen durch ein mechatronisches Dämpfungssystem aktiv kompensiert.

Für Bearbeitungsprozesse mit vielen Richtungswechseln, wie z. B. bei der Fräsbearbeitung von Strukturbauteilen aus Aluminium für die Luft- und Raumfahrt, ist ein schnelles Erreichen der eingestellten maximalen Achsbeschleunigung für die Erreichung minimaler Bearbeitungszeiten ausschlaggebend. Hierdurch können die maximalen Geschwindigkeiten für den Bearbeitungsprozess auch bei kurzen Verfahrwegen erreicht werden. „Eine große Herausforderung dabei ist, die hohen Anforderungen an die Positioniergenauigkeit und Bahntreue zu erfüllen“, erläutert Projektmitarbeiter Marcel-Frederic Böhse. Aufgrund des erforderlichen hohen Rucks (zeitliche Änderungen der Achsbeschleunigung) der eingesetzten Lineardirektantriebe werden die Komponenten der Werkzeugmaschine zu Schwingungen angeregt. Durch die Maschinenschwingungen wird die Genauigkeit der Werkzeugmaschinen gemindert und die Bauteilqualität reduziert.

Ein neuartiger Ansatz den Zielkonflikt zwischen Genauigkeit und Achsdynamik zu lösen, ist die Ruck- oder Impulsentkopplung. Durch die Integration von Feder-Dämpfer-Elementen und einem zusätzlichen Entkopplungs-Schlitten zwischen Hauptantrieb und Maschinenstruktur werden die Strukturschwingungen des Maschinengestells reduziert. Dieses Verfahren stößt aufgrund der zugefügten Resonanzstelle an Grenzen bei hochgedämpften Werkzeugmaschinen und niederfrequenten Schwingungen. Böhse: „Genau an der Leistungsgrenze der passiven Ruckentkopplung setzt die aktive Ruckentkopplung als aktives mechatronisches Zusatzsystem an“. Die aktive Ruckentkopplung erweitert die passive Ruckentkopplung durch die Integration von zusätzlicher Aktorik und Sensorik im Kraftfluss. Hierbei sorgen die Feder-Dämpfer-Elemente in Kombination mit dem Entkopplungs-Schlitten für die Reduzierung der hochfrequenten Strukturschwingungen des Maschinengestells. Zusätzlich können durch die modellbasierte Regelung der Aktorkraft die Schwingungen im tieferen Frequenzbereich durch Kompensationskäfte reduziert werden. 

Anhand eines ersten Funktionsmusters in Form eines aktiv Ruckentkoppelten Kreuztisch-Versuchsstands konnte Wissenschaftler Böhse die Wirkungsweise der aktiven Ruckentkopplung erfolgreich nachweisen. Durch das Tiefpassverhalten der passiven Ruckentkopplung wird die maximale dynamische Nachgiebigkeit des Maschinenbetts bei 38 Hz um 80 % reduziert (von δ = 250 µm/kN auf 50 µm/kN). Und durch den Einsatz der aktiven Ruckentkopplung wird die Resonanzüberhöhung im tiefen Frequenzbereich (5 Hz) um 50 % (von δ = 100 µm/kN auf 50 µm/kN) reduziert. Marcel-Frederic Böhse: „Das weitere Ziel ist es nun die aktive Ruckentkopplung in eine Werkzeugmaschine zu integrieren, um die Wechselwirkung mit dem Zerspanprozess zu erforschen“. Hierbei soll der Grad der Autonomie der Methode der aktiven Ruckentkopplung signifikant erhöht werden. Durch eine autonome Parametrierung des Reglers kann der Prozess der Inbetriebnahme vereinfacht werden. Gleichzeitig kann so schnell auf Systemänderungen reagiert werden. Marcel-Frederic Böhse: „Durch die autonome Selbstparametrierung vollziehen wir einen weiteren Schritt von der Grundlagenforschung zur Marktreife der aktiven Ruckentkopplung“.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Marcel-Frederic Böhse, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen per E-Mail unter boehse@ifw.uni-hannover.de oder unter der Telefonnummer +49 511 762 18311 gerne zur Verfügung.