Entwicklung und Erprobung eines Konzepts zur Gewichtsreduzierung und Dynamiksteigerung bei Hochpräzisionswerkzeugmaschinen durch die Kompensation der statischen und dynamischen Strukturverlagerung

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Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Reduzierung des Gewichts und des Volumens von Hochpräzisionswerkzeugmaschinen, um die Flexibilität und Modularisierbarkeit zu steigern. Weiterhin wird die Dynamik der Verfahrbewegungen der Maschinenachsen, insbesondere der Ruck, gegenüber der Dynamik heute am Markt verfügbarer Werkzeugmaschinen für die Hochpräzisionsbearbeitung gesteigert. Dazu wird die Maschinenstruktur in einer Strukturoptimierung mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) und der Simulation von Mehrkörper-Systemen (MKS) als nachgiebiges schwingungsfähiges System mit definierten Eigenschwingungsformen modelliert und in einem Versuchsstand realisiert. Die im Vergleich zu üblichen, steif ausgelegten Maschinen große Positionsabweichung des Tool-Center-Points (TCP) relativ zur Bearbeitungsstelle wird zur Gewährleistung der Arbeitsgenauigkeit während der Bearbeitung aktiv kompensiert. Da die Positionsabweichung nicht direkt erfasst werden kann, wird eine nichtparametrische Systemidentifikation der Struktur durchgeführt und ein physikalischmathematisches Rechenmodell entwickelt, welches die Positionsabweichung im Zeitbereich aus Messdaten der Antriebssysteme und zusätzlichen Sensorsignalen während der Bearbeitung vorausberechnet und der Steuerung zur Verfügung stellt. Die Kompensation wird mittels der linearmotorgetriebenen Maschinenachsen durchgeführt. Im ersten Forschungsjahr wurde ein Versuchsstand bestehend aus einem Linearantriebsmodul, einer das Maschinengestell repräsentierenden nachgiebigen Struktur und einem Steuerungssystem aufgebaut und in Betrieb genommen. An dem Versuchsstand wurde die Umsetzbarkeit der Gestellauslegung im Sinne des geforderten Eigenschwingungsverhaltens nachgewiesen. Darüber hinaus wurde ein Steuerungskonzept entwickelt und umgesetzt, das die Implementierbarkeit der Rechenmodelle und Kompensationsalgorithmen sowie zusätzlicher Sensorik sicherstellt und um eine Standard-CNCSteuerung erweitert werden soll. Im hier beantragten zweiten Förderzeitraum stehen die Modellbildung des Systems mit der FE-Methode und als Mehrkörpersystem, die Integration der komplexen Modelle in die Steuerperipherie sowie die steuerungs- und regelungstechnischen Maßnahmen zur Echtzeitkompensation im Fokus. Weiterhin wird der Versuchsstand zu einem Drei-Achs- System erweitert, um eine vollständige Kompensation der translatorischen Verlagerung im Raum zu realisieren. Das Drei-Achs-System wird nach erfolgreicher Kompensation als Mikrofrässystem ausgerüstet, um das Konzept abschließend für die Fertigungstechnologie des Hochpräzisions-Mikrofräsens zu qualifizieren. In einem vierten Forschungsjahr werden Schwerpunkte auf der Berücksichtigung von Störgrößen, beispielsweise Bearbeitungskräfte, die größer als beim Mikrofräsen sind liegen, sowie auf der Erweiterung des Konzepts für Fünf-Achs-Werkzeugmaschinen liegen.