Entwicklung einer redundanten Maschinenkinematik auf Basis eines kartesisch-polaren Systems

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Die Anforderungen an die Dynamik von Werkzeugmaschinen sind in den letzten Jahren stetig gestiegen. Dazu wird ein immer höheres Beschleunigungsvermögen der Antriebsachsen für eine schnelle Positionierung sowie für die Realisierung von hochgenauen Kreisbahnen benötigt. Dabei ermöglichen Lineardirektmotoren oder hochdynamische Kugelgewindetriebe derart hohe Achsenbeschleunigungen, wobei aber die Dynamik einer Maschine in erster Linie nicht durch die Antriebe, sondern durch die zugrunde liegende Maschinenstruktur begrenzt wird. Die bei der Bewegung wirkenden Trägheitskräfte sind dabei die maßgebenden Strukturbelastungen. Die maximale Beschleunigung, mit der die zulässige Bahnabweichung gewährleistet wird, wird durch die Struktursteifigkeit der Maschine begrenzt. Andererseits gewinnt die Ruckbegrenzung bei hohen Beschleunigungen an Bedeutung, da die Positionierungszeit bei kleinen Verfahrwegen durch den Ruck begrenzt wird. Hierbei spielen die Struktursteifigkeit und die bewegte Masse eine entscheidende Rolle für die einstellbare maximale Ruckbegrenzung. Im Rahmen dieser Anforderungen weisen redundante Kinematiken ein hohes Potential für die Steigerung der Produktivität und der erreichbaren Bearbeitungsgenauigkeit in der spanenden Bearbeitung auf. Während die eine Kinematik mit einem kleinen Arbeitsraum und demzufolge mit kleinen zu bewegenden Massen die hochdynamischen Bewegungen übernimmt, wird durch eine langsamere Kinematik der zur Verfügung stehende Arbeitsraum nachhaltig erweitert. Durch die synchrone Bewegung der redundanten Achsen werden die Trägheitskräfte und somit die Strukturbelastungen vermindert, höhere Vorschubgeschwindigkeiten mit höheren Genauigkeiten werden möglich. Dagegen entstehen aber neue Herausforderungen in Bezug auf eine aufwändigere Konstruktion, Bahnplanung und die Steuerung einer solchen Kinematik. Ziel des hier beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer redundanten Kinematik für spanende Werkzeugmaschinen auf Basis theoretisch-simulativer Untersuchungen. Für die hochdynamischen Bewegungen ist eine polare Kinematik vorgesehen, die insbesondere für die Realisierung nicht gerader bzw. kreisförmiger Konturen erhebliche Vorteile bietet. Die Integration dieser polaren Kinematik in eine kartesische Kinematik erweitert den Arbeitsraum. Der erste Schritt des Vorhabens war die Analyse und die Ermittlung der optimalen Bahnaufteilung zwischen den beiden Kinematiken mit Hilfe genetischer Algorithmen. Hierzu waren Bewegungsstrategien zu entwickeln, die wiederum als Werkzeug für die Auslegung und Dimensionierung der Kinematiken selbst dienen. Auf Basis dieser Bewegungsstrategien wurden die kinematischen Achsen für eine breite Palette von Anwendungsfällen bzw. Werkstückspektren optimal dimensioniert und das jeweilige Verhältnis der durch die polare und kartesische Kinematik abzudeckenden Arbeitsräume festgelegt, womit die kinematischen Vorteile für jeden Anwendungsfall untersucht werden konnten. Daraus wurden neue Konstruktionslösungen für die polaren Achsen entwickelt. Anhand dieser Konstruktionsbeispiele wurden die Steifigkeiten und Massen der Strukturen sowie die erreichbaren Beschleunigungen und Ruckbegrenzungen in Abhängigkeit der zulässigen Bahnabweichung analysiert und optimiert. Die Auslegung und Dimensionierung der entwickelten kartesischen und polaren Kinematiken erfolgte auf Basis von am Markt verfügbaren Maschinenkomponenten wie Antriebe, Führungen, Lager usw. Die Steifigkeiten und Massen der tragenden Maschinenstruktur wurden mit Hilfe der Finiten Elemente Methode bzw. die wirkenden Belastungen mit der elastischen Mehrkörpersimulation berechnet und optimiert.