Entwicklung einer redundanten Maschinenkinematik auf Basis eines kartesisch-polaren Systems

基于笛卡尔极坐标系统的冗余机器运动学的开发

基本信息

项目摘要

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.
在近几年里,机床的动力学和动力学都在不断发展。Dazu wird ein immer höheres Beschiungsvermögen der Antriebsachsen für eine schnelle Positionierung sowie für die Realisierung von hochgenauen Kreisbahnen benötigt.由于直线电机或高动力Kugelgewinebe derart hohe Achsenbesunigungen,因此,动力一个机器在第一直线上不是通过前面,而是通过前面的机器结构产生的。在Bewegung Rekenden Trägheitskräfte附近有一个巨大的结构。最大限度地提高整体性能,并通过机械结构实现最大化。因此,在最后一轮比赛中,如果没有比赛的话,那么在小范围的比赛中的位置就不会出现在比赛中。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.尽管冗余的Achsen韦尔登同步进行Trägheitskräfte和Strukturbelastungen vermindert,但Vorschubgeschwindigkeiten和他的Genauigkeiten韦尔登moglich。Dagegen entstehen aber neue Herausforderungen in Bezug auf eine aufwändigere Konstruktion,Bahnplanung und die Steuerung einer solchen Kinematik. Ziel des Eschbeantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer redundanten Kinematik für Spanish 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.这种集成使运动学在一个空间运动学中成为一个整体。第一种方法是通过遗传学专家的帮助,分析和确定最佳的运动学参数。Hierzu waren Bewegungsstrategien zu entwickeln,die wiederum als Werkzeug für die Auslegung und Schusionierung der Kinematiken selbst dienen.在此基础上,Bewegungsstrategien wurden die kinematischen Achsen für eine breite prone von Anwendungsfällen bzw. Werkstückspektren optimal dimensioniert and das jeweilige Verhältnis der durch die polare und kartesische Kinematik abzudeckenden Arbeitsräfestgelegt,womit die kinematischen Vorteile für jeden Anwendungsfall untersucht韦尔登konten. Daraus将为波兰人Achsen提供新的结构。此外,这些结构的构造和质量将在分析和优化的过程中对结构进行优化。在市场上的机械部件如Antriebe、Führungen、Lager等的基础上,对高速旋转和极化运动进行了控制和分析。传统机械结构的结构和质量是用基本原理方法来解决的。该模型采用了弹性力学的数值模拟和优化方法。

项目成果

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