Strukturentwicklung und Optimierung. "Struktur und Steuerung schneller Maschinen"

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Aller Projekte Bearbeitungsgeschwindigkeit und Verfahrgenauigkeit bahngesteuerter Werkzeugmaschinen und Roboter stehen in einem Zielkonflikt. Grenzen sind durch die maximal mögliche Verarbeitungsgeschwindigkeit von Informationen, durch die Dynamik der Antriebe und die dynamischen Eigenschaften der mechanischen Strukturen gesetzt. Schneidstoffe, Werkzeuge und Prozesse konnten in den letzten Jahren in einer Weise entwickelt werden, daß bei gegebenen Genauigkeitsanforderungen erheblich höhere Arbeitsgeschwindigkeiten möglich oder sogar technisch notwendig sind. Werkzeugmaschinen und Roboter stellen nunmehr die Schwachstellen im Wirkverbund Werkzeug-Prozeß-Maschine dar. Typische Desiderate zeigen sich besonders deutlich z.B. bei der 5-Achsbearbeitung auf Fräsmaschinen, beim Hochgeschwindigkeitsfräsen von gut zerspanbaren Metallen oder Kunststoffen, beim Schnellhubschleifen von gekrümmten Flächen, beim Nachbearbeiten komplexer Formen mit Robotern und in der Lasermaterialbearbeitung. Die wirtschaftliche Bedeutung der Problemstellung ergibt sich aus der zentralen Stellung von Werkzeugmaschinen für die Produktionstechnik, also für die Produktionsprozesse im Maschinenbau, im Fahrzeugbau und in der Elektronik, um einige wichtige industrielle Einsatzfelder zu nennen. Der Werkzeugmaschinenbau unseres Landes nimmt noch eine Spitzenstellung neben den japanischen Wettbewerbern ein. Strukturelle Vorgaben lassen jedoch die Gefahr erkennen, daß hier eine deutliche Verschiebung zu ungunsten der deutschen Wirtschaft eintritt. Dabei ist von Bedeutung, daß deutsche Werkzeugmaschinenhersteller trotz des bisher von ihren Produkten erreichten und gehaltenen hohen technischen Standes nicht in der Lage sind, weitreichende Grundlagenforschung zu leisten, die notwendig ist, um die durch den genannten Zielkonflikt gegebenen technischen Grenzen wesentlich vorzuverlegen. Es ist daher notwendig, daß universitäre Forschung in Hochschulinstituten dieses industriell besonders wichtige Gebiet bearbeitet. Verschiedene Gruppen in Stuttgart, Aachen und Darmstadt sind mit unterschiedlicher Zielsetzung hierzu tätig. Ein neuer Ansatz wird von der Forschergruppe der Universität Hannover verfolgt. An rückwirkungsbehafteten Werkzeugmaschinen sollen Möglichkeiten für einen qualitativen Sprung des Gütequotienten aus Verfahrgeschwindigkeit und Bahnfehler erreicht werden. Hierbei soll insbesondere von einer ganzheitlichen Betrachtung von Werkzeugmaschinen mit ihren kritischen Komponenten Struktur, Kinematik, Führungs- und Antriebssysteme und Steuerung ausgegangen werden. Nur die gleichzeitige und aufeinander abgestimmte Auslegung und Anordnung der Verfahrachsen, der mechanischen Elemente mit ihren Massen und Steifigkeiten, der Geradführungen und Stellglieder sowie der antriebsnahen Steuerung lassen erwarten, den Gütequotienten um eine Größenordnung zu verbessern. Dafür geeignete, systematische Vorgehensweisen zu entwickeln, bedarf es der Zusammenarbeit von Wissenschaftlern der technischen Mechanik, der Regelungstechnik und des Werkzeugmaschinenbaus. Die Forschergruppe führt diese Fächer zusammen. Gearbeitet werden soll methodenorientiert an rückwirkungsbehafteten Werkzeugmaschinen, d.h. solchen Maschinen, bei denen wesentliche Prozeßkräfte auf Struktur, Führung und Antrieb einwirken. Ziel der Arbeiten in der Forschergruppe ist, durch simultane und miteinander verknüpfte Entwicklung von wichtigen Komponenten einer Werkzeugmaschine einen Beitrag zu einer neuen Maschinengeneration zu leisten. Diese neue Generation soll eine Steigerung des Gütequotienten um den Faktor 10 gegenüber heutigen Maschinen ermöglichen. Das Ziel soll außer durch die Entwicklung der Einzelkomponenten durch deren optimale Abstimmung aufeinander erreicht werden. Die Ergebnisse der Arbeiten in der Forschergruppe werden zum einen im Methodischen liegen; es soll untersucht werden, wie bei vorgegebenen Lastbedingungen durch simultane Auslegung von Struktur, Antrieb und Steuerung optimale Maschinenkonzepte entwickelt werden können. Zum anderen sollen Funktionsmodelle Möglichkeiten der experimentellen Überprüfung und der Verifizierung der Arbeitsergebnisse leisten.