antriebstechnik 1-2/2021

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG
SYSTEMVERHALTEN VON MASCHINEN
AUF DEM WEG ZUR AUTONOMEN
WERKZEUGMASCHINE – MECHATRONISCHE
DÄMPFUNGSSYSTEME ALS BEFÄHIGER
Eine Werkzeugmaschine zur Autonomie zu befähigen ist ein großes Ziel der
aktuellen Ingenieurswissenschaft. Wichtig ist dabei die Kontrolle und ggf. die
Kompensation von Umgebungseinflüssen. Das Institut für
Werkzeugmaschinen der Universität Hannover forscht in dieser Hinsicht an
mechatronischen Schwingungsdämpfern.
EINLEITUNG
Autonom von der Bauteilzeichnung zum perfekten Bauteil – In der
Vision der autonomen Werkzeugmaschine konfiguriert sich die
Maschine selbst und führt den Produktionsprozess selbstständig
aus. Hierbei wählt die Maschine eigenständig ihre Prozessparameter
und passt diese bei schwankenden Produktionsbedingungen
an. Die Autonome Werkzeugmaschine reagiert dabei selbstständig
auf äußere Störeinflüsse. Äußere Störeinflüsse können z. B. durch
schwankende Umgebungseinflüsse sowie Maschinenschwingungen
entstehen und destabilisieren den Bearbeitungsprozess. Um
instabile Prozesse reaktionsschnell zu kompensieren und gleichzeitig
maximale Prozessparameter realisieren zu können, sind Maschinenkomponenten
und Zusatzsysteme erforderlich, die eigenständig
auf entsprechende Störungen reagieren.
In Bild 01 sind die Stufen der Automatisierung von Maschinenkomponenten
dargestellt. Der Übergang vom menschlichem Eingriff
zur Modifizierung der Maschinenstruktur hin zum autonomen
maschinellen Eingriff in die Maschinenstruktur ist in fünf
Stufen gegliedert. Hierbei werden ähnlich zu dem Standpunktpapier
„Industriearbeitsplatz 2025“ [BEH18] der Wissenschaftlichen
Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) Analogien zur Vision
des autonomen Fahrens aufgegriffen. Die unterste Stufe (Stufe 0)
beinhaltet rein passive Zusatzsysteme. Die selbstlernende Adaptronik
stellt die oberste Stufe (Stufe 4) der Automatisierung von
Maschinenkomponenten dar. Es handelt sich hier um autonome
Struktursysteme. Durch lernende adaptive Regelungssysteme
werden die Systemgrenzen eigenständig erkannt und erweitert.
Die Regelungssysteme sind hierbei autarke Einheiten innerhalb
der Maschinenstruktur. Selbstlernende adaptronische Systeme
können in die Maschinenstruktur integriert werden und modifizieren
eigenständig das Systemverhalten der Maschine. Durch die
Verbindung mit einer selbstlernenden Maschinen- und Prozessregelung,
die höchste Stufe der Automatisierung von Produktionsprozessen
nach [BEH18], lassen sich in Zukunft autonome Werkzeugmaschinen
realisieren.
Ziel aktueller Forschung ist es, Methoden und Anwendungen als
Befähiger zur selbstlernenden Adaptronik und somit zur autonomen
Werkezugmaschine zu erforschen. Das Institut für Fertigungstechnik
und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität
Hannover forscht deswegen an integrierten, mechatronischen
Dämpfungssystemen zur aktiven Schwingungskompensation.
Diese bilden die Schwelle von mechatronischen Zusatzsystemen
(Stufe 2) hin zur Adaptronik (Stufe 3) und stellen somit eine Schlüsseltechnologie
auf dem Weg zur autonomen Werkzeug maschine
dar. Im folgenden Beitrag wird anhand zweier Beispiele mechatronischer
Dämpfungssysteme der Übergang zwischen den zwei Stufen
vorgestellt.
AKTIVE RUCKENTKOPPLUNG
Für Bearbeitungsprozesse mit vielen Richtungswechseln 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. Durch den Einsatz von Lineardirektantrieben mit hohen
Kraftanstiegsgeschwindigkeiten lassen sich solch hohe Beschleunigungsänderungen
prinzipiell realisieren. Die Einleitung der Reaktionskraft
in die Maschinenstruktur führt jedoch zu ungewollten
Strukturschwingungen. Insbesondere die impulsartigen Beschleunigungsänderungen
führen dazu, dass die kritischen Eigenformen
der Maschinenstruktur durch ein breitbandiges Kraftspektrum angeregt
werden. Als Folge kommt es zu dynamischen Auslenkungen
der Struktur und somit zu einer Relativbewegung zwischen Werkzeug
und Werkstück [ALT11]. Die Konsequenz dieser Relativbewegung
ist eine Reduzierung der Werkstückqualität.
Um die Strukturschwingungen zu vermeiden bzw. zu reduzieren,
erfolgt i. d. R. eine softwareseitige Begrenzung des Rucks. Hierfür
wird in der Bahnplanung der Ruck auf einen Maximalwert begrenzt.
Dies resultiert jedoch in einer Verringerung der Achsdynamik
und führt somit zu längeren Bearbeitungszeiten als theoretisch
mit höherem Ruck realisierbar. Die am Institut für Fertigungstechnik
und Werkzeugmaschinen (IFW) entwickelte Methode der aktiven
Ruckentkopplung ermöglicht eine Erhöhung der Ruckwerte bei
gleichzeitiger Verringerung der Strukturschwingungen.
Die Methode der aktiven Ruckentkopplung basiert auf der Integration
eines zusätzlichen Aktorelements in den Kraftfluss zwischen
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