Ruhiger zerspanen

Aktive Ruckentkoppelung reduziert Maschinenschwingungen

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Der mechatronische Dämpfungsansatz

Ein neuartiger Ansatz, um den Zielkonflikt zwischen Genauigkeit und Achsdynamik zu lösen, ist die Ruck- oder Impulsentkopplung. Die Integration von Feder-Dämpfer-Elementen und eines zusätzlichen Entkopplungsschlittens zwischen Hauptantrieb und Maschinenstruktur (Bild 2, links) reduziert dabei die Strukturschwingungen des Maschinengestells. Die zusätzliche Mechanik stellt jedoch auch eine weitere Resonanzstelle dar. Deshalb ist eine solche passive Ruckentkopplung vor allem bei niederfrequenten Schwingungen nur begrenzt wirksam. Um diese Leistungsgrenze der passiven Ruckentkopplung zu überwinden, kann man zur aktiven Ruckentkopplung als aktives mechatronisches Dämpfungssystem übergehen. Die aktive Ruckentkopplung erweitert die passive Ruckentkopplung, weil sie im Kraftfluss zwischen Antrieb und Maschinengestell Aktoren und Sensoren beinhaltet – ohne die statische Nachgiebigkeit zu verringern. Die Feder-Dämpfer-Elemente reduzieren in Kombination mit dem Entkopplungsschlitten die hochfrequenten Strukturschwingungen des Maschinengestells. Zusätzlich können die Schwingungen im tieferen Frequenzbereich durch Kompensationskräfte des Aktors reduziert werden, indem durch modellbasierte Regelung die Aktorkraft gestellt wird.

Bild 2: Der Aufbau der ruckentkoppelten Vorschubachse einer Werkzeugmaschine, etwas detaillierter.
Bild 2: Der Aufbau der ruckentkoppelten Vorschubachse einer Werkzeugmaschine, etwas detaillierter.
(Bild: IFW)

Maschinenlager als mechanischer Tiefpassfilter

Um die Eigenschaften aktiv ruckentkoppelter Vorschubachsen zu erforschen, wurde am IFW ein Prüfstand mit integrierter aktiver Ruckentkopplung (REK) konzipiert und aufgebaut (siehe wieder Bild 2). Der Versuchsstand ermöglicht den experimentellen Vergleich von aktiver Ruckentkopplung, passiver Ruckentkopplung und einer starren Anbindung des Ruckentkopplungsschlittens an das Maschinenbett. So kann man das Potenzial der aktiven Ruckentkopplung hinsichtlich Schwingungsreduzierung, Positioniergenauigkeit und maximal möglichem Ruck erforschen.

Die Feder-Dämpfer-Systeme, der Ruckentkopplungsschlitten und der Ruckaktor fungieren zusammen als aktive Ruckentkopplung in Form eines kaskadierten Filters für die Antriebskräfte. Zunächst wird die Steifigkeit der Federn in der Auslegungsphase auf die erste dominante Eigenfrequenz der Maschinenstruktur abgestimmt. Diese liegt bei dem gezeigten Prüfstand bei fM = 38 Hz. Die Feder-Dämpfer-Elemente wirken wie ein mechanischer Tiefpassfilter zwischen Antrieb und Maschinenstruktur. Der Ruckaktor kompensiert die, durch den mechanischen Tiefpassfilter entstandene zusätzliche Resonanzstelle im tieferen Frequenzbereich (5 Hz). Das verringert die Auslenkung des Ruckentkopplungsschlittens. Um den hohen Anforderungen an Steifigkeit und Robustheit in der prototypischen Vorschubachse zu begegnen, wurden zwei Maschinenlagerungssysteme des Typs „FEDAM“-4-12.0-A03 von Isoloc mit einer Steifigkeit von c = 180 N/mm als Feder-Dämpfer-Pakete verwendet. Diese Maschinenlagerungssysteme sind niederfrequente Schwingungsisolatoren, mit denen tiefe Abstimmungen (Knickfrequenz ƒo ≈ 3 bis 5 Hz) mit einem Dämpfungsgrad von D = 1 bis 10 Prozent erreicht werden. Bei den „FEDAM“-4-12.0-A03 handelt es sich um jeweils vier auf Gleitschutzplatten montierte Druckfedern aus dem Werkstoff 54SiCr6. Sie sind 128 Millimeter lang und haben einen Innendurchmesser von 68 mm, bei einer Drahtdicke von 9 Millimeter (Bild 3).

Bild 3: Das für die Ruckentkoppelung genutzte Maschinenlagerungssystem „FEDAM“ von Isoloc, das als mechanischer Tiefpassfilter wirkt.
Bild 3: Das für die Ruckentkoppelung genutzte Maschinenlagerungssystem „FEDAM“ von Isoloc, das als mechanischer Tiefpassfilter wirkt.
(Bild: Isoloc)

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