Ruhiger zerspanen

Aktive Ruckentkoppelung reduziert Maschinenschwingungen

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Gestellschwingungen sind auch passé

Anhand eines ersten Funktionsmusters in Form eines aktiv ruckentkoppelten Kreuztisch-Versuchsstands (Bild 4) konnte die Wirkungsweise der aktiven Ruckentkopplung erfolgreich nachgewiesen werden. Durch das Tiefpassverhalten der passiven Ruckentkopplung wird die maximale dynamische Nachgiebigkeit des Maschinenbetts bei 38 Hz um 80 Prozent reduziert (von δ = 250 µm/kN auf 50 µm/kN). Die durch die passive Ruckentkopplung entstandene zusätzliche Resonanzüberhöhung beträgt fREK = 5 Hertz. Die entstandene Resonanzüberhöhung im tiefen Frequenzbereich (5 Hertz) wird mit dem System halbiert (von δ = 100 µm/kN auf 50 µm/kN).

Das Potenzial des Ansatzes zeigt sich vor allem im Zeitbereich (Bild 4). Bei einem exemplarischen Positionssprung mit einem Weg von s = 120 mm und einem trapezförmigen Beschleunigungsprofil (amax = 15 m/s², vmax = 0,5 m/s) ist die Auslenkung des Maschinengestells für einen Ruck von r = 500.000 m/s³ über der Zeit dargestellt (Bild 4, links).

Bild4: Der verwendete Kreuztisch-Versuchsstand mit dem Verlauf der Gestellnachgiebigkeit über der Anregungsfrequenz bei passiver und aktiver Ruckentkoppelung.
Bild4: Der verwendete Kreuztisch-Versuchsstand mit dem Verlauf der Gestellnachgiebigkeit über der Anregungsfrequenz bei passiver und aktiver Ruckentkoppelung.
(Bild: IFW)

Offensichtlich wird, dass die passive Ruckentkopplung die maximale Amplitude im Vergleich zur starren Anbindung um 40 Prozent (von XF= 42 auf 25 Mikrometer) reduziert. Die Gestellschwingung bei passiver Ruckentkopplung weist jedoch eine um 40 Prozent längere Ausschwingzeit auf. Die Auslenkung des Maschinengestells bei aktiver Ruckentkopplung erzeugt eine vergleichbare Amplitude, wie bei der passiven Ruckentkopplung. Die Ausschwingzeit kann aber halbiert werden.

Es zeigt sich, dass die Aktorkraft FREK des Ruckaktors lediglich 1/10 der schwingungsverursachenden Motorkraft FMot betragen muss, um die tieffrequenten Schwingungen zu reduzieren (Bild 5, rechts). Das heißt, dass der entsprechende Ruckaktor, der in den Kraftfluss integriert werden muss, wesentlich kleiner sein darf. Wenn es um eine hohe Präzision bei gleichzeitig hoher Achsdynamik ankommt, zeigt die aktive Ruckentkopplung also entscheidende Vorteile. Für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC) oder Pick-and-Place-Aufgaben kann der maximale Ruck damit erhöht und die Bearbeitung und Positionierzeit verringert werden.

Bild 5: Links ist das Schwingverhalten der Maschinenstruktur aufgezeichnet. Rechts kann man den Kraftverlauf von Aktor und Motor verfolgen.
Bild 5: Links ist das Schwingverhalten der Maschinenstruktur aufgezeichnet. Rechts kann man den Kraftverlauf von Aktor und Motor verfolgen.
(Bild: IFW)

Ausblick und Danksagung

Das Ziel weiterer Forschungen ist nun der Vergleich der Entkopplungsmaßnahmen in einer Werkzeugmaschine, im Rahmen von Zerspanungsuntersuchungen. Dabei wird der sonst zusätzliche Aufwand bei der Inbetriebnahme des aktiven Entkopplungssystems durch eine autonome Parametrierung des Reglers vereinfacht.

Das Forschungsprojekt „Aktive Ruckentkopplung für Werkzeugmaschinen“ (Projektnummer: 269666724) wird über die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Das IFW bedankt sich für die finanzielle Unterstützung in diesem Projekt.

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