Ruhiger zerspanen Aktive Ruckentkoppelung reduziert Maschinenschwingungen

Autor / Redakteur: Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, Dr.-Ing. Benjamin Bergmann und M. Sc. Marcel-Frederic Böhse / Peter Königsreuther

Was man mit einer aktiven Ruckentkoppelung für die Bearbeitungsdynamik und die Präzision einer Werkzeugmaschine tun kann, zeigt dieser Beitrag aus der Forschung.

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Forschende am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) haben eine aktive Ruckentkoppelung entwickelt, die Maschinenschwingungen reduziert. Hier das Aufbauprinzip.
Forschende am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) haben eine aktive Ruckentkoppelung entwickelt, die Maschinenschwingungen reduziert. Hier das Aufbauprinzip.
(Bild: IFW)

Gleichzeitig schneller und präziser! Häufig führen Maschinenschwingungen zu einem Zielkonflikt zwischen schneller Positionierung und hoher Genauigkeit der Vorschubachsen. Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover erforscht aufgrund des oben genannten Sachverhalts die Methode der sogenannten „aktiven Ruckentkopplung“. Dadurch können die Grenzen von maximaler Achsdynamik und erreichbarer Genauigkeit deutlich erweitert werden. In dem DFG-geförderten Projekt „Aktive Ruckentkopplung für Werkzeugmaschinen“ werden Maschinenschwingungen durch ein mechatronisches Dämpfungssystem aktiv kompensiert. Das mechatronische System entkoppelt die Reaktionskräfte eines typischen Vorschubantriebs beim Beschleunigen und Abbremsen. Das geschieht mithilfe eines Zusatzaktors sowie durch Federpakete der Isoloc Schwingungstechnik GmbH aus Stuttgart.

Lineare Direktantriebe lassen es schwingen

Bei Bearbeitungsprozessen, die durch viele Richtungswechsel charakterisiert sind, sollten die eingestellten maximalen Achsbeschleunigung möglichst rasch erreicht werden. So werden die Bearbeitungszeiten minimiert. Hierdurch können die maximalen Bearbeitungsgeschwindigkeiten auch bei kurzen Verfahrwegen erreicht werden. Der hierfür erforderliche hohe Ruck (zeitliche Änderungen der Achsbeschleunigung) der eingesetzten Lineardirektantriebe führt jedoch zu einer breitbandigen Schwingungsanregung der Maschinenstruktur. Diese Maschinenschwingungen beeinträchtigen die Bearbeitungsqualität. Um dies zu verhindern, wird der Ruck in der Praxis begrenzt. Das führt jedoch dazu, dass die maximale Achsbeschleunigung langsamer erreicht wird. Durch diese Ruckbegrenzung kann somit das volle Potenzial von Lineardirektantrieben (im Hinblick auf die Produktivität) nicht ausgeschöpft werden.

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)

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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