Leichtbaustrukturen Effiziente Erzeugung digitaler Zwillinge von Leichtbau-Werkzeugmaschinenstrukturen

Autor / Redakteur: Stefanie Apprich / Mag. Victoria Sonnenberg

Eine neue Methode zur Erzeugung digitaler Zwillinge von Leichtbaustrukturen passt ein allgemeines Modell einer seriellen Leichtbau-Werkzeugmaschinenstruktur während des Betriebs an das reale, aktuell vorherrschende dynamische Maschinenverhalten an.

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Bild 1: Prototyp einer seriellen Leichtbau-Werkzeugmaschinenstruktur am ISW.
Bild 1: Prototyp einer seriellen Leichtbau-Werkzeugmaschinenstruktur am ISW.
(Bild: Apprich, ISW Universität Stuttgart)

Während der Konzeption, Entwicklung und Inbetriebnahme von Werkzeugmaschinen und Fertigungsanlagen kommen zunehmend virtuelle Prototypen der Werkzeugmaschinen zum Einsatz. Das sind Simulationsmodelle, welche die physische Werkzeugmaschine als Zusammenspiel aus mechanischen Komponenten, Antrieben und Steuerungstechnik sowie deren Interaktion mit dem Bearbeitungsprozess abbilden. Je nach Verwendungszweck haben virtuelle Prototypen unterschiedliche Schwerpunkte.

Häufig, im Zusammenhang mit Hardware-in-the-Loop-(HiL-)Simulationen beziehungsweise virtuellen Inbetriebnahmen, werden sie auch als digitale Zwillinge bezeichnet. Sind die virtuellen Prototypen jedoch auf die Simulation der Interaktion von Strukturkomponenten mit Vorschubachsen, Regelung und Bearbeitungsprozess ausgelegt, ist die Bezeichnung digitaler Zwilling ungenau.

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Simulationsmodell bildet Strukturdynamik nicht exakt ab

Das Simulationsmodell bildet das reale, dynamische Maschinenverhalten, vor allem die Strukturdynamik, nicht exakt ab. Dafür ist der Abgleich des dynamischen Verhaltens zwischen Modell und physischer Maschine durch eine Parameteranpassung notwendig, was wiederum die physisch vorliegende Maschine sowie viel Zeit und Expertenwissen benötigt. Um diesen Aufwand zu minimieren, wurde am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart folgende Methode entwickelt (Bild 2).

Das virtuelle Maschinenmodell einer Fahrständermaschine mit Leichtbaukinematik (Bild 1) wird kontinuierlich während des Betriebs auf Basis von Messsignalen an das reale, dynamische Maschinenverhalten angepasst. Dadurch wird ein digitaler Zwilling der Leichtbau-Werkzeugmaschinenstruktur erzeugt.

Dynamisches Verhalten von Leichtbaustrukturen für Maschinen

Die Schwierigkeit einer effizienten Modellbildung liegt in der Parametrierung. Bei Dynamiksimulationen von mechanischen Komponenten ist das die Wahl von Ersatzsteifigkeiten, Material- und Dämpfungskennwerten. Zum heutigen Stand der Technik können virtuelle Prototypen für die Maschinenentwicklung und -konstruktion das dynamische Verhalten der späteren physischen Werkzeugmaschine gut vorhersagen. Beispielsweise kann der Einfluss eines spanenden Bearbeitungsprozesses auf die Vorschubachsen inklusive Antriebsregelung sowie auf die Strukturdynamik der Maschine im Entwicklungsstadium untersucht werden und entsprechende Abschätzungen können für die Konzeption und Konstruktion der Maschine getroffen werden.

Die modellierten ersten dominanten Eigenfrequenzen weichen in der Regel um weniger als 20 % von den Eigenfrequenzen der späteren realen Maschine ab. Allerdings sind diese Modelle im Allgemeinen für die Auslegung der Regelung und Schwingungsvermeidung oder für die Erzeugung von Mehrwerten wie Maschinendiagnose nicht ausreichend genau. Beispielsweise wird die Wirkung bestimmter Input-Shaping-Methoden zur Erzeugung schwingungsarmer Trajektorien um circa 25 % reduziert, wenn die vorhergesagte von der später realen Eigenfrequenz um 15 % abweicht. Wenn sich zudem die dynamischen Eigenschaften der Werkzeugmaschinenstrukturen über den Arbeitsraum der Maschine verändern, ist die exakte Modellierung der dynamischen Eigenschaften im Entwicklungsstadium zusätzlich erschwert. Werkzeugmaschinen mit serieller Kinematik und allein werkzeugseitiger Bewegung – wie Fahrständer- und Portalmaschinen – sind ein Beispiel für Werkzeugmaschinen mit variierenden dynamischen Eigenschaften in Abhängigkeit der Position des Tool Center Points im Arbeitsraum.

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