Leichtbaustrukturen

Effiziente Erzeugung digitaler Zwillinge von Leichtbau-Werkzeugmaschinenstrukturen

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Nutzen und Erzeugung digitaler Zwillinge von Leichtbaustrukturen

Digitale Zwillinge ermöglichen die Auslegung einer hochperformanten Antriebsregelung, indem die Regelparameter adaptiv auf die unterschiedlichen dynamischen Eigenschaften der Werkzeugmaschine innerhalb ihres Arbeitsraums eingestellt werden. Die Pose mit dem schlechtesten dynamischen Verhalten bestimmt nicht länger die Dynamik des Regelkreises. Weiterhin können die über den Arbeitsraum variierenden, dynamischen Eigenschaften beispielsweise mittels Input Shaping in der Trajektorienplanung berücksichtigt werden. Damit kann in jeder Pose mit den maximal möglichen Dynamikgrenzwerten ohne relevante Überschwingungen positioniert werden, Sicherheitsebenen können reduziert und die Bearbeitung schneller gestartet werden. Eine regelmäßige Anpassung des digitalen Zwillings an das reale, dynamische Maschinenverhalten erzeugt Wissen über die dynamischen Eigenschaften der Maschine über lange Zeiträume. Damit ist das Verfolgen von Veränderungen im dynamischen Maschinenverhalten möglich, woraus Rückschlüsse für die Konstruktion oder Serviceleistungen abgeleitet werden können. Mit der regelmäßigen Verfolgung und Auswertung der Veränderungen können Wartungsintervalle bedarfsgerecht geplant werden.

Die am ISW entwickelte Methode zur Erstellung eines digitalen Zwillings von Leichtbau-Werkzeugmaschinenstrukturen nutzt ein allgemeines parametrisches Finite-Segmente-Modell, welches eine definierte Anzahl an Eigenmodi abbildet. Die Modellparameter der Feder- und Dämpferelemente werden fortlaufend parametriert. Dafür werden hauptsächlich Recursive-least-Squares-Schätzer verwendet, welche auf Basis steuerungsinterner Messsignale sowie zusätzlich gemessener Beschleunigungssignale die Modellparameter verändern (siehe Bild 2). Die Parameteranpassung erfolgt während der Nebenzeiten, wenn nicht bearbeitet wird. Das garantiert, dass das dynamische Verhalten der Struktur und nicht des Bearbeitungsprozesses identifiziert wird. Die Dynamik des Bearbeitungsprozesses, beispielsweise beim Spanen, ist nämlich maßgeblich von der Werkzeuggeometrie wie auch von den Bearbeitungsparametern abhängig.

Für jede Pose, auch während Verfahrbewegungen der Maschine im Arbeitsraum, bildet das parametrierte Modell das reale, dynamische Maschinenverhalten ab. Mithilfe dieses Verfahrens können exakte digitale Zwillinge für Leichtbaustrukturen somit ohne Expertenwissen automatisiert erzeugt werden, sodass das Potenzial ihrer Nutzung zukünftig voll ausgeschöpft werden kann. MM

* Dipl.-Ing. Stefanie Apprich ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart, Gruppe Mechatronische Systeme in 70174 Stuttgart, Tel. (07 11) 68 58 46 26, Stefanie.Apprich@isw.uni-stuttgart.de

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