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.

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.

Leichtbaustruktur aus Standardaluminiumprofilen

Für Untersuchungen des posenabhängigen, dynamischen Verhaltens von Leichtbau-Werkzeugmaschinenstrukturen sowie der Methodenentwicklung für die automatische Generierung digitaler Zwillinge dieser Strukturen steht am ISW ein Laborprototyp zur Verfügung. Das Bild 3 zeigt die Leichtbaustruktur mit Fahrständerkinematik in fünf verschiedenen, diskreten Posen. Die Konstruktion besteht aus Standardaluminiumprofilen mit zugehöriger Verbindertechnik. Die vertikale Achse ist über einen Zahnriementrieb angetrieben, welcher über ein Rapid-Control-Prototyping-System betrieben werden kann. Sie besitzt einen Verfahrweg von 1200 mm und dient zur systematischen Veränderung der dynamischen Eigenschaften der Werkzeugmaschinenstruktur. Die horizontale Position der Pinole kann manuell eingestellt werden.

Der Prototyp verdeutlicht real bei Werkzeugmaschinenstrukturen auftretende Effekte, allerdings in niedrigeren Frequenzbereichen und bei angemessenem Kosteneinsatz. Das dynamische Verhalten des Laborprototyps wurde mittels experimenteller Modalanalyse in fünf diskreten Positionen untersucht. Die Ergebnisse zeigen die ersten drei dominanten Eigenmodi, die ersten Biegemodi sowie den Torsionsmodus des Fahrständers. In Abhängigkeit von der vertikalen Position der Pinole variieren die Eigenfrequenzen der Eigenmodi. Steht die Pinole in der untersten Position, beträgt die Frequenz des ersten Modus 12,8 Hz, in der obersten Position 16,4 Hz. Insgesamt verschieben sich die Eigenfrequenzen um bis zu 22 %. Das posenabhängige, dynamische Verhalten, welches der ISW-Prototyp aufweist, wurde auch an einer industriellen Portalfräsmaschine nachgewiesen. Die exakte Abbildung dieses sich ändernden Verhaltens in einer virtuellen Werkzeugmaschine, das heißt die Erstellung des digitalen Zwillings einer Werkzeugmaschinenstruktur, eröffnet neue Möglichkeiten.

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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