SFB/TR T05 - Effiziente Simulationstechnologie zur Analyse des thermo-elastischen Verhaltens kompakter Baugruppen von Werkzeugmaschinen
Spanende Werkzeugmaschinen (WZM) zur 5-Achs-Bearbeitung besitzen mit Dreh-Schwenk-Tischen und Dreh-Schwenk-Köpfen sehr kompakt gestaltete Baugruppen. Die Baugruppen tragen signifikant zum Bewegungsfehler der Maschinen bei und begrenzen die erreichbare Fertigungsgenauigkeit der WZM. Ursächlich dafür ist ein komplexes thermisches Verhalten der inneren Komponenten, das zum Erwärmen der äußeren tragenden Strukturbauteile der Baugruppen führt. Diese verformen sich daraufhin thermo-elastisch und wirken über die verstärkenden Hebelwirkungen der kinematischen Kette als thermische Fehler am Tool Center Point (TCP).
Zur Verbesserung dieses Verhaltens werden Maßnahmen wie Isolierung oder Kühlung von Motoren und Lagern ausgewählt und konstruktiv ausgelegt. Grundlage für eine wirksame Anwendung der Maßnahmen ist die Kenntnis der komplexen Ursache-Wirkung-Zusammenhänge des thermischen Verhaltens. Diese werden durch messtechnische und simulative Analysen ermittelt. Derzeit sind die Analysemöglichkeiten bei kompakten Baugruppen jedoch begrenzt. Wesentliche Gründe sind der hohe Aufwand und die eingeschränkte Zugänglichkeit bei messtechnischen Analysen sowie das Fehlen geeigneter Werkzeuge für simulative Untersuchungen.
Zielstellung:
Das Projektziel ist eine verbesserte und aussagekräftigere Analyse des thermo-elastischen Verhaltens moderner 5-Achs-WZM. Dafür liefert die im Teilprojekt A05 des SFB/TR 96 entwickelte Simulations-technologie erstmals geeignete Methoden und erlaubt genaue Aussagen zum transienten thermischen Verhalten typischer WZM-Strukturen mit hoher struktureller Auflösung in kurzer Zeit. Damit ist eine effiziente Beschreibung des thermischen Verhaltens kompakter Baugruppen mit feingliedrigen Strukturbauteilen, dicht gepackten inneren Komponenten und Relativbewegungen rotatorischer Achsen prinzipiell möglich. Die Wirksamkeit der Methodik ist bisher jedoch nur an einfachen WZM-Strukturen mit Linearachsen nachgewiesen worden.
Lösungsweg:
Im Rahmen des Projektes erfolgt die Übertragung, Anwendung und Validierung der neuen Simulationstechnologie für das thermo-elastische Verhalten auf kompakte WZM-Baugruppen. Im Fokus steht dabei der Einfluss des thermischen Verhaltens dieser Baugruppen unter realistischen Einsatzbedingungen auf die erreichbare Fertigungsgenauigkeit. Die Übertragung und Anwendung der Simulationstechnologie erfolgt beispielhaft anhand eines aktuellen Dreh-Schwenk-Tisches einer DECKEL MAHO Maschine. Es wird dabei in drei Umsetzungsstufen vorgegangen:
- Erstellung eines Simulationsmodells mit grober Abbildung der inneren Baugruppenstrukturen. Durch qualitative Analysen wird ein verbessertes Verständnis der thermischen Effekte der WZM-Teilstruktur gewonnen.
- Weiterentwicklung des Modells für quantitative Analysen. Dafür wird es physikalisch und geometrisch verfeinert sowie messtechnisch gestützt validiert und abgeglichen. Um begründete Ansätze zur Verbesserung des thermischen Verhaltens zu finden, werden die Komponenten bei typischen Bearbeitungsszenarien simulativen Einflussanalysen unterzogen.
- Beispielhafte Anwendung des Simulationsmodells bei der simulationsgestützten Auslegung und Optimierung von Verbesserungsmaßnahmen. Erbringen des Nachweises zur Eignung der Simulationstechnologie für aktuelle Maschinen durch einen Vergleich von Analyseaufwand und -fähigkeiten gegenüber dem messtechnisch geprägten traditionellen Vorgehen.
Kontakt:
© Crispin-Iven Mokry
Research associate
NameMr Dipl.-Ing. Steffen Schroeder
Thermal Modeling, calculation of parameter
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Chair of Machine Tools Development and Adaptive Controls
Visiting address:
Kutzbach-Bau, Room E7 Helmholtzstraße 7a
01069 Dresden