SFB/TR 96 B04 Parametrierung und modellgestützte Korrektur
Table of contents
Wichtige Daten im Überblick
| Teilprojekt: |
B04 im SFB/TR 96: Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen – Eine systemische Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität am Beispiel der spanenden Fertigung |
| Laufzeit: | 07/2011 – 06/2015 |
| Finanzierung: | DFG / SFB/TR 96 |
| Bearbeiter: | Dipl.-Ing. Steffen Schroeder |
| Kooperation: | Standorte Dresden, Aachen und Chemnitz des SFB/TR 96 |
Zielstellung
Ziel des Teilprojektes B04 ist die Entwicklung von Methoden für den effizienten Abgleich von exemplarischen Parametern in thermischen Modellen von Werkzeugmaschinen. Exemplarische Parameter bilden dabei diejenigen Eigenschaften ab, die von Maschine zu Maschine stark streuen bzw. die sich über der Lebenszeit der Maschine verändern. Ursachen dafür sind fertigungs- und montagebedingte Toleranzen sowie Einlaufvorgänge und Verschleiß. Eigenschaften mit dieser Charakteristik stellen sich in der Regel erst im montierten Zustand der Maschine ein und können daher nicht auf direktem Wege und im Voraus mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Eine Alternative dazu ist der indirekte Abgleich der Modellparameter auf Basis von gemessenen Parameterwirkungen.
Fernziel im Teilprojekt B04 sind weitgehend automatisierte Verfahren zur Identifikation exemplarischer Parameter im technologischen Einsatzfeld, d.h im betriebsfähigen Zustand der Maschine. Dabei wird vorrangig steuerungsseitige Funktionalität sowie das bereits installierte Vermögen der Maschine ausgenutzt und auf diese Weise der Bedarf für zusätzliche Messtechnik minimiert. Weiterhin werden Methoden entwickelt, die einen robusten und reproduzierbaren Parameterabgleich ermöglichen ohne die bisher nötigen sehr hohen Anforderungen an das thermische Fachwissen der durchführenden Personen.
Lösungsweg
Ein solcher Abgleich erfolgt derart, dass durch Aufbringen geeig-neter Belastungen oder Lastregimes gezielt exemplarische Verhaltensanteile der Maschine angeregt und daraus resultierende thermische bzw. thermo-elastische Wirkungen messtechnisch erfasst werden. Mit Hilfe von nichtlinearen Optimierungsverfahren werden dann die exemplarischen Parameter des thermischen Modells so angepasst, dass berechnete und gemessene Wirkungen bestmöglich übereinstimmen.
Im Modell muss dafür nicht nur das thermische Verhalten der Maschine sondern zusätzlich auch die Anregung (Belastung) sowie die Messung mit abgebildet sein. Die Auswahl geeigneter Lastregimes für die Anregung sowie günstiger Messgrößen und -stellen erfolgt auf Grundlage einer Sensitivitäts- und Orthogonalitätsanalyse. Ziel dabei ist, dass die Wirkungen der zu identifizierenden exemplarischen Modellparameter in den Messwerten einerseits hinreichend groß gegenüber unvermeidlichen Meßunsicherheiten sind (Sensitivität) und sich andererseits in ausreichendem Maße voneinander unterscheiden (Orthogonalität).
Stark streuende Eigenschaften, die durch exemplarische Modellparameter abgebildet werden, finden sich innerhalb der Maschinen insbesondere in verlustbestimmenden Größen von Maschinenkomponenten mit bewegten Kontakten in Vorschubachs- und Spindelbaugruppen. Auf Grund ihres starken Einflusses auf das thermische Maschinenverhalten bilden dabei wälzgelagerte Maschinenkomponenten wie Lager, Profilschienenführungen und Kugelgewindetriebe einen Schwerpunkt der Untersuchungen im Teilprojekt B04. Die Arbeiten fokussieren zunächst auf die exemplarische Parameteridentifikation an einzelnen Maschinenkomponenten. Mit Fortschritt der Arbeiten wird die Modellkomplexität erhöht. Die Betrachtung erstreckt sich dann über Baugruppen bis hin zur Gesamtmaschine.
Bild 1: Konstruktion des Versuchsstandes für die exemplarische Parameteridentifikation an einzelnen Wälzlagern
Ergebnisse
Die Arbeiten im ersten Jahr fokussierten am Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik auf die Einarbeitung in das Thema der exemplarischen Parametrierung von Wälzlagern. Dafür wurden insbesondere Recherchen durchgeführt, um Informationen zu bestehenden Verlustleistungs- und Leitwertmodellen für Wälzlager sowie deren exemplarische Ausprägung zu erhalten. Weiterhin wurden materielle und methodische Voraussetzungen für die experimentellen Lageruntersuchungen geschaffen, die später zum Nachweis der Parameteridentifikation dienen. Dazu wurde eine Basis für den Versuchsstand, Mess- und Antriebstechnik sowie verschiedene Lager als Versuchsobjekte beschafft. Die aktuellen Arbeiten liegen einerseits in der konstruktiven Gestaltung und Fertigung des Lager-Versuchsstands (Bild) und andererseits in der Erstellung und dem Abgleich eines thermischen Verhaltensmodells als Grundlage für die Untersuchungen an den Wälzlagern. Dabei ist auch die Bauteilumgebung, also der Versuchsstand, mit abzubilden.
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