abgeschlossene Promotionen & Habilitationen

Dissertation

Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher (RWTH Aachen)

Die Entwicklung von Werkzeugmaschinen erfordert unter den heutigen Anforderungen an Produktivität, Wirtschaftlichkeit und Genauigkeit neue Herangehensweisen an den Konstruktionsprozess. Bereits in den Phasen des Maschinenkonzeptes und der Konstruktion müssen frühzeitig Aussagen gewonnen werden, um Varianten diskutieren, eventuelle Schwachstellen der Gesamtanordnung erkennen und geeignete Änderungen verifizieren zu können. Die getrennte Auslegung von Mechanik, Antriebssystemen und Maschinensteuerung trägt dem nicht mehr in genügendem Maße Rechnung. Zumeist wird in diesem Zusammenhang der eigentliche Fertigungsprozess in den diversen Modellen sogar vernachlässigt. Die Ausnutzung neuer technologischer Entwicklungen in der Fertigungstechnik, wie beispielsweise die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC), stellt jedoch auch entsprechend hohe Forderungen an die Maschinentechnik.rnVor diesem Hintergrund stellt die Modellierung und Simulation der komplexen mechatronischen Zusammenhänge im Verhalten einer Werkzeugmaschine durch einen virtuellen Prototypen ein bedeutendes Werkzeug für die Analyse, Bewertung und Optimierung des Maschinenentwurfs dar. Hierfür existieren eine Reihe von verschiedenen Modellierungsansätzen sowie dazu jeweils diverse Software-Lösungen.rnDiese Arbeit konzentriert sich auf die Analyse prozessgerecht bewegter Werkzeugmaschinen, in denen sich die einzelnen, in sich lineareleastischen Baugruppen unter der Wirkung der Antriebe relativ zueinander bewegen können. Diese Relativbewegungen führen zu strukturellen Veränderungen der gesamten Maschine und damit zu teils gravierenden Verhaltensänderungen über dem Arbeitsraum, die in den Simulationsmodellen Berücksichtigung finden.rnFür die Modellierung wird ein Ansatz gewählt, welcher alle benötigten Systemkomponenten – angefangen bei den mechanischen Baugruppen über die Maschinensteuerung, Regelkreise und Antriebe bis hin zum eigentlichen Fertigungsprozess – über die Modellintegration in einer Simulationsumgebung zusammenführt und einer Analyse im Zeitbereich zugänglich macht. Nach der Zusammenstellung der mathematischen Grundlagen, deren algorithmischer Aufbereitung und Implementation in Modellbibliotheken steht ein effektives Verfahren zur Simulation von Werkzeugmaschinen zur Verfügung. Der bewusste Verzicht auf eine gekoppelte Simulation in einem Prozessverbund umgeht dabei die häufig auftretenden numerischen Probleme bei der Synchronisation verschiedener Simulatoren. Insbesondere die ganz erhebliche Reduktion der Berechnungszeiten für die Simulation stellt einen wesentlichen Vorteil des Verfahrens dar. Das gilt erst recht, wenn man sich vor Augen führt, dass für die Berechnung einer Maschine im Fertigungsprozess zu simulierende Zeitfenster von mehreren Sekunden bis Minuten erforderlich sind.rnrnDie in der Arbeit aufgeführten Beispiele demonstrieren, wie sich auch gute quantitative Aussagen zum zu erwartenden dynamischen Systemverhalten gewinnen lassen, wenn die Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Systembestandteilen im Modell enthalten und die diversen Parameter hinreichend gesichert bestimmbar bzw. abgeglichen sind. Sie zeigen aber auch, dass der Modellierungsaufwand wegen des ganz erheblichen Abstraktionsgrades in den elementaren Modellobjekten sowie der Aufwand für die Ergebnisinterpretation wegen der derzeit stark eingeschränkten Möglichkeiten zur Ergebnisvisualisierung ganz beträchtlich sind. Andererseits bietet der hohe Modellabstraktionsgrad auch Anwendungsmöglichkeiten für das Verfahren, die weit über das Gebiet der Werkzeugmaschine hinausgehen.

virtuelle Werkzeugmaschine