Unstetige Bahnerzeugung an Vorschubantrieben mittels trägheitsbasiertem Impulsaktor

Abstract

Verschiedene maschinelle Fertigungsprozesse erfordern, dass die Vorschubachsen einer Werkzeugmaschine einer programmierten Werkstückkontur mit minimaler geometrischer Abweichung und möglichst konstanter Bahngeschwindigkeit folgen. Dies ist jedoch im Bereich von Unstetigkeiten der Bahn (wie beispielsweise Ecken) aufgrund physikalischer Begrenzungen nicht möglich, da hier eine sprungförmige Änderung der Geschwindigkeiten der beteiligten Achsen notwendig wäre. Mit üblichen Vorschubantrieben lassen sich jedoch nur stetige Änderungen der BewegungsgrößenWeg und Geschwindigkeit erreichen. Die reale Bahn entspricht somit nicht exakt der geforderten Kontur oder aber die Bahngeschwindigkeit muss bis zum Stillstand reduziert werden. Eine möglichst gute Annäherung an entsprechende Konturen bei hinreichender Bahngeschwindigkeit führt weiter durch hohe Beschleunigungskräfte aus den Motoren zu starker Anregung der Maschinenstruktur, was ein unerwünschtes Verhalten darstellt. Heute bekannte Verfahren nutzen zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens beispielsweise redundante Kinematiken, spezielle Regelungsverfahren oder optimieren die Maschinenkonstruktion hinsichtlich Steifigkeit und Dämpfung. Auch sind Methoden zur Erzeugung von anwendungsorientiert optimierten Bahnen bekannt, so dass sich ein für den jeweiligen Prozess geeigneter Kompromiss aus Konturtreue und konstanter Bahngeschwindigkeit wählen lässt. Diesen Ansätzen gemein ist jedoch, dass sie im speziellen Fall von Unstetigkeiten das dynamische Verhalten verbessern aber keine systematische Lösung darstellen. Nicht betrachtet wurde hier bisher der Ansatz, an Stelle einer Anpassung der Bahn an die dynamischen Verhältnisse, tatsächliche Geschwindigkeitsbeziehungsweise Beschleunigungssprünge aktuatorisch einzubringen. Hierzu wird in dieser Arbeit ein Antriebskonzept vorgeschlagen, welches Geschwindigkeitssprünge zwischen Werkzeug und Werkstück in guter Näherung ermöglicht sowie hohe Beschleunigungen ohne Rückwirkung auf die Maschinenstruktur aufbringen kann. Der Ansatz basiert auf der Nutzung eines trägheitsbasierten Zusatzaktors, welcher mittels Stoßes eine Impulsübertragung und dadurch eine sprunghafte Geschwindigkeitsänderung hervorzurufen vermag. Die Arbeit gliedert sich in eine Darstellung der zugrundeliegenden Problemstellung sowie einem Überblick über bereits bestehende Lösungsansätze. Das vorgeschlagene Konzept eines Impulsaktors sowie seiner Wirkungsweise wird erläutert. Zur Auslegung des Systems werden simulative Voruntersuchungen durchgeführt, gefolgt von einer experimentellen Verifikation anhand einer prototypischen Umsetzung. Basierend auf dem Experiment können unsichere Modellparameter identifiziert werden, so dass sich mit dem erstellten Mehrkörpermodell weitere Parameterstudien durchführen lassen. Es wird aufgezeigt, dass eine entsprechende Zusatzaktorik signifikantes Potential zur Optimierung von Bearbeitungsprozessen aufweist beziehungsweise neue Anwendungen erschließt, welche von einer verbesserten Bahnführung an Unstetigkeiten bei gleichzeitig reduzierter Schwingungsanregung der mechanischen Maschinenstruktur profitieren. Da Ansätze mit vergleichbarem Umsetzungsaufwand bereits etabliert sind und sich der Aktor abgesehen von Umwandlungsverlusten energetisch neutral verhält, stellt das Konzept einen vielversprechenden neuen Freiheitsgrad bei der Auslegung von Vorschubantrieben dar.

Various machining processes demand that the feed axes of a machine tool follow a programmed workpiece contour with a minimum of geometric deviation and a path velocity as constant as possible. However, this is not feasible at discontinuities of the trajectory (for example corners) due to physical limitations. A sudden jump in velocity of the involved axes would be necessary here. With conventional feed drives, however, only continuous changes in the motion variables position and velocity can be achieved. Thus, the real path does not correspond exactly to the desired contour or the feed velocity must be throttled down to zero. The best approximation possible to the contour at a sufficient feed velocity furthermore leads to a strong excitation of the machine structure due to high acceleration forces from the drives, which is an undesirable behavior. Today’s known approaches use for example redundant kinematics, specific control algorithms or optimize the machine design regarding stiffness and damping to improve the dynamic behavior. In addition, there are methods known for generating application-oriented optimized trajectories, so that a suitable trade-off between accuracy and constant feed velocity can be chosen for the particular processes. These approaches, however, have in common that they do improve the dynamic behavior in the specific case of discontinuities but do not provide a systematic solution. Not considered so far, however, is the approach of introducing real velocity or acceleration jumps by means of a dedicated actuator instead of adapting the path to the dynamic conditions. In this thesis, a drive concept is proposed which allows velocity steps between tool and workpiece in a good approximation and can apply high accelerations without impact on the machine structure. The approach is based on using an inertia-based auxiliary actuator, which is able to cause a momentum transfer by means of collision and thus cause an abrupt change in velocity. The work is structured into a description of the basic problem and an overview on already existing solutions. The proposed concept of a momentum actuator as well as its method of operation is explained. For the design of the system simulative preliminary investigations are carried out, followed by an experimental verification by means of a prototype realization. Based on the experiment, uncertain model parameters can be identified, allowing further parameter studies to be carried out with the multi-body model. It can be shown that an appropriate additional actuator system has significant potential for the optimization of machining processes or opens up new applications which benefit from improved path tracking at discontinuities and at the same time reduced vibration excitation of the mechanical machine structures. Since approaches with comparable implementation efforts are already established and the actuator behaves energy neutral apart from conversion losses, the concept represents a promising new degree of freedom in the design of feed drives.