Koppelung von Struktur und Steuerung. Rapperswil. 23. Januar Elektromechanische Auslegung von Werkzeugmaschinen.

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1 Koppelung von Struktur und Steuerung Rapperswil 23. Januar 2014 Elektromechanische Auslegung von Werkzeugmaschinen GF AgieCharmilles Jan Konvicka / FE

2 Inhaltsverzeichnis 1 Der Entwicklungsprozess 3 2 Maschinen- und Antriebskonzepte 4 3 Fräsen HPC oder HSC? 6 4 Auslegungs- und Dimensionierungskriterien 7 5 Schwingungen beim Fräsen 8 6 Konstruktion und Simulation Frequenzanalyse Harmonische Analyse Thermische Maschinenanalyse Integrierte Simulation 14 7 Zusammenfassung / Ausblicke 15 GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 2

3 2. Maschinnen- und Antriebskonzepte Maschinenkonzept Antriebskonzept Drei- oder Fünfachsmaschine Horizontal- oder Vertikalspindel Konventionell linear (Kugelgewindeantrieb mit oder ohne Untersetzung) Linearmotor Einseitig oder beidseitig gelagerter und angetriebener Rundschwenktisch Werkzeug- und Werkstückautomatisierung Ergonomie Getrieberundachse Torquemotorrundachse GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 3

4 3. Fräsen HPC oder HSC? GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 4

5 Fräsen HPC oder HSC? Beispiel: HPC HSC Video Video GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 5

6 4. Auslegung und Dimensionierung Kriterium Geometrische Dimensionierung Geometriegenauigkeit Werkstückgewichte Verfahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen Zerspanvolumen, Spindeldrehzahlen Arbeitspunkte Arbeitsraum, Verfahrwege, Schwenkwinkel,Transportmasse statische Steifigkeit, thermische Stabilität Statische Steifigkeit Achsberechnungen (Motoren, KGT, Lager), dynamische Steifigkeit Spindeldimensionierung, dynamische Steifigkeit GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 6

7 5. Schwingungen beim Fräsen Schwingungen sind unerwünscht beim Fräsen!? Die Prozesssicherheit, die Lebensdauer von Werkzeug und Maschine oder die Werkstückqualität werden beeinträchtigt. Ratterschwingungen Ursachen der selbsterregte Schwingungen (Rattern) beim Zerspanen sind Lagekopplungen und Regenerativeffekte Durch Antriebe erregte Schwingungen Durch Beschleunigungskräfte wird die Maschine zum Schwingen angeregt Lagekopplung: zwei nahe beieinander liegende Eigenfrequenzen werden durch Zerspanungsprozess gekoppelt, Amplituden erhöhen sich, Zerspanprozess wird instabil Regenerativeffekt: durch Schwingungen beim Fräsen entsteht Welligkeit der Oberfläche, dadurch entstehen Schnittkraftschwankungen, welche die Schwingungen aufrechterhalten oder verstärken (regenerieren) können Beim Schlichtfräsen von 3D-Flächen treten hohe Beschleunigungen im Prozess auf welche die Maschine zum Schwingen bringen Die Oberflächenqualität der zu fräsenden Fläche kann beeinträchtigt werden Rattern tritt auf nach Überschreitung von bestimmten Zerspanungsparametern (Grenzspantiefe, Zerspanungsgeschwindigkeit, Werkzeugparameter); eingeleitete Kraft (Energie) ins Maschinensystem GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 7

8 6. Konstruktion und Simulation Anforderung an das Maschinenkonzept und die Konstruktion: Hohe Spindeldrehzahl (großer, stufenloser, regelbarer Drehzahlbereich) Ausreichendes Drehmoment (über gesamten Drehzahlbereich) Hochpräzise Werkzeugaufnahme mit geringsten Rundlauftoleranzen (HSK hat sich als Standard durchgesetzt) Werkzeugaufnahmen mit absoluter Unwuchtfreiheit und kleinsten Rundlaufabweichungen (Hydrospannfutter und Schrumpffutter) Die Antriebe müssen folgende Eigenschaften erfüllen: Hohe Vorschubgeschwindigkeiten ermöglichen Extreme Beschleunigungs- und Verzögerungswerte ermöglichen, ohne dass die Bahngenauigkeit beeinträchtigt wird. Die bewegten Massen müssen möglichst klein sein Außerordentliche Steifigkeit der Antriebe / Qualität der Antriebe Achsberechnung Ruck- und Beschleunigungsabhängig Die Maschinenkonstruktion muss folgende Anforderungen erfüllen: sehr hohe Steifigkeit hervorragende Schwingungsdämpfung Finite Element Berechnung von Einzelteilen und Gesamtmaschine GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 8

9 Achsberechnung Maximale Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sind die Basis zur Auslegung und Berechnung der Antriebselemente (Motor, KGT, Lager,Lagerböcke, oder Linearmotor) Hochlaufkurven in Abhängigkeit vom Ruck: a max =10m/s 2 r=300m/s 3 Zeit bis v max 0.067s a max =5.8m/s 2 r=100m/s 3 Zeit bis v max 0.12s GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 9

10 6.1. Frequenzanalyse Berechnung aller Eigenfrequenzen von 0 bis 1000Hz Anzahl der Eigenfrequenzen Höhe der Frequenzen Schwingformen der Eigenfrequenzen Berechnet Gemessen GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 10

11 6.2 Harmonische Analyse Frequenzganganalyse rechnerische und experimentelle Ermittlung von Schwingungsamplituden Dynamische Steifigkeit der Maschine für verschiedene Eigenfrequenzen Simulation experimentell Frequenz [Hz] GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 11

12 6.4 Integrierte Simulation Werkzeugmaschinen sind mechatronische Systeme bestehend aus Steuerung, Regelung, Antrieb und Struktur Das Ziel bei Mikron ist: Integration von Aktoren (Motoren) und Sensoren (Messsysteme) in die Maschinensimulation Integration der Regler in die Maschinensimulation Simulation des Gesamtsystems im Zeitund Frequenzbereich Simulation von: Führungsverhalten der Achsen im Frequenzbereich Führungsverhalten der Achsen im Zeitbereich Störverhalten der Achsen im Frequenzbereich Störverhalten der Achsen im Zeitbereich GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 12

13 7. Zusammenfassung / Ausblicke Durch Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungsbearbeitung in der spanenden Fertigung werden immer höhere Anforderungen an die Maschinensysteme gestellt. Statische und Strukturdynamische Berechnungen wie Eigenformen und Frequenzgänge sowie thermische Verlagerungen bilden heute die Grundlage für eine schnelle Markteinführungszeit neuer Maschinen. Beste Geometriegenauigkeit, höchste Zerspanungsleistung, Ergonomie sowie Umweltaspekte (Energieeffizienz, Medienverbrauch) stehen im engen Zusammenhang mit der Wirtschaftlichkeit und somit den Kosten für eine Anlage. GF AgieCharmilles J. Konvicka / FE 13