Auslegung von Werkzeugmaschinen Robust war gestern

Redakteur: Luca Meister

Eine schnelle Methode zur Simulation und Untersuchung des Wärmegangs von Werkzeugmaschinen könnte die Fertigungswelt revolutionieren, indem Maschinen die eigenen thermisch induzierten Fehler kompensieren. Das Team der Zellweger Ingenieurgesellschaft mbH hat ein entsprechendes Verfahren praxistauglich gemacht und erste Anwendungen umgesetzt. Robust bauen hat ausgedient: Wer weiterkommen will, muss die Maschinen intelligenter machen.

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Screenshot des reduzierten Modells der Portalfräsmaschine in «Matlab/Simulink».
Screenshot des reduzierten Modells der Portalfräsmaschine in «Matlab/Simulink».
(Bild: Zellweger)

Die Robustheit von Werkzeugmaschinen gegenüber thermischen Einflüssen wird heute meist mit grossen Massen, suboptimaler Geometrie und anderen funktionalen Nachteilen erkauft. Symmetrisches Bauen und innovative Werkstoffe helfen aber nur sehr beschränkt, wenn es darum geht, thermisch induzierten Verformungen entgegenzuwirken. Maschinen der oberen Preisklasse besitzen teilweise auf empirischen Ansätzen basierende Korrekturverfahren, welche aber nur so weit tauglich sind, wie keine Ereignisse ausserhalb der berücksichtigten Szenarien auftreten. So können zum Beispiel rasche Temperaturänderungen, sei es durch Kühlschmierstoffe oder Ventilation, zu falschen Aktionen führen, da in diesen Verfahren einfache mathematische Formeln verwendet werden und keine Differenzialgleichungssysteme.

Potential und Ziele

Voraussetzung für deutlich bessere Lösungen ist das Verständnis des thermomechanischen Verhaltens der Maschine. Mit dem neuen Simulationsverfahren wurde diese Möglichkeit geschaffen. Damit können adäquate Massnahmen von der Konstruktionsoptimierung bis hin zur Fehlerkompensation ergriffen werden. Der für die Praxis entwickelte Ablauf ermöglicht die sehr schnelle Simulation des thermomechanischen Verhaltens und die dabei erzeugten reduzierten Modelle können für die Echtzeitüberwachung und -kompensation der Maschine eingesetzt werden.

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Das Ziel ist es, dem erfahrenen Maschinenentwickler einen handhabbaren und auf existierenden Softwarelösungen basierenden Arbeitsablauf zur Verfügung zu stellen. Durch die Anwendung der Modellordnungsreduktion wird die Berechnungszeit des transienten Verhaltens um Faktor 10 000 und mehr verkürzt. Damit kann das thermomechanische Verhalten auf einer gängigen Workstation so schnell gerechnet werden, dass Vergleiche von Konstruktionsvarianten und die differenzierte Untersuchung von Umgebungseinflüssen mit vertretbarem Zeitaufwand gezogen werden können.

Kombinierte Simulationsarten

Zwei Simulationsarten haben sich in der industriellen Praxis etabliert: Einerseits die FEM-Simulation (Finite-Elemente-Methode-Simulation), volumenbasiert, detailliert und genau. Andererseits die Blockdiagramm-Simulation (auch Systemsimulation), schnell, effizient und flexibel. Die Vorteile der beiden Simulationsarten werden kombiniert, indem die Modellordnung des FEM-Modells (in diesem Fall mit «Ansys Workbench» erzeugt) reduziert wird und das reduzierte Modell in einer Blockdiagramm-Simulationsumgebung («Matlab/Simulink») integriert wird. Die Steigerung der Simulationsgeschwindigkeit gegenüber der Berechnung von vollständigen FEM-Modellen lässt sehr schnelle Simulationen in sehr hoher zeitlicher Auflösung zu. Die Anwendung des neuen Verfahrens eröffnet somit neue Möglichkeiten für die Konzeption und für den Betrieb von Werkzeugmaschinen. Hohe Ansprüche stellen dabei die Modellierung von Systemen mit bewegten Achsen und die geeignete Berücksichtigung der Kühlschmierstoffe oder nichtlinearer Umgebungsbedingungen.

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