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Adaptronisch hybridgelagerte Motorspindel zur prozesssicheren und ratterfreien HPC-Fräsbearbeitung (AdHyMo) Dipl.-Ing. Britta Späh Mechatronik im Maschinenbau.

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Präsentation zum Thema: "Adaptronisch hybridgelagerte Motorspindel zur prozesssicheren und ratterfreien HPC-Fräsbearbeitung (AdHyMo) Dipl.-Ing. Britta Späh Mechatronik im Maschinenbau."—  Präsentation transkript:

1 Adaptronisch hybridgelagerte Motorspindel zur prozesssicheren und ratterfreien HPC-Fräsbearbeitung (AdHyMo) Dipl.-Ing. Britta Späh Mechatronik im Maschinenbau Prof. S. Rinderknecht Dipl.-Ing. Andreas Schiffler Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Prof. E. Abele SPP 1156 : Adaptronik für Werkzeugmaschinen Abschlusskolloquium

2 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹2› Projektüberblick  Laufzeit: – (Start zur zweiten Phase SPP1156)  Bearbeiter: Simon Kern (bis Juni 2008, MiM) Britta Späh(ab Juni 2008, MiM) Michael Roth (bis Mai 2006, PTW) Andreas Schiffler (ab Mai 2006, PTW)  Ziel: Entwicklung einer Motorspindel, die durch zusätzliche Aktoren und Sensoren eine Steigerung der Prozesssicherheit ermöglicht und den Bereich der stabilen Bearbeitung vergrößert; „ratterfrei“.  Fokus: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Aluminium Drehzahlen größer min -1 Leistung größer 30 kW.

3 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹3› Projektüberblick Ratterfrei, Prozesssicherheit  Reduzierung der Resonanzüberhöhungen im Nachgiebigkeitsfrequenzgang durch aktive Dämpfung  Überwachung und Erkennung von instabilen Prozessen und/oder Überlastungen

4 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹4› Gliederung  AP Aufbau und Inbetriebnahme Demonstrator  AP Online Identifikation unter Betriebsbedingungen  AP Regelung zur Erhöhung der Dämpfung  AP Entwicklung und Konstruktion des Prototyps  AP Weiterentwicklung der Regelung  AP Parametrische Identifikation und drehwinkel-synchrone Abtastung  AP Berechnung der Magnetlagerkraft  AP Diagnosefunktionen, Werkzeugverschleiß, Lagerbelastung Phase 2 SPP1156 Phase 3 SPP1156

5 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹5› AP Aufbau und Inbetriebnahme Demonstrator | erster Aufbau an der Maschine

6 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹6› Ziele  Online-Schätzung der Eigenwerte des Systems im Betrieb (im geschlossenen Kreis)  Modell inkl. Dynamik von Spindel, Werkzeug und Prozess für Reglerentwurf Anregung durch Magnetlager Messung der Verlagerung AP Online Identifikation unter Betriebsbedingungen Nachgiebigkeit am Werkzeug im Betrieb Dämpfung + Frequenz der Moden des geschlossenen Kreises A(j  ) identisch Nachgiebigkeit identifiziert mit AMB aus A(j  )

7 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹7› AP Online Identifikation unter Betriebsbedingungen Frequenz [Hz] |Nachgiebigkeit| dB [µm/kN] Zustelltiefe [mm] Zeit [sec] Dämpfung [%] Frequenz [Hz] instabil Zustelltiefe [mm] 1. mode 2. mode Rattern  Drehzahl 20,000 1/min  Zustelltiefe 0 bis 3 mm (kontinuierlich)  Zahnvorschub: 0.075mm Identifikation Vorschub apap

8 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹8› AP Regelung zur Erhöhung der Dämpfung  In der ersten Phase wurden am Demonstrator mit großem händigen Einsatz SISO-Regler an Hand der zuvor ermittelten Frequenzgänge entworfen.  So wurden sehr schnell erste Ergebnisse erzielt. Die aber noch nicht zufriedenstellend waren. Position x Position y Verstärker uyuy uxux ixix iyiy SISO-Regler X-Achse SISO-Regler Y-Achse MIMO-Regler X-Achse Y-Achse

9 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹9› AP Regelung zur Erhöhung der Dämpfung Manueller Reglerentwurf  zeitaufwändig  iteratives Vorgehen  Erfahrung nötig  gute Ergebnisse: Steigerung der Schnitttiefe von 3 auf 6mm

10 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹10› AP Regelung zur Erhöhung der Dämpfung Randbedingung: Abhängigkeit der Regelstrecke von den Betriebsbedingungen  Die Abhängigkeit des Eigenverhaltens von der Drehzahl ist begründet in  der Änderung der Lagerkinematik durch Fliehkräfte und Temperatur  dem Kreiseleffekt des Rotors der für eine zusätzliche Kopplung der radialen Freiheitsgrade sorgt  Ein robuster Reglerentwurf (µ-Synthese) liefert in engen Drehzahlbereichen eine Lösung für die Problematik Die Geometrie der Lager hängt ab von der Drehzahl

11 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹11› AP Regelung zur Erhöhung der Dämpfung Randbedingung: Begrenzung der Stellgrößen  Stabile Bearbeitung  ganzzahlige Vielfache der Drehfrequenz  Die Regelung des ML zur Erhöhung der Dämpfung muss hier nicht eingreifen  Instabile Bearbeitung (Hopf-Bifurkation) ungeradzahlige Vielfache treten auf  Die Regelung des ML muss hier eingreifen stabilinstabil

12 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹12› Ergebnisse am Demonstrator

13 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹13› AP Entwicklung und Konstruktion des Prototyps Aktorkonzepte - längerer Auskragung + gute Beobachtbarkeit + Erfahrungen - ML trägt alles - Stellkräfte - Robustheit + beste Beobachtbarkeit - Temperaturproblematik/ Lageranordnung - schlechte Beobachtbarkeit + Robustheit + ML rein Zusatz - Beobachtbarkeit + Robustheit + ML rein Zusatz Alle: Bei gleicher Antriebsleistung wird die Welle länger Konzept mit Piezostapeln (Fa. Weiss, Prof. Wölfel TUD) Prof. Neugebauer Chemnitz

14 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹14› AP Entwicklung und Konstruktion des Prototyps Auslegung Konstruktion Magnetlager Wälzlagerung

15 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹15› AP Weiterentwicklung der Regelung  Manueller Reglerentwurf im Frequenzbereich (Demonstrator)  Optimale Zustandsregelung (LQ-Regelung + Beobachter)  adaptive Regelung  Robuster Reglerentwurf mittels  -Synthese für verschiedene Arbeitspunkte  drehzahlgesteuerte Adaption der verwendeten Regler

16 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹16› AP Weiterentwicklung der Regelung Optimale Zustandsregelung LQR (MIMO)  Zustände müssen bekannt sein  System muss voll steuer- und beobachtbar sein  falls nicht bekannt: Beobachter erforderlich (hier der Fall)  sehr gute Ergebnisse: Steigerung der Schnitttiefe in Stichversuchen von 1 auf 6 mm.

17 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹17› AP Weiterentwicklung der Regelung Robuste Regelung  -Synthese  parametrisches Modell muss vorliegen  System kann Unsicherheiten zugewiesen werden (z.B. Resonanzfrequenz)  Reglerperformance kann vorgegeben werden  aufwändig

18 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹18› AP Weiterentwicklung der Regelung Drehzahlgesteuerte Adaption Schaltende Verfahren  einfach  mit Beobachterstruktur  mit Folgeregelung Kontinuierlich adaptierende Verfahren  gewichtete Überlagerung von Reglerausgängen  Parameteradaption Regler 1 Aktor und Spindel x Regler 2 Regler n Prozess ? u e n

19 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹19› AP Weiterentwicklung der Regelung Parameteradaption (Zustands-)Regler look-up table Drehzahl n e u n Imag. Real Regler für Drehzahl 1 Regler für Drehzahl 2 Interpolierter Regler Die Stecke ändert sich kontinuierlich Die Reglerordnung/Struktur in den Arbeitspunkten ist gleich n 1 und n 2 Ansatz: lineare Interpolation zwischen den Reglern

20 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹20› AP Weiterentwicklung der Regelung Experimentelle Ergebnisse Erhöhung der stabilen Schnitttiefe durch aktive Dämpfung  Spindel mit externem Lager (µ-Synthese): 4 mm auf 6mm  Spindel mit integriertem Lager (manuell):3 mm auf 6mm  Spindel mit integriertem Lager (LQR):1 mm auf 6mm Zusammenfassung  Hoher Aufwand für Regelung begründet durch die Dynamik des Aktors  Bandbreite der Regelung bis 1000 Hz möglich.  Dämpfen nicht möglich, wenn Filterfrequenz gleich Resonanzfrequenz  Vollständig automatisierter Reglerentwurf wird limitiert durch automatisches Schätzen eines parametrischen Modells.

21 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹21› AP Parametrische Identifikation und drehwinkel- synchrone Abtastung  Ziel ist die Ermittlung der „Rattergrundfrequenz“ f h  In den meisten Fällen tritt in der Praxis im Falle einer instabilen Bearbeitung mathematisch gesehen die zweite Hopfbifurkation auf.  Durch die drehwinkelsynchrone Abtastung werden drehzahlharmonische Schwingungen automatisch gefiltert.  Pro Umdrehung wird eine Abtastung getätigt. fhfh fhfh Experiment: kontinuierliche Erhöhung der Zustelltiefe bis Stabilitätsgrenze erreicht (Vollschnitt) fhfh fhfh fhfh fhfh x y

22 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹22› AP Parametrische Identifikation und drehwinkel- synchrone Abtastung a p Zustelltiefe Wurzelortskurve über Zustelltiefe Synchrone Abtastung der Rotorposition Rekursive Schätzung der Koeffizienten a i Berechnung der Eigenwerte (Realteil  Stabilität) Einfachstes Modell, da nur eine Frequenz dominant aufklingt Plot

23 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹23› AP Berechnung der Magnetlagerkraft  Linearisierung im Arbeitspunkt  Netzwerkmethode bei Vernachlässigung der Flussdichten im Eisen  Die Flussdichten im Luftspalt werden in Analogie zu elektrischen Netzwerken berechnet  Lösung eines linearen Gleichungssystems 8. Ordnung für die magn. Flüsse   Netzwerkmethode mit Berücksichtigung der Sättigungseffekte in Form einer Magnetisierungskennlinie  Nichtlineares Gleichungssystem Mögliche Sättigung im Eisen (Joch)

24 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹24› AP Berechnung der Magnetlagerkraft | Netzwerkmethode unter Berücksichtigung der Sättigungseffekte  Statt der bisher 8 Größen (Flüsse im Luftspalt) müssen nun jeweils pro Pol im Stator, Rotor und Luftspalt magn. Flussdichte und magn. Feld bestimmt werden  Die 48 Größen werden durch  8 Maschengleichungen M i  16 Knotengleichungen  24 Beziehungen durch gegebene Magnetisierungskennlinie im Eisen definiert.  Die Lösung zur Bestimmung der 48 Größen wurde als Matlab-Skript implementiert.

25 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹25› AP Diagnosefunktionen | Werkzeugverschleiß  Zur Ermittlung des Werkzeugverschleißes wurde eine drehwinkelsynchrone Abtastung mit anschließender Ordnungsanalyse entwickelt und erprobt.  Dazu wurde die Datenaufnahme bzw. die Analog nach Digitalwandlung per Hardware durch den Spindeldrehgeber gesteuert. Pro Umdrehung werden dann fix 256,128, oder 64 Punkte aufgenommen

26 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹26› AP Diagnosefunktionen | Werkzeugverschleiß stabile Bearbeitung mit neuen Schneidenstabile Bearbeitung mit verschlissenen Schneiden

27 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹27› AP Diagnosefunktionen | Prozessstabilität  Winkelsynchrone Abtastung des spindelintegrierten Beschleunigungssensors; Beobachtung der Schneiden-Ordnung Beschleunigung Umdrehungen Beschleunigung Umdrehungen Bearbeitung mit einem 5 schneidigen Werkzeug

28 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹28› AP Diagnosefunktionen | Lagerbelastung Modell des Schrägkugellagers wird iterativ im Betriebspunkt bestimmt Finite Elemente Modell des Rotors (27 Knoten, 330 DOF) Rotor: Balkenelemente, Scheibenelemente Lager: Linearisiertes Modell, 6x6 Steifigkeitsmatrix Federangestellte Loslagerbuchse Verlagerungen (3 transl. 2 rot.) am Innenring werden gegeben Aus der Berechung der Kugelpositionen, Druckwinkel resultiert die Steifigkeitsmatrix Mit dieser werden erneut die Verlagerungen berechnet. Zustandsraumbeschreibung

29 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹29› AP Diagnosefunktionen | Lagerbelastung  Reduzierter Beobachter  2 Wegmesswerte  2 Kräfte am Magnetlager  Beobachterauslegung nach Kalman  Nur radiale Zustände werden beobachtet  Reduktion der Größe  Die Ausgangsmatrix C wird an den Lager Zuständen durch die Steifigkeitsmatrizen der Lager ersetzt. Beobachter 2 Kräfte 2 Wege aus ML K 2 Kräfte pro Lager

30 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹30› AP Diagnosefunktionen | Lagerbelastung Beispiel  Trotz weiterer Zustellung keine signifikante Änderung der Lagerbelastung  Magnetlager übernimmt Belastung Zeit [s] Magnetlagerkräfte [N] F x F y Stabilitätsgrenze a p =1,5 mm ohne Regelung a p =2,5 mm mit Regelung

31 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹31› Zusammenfassung  Am Demonstrator wurde durch die Erhöhung der Dämpfung mittels elektromagnetischem Aktor eine Steigerung des Zerspanvolumens nachgewiesen.  Eine Prototypspindel wurde entwickelt, konstruiert und in Betrieb genommen.  Verschiede Regelungskonzepte zur Erhöhung der Prozessstabilität wurden angewandt bzw. entwickelt  Methoden zur Systemidentifikation während der Bearbeitung wurden erarbeitet und getestet  Diagnosefunktionalitäten basierend auf minimalem Sensoreinsatz wurden erarbeitet und getestet.  Die Ergebnisse wurden bisher in einer Dissertation, Veröffentlichungen und in einem Industriearbeitskreis „Motorspindel“ präsentiert.

32 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹32› Änderung der ersten Eigenform über Drehzahl (Modell) Excitation of AMB Displacement measurement 0 min min min min min min -1

33 SPP 1156 I 24. Jun | A. Schiffler | Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen | ‹33› Ablauf zur Spindelmodellberechnung finite element model of shaft  M S G S K S (6nx6n) couple shaft model to bearings bearing models  K B (6x6) speed, temperature, curverture radii dimensions geometrical data of rotating parts static calculation q= ( K S +K B ) -1 F initial conditions for relativ displacement q* external load (force, torque) dynamic calculations constant iterative


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