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Qualifizierung von funktionsintegrierten Vorschubeinheiten auf Basis von nachgiebigen Mechanismen in kleinen Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke

Das übergeordnete Ziel dieses Gemeinschaftsprojektes ist die Realisierung eines ganzheitli-chen, nichtintuitiven Entwicklungsprozesses von Vorschubeinheiten auf Basis nachgiebiger Mechanismen. Große Vorteile nachgiebiger Mechanismen sind extrem geringe Reibung, Verschleißfreiheit, geringe Herstellungskosten sowie ihre Reinraumeignung. Dadurch sind nachgiebige Mechanismen grundsätzlich für den Einsatz im der Mikrofertigung qualifiziert. Entwicklungsingenieuren und Anwendern von kleinen Werkzeugmaschinen, die auf nachgiebigen Mechanismen basieren, soll eine wissenschaftlich abgesicherte und standardisierte Vorgehensweise zur Produktentwicklungverfügbar gemacht werden, die die Generierung optimaler konstruktiver Lösungen ermöglicht.

Dies beinhaltet neben der Generierung der Topologie und der Geometrie der elastischen Gelenke auch eine entsprechende Modellierung zur Verwendung in der mathematischen Bahnoptimierung sowie im Entwurf der Regelung. Durch die direkte Einbindung der Entwick-lungswerkzeuge in ein ganzheitliches System kann der Entwicklungsprozesse effizient gestaltet werden.

Das Gemeinschafsprojekt wird in Zusammenarbeit von drei Instituten aus den Bereichen der Mechanik, Mathematik und Fertigungstechnik durchgeführt.

Teilprojekt 1: Mechanik

Die Mechanik behandelt vornehmlich den Entwurf von nachgiebigen Mechanismen auf Basis eines automatisierten Prozesses sowie die effiziente Modellbildung für anschließende Ent-wicklungsschritte. Die Anforderungen eines Kunden an das Produkt sollen durch den Einsatz nicht-intuitiver Entwicklungsmethoden schnell und effizient in einen Prototyp umgesetzt wer-den können. Dazu werden Optimierungsalgorithmen eingesetzt, die diese Aufgabe nicht-intuitiv lösen. Dieser erste Entwicklungsschritt läuft in zwei Stufen ab. Die Topologieoptimie-rung bestimmt die bestmögliche Verteilung von Material innerhalb des Designraumes und legt damit die Position der elastischen Festkörpergelenke und deren Verbindung durch steife Bereiche fest. Die Größe des maximal erreichbaren Vorschubes ist maßgeblich an die Geo-metrie dieser elastischen Festkörpergelenke geknüpft. Um hier das volle Potential auszuschöpfen bestimmt eine anschließende Optimierung der geometrischen Parameter deren ideale Werte. Dabei werden auch die maximal auftretenden mechanischen Spannungen berücksichtigt.

Im Hinblick auf die Optimierung der Verfahrwege und Auslegung der Regler sind effiziente mathematische Modelle der Vorschubeinheit von Nöten. Diese sollen sowohl mittels Appro-ximation der elastischen Festkörpergelenke sowie des gesamten Mechanismus als auch durch Anwendung moderner Modellreduktionsverfahren zur Verfügung gestellt werden.

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Teilprojekt 2: Mathematik

Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der mathematischen Bahnoptimierung von Vor-schubeinheiten, die auf nachgiebigen Mechanismen beruhen. Als Startkonfiguration wird eine an der HSU entwickelte parallelkinematische Mikrostruktur betrachtet. Um eine Optimierung der Verfahrwege durchführen zu können, musste diese Problemstellung zunächst mathematisch formuliert und analysiert werden. Das Ziel dieses Projekts ist es basierend auf den analytischen Ergebnissen und aktuellen numerischen Methoden Lösungsverfahren zu entwickeln, welche eine Lösung der zugrundeliegenden Probleme mit höchstmöglicher Präzision in sehr geringer Zeit bestimmen.

Dieses Ziel erfordert zunächst die Formulierung als Optimalsteuerungsproblem, also als Optimierungsproblem mit gewöhnlichen Differentialgleichungen als Nebenbedingungen. Zu minimieren ist die Abweichung von einem vorgegebenen Verfahrweg. Dem Zielfunktional wird zudem noch ein Strafterm hinzugefügt, welcher auf elastischen Gelenken beruhenden Abweichungen regularisierend entgegengewirkt. Die Differentialgleichungen beschreiben in diesem Fall die Dynamik der Startkonfiguration. Hierfür soll später das reduzierte dynamische Modell, welches die Modellreduktion des Teilprojekts der Mechanik liefert, verwendet werden. Die Start- und Endpositionen des gewünschten Verfahrweges fließen durch die Randbedingungen in das Problem ein. Zudem werden Beschränkungen für den Zustand und die Steuerung benötigt, welche sich aus den Einschränkungen an die Ausdehnung der Aktoren beziehungsweise an die anliegenden Spannungen ergeben.

Insgesamt konnte das Problem so als ein lineares autonomes Lagrange-Problem mit freier Endzeit und reinen Zustandsbeschränkungen formuliert werden.

Zurzeit werden an das Problem und die Genauigkeitsforderungen der Mikrofertigung angepasste numerische Lösungsverfahren entwickelt.

SkizzeBild vergrößert anzeigen... Link wird in einem neuen Fenster geöffnetFotoBild vergrößert anzeigen... Link wird in einem neuen Fenster geöffnet

Teilprojekt 3: Fertigungstechnik

Der Bereich der Fertigungstechnik beschäftigt sich in erste Linie mit der realen Umsetzung der entwickelten Vorschubeinheiten. Hierbei werden die Fragestellung nach der Auswahl der Aktoren, des Materials und des Herstellungsprozesse gelöst. Für deren zukunftsnahen industriellen Einsatz wird eine für den Anwender einfache Einbin-dung der Vorschubeinheit in eine modulare Werkzeugmaschine angestrebt. Jedoch sind komplexere Regleralgorithmen aufgrund der hohen Forderung nach Arbeitsgenauigkeit not-wendig. Deshalb wird ein adaptiver Regler angestrebt, welcher sich der aktuellen Konfigura-tion und Belastung in der Werkzeugmaschine anpasst. Gleichzeitig soll die Implementierung solcher Regler auch in eine Maschinensteuerung, welche in der Industrie üblich ist, möglich sein.

Stand dieser Seite: 15.02.2013 - 17:11:41 | Impressum | Datenschutzerklärung | Druckdatum: 24.10.2017 - 05:54:22

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