GFB - Green Factory BAVARIA

Energetische Optimierung von Rundtischen für die 5-Achs Simultanbearbeitung

Zielsetzung

In den letzten Jahrzehnten hat sich die Werkzeugmaschinenentwicklung überwiegend in Richtung der statischen und dynamischen Eigenschaften bewegt. Um heute aber wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen Unternehmen vermehrt auch auf die Kosten für die benötigten Ressourcen achten. Eine Möglichkeit dazu liegt in der Steigerung der Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen durch Energierückgewinnung oder -einsparung. Bisherige Forschungsprojekte auf diesem Gebiet haben sich mit der Optimierung von Hauptspindeln oder Kühlschmiersystemen befasst. Ungeachtet blieben bei diesen Untersuchungen die beiden in 5-Achs-Bearbeitungszentren zusätzlich vorhanden Rundachsen. Durch die Zunahme der Bauteilkomplexität, den hiermit gestiegenen Anforderungen an Form- und Lagetoleranzen und der Forderung Nebenzeiten zu minimieren gewinnt die 5-Achs-Bearbeitung mehr und mehr an Bedeutung. Insbesondere die auf diesen Maschinen durchführbare Simultanbearbeitung wurde bisher nicht im Speziellen energetisch untersucht. Eine Simultanbearbeitung ist durch eine permanente und langsame Bewegung der Achsen charakterisiert, was einen deutlichen Unterschied zu den konventionellen Maschinen darstellt. Dies hat zur Folge, dass die bisherigen Konzepte hier zu keiner nachhaltigen Energieeinsparung führen und daher neue Methoden erfordern. Anhand von messtechnischen Ermittlungen sollen in diesem Projekt entsprechende Optimierungsmaßnahmen abgeleitet werden. Ziel des Projekts ist es, Möglichkeiten der Energieoptimierung zu ermitteln und diese umzusetzen. Gegenüber den bestehenden 5-Achs-Bearbeitungszentren wird eine Reduzierung des benötigten Energiebedarfs der Rundtische um 10% angestrebt.



Lösungsansätze

Das für die Simultanbearbeitung charakteristische stetige Verfahren der Achsen fokussiert die Reibung, Antriebe und Verfahrensstrategien im Vordergrund des Forschungsschwerpunkts. Das angestrebte Projektziel der Verbesserung um 10% kann dabei durch mehrere Maßnahmen realisiert werden. Bei den betrachteten vertikalen Bearbeitungszentren sind die Rundachsen im Maschinentisch angeordnet. Für diese Tischantriebe kommen zwei unterschiedliche Antriebskonzepte zur Anwendung. Entweder erfolgt der Antrieb direkt über einen sogenannten Torque-Motor oder klassisch über Servomotoren mit zwischengeschaltetem Getriebe (Abbildung 1). Bei den thermischen und energetischen Untersuchungen des Rundtisches sollen beide Antriebskonzepte betrachtet und analysiert werden. Für beide Systeme soll ein thermischen Modell des Rundtisches auf Basis von Messdaten erstellt werden.





Ergebnisse

Bei den Messungen wird jeweils zwischen zwei Zuständen unterschieden (Abbildung 2). Zum einen soll die Untersuchung bearbeitungsunabhängig erfolgen. Die Maschinen arbeiten dabei während der Messung einen definierten Prüfzyklus mit charakteristischen Beschleunigungs- und Bremszuständen ab. Daneben wird auch das thermische Maschinenverhalten im Span untersucht. Dies erfolgt an Hand der Bearbeitung von Referenzbauteilen. Die aus der Bearbeitung resultierenden Einflüsse sollen dabei erfasst, abgebildet und mit einbezogen werden. Die Schnittstelle zwischen Rundtisch und dem Werkstück wird eine Mehrkomponenten-Kraftmessplatte bilden, um diese Kräfte über die gesamte Messdauer hinweg sicher erfassen zu können. Als weitere Ansätze zur Energieeinsparung werden die Kühlzuführungen des Direktantriebes und die im Rundtisch eingesetzten Dichtsysteme betrachtet werden. Bei letzteren richtet sich der Schwerpunkt bei der Untersuchung vor allem auf den Einsatz von reibungsminimierenden Beschichtungen und Möglichkeiten zur dynamischen Vorspannung der verwendeten Dichtungen.



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