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antriebstechnik 1-2/2021

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antriebstechnik 1-2/2021

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG DIE AUTOREN 06 Stabilisierung eines instabilen Prozesszustands. Messsignal der Auslenkung des Rotormittelpunkts XM (oben), Oberflächen- (Mitte) und Primärprofil Pt (unten) Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, Geschäftsführende Leitung IFW Hannover Dr. Ing. Benjamin Bergmann, Bereichsleiter des Bereichs Maschinen und Steuerungen des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) Hannover Mitte des Rotors ein Messring positioniert. Die drei Wirbelstromsensoren werden jeweils durch eine Bohrung in einem Statorzahn montiert. Eine Herausforderung bei der Konstruktion ist die Dimensionierung der Kombination von Statorwicklung und Aktorwicklung im Statoraktivteil. Eine gegenseitige Spannungsinduktion zwischen den Wicklungssystemen muss durch eine magnetische Entkopplung weitgehend vermieden werden. Eine in der Antriebswicklung induzierte Spannung würde sonst zu unerwünschten Wechselwirkungen mit der Leistungselektronik führen. Wird eine Spannung in der Aktorwicklung induziert, verändert dies den Strom in den Aktorwicklungen und führt zu einer unerwünschten Beeinflussung der Dämpfungskräfte. Die Dimensionierung von magnetisch entkoppelten Wicklungen erfolgt mithilfe zweidimensionaler Finite-Elemente-Berechnungen (FEM) mit dem Ziel, eine zum Funktionsmuster a) vergleichbare Aktorkraft zu erreichen. Die Simulationen zeigen, dass mit einer bestimmten Polpaarzahl und Wicklungsvariante bei einer Aufteilung des Bauraums in 40 % für die Aktorwicklung und 60 % für die Antriebswicklung eine hinreichende Entkopplung und eine ausreichende Dämpfungskraft erreicht werden kann. Günstig ist die Wahl einer Polpaarzahl von p A = 6 für die Aktorwicklung und von p M = 3 für die Antriebswicklung. Verglichen mit dem Funktionsmuster a) kann so das Motormoment um über 70 % (von 16,34 Nm auf 28 Nm) und die Motorleistung um über 50 % (von 18,7 kW auf 28 kW) erhöht werden. Das Motormoment liegt so nur noch um 25 % und die Motorleistung nur noch um 35 % unter den Werten einer konventionellen Motorspindel gleicher Größe. Nach [BIC15] liegt jedoch die dynamische Prozessgrenze aufgrund von Rattern von Funktionsmuster a) weit unterhalb der elektrischen Leistungsfähigkeit des Motors. Eine Steigerung des Zeitspanvolumens mit Funktionsmuster b) ist somit im Vergleich zu einem baugleichen Motor theoretisch M. Sc. Frederic Böhse, Wiss. Mitarbeiter Maschinenkomponenten, IFW Hannover M. Sc. Jan Königsberg, Wiss. Mitarbeiter, Institut für Antriebssysteme und Leistungselektronik (IAL) Hannover DANKSAGUNG Das Forschungsprojekt „Aktive Ruckentkopplung für Werkzeugmaschinen“ (Projektnummer: 269666724) und das Forschungsprojekt „Methode zur motorintegrierten Dämpfung von Spindelschwingungen bei Werkzeugmaschinen“ (Projektnummer: 112455566) werden mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Das IFW bedankt sich für die finanzielle Unterstützung in diesen Projekten. Prof. Dr.-Ing. Bernd Ponick, Vorstand IAL Hannover 42 antriebstechnik 2021/01-02 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG erreichbar. Eine Herausforderung bei der Erzeugung der Stellkräfte ist die rotorlageabhängige Kraftwirkung des Aktors bei Funktionsmuster b). Aufgrund einer Überlagerung des Aktormagnetfelds mit dem Magnetfeld der rotierenden Permanentmagnete kommt es zu einer Beeinflussung der Aktorkraft in Richtung und Amplitude [KOE18]. Hierdurch ergibt sich eine aufwändigere Regelung der Stellkräfte des Funktionsmusters b) als bei Funktionsmuster a). Durch Kenntnis der Wechselwirkung muss das Regelungssystem entsprechend erweitert werden. Auf Basis des dimensionierten neuartigen Wicklungskonzepts wurde von der Franz Kessler GmbH nun ein Funktionsmuster b hergestellt. Aktuell erfolgt die experimentelle Analyse des Funktionsmusters und die Evaluierung des Ansatzes in Fräsversuchen. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Autonome Maschinenkomponenten nehmen eine Schlüsselrolle zur Umsetzung autonomer Werkzeugmaschine ein. Durch selbstlernende adaptronische Systeme werden Maschinenkomponenten befähigt, eigenständig auf unbekannte Störungen zu reagieren und sich an verändernde Umgebungsbedingungen anzupassen. Hierbei stellen mechatronische Zusatzsysteme und die Adaptronik Vorstufen zur vollständigen Autonomie von Maschinenkomponenten dar. Der vorliegende Beitrag zeigt am Beispiel von mechatronischer Dämpfungssystemen den Übergang von mechatronischen Zusatzsystemen hin zu adaptronischen Systemen. Die mechatronischen Dämpfungssysteme erfassen Strukturschwingungen mit Hilfe integrierter Sensorik. Anhand von Systemmodellen werden die notwendigen Stellkräfte zur Kompensation der Schwingungen berechnet. Mittels aktiver Ruckentkopplung lassen sich Schwingungen des Maschinengestells aktiv dämpfen, die durch Reaktionskräfte der Vorschubantriebe hervorgerufen werden. Durch den Einsatz der motorintegrierten Spindeldämpfung werden Ratterschwingungen aktiv innerhalb der Motorspindel gedämpft. Mechatronische Dämpfungssysteme stabilisieren hierdurch den Bearbeitungsprozess und führen zu einer erhöhten Produktivität. Diese erkennen eigenständig die Grenzen des Systems. Durch die vorgestellten mechatronischen Dämpfungssysteme wurde die Schwelle zur dritten Stufe der Skala der Automatisierung von Maschinenkomponenten aufgezeigt. Die vierte Stufe beinhaltet vollautonome Maschinenkomponenten. Durch die Integration weiterer Schlüsseltechnologien, wie zum Beispiel des maschinellen Lernens, werden zukünftig weitere Meilensteine hin zur autonomen Werkzeugmaschine erreicht. Bilder: IFW Universität Hannover Literaturverzeichnis [ALT11] Altintas Y, Verl A, Brecher C, Uriarte L, Pritschow G (2011) Machine tool feed drives. CIRP Annals 60(2):779–796. [BEH18] Behrens B-A, Groche P, Krüger J, Wulfsberg JP (2018) WGP-Standpunkt Industriearbeitsplatz 2025, Standpunktpapier, Garbsen. [BIC15] Bickel W (2015) Frässpindel mit motorintegrierter aktiver Dämpfung, Dr.-Ing. Dissertation, Garbsen, Leibniz Universität Hannover, IFW. [GÜM14] Gümmer O (2014) Produktivitäts- und Genauigkeitssteigerung von Fräsmaschinen durch ruckentkoppelte Vorschubantriebe und magnetische Führungseinheiten, Dr.-Ing. Dissertation, Garbsen, Leibniz Universität Hannover, IFW. [HES08] Hesse P (2008) Energieeffizientes Relativführungskonzept für ruckentkoppelte Vorschubachsen. Dr.-Ing. Dissertation, Leibniz Universität Hannover. [KOE18] Koenigsberg J, Reiners J, Ponick B, Denkena B, Bergmann B (2018) Highly Dynamic Spindle Integrated Magnet Actuators for Chatter Reduction. INTERNATIONAL JOURNAL OF AUTOMATION TECHNOLOGY 12(5):669–677. [MAS09] Maslen EH, Schweitzer G (Hrsg.) (2009) Magnetic Bearings: Theory, Design, and Application to Rotating Machinery. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg. IMPRESSUM erscheint 2021 im 60. Jahrgang, ISSN 0722-8546 REDAKTION Redakteure: Miles Meier (mm), Tel.: 06131/992-208, E-Mail: m.meier@vfmz.de (verantwortlich i.S.d. § 18 Abs. 2 MStV) Ivo Greuloch (Vol.) (ig), Tel.: 06131/992-353, E-Mail: i.greuloch@vfmz.de Vanessa Weingärtner (Vol.) (wv), Tel.: 06131/992-352, E-Mail: v.weingaertner@vfmz.de Redaktionsassistenz: Melanie Lerch, Tel.: 06131/992-261, Petra Weidt, Tel.: 06131/992-371, Ulla Winter, Tel.: 06131/992-347, E-Mail: redaktionsassistenz_vfv@vfmz.de, (Redaktionsadresse siehe Verlag) GESTALTUNG Anette Fröder, Sonja Daniel, Conny Grothe SALES Oliver Jennen, Tel.: 06131/992-262, E-Mail: o.jennen@vfmz.de Andreas Zepig, Tel.: 06131/992-206, E-Mail: a.zepig@vfmz.de Anzeigendisposition: Heike Rauschkolb, Tel.: 06131/992-241, E-Mail: h.rauschkolb@vfmz.de Anzeigenpreisliste Nr. 57: gültig ab 1. Oktober 2020 LESERSERVICE vertriebsunion meynen GmbH & Co. KG, Große Hub 10, 65344 Eltville, Tel.: 06123/9238-266 Bitte teilen Sie uns Anschriften- und sonstige Änderungen Ihrer Bezugsdaten schriftlich mit (Fax: 06123/9238-267, E-Mail: vfv@vertriebsunion.de). Preise und Lieferbedingungen: Einzelheftpreis: € 15,50 (zzgl. Versandkosten) Jahresabonnement Inland: € 153,- (inkl. Versandkosten) Jahresabonnement Ausland: € 168,- (inkl. Versandkosten) Abonnements verlängern sich automatisch um ein weiteres Jahr, wenn sie nicht spätestens vier Wochen vor Ablauf des Bezugsjahres schriftlich gekündigt werden. VERLAG Vereinigte Fachverlage GmbH Lise-Meitner-Straße 2, 55129 Mainz Postfach 100465, 55135 Mainz Tel.: 06131/992-0, Fax: 06131/992-100 E-Mail: info@vfmz.de www.vereinigte-fachverlage.de Handelsregister-Nr.: HRB 2270, Amtsgericht Mainz Umsatzsteuer-ID: DE149063659 Ein Unternehmen der Cahensly Medien Geschäftsführer: Dr. Olaf Theisen, Matthias Niewiem Verlagsleiter: Dr. Michael Werner, Tel.: 06131/992-401 Chef vom Dienst: Dipl.-Ing. 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