Einsatz von optislang in der Prozessstabilitästuntersuchung und -optimierung von Werkzeugmaschinen

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1 Einsatz von optislang in der Prozessstabilitästuntersuchung und -optimierung von Werkzeugmaschinen A. Broos wbk, Universität Karlsruhe (TH) D. Mantziaras K. Keller TAO Technologies GmbH Weimarer Optimierungs- und Stochastiktage /02. Dezember 2005 Trans-Atmospheric Operations 1

2 Motivation für Simulation in der Entwicklung von Werkzeugmaschinen Höhere Entwicklungsqualität von Maschinen schneller kostengünstiger Auslegung auf geforderte Eigenschaften Verbesserte Maschineneigenschaften optimiertes statisches Verhalten sehr gutes dynamisches Verhalten hohe dynamische Steifigkeit schnelles Positionierverhalten gutes Führungsverhalten Prozessfähigkeit Verkürzung von Inbetriebnahme-Zeiten Studien am virtuellen Maschinenmodell Echtzeitfähige Hardware-in-the-Loop- Simulation 2

3 Gliederung Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen Simulative Prozessstabilitätsuntersuchung mit CutPro Berechnungsschleife für Parameterstudien und Optimierung mit optislang Anwendungsbeispiel: HELLER MCH 250 Zusammenfassung 3

4 Was bedeutet Prozessstabilität? Im Bearbeitungsprozess entstehen selbsterregte Schwingungen (Rattern) diese beeinträchtigen die Oberflächenqualität Hervorgerufen durch die Stirnschneiden Igelfräser (Z=3) Hervorgerufen durch die Umfangsschneiden ratterfrei Rattern Rattern Rattern ratterfrei 4

5 Untersuchungen zur Prozessstabilität Abgleich eines berechneten Stabilitätsdiagramms durch Fräsversuche Stabilitätsdiagramm Nuten in C45 (Motorspindel + Igelfräser) X X X Rattermarken auf der Werkstückoberfläche Schnittiefe [mm] X (X) (X) X (X) (X) X (X) (X) (X) (X) (X) X ratterfrei Ratterbeginn Rattern Drehzahl [1/min] Igelfräser (Z=3) Die Prozessstabilität hängt ab von Werkzeug (Steifigkeit, Anzahl Schneiden) Werkstückstoff Art der Bearbeitung (z.b. Planstirnfräsen), Drehzahl, Schnitttiefe 5

6 Zusammenhang zwischen Maschinendynamik (Nachgiebigkeitsfrequenzgang) und Prozessstabilität Amplitude Prozess NFG (experimentell oder simuliert) ω, d, c Frequenz Art der Bearbeitung Schnittkraftkoeffizienten (Victor-Kienzle etc.) Prozessdynamik (Modale Parameter) Schnitttiefe Stabilitätskarte Drehzahl n Vorschub f Ermittlung stabiler Schnitttiefe Drehzahl Schnitttiefe a p Werkstoffpaarung Schneidengeometrie 6

7 Gliederung Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen Simulative Prozessstabilitätsuntersuchung mit CutPro Berechnungsschleife für Parameterstudien und Optimierung mit optislang Anwendungsbeispiel: HELLER MCH 250 Zusammenfassung 7

8 Software für die Untersuchung der Prozessstabilität: CutPro Was ist CutPro? Software-Paket zur Simulation von Bearbeitungsprozessen für Dreh- und Fräsbearbeitung Messsoftware zur Aufnahme von Schnittkräften Messsoftware zur Aufnahme von Nachgiebigkeitsfrequenzgängen Was berechnet CutPro? Stabilitätsdiagramme Schnittkräfte in drei Richtungen Schnittkraftkoeffizienten Spindelmomente und Spindelleistung Oberflächenbeschaffenheiten Spantemperaturen und Spandicken 8

9 Prozessablauf: Berechnung eines Stabilitätsdiagramms in CutPro MalTF Aufnahme der NF-Gänge (in x- und y-richtung) MalDAQ Schnittkraftmessungen Modal Analysis Analytische Nachbildung, Reduktion auf dynamische Parameter Milling Module Ermittlung der Schnittkraftkoeffizienten, Identifikation der Werkstück / Werkzeug -Kombination Eingaben Prozessparameter Werkzeuggeometrie Schneidstoff Prozessbedingungen Berechnung des Stabilitätsdiagramms (oder Berechnung der Schnittkräfte) Milling Module Schnitttiefe Drehzahl 9

10 Durchführung Modalanalyse Anregung des Systems Werkzeug Spindel Maschine sowie des Maschinentisches in X- und Y-Richtung der Maschine Messung der Absolut-NFGs, Synthese zum Relativ-NFG in CutPro Schwingungserregung mittels Impulshammer Schwingungserregung mittels Shaker Y-Richtung X-Richtung Y-Richtung 10

11 Nachbildung eines NFG in CutPro Modellierung eines gemessenen NF-Ganges ω 2 Nachgiebigkeit ω 1 Messung modellierter NF-Gang Frequenz Schnitttiefe Zugehörige Stabilitätskarte Drehzahl 11

12 Gliederung Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen Simulative Prozessstabilitätsuntersuchung mit CutPro Berechnungsschleife für Parameterstudien und Optimierung mit optislang Anwendungsbeispiel: HELLER MCH 250 Zusammenfassung 12

13 Auswertung Stabilitätskarte Fenster n unten bis n oben Stabilitätskarte (tabellarisch, liefert CutPro) Schnitttiefe [mm] E E E E E E E E E E E E E E E E E E Optimierung: Niveau maximieren (Integral maximieren) Herauslesen aus CutPro- Ergebnis: Integral Drehzahl [min -1 ] Niveau ============================================================================ DREHZAHL SCHNITTTIEFE FENSTER Nr. Untergrenze Obergrenze Niveau (Min.) Maximum Integral ===========================================================================================

14 Ablaufdiagramm Parameterfile problem.xml Optimaler Entwurf Shell- Script kopieren starten (+kopieren) startet *.bdf *.dat *.uci modifiziert modell.dat Permas Freq. Resp. 3x *.xdisp, *.phase optislang Arbeitsverzeichnis Design_XXXX Perl- Script 2 4x *.frf Perl- Script 1 modell.opti (Amplituden, Frequenzen) via AutoMate CutPro *.dat SLang- Script cutpro_res.opti (Niveau, Integral) 14

15 Gliederung Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen Simulative Prozessstabilitätsuntersuchung mit CutPro Berechnungsschleife für Parameterstudien und Optimierung mit optislang Anwendungsbeispiel: HELLER MCH 250 Zusammenfassung 15

16 Beispielmaschine: Heller MCH 250 FEM-Modell: y x z Elemente Knoten Freiheitsgrade ~1 Std. Rechenzeit (EWP 12 Moden) 16

17 Verwendete Daten für Prozessstabilität Vorgaben Beispielprozess BAZ: Heller Bearbeitungszentrum MCH 250 Spindeltyp: Motorspindel Fräsbearbeitung: Nutfräsen Werkzeug: Innotool Igelfräser Werkstück: Stahlwerkstoff C45 Maschine Parameter 39 Steifigkeiten (Führungen, Lager, Kugelgewindetriebe) Verwendete Daten Fräsergeometrie in CutPro nachgebildet ähnlich der Originalgeometrie Modellierte NF-Gänge von Werkzeug-Spindel-Schlitten- Einheiten und Maschinentisch in X- und Y-Richtung Schnittkraftkoeffizienten, gewonnen aus Fräsversuchen Motorspindel Fräser 17

18 Vorgehensweise 1. Modellkondensation (Rechenzeit neu 30 Min.) 2. Parametrisierung: alle Federsteifigkeiten im Modell (39 Param. + Parameter Copies) 3. Aus PERMAS-Lauf: maximale Amplituden durch Fensterdefinition in x, y und z extrahieren (relativ und absolut) 4. Drehzahl-Fenster definieren ( min -1 ) Modellreduktion 5. CutPro-Export (Stabilitätsdiagramm) in diesem Fenster durchsuchen, Minimum extrahieren (=Niveau), Fläche unter Kurve berechnen Zielfunktionen alle 9 Amplituden minimal Niveau maximal Fläche maximal 18

19 Ergebnisse: OptiSLang-Auswertung Integral: Führungen z Niveau: Führungen y y x z 19

20 Ergebnisse: OptiSLang-Auswertung 20

21 Abfallprodukt Optimierung Design 51 Integral Ausgangsdesign Niveau 21

22 Ergebnisse: NF-Gänge Gxx relativ Ausgangsmodell Beste DOE Amplitude Frequenz 22

23 Ergebnisse: Stabilitätsdiagramme Ausgangsmodell Beste DOE Schnitttiefe Verbesserung! Drehzahl 23

24 Gliederung Prozessstabilität von Werkzeugmaschinen Simulative Prozessstabilitätsuntersuchung mit CutPro Berechnungsschleife für Parameterstudien und Optimierung mit optislang Anwendungsbeispiel: HELLER MCH 250 Zusammenfassung 24

25 Zusammenfassung Erreichte Ziele: Optimierungsschleife mit FEM und Prozessstabilität steht erstmals kann Prozessstabilität in Optimierung von WZM einbezogen werden Aussagen der Parameterstudie scheinen logisch aus DOE kann schon Verbesserung abgeleitet werden u.u. Einsparung eines Optimierungsschritts (wichtig für Anwender) Nächste Schritte: Einfluss und Abhängigkeiten (für Niveau und Integral) klären Validierung und Verifikation der Prozessstabilität an sich der Ergebnisse der Parameterstudie Anwendung im Entwicklungsprozess 25