Adaptronik für Werkzeugmaschinen

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1 Berichte aus dem Maschinenbau Adaptronik für Werkzeugmaschinen Forschung in Deutschland herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Hesselbach Shaker Verlag Aachen 2011

2 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Copyright Shaker Verlag 2011 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

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5 Projekte Projekte des DFG Schwerpunktprogramms und ihre Antragsteller Titel Antragsteller Konzeptionierung und Auslegung strukurintegrierter adaptronischer Prof. C. Brecher Kompensationsmodule für den Einsatz in Strukturbauteilen spanender Werkzeugmaschinen Dynamiksteigerung adaptronische Strebe zur Kompensation geometrischer Prof. J. Fleischer Maschinenfehler Prof. W. Seemann Schleifmaschine mit adaptronisch erhöhter statischer und dynamischer Prof. J.Hesselbach Steifigkeit Dr. H.-W. Hoffmeister Adaptronische Genauigkeitssteigerung von Hochgeschwindigkeits- Prof. B. Denkena Werkzeugmaschinen mit kontaktlosen Antriebs- und Führungseinheiten Ganzheitliche, rechnergestützte Konfigurationsoptimierung adaptronischer Prof. M. F. Zäh Komponenten für Werkzeugmaschinen Modulare, autonom-adaptive Schwingungskompensation an Prof. P. Eberhard Werkzeugmaschinen Prof. U. Heisel Untersuchungen zu den Grenzwerten des Einsatzes adaptronischer Dr. G. Jungnickel Komponenten zur Impulsentkopplung von linearmotorgetriebenen Dr. W.G. Drossel Werkzeugmaschinenachsen unter veränderlichen strukturmechanischen Umgebungsbedingungen Entwurf, Simulation und experimentelle Untersuchung einer Sensor-Aktor- Prof. R. Neugebauer Einheit zur Kompensation von Axialschwingungen im Antriebsstrang einer Vorschubachse Adaption des mechanischen Übertragungsverhaltens elektromechanischer Vorschubantriebe unter regelungstechnischen Gesichtspunkten zur Optimierung des dynamischen Verhaltens unter gleichzeitiger Minimierung des Verschleißes Experimentelle Schädigungsanalysen und Entwicklung numerischer Modelle zur Vorhersage der Lebensdauer von Piezoaktuatoren in Werkzeugmaschinen Bedämpfung von Werkzeugmaschinen durch hybride elektromechanische Netzwerke mit piezoelektrischen Komponenten Bohrstange mit integrierter hochdynamischer Zustellung sowie Schwingungs- und Formfehlerkompensation Aktive Dämpfung von Ratterschwingungen beim Einlippentiefbohren Adaptronische Spindeleinheit für Fräsmaschinen Aktive Schwingungsreduzierung bei Spannvorrichtungen der Holzbearbeitung Adaptronische Schwingführungen für Vorschubantriebsysteme Adaptronische, hybridgelagerte Motorspindel zur prozesssicheren und ratterfreien HPC-Fräsbearbeitung Adaptronische Kompensation von Winkelverlagerungen an Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln Adaptronischer-Präzisions-Werkstückhalter für die Erhöhung der statischen und dynamischen Prozessgenauigkeiten zur universellen aktiven Kompensation von Bearbeitungsfehlern an vertikalen Bearbeitungszentren Adaptive Reibflächen zur Schwingungsreduktion in Werkzeugmaschinen Adaptronische Komponenten zur Tilgung und Isolation von Schwingungen in Werkzeugmaschinen Adaptronische Schwingungsdämpfung in Präzisionsmaschinen Bandbreitenerhöhung von Kugelrollspindelantrieben durch Adaption des mechanischen Übertragungsverhaltens unter gleichzeitiger Minimierung des Verschleißes Prof. G. Pritschow Prof. A. Verl Dr. B. Thielicke Prof. E. Breitbach Prof. C. Brecher Prof. K. Weinert Prof. B. Denkena Prof. J.Hesselbach Dr. H.-W. Hoffmeister Prof. A. Verl Prof. E. Abele Prof. R. Nordmann Prof. E. Uhlmann Prof. E. Abele, Prof. H. Hanselka, Dr. F. Haase Prof. W. Gaul Dr.-Ing. habil. K. Willner Prof. H. Janocha Prof. G. Pritschow Prof. G. Pritschow

6 Projekte Adaptronische Kompensation von geometrischen Maschinenfehlern unter Berücksichtigung von Prozesslast und Position im Arbeitsraum Adaptronische hydrostatische Drucktascheneinheit auf Basis neuer Aktoren für aktive Führungssysteme Entwicklung und Umsetzung eines durch Kenngrößen unterstützten Verfahrens zur optimalen Positionierung aktiver Komponenten an Werkzeugmaschinen Prof. H. Weule Prof. J. Wauer Prof. J. Fleischer Prof. M-F. Zäh

7 Autoren Autorenverzeichnis Abele, E. TU Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Ast, A. Universität Stuttgart, Institut für Technische und Numerische Mechanik Baur, M. TU München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften Becker, J. Universität Stuttgart, Institut für Angewandte und Experimentelle Mechanik Biermann, D. TU Dortmund, Institut für Spanende Fertigung Boldering, A. Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Braun, S. Universität Stuttgart, Institut für Werkzeugmaschinen Brecher, C. RWTH Aachen, Werkzeugmaschinenlabor WZL Breitbach, E. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Bucht, A. Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Denkena, B. Leibniz Universität Hannover, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Drossel, W.-G. Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Eberhard, P. Universität Stuttgart, Institut für Technische und Numerische Mechanik Frey, S. Universität Stuttgart, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen Gall, M. Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik

8 Autoren Gaul, L. Universität Stuttgart, Institut für Angewandte und Experimentelle Mechanik Gorius, T. Universität Stuttgart, Institut für Technische und Numerische Mechanik Gümmer, O. Leibniz Universität Hannover, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Hackelöer, F. Leibniz Universität Hannover, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Hanselka, H. TU Darmstadt, Fachgebiet Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik Haydn, M. TU Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Heinze, T. Universität Stuttgart, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen Heisel, U. Universität Stuttgart, Institut für Werkzeugmaschinen Herder, S. Universität Karlsruhe, Institut für Produktionstechnik Hesselbach, J. Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Hoffmeister, H.-W. Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Iovkov, I. TU Dortmund, Institut für Spanende Fertigung Jungnickel, G. TU Dresden, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik Kallage, F. Leibniz Universität Hannover, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Kern, S. TU Darmstadt, Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau Kern, D. Universität Karlsruhe, Institut für Technische Mechanik

9 Autoren Kersting, P. TU Dortmund, Institut für Spanende Fertigung Klein, W. RWTH Aachen, Werkzeugmaschinenlabor WZL Loeis, K. Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Manoharan, D. RWTH Aachen, Werkzeugmaschinenlabor WZL Marcks, P. TU Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb Melz, T. Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen Munzinger, C. Universität Karlsruhe, Institut für Produktionstechnik Müller, J. TU Dresden, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik Neuber, C.-C. Leibniz Universität Hannover, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Neugebauer, R. TU Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Nordmann, R. TU Darmstadt, Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau Pagel, K. Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Pohl, M. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Pritschow, G. Universität Stuttgart, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen Raatz, A. Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik

10 Autoren Rose, M. Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Faserverbundleichtbau und Adaptronik Roseira, J. Universität Stuttgart, Institut für Angewandte und Experimentelle Mechanik Rudolf, C. Universität Karlsruhe, Institut für Technische Mechanik Schauerte, G. Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie, Abteilung Produktionsmaschinen Schiffler, A. TU Darmstadt, Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen Schlote, D. TU Darmstadt, Fachgebiet Systemzuverlässigkeit und Maschinenakustik Schuller, B.-C. Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Seemann, W. Universität Karlsruhe, Institut für Technische Mechanik Simnofske, M. Technische Universität Braunschweig, Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik Späh, B. TU Darmstadt, Institut für Mechatronische Systeme im Maschinenbau Thielicke, B. Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik Uhlmann, E. TU Berlin, Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb Verl, A. Universität Stuttgart, Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen Waibel, M. TU München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften Weinert, K. TU Dortmund, Institut für Spanende Fertigung Weis, M. Universität Karlsruhe, Institut für Technologie

11 Autoren Will, J.-C. Leibniz Universität Hannover, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen Willner, K. Universität Stuttgart, Institut für Angewandte und Experimentelle Mechanik Wittstock, V. TU Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse Zäh, M.F. TU München, Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften

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13 Inhalt Inhalt Vorwort Projektübersicht Autorenverzeichnis I II III Adaptronik in der Maschine zur Prozessverbesserung und Erhöhung der Maschinengenauigkeit Strukturintegrierte, adaptronische Kompensationsmodule für den Einsatz in Strukturbauteilen spanender Werkzeugmaschinen C. Brecher, D. Manoharan, W. Klein Adaptronische Strebe zur Kompensation geometrischer Maschinenfehler C. Munzinger, M. Weis, W. Seemann, C. Rudolf, D. Kern Schleifmaschine mit adaptronisch erhöhter statischer und dynamischer Steifigkeit A. Boldering, M. Simnofske, A. Raatz, J. Hesselbach Adaptronische Genauigkeitssteigerung von Hochgeschwindigkeits- Werkzeugmaschinen mit kontaktlosen Antriebs- und Führungseinheiten B. Denkena, F. Hackelöer, C.-C. Neuber, F. Kallage Ganzheitliche, rechnergestützte Konfigurationsoptimierung adaptronischer Komponenten für Werkzeugmaschinen M. F. Zäh, M. Waibel, M. Baur Modular, autonomous adaptive compensation of vibrations in machine tools with truss Structures A. Ast, S. Braun, P. Eberhard, T. Gorius, U. Heisel Untersuchungen zu den Grenzwerten des Einsatzes adaptronischer Komponenten zur Impulsentkopplung von linearmotorgetriebenen Werkzeugmaschinenachsen unter veränderlichen strukturmechanischen Umgebungsbedingungen G. Jungnickel, W.-G. Drossel, J. Müller, K. Pagel Entwurf, Simulation und experimentelle Untersuchung einer Sensor-Aktor-Einheit zur Kompensation von Axialschwingungen im Antriebsstrang einer Vorschubachse R. Neugebauer, K. Pagel, V. Wittstock, A. Bucht, A. Adaption des mechanischen Übertragungsverhaltens elektromechanischer Vorschubantriebe unter regelungstechnischen Gesichtspunkten zur Optimierung des dynamischen Verhaltens unter gleichzeitiger Minimierung des Verschleißes G. Pritschow, A. Verl, S. Frey Adaptive Reibflächen zur Schwingungsreduktion an Werkzeugmaschinen J. Roseira, J. Becker, L. Gaul, K. Willner

14 Inhalt Adaptronische Komponenten und Werkzeuge Aktive Dämpfung von Ratterschwingungen beim Einlippentiefbohren K. Weinert, D. Biermann, I. Iovkov, M. Kersting Adaptronische Schwingführung - Linearführungssystem mit adaptivem Reibverhalten A.Verl, T. Heinze Adaptronische, hybridgelagerte Motorspindel zur prozesssicheren und ratterfreien HPC Fräsbearbeitung E. Abele, R. Nordmann, A. Schiffler, S. Kern, B. Späh Experimentelle Schädigungsanalysen und Entwicklung numerischer Modelle zur Vorhersage der Lebensdauer von Piezoaktuatoren in Werkzeugmaschinen B. Thielicke, M. Gall, Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik, Freiburg Bohrstange mit integrierter hochdynamischer Zustellung sowie Schwingungs- und Formfehlerkompensation C. Brecher, G. Schauerte Adaptronische Spindeleinheit für Fräsmaschinen B. Denkena, O. Gümmer, J. C. Will Aktive Schwingungsreduzierung bei Spannvorrichtungen der Holzbearbeitung H.-W. Hoffmeister, J. Hesselbach, B.-C. Schuller, K. Loeis Einsatz von Karbonfaserverbundwerkstoffen zur Kompensation thermischer Winkelverlagerungen an Werkzeugmaschinen E. Uhlmann, P. Marcks Lärm- und Schwingungsreduktion eines Kreissägeblattes mit flächigen Piezokeramiken und hybriden elektrischen Netzwerken M. Pohl, M. Rose, E. Breitbach Entwicklung eines adaptronischen Werkstückhalters H. Hanselka, E. Abele, D. Schlote, M. Haydn, A. Schiffler, T. Melz Adaptronische hydrostatische Drucktascheneinheit auf Basis neuer Aktoren für aktive Führungssysteme C. Munzinger; M. Weis; S.Herder Veröffentlichungen zum Schwerpunktprogramm