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Projektbeschreibungen

Alle Forschungsprojekte im Schwerpunktprogramm 1099


Regelungskonzepte für eine Umformmaschine auf Basis einer Parallelstruktur und simulative Ermittlung von prozeßgerechten Maschinenparametern

Analyse, Simulation und Korrektur fertigungsrelevanter Eigenschaften an Parallelkinematiken einfacher Bauart

Modellgestützte Steuerung und Kraftregelung von Parallelkinematiken

Entwicklung eines Modellierungstools für die dynamisch optimierte Auslegung von Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematiken

Grundlagenuntersuchungen zum thermischen Einfluß auf das dynamische Verhalten von parallelen Kinematiken und zu Möglichkeiten der Optimierung

Optimale Dimensionierung von Parallelkinematiken für Fertigungsmaschinen

Entwicklung eines Syntheseverfahrens für fehler- und strukturoptimierte Parallelkinematikmaschinen

Einsatzmöglichkeiten von Hybridkinematiken zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Integralbauteilen der Luft- und Raumfahrtindustrie

Einbeziehung des Bearbeitungsprozesses in die Modellbildung zum Betriebsverhalten von Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematiken

Analyse und Optimierung des Genauigkeitsverhaltens hydraulisch angetriebener Streben für Parallelstrukturen unter den Besonderheiten von Fertigungsmaschinen

Systematisierung, Optimierung und Bewertung von Getriebestrukturen mit geschlossenen kinematischen Ketten für parallelkinematische Fertigungsmaschinen

Entwicklung von Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik unter Verwendung von Seilantrieben

Parallelkinematiken mit integrierten kraftflussfreien Messketten und optimalen Reglerstrukturen

Prädikative Schwingungskompensation bei Maschinen mit paralleler Kinematik

Rechnergestützte Werkzeuge zur automatisierten Optimierung paralleler Kinematiken für Produktionsmaschinen

Modellbildung und Simulation zur prozesskettenorientierten Optimierung der fünfachsigen Fräsbearbeitung auf Hexapodfräsmaschinen

Entwicklung einer geschlossenen Auslegungsmethodik zur Modellierung und Optimierung des statischen, dynamischen und thermischen Verhaltens von Parallelkinematiken

Kalibrierung von Parallelkinematiken

Untersuchung der dynamischen Maschineneinflüsse bei Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematiken auf die Prozesssicherheit bei der HSC Bearbeitung

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Regelungskonzepte für eine Umformmaschine auf Basis einer Parallelstruktur und simulative Ermittlung von prozeßgerechten Maschinenparametern


Aufgrund der ausschließlich linearen Stößelbewegung von heutezutage eingesetzten Pressen ist das auf ihnen zu realisierende Teilespektrum eingeschränkt. Das Ziel dieses Vorhabens besteht deshalb darin, die Grundlagen für Entwicklung und Betrieb flexibeler Pressen zu schaffen, die durch das Abfahren einer beliebigen räumlichen Leitlinie des Stößels die Umformtechnik innovativ erweitern. In diesem Antragszeitraum sollen mit Hilfe der bereits realisierten Gesamtsimulation prinzipielle Probleme beim Umformsbetrieb einer geplanten Versuchspresse aufgedeckt und gelöst werden. Nach Audbau (welcher vom Land Niedersachsen unterstützt wird) und Inbetriebnahm erfolgt die Erweiterung des bestehenden Regelkonzeptes um einen Alogrithmus zur Erkennung und zum Ausgleich von Maßabweichnung des Werkstücks währende der Umformung. Die Leistungsfähhigkeit der entwickelten Konzepte wird anhand von experrimentellen Untersuchungen gezeigt. Die Kombination aus sechsachsiger Parallelkinematik und dem erweiterten Krafteregelungskonzept läßt die leistungsfähigkeit der flexiblen Presse diejenige bisheriger Umformmaschinen übertreffen.

Prof. Dr.-Ing. Eckart Doege
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Hesselbach

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Analyse, Simulation und Korrektur fertigungsrelevanter Eigenschaften an Parallelkinematiken einfacher Bauart


Im Forschungsvorhaben "Analyse, Simulation und Korrektur fertigungsrelevanter Eigenschaften an Parallelkinematiken einfacher Bauart" wird für eine alternative Gestaltung geringer mechanischer Aufwand, robuste und preiswerte Elemente, Einsatzgebiet für mittlere Belastungen und mittlere Genauigkeiten - ein altematives Genauigkeitskonzept erarbeitet und am vom IWM der TU Dresden entwickelten "Einfach- Hexapod" verifiziert und erprobt. Dieses Genauigkeitskonzept stützt sich auf die verbesserte Abbildung der kinematisch relevanten Geometriebeschreibung, auf ein aktives pose- und belastungsabhängiges elastostatisches Korrekturmodell, sowie auf ein zustandsaktuelles Korrekturmodell zur Reduzierung thermisch bedingter Fehler. Diese dann in der Steuerung implementierten aktiven Korrekturmodelle sollen durch Korrektur der damit erfassten systematischen Fehler gute Ausgangsbedingungen für eine wirksame Kalibrierung der exemplarischen geometrisch kinematischen Restfehler im Bewegungsraum liefern. Anhand des damit insgesamt erreichten Genauigkeitsgewinns werden dann der Denkansatz, die Wirksamkeit der einzelnen Korrekturschritte und das positive Ergebnis des Forschungsvorhabens belegt.

Prof. Dr.-Ing. Knut Grossmann

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Modellgestützte Steuerung und Kraftregelung von Parallelkinematiken


Ziel des Gesamtvorhabens ist es, die dynamische Genauigkeit von Parallelkinematiken zu verbessern und ihnen damit neue Anwendungsfelder in der Fertigung zu erschließen. Um die Potentiale dieser Maschinen bezüglich der Verfahrgeschwindigkeiten und
Beschleunigungen optimal nutzen zu können, ist eine Verbesserung von Steuerung und Regelung durch Entwicklung neuer Verfahren notwendig. Zur Erprobung und Evaluierung der Ergebnisse wurde im ersten Projektjahr ein Hexapod mit integrierten
Lineardirektantrieben aufgebaut. Durch die Weiterentwicklung von Algorithmen zur Aktorregelung ist es gelungen, solche Antriebe für die Nutzung innerhalb von Parallelkinematiken zu qualifizieren. Daneben wurde eine effiziente Methodik zur analytischen Bestimmung der Dynamik entwickelt. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurden im zweiten Projektjahr Verfahren der Mehrkörperdynamik und Identifikation, der modellbasierten Vorsteuerung und Regelung entworfen und angewandt, welche bisher für Parallelkinematiken nicht verfügbar waren (siehe beigefügten Zwischenbericht). Im hier beantragten 3. und 4. Projektjahr sollen die entwickelten Regelalgorithmen durch Berücksichtigung zusätzlicher Effekte, wie z.B. Reibung, erweitert werden. die erarbeiteten Methoden zur Identifikation sollen evaluiert und zur schnellen Online- Lastidentifikation weiterentwickelt werden. Neben der Erhöhung der Bahngenauigkeit und der Verringerung von Taktzeiten mittels optimaler dynamischer Bahnplanung soll eine Erweiterung der Einsatzmöglichkeiten von PKM durch neue Methoden zur kartesischen Kraft- und Impedanzregelung erfolgen. Dabei stehen im weiteren Verlauf des Projektes Anwendungsfälle der spannenden Bearbeitung wie Bandschleifen und Entgraten
sowie Fügeprozesse im Zentrum der Arbeiten.

Prof. Dr.-Ing. Hans-Kurt Tönshoff
Prof. Dr.-Ing. Bodo Heimann

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Entwicklung eines Modellierungstools für die dynamisch optimierte Auslegung von Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematiken


Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines mathmatischen Modells für Werkzeugmaschinen mit Parallelkinenatik, das als Unterstützung für die Auslegung von PKM Strukturen dienen soll. Die kinematischen und mechanischen Eigenschaften von PKM Strukturen sind von der Strebenanordnung bzw. der Bauart der Werkzeugmaschinen abhängig. Die Bestimmung der Fähigkeiten einer PKM Maschine erfordert die Betrachtung von geometrischen und konstruktiven Merkmalen, die mit rechnerischer Unterstützung durchzuführen ist. Mittels eines mathmatischen Modells kann der Arbeitsraum für eine bestimmte Struktur ermittelt werden. Die kinematischen und statischen Eigenschaften sind in jedem Punkt des Arbeitsraumes zu berechnen. Das Kernziel dieses Vorhabens ist die Modellierung des dynamischen Verhalten von PKM Strukturen. Eine optimierte Auslegung erfordert die gleichzeitige Betrachtung des kinematischen, des statischen und des dynamischen Verhaltens des Systems. Das zu entwickelnde Modell soll die Berücksichtigung der genannten Aspekte in der Auslegungs- und Konstruktionsphase einer Maschinenstruktur sowie die Auswirkung von konstrukiven Änderungen ermöglichen. Als Ergebnis soll dem Konstrukteur von Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik ein wichtiges Hilfsmittel für die Entwicklung zur Verfügung gestellt werden.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Uwe Heisel

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Grundlagenuntersuchungen zum thermischen Einfluß auf das dynamische Verhalten von parallelen Kinematiken und zu Möglichkeiten der Optimierung


Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erhöhung der Prozeßfähigkeit von Fertigungsmaschinen mit Parallelelkinematik (PKM) durch wirksame Verbesserungsmaschinen zur Verminderung der Auswirkungen thermischer Störungen auf das dynamische Verhalten. Dadurch kann der Unsicherheitsfaktor bei der Simulation der Maschineneigenschaften durch detailliertere Kenntnisse des Dämfungs- und Steifigkeitsverhaltens in stationären und instationären thermischen Zuständen von mechanischen Schnittstellen, typischen PKM-Baugruppen und gesamten PKM-Strukturen minimiert werden. Thermisch bedingte Deformationen rufen in den Kontaktflächen der Füge- und Koppelstellen Änderungen der Maß- und Formverhältnisse im Groben und Änderungen der welligkeit und Rauhigkeit im Feinen hervor und nehmen dadurch Einfluß auf den Traganteil der Kontaktfläche. Hinzu kommen Kontakpressungsvariationen durch Veränderung der Vorspannung, verursacht durch die Struktur der Maschine oder durch den Aufbau der Schnittstellenbaugruppe selbst. Detaillierte Kenntnis über das Verhalten der Schnittstellen unter stationären und instationären thermischen Störungen erlauben somit eine zielsichere Auslegung hinsichtlich der statischen und dynamischen Eigenschaften einer Parallelkinematik bereits in der Konzeptionsphase.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult. Uwe Heisel
Prof. Dr.-Ing. Werner Schiehlen

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Optimale Dimensionierung von Parallelkinematiken für Fertigungsmaschinen


Die zuletzt im Neuantrag fuer ein Jahr aufgefuehrte optimale Dimensionierung der Konstruktionsparameter von parallelen Strukturen fuer Fertigungsmaschinen soll einerseits um zusaetzliche mathematische Verfahren ergaenzt werden, um im Fall einer Mehrgroessenoptimierung mit minimalem Aufwand die beste Loesung finden. Andererseits ist zu untersuchen,welche Auswirkungen strukturelle Erweiterungen durch z.B. gemischt eben-raeumliche Ansaetze oder Zwangsfuehrungen bei Strukturen fuer Fertigungsmaschinen mit weniger als sechs Bewegungsachsen im Raum auf die Zielfungktionen und ihre optimierten Werte haben. Ein weiteres Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Konzepts zum Auffinden der energetisch optimalen Struktur, indem jetzt massengeometrische und strukturmechanische Grössen in den Optimierungsprozess integriert werden. Zusammen genommen soll am Ende des Beantragungszeitraums ein detaillierter Konstruktionskatalog entstehen, der alle relevanten kenngroessen enthaelt und die Regeln der Konstruktionsmethodik sowie die Vorgaben einschlaegiger VDI-Richtlinien beruecksichtigt. Ein derartiger Katalog beguenstigt die Entwicklung neuartiger Strukturen fuer Fertigungsmaschinen.

Prof. Dr.-Ing. Juegen Hesselbach
Dr.-Ing. Hanfried Kerle

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Entwicklung eines Syntheseverfahrens für fehler- und strukturoptimierte Parallelkinematikmaschinen


Zwei Merkmale kennzeichnen unter anderem die Eigenschaften von Parallelkinematikmaschinen (PKM): Die Gleichheit von Bauteilen und Komponenten und die Möglichkeit bei entsprechender Gestaltungsweise unterschiedliche Maschinenstrukturen aufzubauen zu können. Das bedeutet, dass sich Parallelkinematikmaschinen zum Entwurf rekonfigurierbarer Maschinen aus einem Baukastensystem eigenen. Basierend auf einer modularen Bauweise mittels Basiskinematik, wird damit eine grosse Anzahl von prozessangepassten Maschinentypen möglich. Es mangelt jedoch am theoretischen Grundlagen, die es erlauben, die Empfindlichkeit von Bauteilen bzw. Komponententoleranzen auf die Bahngenauigkeit anwendungsspezifisch zu beschreiben. Ziel des Forschungsvorhabens ist es deshalb ein Syntheseverfahren für Parallelkinematikmaschinen zu entwickeln, dass es erlaubt den Einfluss von Fertigungs- und Montagetoleranzen, sowie elastischen Eigenschaften von Substrukturen und die Maßnahme für kritische Fälle eine günstige Topologie einzubringen, die sich nicht toleranzempfindlich zeigt. Der Aufwand für eine günstig konfigurierte Maschine muss dabei minimiert werden.

Prof. Dr.-Ing. habil. Manfred Hiller
Prof. Dr.-Ing. Guenter Pritschow

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Einsatzmöglichkeiten von Hybridkinematiken zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Integralbauteilen der Luft- und Raumfahrtindustrie


Das übergeordnete Ziel des Forschungsvorhabens ist es, für 3D bzw. 5D-Integralbauteile optimal geeignete Maschinenstrukturen für eine weitere Leistungssteigerung der Hochgeschwindigkeitstechnologie zu entwickeln. Zunächst wurde bei der Konzeption des Vorhabens davon ausgegangen, daß es aufgrund einiger Merlanale solcher Bauteile insbesondere in der Luftfahrtindustrie erforderlich ist, Hybridkinematken zu entwickeln. Solche Maschinenstrukturen sind insbesondere für große Arbeitsräume in zwei Dimensionen erforderlich. Bei der Bearbeitung des Projektes zeigte sich allerdings, dass die gefundenen Verfahren und Methoden so allgemein gültig sind, dass sie auch ohne Einschränkung für andere Anwendungsgebiete, beispielsweise im Werkzeug- und Formenbau, eingesetzt werden können. Ausgehend von einer Werkstückbeschreibung, die geometrischen und auch hybride Strukturen im Vergleich zu seriellen Kinematiken untersucht. Als Ergebnis wird für jedes Werkstück ein Kennwertsatz generiert, mit dem das Verhalten der Achsbewegungen einer Maschinenstruktur nach verschiedenen Gütekriterien bewertet werden kann. Mit dem in den ersten beiden Antragsjahren entwickelten Verfahren der Bahnaufspaltung ist es möglich, definierte Bewegungsanteile der an der summarischen Werkzeugbahn beteiligten Achsen seriellen bzw. parallelen Teilstrukturen zuordnen. In den anschließenden Arbeitspaketen des dritten und vierten Vorhabensjahres soll neben der rein kinematischen Betrachtung die Kinetik in Form von Kräften, Steifigkeiten, Eigenformen und Antreibsauslegung mittels Simulationsrechnungen einbezogen werden. Für eine repräsentative Bauteilgruppe wurde mit den entwickelten Verfahren eine ausgewählte Hybridkinematik definiert. Diese soll in den Folgejahren als realer Versuchsträger am Fachgebiet Fertigungseinrichtungen aufgebaut werden. Aus vergleichenden Untersuchungen an einer im Fachgebiet installierten 3-achsigen Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine und der Hybridkinematik sollen letztendlich Aussagen möglich werden, inwieweit das theoretische Potential zur Steigerung der Prozesseffektivität tatsächlich erreicht werden kann.

Prof. Dr.-Ing. Bernd Kuhfuß

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Einbeziehung des Bearbeitungsprozesses in die Modellbildung zum Betriebsverhalten von Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematiken


Im Ergebnis des Projektes entsteht eine Methode, bei der durch Simulation und Bearbeitungsversuche ein Algorithmus geschaffen wird, mit dem die Steuerung in der Lage ist, die Maschinendynamik an den Prozeß anzupassen. Grundlage ist die Erfassung der Wechselwirkung von Prozeß und Maschine, Da der Prozeß selbst nur indirekt durch entsprechende Signale zugänglich ist, gilt es, für die wirklichkeitsnahe Beschreibung des Prozessverhaltens entsprechende Modelle zu finden und diese mit den tatsächlich wirkenden Bedingungen abzugleichen.
Ziel der Arbeiten in dise Antragsperiode ist die Schaffung der Grundlagen für
- die selbstoptimierende Prozessführung und
- - die aktive Beeinflussung der Maschinendynamik durch die Nutzung redundanter Achsen.
Dazu notwendig ist die Erarbeitung einer intelligenten Steuerungslösung und die Weiterentwicklung der Simulationsmodelle für redundante Maschinenstrukturen.

Prof. Dipl.-Ing. Reimund Neugebauer

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Analyse und Optimierung des Genauigkeitsverhaltens hydraulisch angetriebener Streben für Parallelstrukturen unter den Besonderheiten von Fertigungsmaschinen


Im Projekt wird eine Modellbeschreibung für die Ermittlung des Bewegungs- und Genauigkeitsverhaltens hydraulische Streben in Parallelkinematiken von Fertigungsmaschinen erarbeitet, die signifikanten dynamischen Effekte und Nichtlinearitäten geregelter hydraulischer Systeme berücksichtigt. Als Teilsysteme werden dabei die gewählte hydraulische Schaltung, das Regel- und Steuerkonzept sowie die mechanischen Eigenschaften (Nachgiebigkeiten) der Komponenten einbezogen. Diese Modellbeschreibung erfolgt sowohl in Hubrichtung der Strebe als auch quer zur Hubrichtung. Die Modellbeschreibung wird hinsichtlich der einzelnen Komponenten sowie des Gesamtsystems "hydraulische Strebe" experimentell verifiziert. Aus der gewonnenen Struktur werden Einflussfaktoren auf die Bewegungsgenauigkeit analysiert und gewichtet und daraus Schlussfolgerungen für Optimierungskriterien für Fertigungsmaschinen bezüglich Konstruktion und Dimensionierung der hydraulischen Strebe gewonnen.

Prof. Dipl.-Ing. Reimund Neugebauer

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Systematisierung, Optimierung und Bewertung von Getriebestrukturen mit geschlossenen kinematischen Ketten für parallelkinematische Fertigungsmaschinen


Eine Ursache, die den breiten Einzug von Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematiken in die industrielle Fertigungstechnik bisher verhindert hat, ist indem stark nichtlinearen Übertragungsverhalten zwischen den kinematischen und kinetischen Größen in den Antrieben und den korrespondierenden Größen im Endeffektor zu suchen. Hierdurch werden die durch den Einsatz von parallelen Maschinenstrukturen erwarteten Vorteile nicht bzw. nur in einem in Bezug zum Bauraum viel zu kleinen Arbeitsraum erreicht. Existierende Ansätze, die Übertragungsgüte der Parallelstrukturen zu verbessern, berücksichtigen zwar geometrische Abmessungen, jedoch nicht den topologischen Aufbau der Strukturen. In diesem Forschungsvorhaben soll untersucht werden, inwieweit sich die Übertragungsgüte von Parallelkinematiken unter Einbeziehung der topologischen Struktur optimieren lässt. Gegenüber dem bisherigen, stark intuitiv geprägten Vorgehen soll durch eine streng systematische Vorgehensweise finden. Die Modellierung und Beschreibung der für die Kinematikauslegung relevanten Größen bildet die Voraussetzung für die abschließende Optimierung und Bewertung der Strukturen. Das Ergebnis ist eine topologisch und geometrisch optimierte Parallelkinematik.

Prof. Dr.-Ing. Guenter Pritschow

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Entwicklung von Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik unter Verwendung von Seilantrieben


Ziel ist es, die Erfahrungen aus der im zweiten Antragszeitraum realisierten Studie in den nächsten zwei Jahren in einen Prototypen zu überführen, der als Schweißrahmenkonstruktion ausgeführt wird, um den dynamischen und statischen Anforderungen an eine Fertigungsmaschine gerecht werden zukönnen. Dazu ist es zwingend erforderlich, messtechnisch die Position und Orientierung des Tool-Centerpoints exakt zu erfassen, was eine systematische Auswahl geeigneter Messverfahren voraussetzt und deren Umsetzung daher ein Schwerpunkt im Arbeitsprogramm darstellt. Die Ergebnisse der Arbeitsraumbetrachtung haben gezeigt, dass nicht die scheinbar naheliegenste Variante der Gestellbauform sowie die einfachste Position der Anbindungspunkte an die Arbeitsplattform, die Spindelhalterung, auch die beste im Hinblick auf größten nutzbaren Raum ist. Daher wird dieser Arbeitspunkt eine weitere Vertiefung im beantragten Zeitraum erfahren. Um de Flexibilität des Gesamtsystems im Hinblick auf Modularität und Skalierbarkeit zu erhöhen, weist der Windenantrieb ein hohes Potenzial auf. Die Anpassung dieses Antriebes an die hohen Anforderungen an Dynamik, Aufwickelgenauigkeit stellt einen weiteren Schwerpundt im Arbeitsprogramm dar. Erfahrungen hierzu, auf denen aufgesetzt werden können, bestehen am Institut für Maschinenkonstruktion der TU Berlin im Fachgebiet Fördertechnik und Getriebetechnik, mit dem seit langem bereits enge Kontakte bestehen.

Prof. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Adam

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Parallelkinematiken mit integrierten kraftflussfreien Messketten und optimalen Reglerstrukturen


Parellelkinematikmaschinen (PKM) können in Bezug auf die erreichbare absolute Genauigkeit nicht mit kartesischen Maschinen konkurieren. In diesem Projekt soll untersucht werden, wie sich das Prinzip einer kraftflussfreien Messung der Pose des TCP auf Parallelkinematiken übertragen lässt. Dazu werde mit herkömmlichen Sensoren wie Winkelgebern und Linearmaßstäben kraftflussfreie Messketten klassifiziert und entwickelt. Es wird untersucht, welche kinematischen und dynamischen Fehler von PKM auf diese Weise gemessen und korrigiert werden können, Anschließend wird ein optimales Verfahren zur Regelung der Pose des TCP entwickelt, das die speziellen Eigenschaften von Maschine und Meßkette schon in der Reglerstruktur berücksichtigt. Schließlich wird eine Messstruktur mit der Regelung realisiert, wozu die am ISW vorhandenen PKM verwendet werden können.

Prof. Dr.-Ing. Günter Pritschow

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Prädikative Schwingungskompensation bei Maschinen mit paralleler Kinematik


Viele Fertigungsmaschinen mit Parallelkinematiken sind durch eine fachwerkartige Struktur von Streben und Aktoren gekennzeichnet (z. B. Hexapod, Dyna-M). Diese Bauelemente sind in ihrer Längsrichtung sehr steif, jedoch nicht in Querrichtung und sind hier anfällig für Schwingungen, Hervorgerufen durch die Schwenkbewegungen der Aktoren. Die Schwingungen beeinflussen die Bearbeitungsqualität negativ und wirken sich begrenzend auf die erreichbare Dynamik aus. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Systems zur Dämpfung von Schwingungen in Maschinen mit paralleler Kinemetik. Hierbei sollen keine zusätzlichen Aktoren verwendet werden, vielmehr werden die in der Maschine vorhandenen Antriebe genutzt. Es soll ein fahren ist in der Lage, den periodischen Anteil der Maschinenschwingungen in einem großen Frequenzbereich zu bekämpfen. Die Folge ist eine höhere Bearbeitungsqualität der Maschine.

Prof. Dr.-Ing. Manfred Weck

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Rechnergestützte Werkzeuge zur automatisierten Optimierung paralleler Kinematiken für Produktionsmaschinen


Die Schritte zur Optimierung von Parallelkinematiken für Produktionsmaschinen hinsichtlich anwendungsorientierter Eigenschaften werden derzeit noch vorwiegend manuell und erfahrungsgestützt durchgeführt. Weiterhin besteht bislang wenig Erfahrung in der geeigneten Kombination von zu optimierenden Zielgrößen zur anwendungsspezifischen Optimierung. Daher ist es Ziel dieses Forschungsvorhabens, eine rechnerunterstützte Umgebung zur automatischen Optimierung von Parallelkinematiken zu schaffen. Hierzu werden geeignete Zielfunktionen und deren Kombinationen für Multikriterienoptimierungen ermittelt sowie an ausgewählten kinematischen Strukturen wie Hexapoden, Tripoden, etc. angewendet und aus gewertet. Durch die Optimierung verschiedener kinematischer Strukturen an ein spezifiziertes Anforderungsprofil kann damit auch in einem weiteren Schritt die anforderungsoptimale kinematische Struktur genannt werden.

Prof. Dr.-Ing. Manfred Weck

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Modellbildung und Simulation zur prozesskettenorientierten Optimierung der fünfachsigen Fräsbearbeitung auf Hexapodfräsmaschinen


Zur Ausnutzung der spezifischen Vorteile Von Maschinen mit Parallelkinematik, speziell von Hexapoden, und zur Steigerung der Effizienz und der Akzeptanz ihres Einsatzes in der spannenden Fertigung, sollen in dem hier beantragten Forschungsprojekt Erkenntnisse zur Optimierung der Prozesskette zum simultan fünfachsigen HSC-Fräsen auf einer existierenden Hexapod-Werkzeugmaschine gewonnen werden. Dabei steht insbesondere die Optimierung der CAM-Programmierung im Mittelpunkt, um mit Hilfe einer angepassten NC-Daten-Generierung bestehende Schwächen solcher Maschinen umgehen bzw. minimieren zu können. Wesentlicher Inhalt des ersten Projektjahres ist dabei die Entwicklung eines hybriden Simulationswerkzeugs, welches sowohl den Prozeß als auch die Maschine sowie die Interaktion zwischen beiden mit hinreichender Genauigkeit nachbilden kann. Auf Basis dieser Simulation findet dann innerhalb eines iterativen Vorgehens eine entsprechende Anpassung der NC-Daten intern oder extern zum CAM-System statt, so dass die inhärenten Eigenschaften der Hexapod-Werkzeugmaschine optimal genutzt und Schwachpunkte dieser neuartigen Maschinenstruktur Möglichst umgangen werden können.

Prof. Dr.-Ing. Klaus Weinert

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Entwicklung einer geschlossenen Auslegungsmethodik zur Modellierung und Optimierung des statischen, dynamischen und thermischen Verhaltens von Parallelkinematiken


Die Antragsteller beabsichtigen innerhalb des SPP mit einer geschlossenen Auslegungsmethodik statische und dynamische Gesichtspunkte bei der Auslegung von Parallelkinematiken zu berücksichtigen. Auf folgenden Themengebieten werden hierzu Arbeiten durchgeführt:

1. Bestimmung der idealen Anordnung von Gelenkangriffspunkten bei statischen und dynamischen Lasten mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus.
2. Kombination von Berechnungsprogrammen für die elastische Mehrkörpersimulation (MKS) mit Software der Größen-, Topologie- und Gestaltoptimierung (FEM).
3. Validierung der umgesetzten Arbeiten an mehreren Versuchsaufbauten.

Die im zweiten Zwischenbericht dargestellten Arbeit zeigen erste Optimierungsergebnisse in der Topologie-, Größen-, form- und Anlenkpunktoptimierung und die Notwendigkeit einer solchen Auslegungsmethodik. Aufbauend auf den Ergebnissen werden in der weiteren Antragsphase die Arbeiten zur Umsetzung der Auslegungsmethodik fortgeführt und an verschiedenen Anwendungsfällen validiert. Durch die Fortführung dieses Vorhabens werden Softwarewerkzeuge zur Verfügung stehen, welche die Umsetzung eines kürzeren Entwicklungsprozesses für qualitativ bessere Parallelkinematiken unterstützten.

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Weule
Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Albert Albers

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Kalibrierung von Parallelkinematiken


Fertigungsmaschinen auf Basis von Parallelkinematiken eignen sich auf Grund ihrer hohen Steifigkeit und Dynamik als attraktive Alternative zu konventionellen NC-Maschinen. Die größere Anzahl an zur Verfügung stehenden Freiheitsgraden ist für viele Anwendungen in der spannenden Bearbeitung von Vorteil. Die geforderte Genauigkeit kann jedoch nur durch eine Kalibrierung erreicht werden. Die bei der Kalibrierung verwendeten kinematischen Modelle können neben den geometrischen Abweichungen der Konstruktion auch die wesentlichen physikalischen Eigenschaften berücksichtigen, wie z.B. die Elastizität der Stäbe oder Gelenke. Bisher wurde bei der Kalibrierung meist nur eine bestimmte Parallelkinematiken betrachtet und dabei auch nur die geometrischen konstruktionsfehler berücksichtigt. Um die Auswirkungen der bei der Kalibrierung nicht modellierten Kräfte gering zu halten, wurde auf eine besonders steifen Konstruktion geachtet. Dadurch werden diese Kinematiken schwerer teurer. Ziel in diesem Forschungsvorhaben ist deshalb, ein allgemeines kalibrierverfahren zu entwickeln, da auf beliebige Parallelkinematiken anwendbar ist, und auch die Auswirkungen von statischen und dynamischen Kräften im Modell berücksichtigt. Dabei sollen alle Schritte des Kalibriervorgangs beachtet werden: Modellierung und Analyse der zu kalibrierenden Kinematik, Generierung von geeigneten Messposen, Messung in den Posen und Kompensation der Fehler in der Steuerung. Das Verfahren soll theoretisch untersucht und dann an ausgewählten Parallelkinematiken überprüft werden.

Prof. Dr.-Ing. Heinz Wörn

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Untersuchung der dynamischen Maschineneinflüsse bei Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematiken auf die Prozesssicherheit bei der HSC Bearbeitung


Die Fertigungsgenauigkeiten und -qualitäten bei der Hochgeschwindigkeitsfräsbearbeitung mit Parallelkinematik-Maschinen werden durch eine Vielzahl von prozessgefährdenden Störungen beeinflusst. Die bei der Hochgeschwindigkeitsfräsbearbeitung angestrebten hohen Zeitspanvolumina erfordern, dass die Parallelkinematik-Maschine bis zur Grenze ihrer dynamischen Stabilität betrieben werden muss. Aufgrund des nichtseriellen Aufbaus von Parallelkinematik-Maschinen und der komplexen nichtlinearen Zusammenhänge der Kinematik können bestehende Verfahren zur Bestimmung prozessstabiler Bereiche nur unzureichend eingesetzt werden. Eine Übertragung von Forschungsergebnissen, die auf seriellen Maschinen gewonnen wurden, ist hier nur sehr eingeschränkt möglich. Insbesondere die extreme Abhängigkeit des Nachgiebigkeitsverhaltens und damit der Eigenfrequenzen von der Position des Werkzeuges im Arbeitsraum sowie die ebenfalls poseabhängigen Kopplungen der Nachgiebigkeiten müssen bei einem Verfahren zur Bestimmung prozessstabiler Bereiche berücksichtigt werden. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die Identifikation der Ursachen, die zu Ungenauigkeiten in der Vorhersage führen, sowie die Ermittlung von Methoden zu der a-priori Beurteilung der Stabilität. Dazu wurde das dynamische Verhalten verschiedener Parallelkinematik-Maschinen, insbesondere die Anregungsmechanismen, der Bearbeitungsprozess und Einflussfaktoren wie Temperatur und Drehzahl, experimentell analysiert. Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurden mathematische Werkzeuge entwickelt, die den Entwickler einer Parallelkinematik in die Lage versetzen, prozessstabile Bereiche vorherzusagen, also Stabilitätskarten zu erstellen, die das dynamische Verhalten des Prozesses sowohl in Abhängigkeit der Prozessparameter Drehzahl, Vorschubgeschwindigkeit, Werkzeuggeometrie und der Pose des TCP darstellen als auch in Abhängigkeit von in der Konstruktionsphase festzulegender Geometriegrößen. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Technische und Numerische Mechanik der Universität Stuttgart durchgeführt.

Dr.-Ing. Thomas Stehle
Prof. Dr.-Ing. Peter Eberhard

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