Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines sensorintegrierten, adaptronischen Blocksaugers zur aktiven Schwingungs- und Schallreduktion beim Fräsen von plattenförmigen Holzwerkstoffen

Das Thema des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines adaptronischen Blocksaugers zum Einspannen plattenförmiger Werkstücke, um diese spanend bearbeiten (fräsen, sägen oder bohren) zu können. Der Blocksauger wird mit integrierter Sensorik und Aktorik zur Messung von Prozess- und Systemkenngrößen wie Haltekraft / Unterdruckschwankungen, Prozesskraft und Vibration ausgestattet. Ein geregeltes Hubstellglied ermöglicht durch Einleiten phasenverschobener Schwingungen eine destruktive Interferenz, wodurch Werkstückschwingungen und abgestrahlter Schall während der Fertigung minimiert werden. Eine automatische Modellidentifikation des Fertigungsprozesses in Abhängigkeit des Werkstücks und eine darauf aufbauende Regelung reduziert Schwingungen, sodass die Bearbeitungsqualität und Werkzeugstandzeit gesteigert und die Lärmemission minimiert werden. Aufgrund der vorhandenen Sensorik im Blocksauger besteht auch die Möglichkeit den Prozessablauf zu dokumentieren. Daher werden unterschiedliche Sensor- und Aktortypen getestet und konstruktiv in den Blocksauger integriert, um die Regelung, die Prozessüberwachung und -dokumentation zu ermöglichen. Für KMU ergibt sich damit eine verbesserte Spannmöglichkeit der Werkstücke, sodass die Prozesssicherheit und die Bearbeitungsqualität gesteigert werden.

Der konkrete Nutzen für Ausrüster besteht entweder in der Herstellung und im Vertrieb von adaptronischen Spannsystemen, für Endanwender liegen die Vorteile in höherer Produktivität und/oder besserer Bauteilqualität sowie ggf. geringeren Geräuschemissionen.

Ergebniszusammenfassung:

Es liegt ein vereinfachtes analytisches Modell sowie eine durch Vorversuche validierte Simulation vor, um die Plattenschwingungen zu beschreiben. Unterschiedliche Positionen der passiven Blocksauger wurden dabei berücksichtigt. Die Plattenschwingungen können visualisiert und mit Kennzahlen (Mittelwert, Amplitude und Frequenz) in Heat-Maps dargestellt werden. Die Zerspanversuche belegen den Einfluss der Drehzahl auf die Anregungsfrequenz. Die Zerspankräfte hängen von den Einstellparametern und den Fräswerkzeugen ab und sind insgesamt kleiner als 100 N.

Es wurden zwei Prototypen aufgebaut, die sich in ihren Aktoren unterscheiden. Die Funktionstests zeigen, dass die Sensoren Messwerte erfassen und dass die Aktoren Hübe mit den geforderten Frequenzen und Amplituden ausführen können.

Es wurde zunächst eine Regelung mit diskreten Phasensprüngen in Matlab programmiert. Wegen der langen Zugriffszeit auf den A/D-Wandler musste die Regelung anschließend in LabVIEW programmiert werden. In LabVIEW konnte auch ein kontinuierlicher Phasenshift umgesetzt werden, sodass ein stabiler Regler aufgebaut werden konnte. Bei einer Anregung einer MDF-Platte mit einem Shaker konnte der Funktionsnachweis der Regelung belegt werden. Abschließend wurden Validierungsversuche der Regelung durchgeführt. Diese belegen, dass auch bei einem realen Zerspanprozess die induzierten Plattenschwingungen durch eine destruktive Interferenz minimiert werden können.