Untersuchung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen unter Zerspanungsbedingungen mit Hilfe der Betriebsmodalanalyse

ISBN-13: 9783957351456 / Niemiecki / Book / 2022 / 250 str.

Jan Berthold

Opis

Die Betriebsmodalanalyse (OMA, engl. für Operational Modal Analysis) erlaubt die Ermittlung modaler Parameter (Eigenfrequenzen, modale Dämpfungen, Eigenschwingformen) unter ambienten Anregungsbedingungen. Genutzt wird dieses Verfahren vorwiegend an sehr großen Strukturen wie Gebäuden, Windkraftanlagen, Schiffen und Flugzeugen, an denen eine artefaktische Anregung nur schwer möglich ist. Im Werkzeugmaschinenbau wird vor allem die Experimentelle Modalanalyse (EMA) zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens genutzt. Die Anregung erfolgt zumeist mittels Impulshammer oder Shaker während des Stillstands der Maschine. Alle dynamischen Effekte, die ausschließlich unter Betriebsbelastungen (Vorspannungen, Reibungseffekte, gyroskopische Momente, Prozessdämpfung) auftreten, können somit nicht beachtet werden. Die vorliegende Arbeit adressiert aus diesem Grund die OMA an Werkzeugmaschinen, um Betriebseffekte während der Zerspanung abzubilden und somit modale Parameter zu ermitteln, die den Arbeitspunkt relevant und plausibel repräsentieren. Dazu werden die Annahmen und Randbedingungen, die der Methodik zugrunde liegen, hinsichtlich der Spezifika von Werkzeugmaschinen unter Prozessbedingungen untersucht. Schwerpunkte sind die Beschreibung der Veränderungen des dynamischen Verhaltens im Arbeitsraum zur Auslegung einer zeitinvarianten Werkzeugbahn,die Generierung einer analysegerechten Anregung durch einen Zerspanprozess und die Untersuchung verschiedener Identifikationsmethoden zur Ermittlung der modalen Parameter.

Spis treści

1 Einleitung2 Stand der Erkenntnisse2.1 Dynamisches Verhalten von Werkzeugmaschinen2.1.1 Überblick und Einordnung2.1.2 Beschreibungsformen dynamischer Systeme2.1.3 Methoden zur strukturbeschreibenden, experimentellen Ermittlung von Schwingungskenngrößen 2.2 Grundlegende Aspekte der Betriebsmodalanalyse 2.2.1 Konzept und Annahmen der OMA 2.2.2 Stochastische Kenngrößen und Modellierungen 2.2.3 Messdatenaufnahme und Signalverarbeitung 2.2.4 Identifikationsmethoden der Betriebsmodalanalyse2.3 Herausforderungen bei Durchführung der Betriebsmodalanalyse an Werkzeugmaschinen2.3.1 Zeitvarianz im Arbeitsraum 2.3.2 Anregung von Werkzeugmaschinen durch den Zerspanprozess 2.3.3 Bestimmung modaler Parameter bei Anregung durch den Zerspanprozess3 Motivation, Forschungsfragen und Aufbau der Arbeit 3.1 Motivation 3.2 Forschungsfragen und -hypothesen3.3 Struktur der Arbeit 4 Zeitvarianz im Arbeitsraum 4.1 Inhalt des Kapitels 4.2 Veränderungen des dynamischen Verhaltens im Arbeitsraum 4.2.1 Beschreibung durch Änderungen innerhalb der Nachgiebigkeitsfrequenzgänge4.2.2 Vergleichende Beurteilung von Frequenzgängen aus Impulshammeranregung mit Hilfe des Frequency Response Assurance Criterion (FRAC)4.2.3 Anwendung des Frequency Response Assurance Criterion (FRAC) auf Beschleunigungsantworten resultierend aus Verfahrbewegungen4.3 Schlussfolgerungen für die Auslegung einer zeitinvarianten Werkzeugbahn5 Gestaltung einer analysegerechten Anregung durch den Zerspanprozess5.1 Inhalt des Kapitels 5.2 Berechnung der Zerspankräfte beim Fräsen 5.2.1 Einflussgrößen auf die Spankraft 5.2.2 Beschreibung mittels empirischen Modells5.3 Parameteridentifikation zur Modellierung der Zerspankräfte in einem Simulationsmodell5.3.1 Vorgehensweise5.3.2 Strukturparameter5.3.3 Prozessparameter und Geometrieparameter5.4 Simulative Parameterstudien zur Beeinflussung des Schnittkraftspektrums durch Modulation technologischer Parameter 5.4.1 Modulation durch die Drehzahl 5.4.2 Modulation durch das Werkstück5.4.3 Fazit zu den simulativen Untersuchungen 5.5 Experimentelle Parameterstudien zur Beeinflussung des Schnittkraftspektrums durch Modulation technologischer Parameter 5.5.1 Versuchsaufbau und Vorgehensweise 5.5.2 Ausgangszustand ohne Modulation 5.5.3 Modulation durch die Drehzahl 5.5.4 Modulation durch das Werkstück5.5.5 Modulation durch das Werkzeug 5.5.6 Betrachtung der Beobachtungszeit 5.6 Schlussfolgerungen für eine analysegerechte Anregung 6 Charakteristika der Identifikationsmethoden6.1 Inhalt des Kapitels6.2 Experimentelle Modalanalyse - Vergleichsgrundlage 6.2.1 Durchführung 6.2.2 Auswertung 6.3 Pseudobetriebsmodalanalyse (Pseudo-OMA) durch Shaker-Anregung6.3.1 Diskretisierung und Durchführung 6.3.2 Identifikation der modalen Parameter 6.3.3 Diskussion der modalen Parameter - Vergleich zwischen Pseudo-OMA und EMA6.4 Betriebsmodalanalyse durch Prozessanregung 6.4.1 Diskretisierung und Durchführung 6.4.2 Identifikation der modalen Parameter 6.4.3 Vergleich zwischen Pseudo-OMA und Prozess-OMA6.4.4 Vergleich zwischen EMA und Prozess-OMA 6.5 Schlussfolgerungen hinsichtlich Identifikationsmethoden der OMA an WZM im Prozess 7 Zusammenfassung und AusblickLiteraturverzeichnisA Definitionen, Berechnungsverfahren und Identifikationsmethoden A.1 Grundbegriffe der SignaltheorieA.2 Zufallsprozess, Stationarität und ErgodizitätA.3 LeistungsdichtespektrenA.4 Kalman Filter A.5 Aufnahmezeit und Abtastung A.6 Kurtosis A.7 Singulärwertzerlegung (SVD) A.8 Identifikationsverfahren A.8.1 Basic Frequency Domain Method A.8.2 Frequency Domain Decomposition A.8.3 Enhanced Frequency Domain Decomposition A.8.4 Curve-Fit Frequency Domain Decomposition A.8.5 Poly-Reference Least Squares Complex Frequency (p-LSCF)A.8.6 Ibrahim Time Domain (ITD) A.8.7 Least Squares Complex Exponentional (LSCE) A.8.8 ARMA Modelle A.8.9 Kovarianz gesteuerte SSI-Methoden (Cov-SSI) A.8.10 Daten-basierende SSI-Methoden