Vorschubantriebe für Werzeugmaschinen

Vorschubantriebe für Werzeugmaschinen Aktivitäten und aktuelle Trends am Werkzeugmaschinenlabor

Dipl.-Ing. Wieland Klein Oberingenieur Abteilung Maschinentechnik Dipl.-Ing. Werner Herfs Oberingenieur Abteilung Automatisierung und Steuerungstechnik

Werkzeugmaschinenlabor, Aachen, 4. November 2009 © WZL/Fraunhofer IPT

Gliederung 1

Produktionstechnik am Standort Aachen

2

Aktuelle Forschungsschwerpunkte im Bereich Vorschubantriebe

3

Ausblick: Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen

© WZL/Fraunhofer IPT

Seite 2

Die RWTH Aachen und die Fraunhofer-Gesellschaft Fraunhofer-Gesellschaft „ 78 Institute und Einrichtungen an 39 Standorten in Deutschland „ 12 500 Mitarbeiter „ Forschungsvolumen über 1,2 Mrd €, davon 1 Mrd € Vertragsforschung „ 3 Institute in Aachen RWTH Aachen „ gegründet 1870 „ 30 200 Studierende Fakultät für Maschinenwesen „ 6 700 Studierende (davon 1 400 Studienanfänger) „ 50 Professoren „ 2 200 Mitarbeiter „ 170 Promotionen/Jahr © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 3

Produktionstechnik an der RWTH Aachen Werkzeugmaschinenlabor (WZL) „ Institut der RWTH-Aachen „ gegründet 1906 „ ca. 600 Mitarbeiter

(ca. 160 wissenschaftliche Mitarbeiter) „ 10 000m² Bürofläche und Labore

Fraunhofer Institut für ProduktionsTechnologie IPT „ Institut der Fraunhofer-Gesellschaft „ gegründet 1980 „ ca. 340 Mitarbeiter

(ca. 60 wissenschaftliche Mitarbeiter) „ 3 000 m² Bürofläche und Labore „ Partner-Institut in Boston/USA: CMI Fraunhofer Center for Manufacturing Innovation

WZL Forum „ Angebot von Weiterbildungsmaßnahmen

und Seminaren (z.B. Executive MBA) © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 4

Produktionstechnik − Lehrstühle an der RWTH und Abteilungen am IPT Institutsdirektorium: ƒ Prof. Dr.-Ing. C. Brecher

(Werkzeugmaschinen, Exzellenzcluster, Getriebetechnik, Montagetechnik) ƒ Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Fritz Klocke (Technologie der Fertigungsverfahren, Getriebetechnik) ƒ Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt (Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement) ƒ Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh (Produktionssystematik, Produktionsmanagement) Prof. Dr.-Ing. C. Brecher

Prof. Dr.-Ing. F. Klocke

Prof. Dr.-Ing. R. Schmitt

Prof. Dr.-Ing. G. Schuh

Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen

Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren

Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement

Lehrstuhl für Produktionssystematik

Produktionsmaschinen

Prozesstechnologie

Produktionsqualität und Messtechnik

Technologiemanagement

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Prof. Dr.-Ing. A. Kampker

Lehrstuhl für Produktionsmanagement

Prof. Dr.-Ing. R. Müller

Lehrstuhl für Montagetechnik

Seite 5

Forschungsbereiche: Werkzeug- und Produktionsmaschinen, Exzellenzcluster, Getriebe- und Montagetechnik Prof. Dr.-Ing. C. Brecher

Dipl.-Ing. Wieland Klein

Institutsdirektorium: ƒ Prof. Dr.-Ing. C. Brecher

(Werkzeugmaschinen, Exzellenzcluster, Getriebetechnik, Montagetechnik) ƒ Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. Fritz Klocke (Technologie der Fertigungsverfahren, Getriebetechnik) ƒ Prof. Dr.-Ing. Robert Schmitt (Fertigungsmesstechnik und Qualitätsmanagement) ƒ Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Günther Schuh (Produktionssystematik, Produktionsmanagement) Dipl.-Ing. Werner Herfs

Dr.-Ing. Lutz Schapp

Dipl.-Ing. Christof Gorgels

Dr.-Ing. Christian Wenzel Sondermaschinenbau, Ultrapräzisions- und Mikrotechnik

Maschinentechnik

Steuerungstechnik und Automatisierung

Exzellenzcluster

„ Konstruktion und

„ Informationstechnik

„ Individualisierte

„ Technologie

„ Hybride Produkt-

Berechnung von Produktionsanlagen „ Maschinenuntersuchung und -beurteilung „ Auslegung und Untersuchung von Komponenten

und -management „ Antriebs-, Steuerungs- (NC, SPS, MC, RC) & Diagnosetechnik „ CAM-NC-Technik

Produktion „ Virtuelle Produktionssysteme „ Hybride Produktionssysteme „ Selbstoptimierende Produktionssysteme

der Zahnradfertigung „ Getriebeberechnung und Fertigungssimulation „ Getriebeuntersuchung

ionsmaschinen und Adaptronik „ Leichtbau und Faserverbundtechnik „ Ultrapräzisionsmaschinenbau „ Handhabung und Montage

© WZL/Fraunhofer IPT

Getriebetechnik

Seite 6

Produktionstechnik am Standort Aachen – Unsere Arbeitsschwerpunkte Prozesstechnologie „ Spanende und abtragende Fertigungsverfahren „ Lasermaterialbearbeitung „ Umformtechnik „ CAD/CAM-Technologien Werkzeug- und Präzisionsmaschinen „ Komponenten- und Maschinenentwicklung „ Steuerungs- und Automatisierungstechnik „ Bauteil- und Maschinenuntersuchung Montagetechnik „ Montagesystemtechnik und Anlagenplanung „ Roboter und Handhabungstechnologien „ Toleranzmanagement © WZL/Fraunhofer IPT

Messtechnik „ Taktile Messtechnik „ Optische Messtechnik Getriebetechnik „ Zahnradfertigung „ Getriebeberechnung und -untersuchung Management „

Unternehmensentwicklu ng „ Technologiemanagement „ Innovationsmanagement „ Produktionsmanagement „ Qualitätsmanagement Aus- und Weiterbildung „ Berufliche Weiterbildung „ Executive MBA für Technologiemanager „ Tagungen, Kongresse, Seminare Seite 7

Gliederung 1

Produktionstechnik am Standort Aachen

2

Aktuelle Forschungsschwerpunkte im Bereich Vorschubantriebe ƒ Abteilung Maschinentechnik ƒ Abteilung Steuerungstechnik und Automatisierung

3

Ausblick: Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen

Quelle: © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 8

Forschungsbereich: Werkzeugmaschinen − Maschinentechnik Prof. Dr. -Ing. Christian Brecher Dipl.-Ing. Wieland Klein Oberingenieur Dipl.-Ing. Tobias Breitbach

Dipl.-Ing. Stephan Bäumler

Konstruktion und Berechnung von Produktionsanlagen „ Kompetenz- und

Maschinenuntersuchung und -beurteilung

Dipl.-Ing. Florian Lindner

Dipl.-Ing. (FH) Jens Kallmerten

Auslegung und Untersuchung von Maschinenkomponenten

Geschäftsfeld Prüfstandsbau

„ Statisches und dynamisches

„ Spindel-Lager-Systeme

„ Konzepterstellung

Nachgiebigkeitsverhalten „ Thermisches Verhalten „ Geom. u. kinem. Genauigkeit „ Prozessstabilität

„ Schnittst. Maschine –

„ Detailkonstruktion,

Werkzeug; Vorschubachsen „ Zustandsüberwachung und Maschinendiagnose

„ 6 wissenschaftliche MA

„ 7 wissenschaftliche MA

„ 6 wissenschaftliche MA

Dokumentation „ Prüfstandsbau (mechanisch und elektrisch) „ CE-Zertifizierung

„ 3 Math. Technische MA

„ 4 Techniker

„ 3 Math. Technische MA

Forschungsbereiche: – Integrierte Entwicklung von Werkzeugmaschinen – Berechnungsprogramme für die Konstruktion

Maschinen- und Anlagenbau © WZL/Fraunhofer IPT

Berechnung und integrierte Simulation

„ 5 Konstrukteure

Werkzeug- und Formenbau Seite 9

Werkzeugmaschinen − Maschinentechnik: Konstruktion und Berechnung von Produktionsanlagen Konzeptstudien und FE-Berechnung

„

Kinematik- und Antriebsauslegung

„

Entwicklung und Vertrieb von Berechnungsprogrammen

„

Beratung und Gutachten bei der Entwicklung von Produktionsanlagen

„

Formoptimierung

Forschung „

Energie- und Ressourceneffizienz

„

Dämpfungseigenschaften von Strukturbauteilen und Maschinenelementen

Optimierung und Redesign von bestehenden Produktionsanlagen

Nachgiebigkeit [µm/N]

„

Frequ enz [H z]

© WZL/Fraunhofer IPT

l ah z eh Dr

Nachgiebigkeit [µm/N]

„

Quelle: DS Technologie

Topologieoptimierung

Dienstleistungen

Strukturoptimierung

„

Integrierte Simulation von Bearbeitungsprozessen und Wälzlagern

] in m / [1

Berechnung von Spindel-Lager-Systemen

Δ2 Messung Simulation

Frequenz [Hz]

Hybridisierung von Produktionsanlagen durch Verfahrensintegration

„

Δ1

Lehre „

Grundlagen der Konstruktion und Berechnung von Produktionsanlagen

„

Auslegung von Produktionsanlagen mit Hilfe von modernen Virtualisierungsmethoden (CAD, FEM, MKS)

„

Praxisnahe Seminare, Schulungen und Workshops zur Weiterbildung von Studenten und Industriepartnern Seite 10

Werkzeugmaschinen − Maschinentechnik: Auslegung und Untersuchung von Maschinenkomponenten Dienstleistungen „

Prüfstandsentwicklung/-konstruktion

„

Komponentenuntersuchung

„

Auslegung und technische Beratung

„

Applikation von Messtechnik

„

Signalanalyse / Zustandsdiagnose

„

Simulation und Softwareentwicklung

Bilder: Weiss Spindeltechnik, INA, JenaTec, Analog Devices

© WZL/Fraunhofer IPT

Forschung „

Optimierung und Neuentwicklung von Maschinenkomponenten

„

Berechnungsgrundlagen für die Komponentenauslegung

„

Condition Monitoring und Lebensdauervorhersage

„

Messtechnik und Sensorintegration

„

Simulation von Spindel-LagerSystemen

Lehre „

Auslegung und Berechnung der Hauptkomponenten von Werkzeugmaschinen

„

Simulation des Komponentenverhaltens unter Betriebsbedingungen

„

Praxisnahe Seminare, Schulungen und Workshops zur Weiterbildung von Studenten und Industriepartnern Seite 11

Werkzeugmaschinen − Maschinentechnik: Maschinenuntersuchung und -beurteilung Dienstleistungen „

Messtechnische Untersuchung und Beurteilung von Maschinen und Anlagen:

Δs (t)

– geometrisch / kinematisch – statisch / dynamisch – thermisch

Forschung

„

Analyse und Optimierung von instabilen Bearbeitungsprozessen

„

„

Abnahme von Werkzeugmaschinen

„

„

Auslegung von aktiven und passiven Dämpfungssystemen „ „

© WZL/Fraunhofer IPT

Analyse und Optimierung von instabilen Bearbeitungsprozessen Simulative Abbildung von Wechselwirkungen zwischen Bearbeitungsprozess und Maschinenverhalten Aktive und passive Dämpfungssysteme Thermikkompensation und Simulation

F (t) Quelle: Hermle

Lehre „

Werkzeugmaschinen I / II

„

Fertigung- und Montagegerechte Konstruktion

„

Messtechnik und Strukturanalyse

„

Virtuelle Werkzeugmaschinen

„

Seminar: „Schwingungstechnik an Werkzeugmaschinen“ Seite 12

Werkzeugmaschinen − Maschinentechnik: Einfluss der Reibungsdämpfung auf das Verhalten von WZM „ Ermittlung des Einflusses Identifikation der Reibwerte

der Reibungskräfte von: Linearführungen Kugelgewindetrieben Abdeckungen Energieketten Gewichtsausgleichszylinder

Reibungskoeffizient µ

– – – – –

auf das Positionierverhalten einer Vorschubachse sowie auf das dynamische Verhalten „ Bestimmung der Charakteristik

und der Höhe der auftretenden Reibungskräfte für die einzelnen Komponenten einer Vorschubachse mit Hilfe geeigneter Prüfstandsversuche

Haftreibung Festkörperreibung Mischreibung

Flüssigkeitsreibung

Führungen von Drehund Fräsmaschinen hydrodyn. Radial- und Axiallager Übergangsgeschwindigkeit vü Gleitgeschwindigkeit v

Komponenten

„ Abbildung der Reibungseffekte

in Simulationsmodellen (Zeit- und Frequenzbereich) MKS-Modell © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 13

Werkzeugmaschinen − Maschinentechnik: Erweiterung des Lebensdauermodells für Kugelgewindetriebe „ Entwicklung einer erweiterten

4000

Verfahrparam eter: eter: Verfahrparam Geschwindigkeit: 20 m /min

Lebensdauertheorie für Kugelgewindetriebe unter Berücksichtigung von dynamischen Einflüssen (Ruck, Beschleunigung, Ständermasse)

Beschleunigung: 10 m /sec^2 Geschwindigkeit: 20 m /min Verfahrweg: 200 m m Beschleunigung: 10 m /sec^2 Verfahrweg: 200 m m

Axialkraft [N]

2000

0

-2000

Ruck 400 m /sec^3

-4000

Ruck

800 m 400 /sec^3 m/sec^3 800 m/sec^3

Beginn der Beschleunigung

-6000

„ Aufbau eines empirischen

„ Simulation der Belastung auf

Wälzkörper und Muttern/Spindellaufbahn „ Erweiterung des

0.05

0.1

Zeit [s]

0.15

1200 m/sec^3

2000 m /sec^3 2000 m/sec^3 0.2

0.25

Entwicklung eines empirischen Modells Ausfallwahrscheinlichkeit [%]

Ausfallmodells auf Basis von Lebensdauerversuchen

0

Prüfstandsversuche

1200 m /sec^3

Vertrauensbereiche (5% bzw. 95 %)

Lebensdauermodells

durch Lebensdauerversuche identifizierte Ausfallzeiten

10 %

„ Verifizierung des erweiterten

Modells in einer realen Werkzeugmaschine L10 © WZL/Fraunhofer IPT

Zeit ti Seite 14

Werkzeugmaschinen − Maschinentechnik: Überwachung von Antriebskomponenten „ Ist-Zustand

– – – –

„ Soll-Zustand

Betriebszustände sind häufig unbekannt keine planbare Instandhaltung möglich frühzeitige Komponentenausfälle kostenintensive Stillstandszeiten

– – – –

hohe Verfügbarkeit und Genauigkeit transparente Betriebszustände zustandsorientierte Instandhaltung Kostenminimierung Maschinenelemente

Prozessparameter

Quelle: DS Technologie Sensorsignale

Sensorsignale

Quelle: Schaeffler

Quelle: DS Technologie

Quelle: Weiss

Quelle: JenaTec

Körperschallanalyse Körperschallanalyse Signalanalyse

Frequenzbereich

Grenzwert

10

A

V erlag erung s [µm]

15

s A1 s A2 s A3 s µeps

5

Zeit-Frequenz-Bereich Frequenz [Hz]

Amplitude [V]

20

Amplitude [V]

Kennwertverfahren Kennwert, Trend [Y]

Zeitbereich

0

Ampl. [V]

-5

-1 0 0

Zeit [s]

2

4

6

8 Zeit [s]

10

12

14

Zeit [d]

16

Frequenz [Hz]

Zeit [s]

Maschinenzustandsdiagnose © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 15

Werkzeugmaschinen − Maschinentechnik: Entwicklung eines umweltverträglichen Tribosystems „ Entwicklung eines

Hauptspindel

Z-Achse

umweltverträglichen Tribosystems für die Komponenten: – Kugelgewindetriebe – Linearführungen – Spindellager

Hauptspindel Spindelstock z-Ständer Werkzeugaufnahme

„ Substitution der Wirkung von

Schmieröladditiven durch Oberflächenbeschichtung oder geeignete SchmierstoffWerkstoff-Paarungen Tisch

„ Durchführen von

Prüfstandsversuchen an Maschinenkomponenten mit Oberflächenbeschichtung und umweltverträglichen Schmierölen „ Integration von qualifizierten

Maschinenkomponenten mit umweltverträglichen Schmierölen in ein Bearbeitungszentrum © WZL/Fraunhofer IPT

Spindellager

Linearführung

Kugelgewindetrieb Seite 16

Gliederung 1

Produktionstechnik am Standort Aachen

2

Aktuelle Forschungsschwerpunkte im Bereich Vorschubantriebe ƒ Abteilung Maschinentechnik ƒ Abteilung Steuerungstechnik und Automatisierung

3

Ausblick: Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen

Quelle: © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 17

Forschungsbereich: Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung Andreas Borgmann

Prof. Dr. -Ing. Christian Brecher Dipl.-Ing. Werner Herfs Oberingenieur M.O.R. Kamil Fayzullin

Dipl.-Ing. Mirco Vitr

Informationstechnik und -management

CAMNC-Technik

„ Semantische Informations- &

„ NC-Programmierung & CAM-

Wissensmodellierung, PLM

NC-Kopplung „ Offene Steuerungssysteme & Kommunikation für verteilte Steuerungen

„ Engineering von Maschinen

und Anlagen, Leittechnik

Zentrale EDV

Dipl.-Ing. Gerrit Pohlmann

Antriebs-, Steuerungs(NC, SPS, MC, RC) & Diagnosetechnik „ SPS & Motion Control, „ „ „

„ 6 wissenschaftliche MA

„ 5 wissenschaftliche MA

„ 1 Math. Technische MA

„ 3 Math. Technische MA

„

„ 2 Auszubildende

„ 2 Auszubildende

„

Maschinen- und Anlagenbau © WZL/Fraunhofer IPT

840D NC-Kernentwicklung Robotertechnik Antriebstechnik Steuerungsinterne Zustandsüberwachung 8 wissenschaftliche MA 2 Math. Technische MA

Prototypen und technische Softwareentwicklung

„ 10 Administratoren „ 1 Auszubildender

Rico Gros

Elektrowerkstatt „ 5 Techniker

Thomas Jansen

Elektronikwerkstatt „ 3 Techniker „ 5 Auszubildende

Technische Beratung Seite 18

Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung: Informationstechnik und -management „ Domänenmodelle für die Bereiche

„

„

„ „ „

el. Komponente

ist vom Typ Engineering von Maschinen und el. Komponente 4 ... verbunden Anlagen, Steuerungstechnik und 1 4 mit Vater Antriebs 4 NCU Ablaufplanung 2 bus verbunden mit Kind 3 ... Modellbasierter EngineeringRegelungseinschub Gerätebus prozess, Lebenszyklusorientierte verbunden mit Vater ... ... Betrachtung der Produktionssysteme Integration der IT-Infrastruktur Semantische Informations(vertikale und horizontale Verund Wissensmodellierung netzung der IT in der Fertigung „Steuernde“ Manufacturing Execution Systeme (MES) Integrierte Ablaufplanung und -steuerung KI (Künstliche Intelligenz) in der Ablaufsteuerung von FertigungsFertigungsautomatisierung, -leittechnik und MES anlagen

© WZL/Fraunhofer IPT

Mechatronische Modellierung

NCU Box 4

Datenmodell

Schnittstellen Regelwerk

Komponentenbasierter Baukasten Mechatronisches Engineering von Maschinen und Anlagen

Planungsebene

CAD

Betriebsrechner

PPS

CAP

Büronetzwerk

Leitebene

Fertigungsleitrechner

CAM

Industrial Ehernet Netzwerk

Steuerungsebene

Zellenrechner

Dateiserver Sensor Aktor Feldbus

Zelleninternes Netzwerk / System-Feldbus

Geräteebene

Werkzeug Voreinstellung

RC

NC

SPS

SPS

Sensor Aktor Feldbus

Aktor / Sensor Ebene

Kognition in der Planung und Steuerung Seite 19

Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung: CAM-NC-Technik „ Softwaremodulentwicklung in den „ „ „ „

„

„ „

Bereichen CAM, NC, MES, MDE Gekoppelte Steuerungs-, Maschinen- und Prozesssimulation Virtuelle Steuerungen, NC- und Verhaltenssimulation Testumgebung für Steuerungssoftware CAM-NC-Kopplung: Realisierung eines bidirektionalen Datenflusses zwischen Planung und Fertigung Intelligente Systeme zur wissensbasierten Fertigungsplanung und NC-Programmierung Bahnalgorithmik für CAM Systeme und NC-Steuerungen CAM-PLM-Integration

© WZL/Fraunhofer IPT

WZL SinuTracer zur steuerungsSimulationskopplung zur Simulation von integrierten Prozessdatenerfassung Prozessneben- und -hauptzeiten

Rückführung von Prozessdaten in die NC-Planung (CAM-NC-Kopplung)

CAM-Planung zur hybriden Werkstückbearbeitung Seite 20

Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung: Steuerungs-, Antriebs- und Diagnosetechnik „ Intuitive und herstellerunabhängige

Programmiermethoden für mobile Robotersysteme „ Erprobung neuer Konzepte in der

Antriebs- und Regelungstechnik – Impulsentkopplung von Lineardirektantrieben zur Reduzierung der mechanischen Schwingungsanregung – Redundante Antriebe zur Steigerung der Achsdynamik „ Energieeffiziente Antriebstechnik

Flexible und intuitive Robotik Programmierung

Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung

„ Steuerungsintegrierte Diagnose für

antriebsnahe Maschinenkomponenten „ Antriebsbasierte Kollisions- und

Verschleißüberwachung „ Condition-Monitoring für

Verarbeitungsmaschinen © WZL/Fraunhofer IPT

Steuerungsprogrammierung (z.B. NC-Kern 840D, Simotion OA)

Energieeffizienz in der Antriebstechnik Seite 21

Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung: Innovative Antriebskonzepte „ Hochdynamischer Pick&Place Automat – Leichtbau und Parallelkinematik zur Reduktion der bewegten Massen – Steifes Gestell, durch Parallelkinematik leicht in XRichtung erweiterbar – Leichte und hochdynamische eisenlose Direktantriebe – Reduzierung der Gestellanregung durch Impulsentkopplung „ Prüfstand für redundante Achsen – Erweiterung der Achsdynamik durch den Verbund von KGT und Linearachse – Online-Aufteilung der Sollkontur auf die beiden Achsen – Prüfstandsregelung mit echtzeitfähiger Hardwareplattform

© WZL/Fraunhofer IPT

Seite 22

Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung: Dienstleistungsangebote „ Beratung bei der Auslegung – Auswahl von Komponenten und steuerungstechnisches Konzept – Beurteilung von Maschinenkonzepten – Ableiten alternativer Antriebskonzepte – Synchronisierung und Konzeption dezentraler und verteilter Antriebssysteme

Reduktionsgetriebe Schrittschaltgetriebe Turm & Aufbau

Elektromotor

IA

Y

J

J

J

J

Glas

J(t)

AC 380 V Schleifringe AC 380 V Gleichrichter C AN

DC 48

EC45/Getriebe/Encoder

EPOS

„ Benchmarks in der Antriebstechnik – Antriebsinbetriebnahme und regelungstechnische Optimierung (Führungsfrequenzgang, usw.) – Vergleich unterschiedlicher Reglungskonzepte – Auswahl und Benchmark von Messsystemen – Untersuchungen zur Messsystemfilterung – Vergleichende Analyse des Leistungsbedarfs der unterschiedlicher Antriebskonzepte Bilder: Maxon, INA

© WZL/Fraunhofer IPT

Seite 23

Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung: Steuerungsintegrierte Antriebsüberwachung und Diagnose „ Entwicklung Anwendungsspezifischer

Compilezyklen – Entwicklung steuerungsinterner AddOnFunktionen (u.a. 840D-NC-Kernentwicklung, Simotion OA) – Realisierung spezifischer Funktionen im Kundenauftrag – Sicherheitsgerichteter Test von Steuerungserweiterungen auf MC- & NCSimulatoren – Simulation des Steuerungsverhaltens bei unterschiedlichen Bedingungen

HMI- Entwicklungen

Siemens Sinumerik 840D SL

KernEntwicklungen

NCK-Interface: NCK-OEM, NCK-COA

NC-Kern

„ Vermessung und Bewertung des

Energieverbrauchs von WZM – Verwendung präziser Leistungsanalysatoren – Erfassung nicht elektrischer Messgrößen Bilder: Fluke, IFM

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Seite 24

Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung: Anwendung der Steuerungsinternen Datenerfassung „ Steuerungsinterne Datenerfassung zur Zustandüberwachung –

steuerungsinterne DatenErfassung

NEXT Generation Production Systems – Ziel: Adaptive Kompensation von Störungen wie Reibung und Beschleunigung – Intelligente Komponenten: Verschleißerkennung und Ausfallerkennung an Führungsschuhen durch Sensorapplikationen

MaschinenKomponenten

Prozess System Werkzeugmaschine

CNC

Erfasste Daten • Nullpunktverschiebung • Werkzeugdaten • Steuerungsparameter • Alarme & Ereignisse • Prozessdaten • OPC Daten • NC-Programm

Processinfo Processinfo Data Data Server Server

Proc. Mon. Plugins

Bild: IPT

• Werkstück • Rohteil • Werkzeugmaschine • Werkzeuge • Spannmittel • Set-up • etc.

© WZL/Fraunhofer IPT

Processinfo Processinfo Data Data Server Server

CNC 2

Bild: IPT

Trace+ META Daten

Processinfo Processinfo Data Data Client Client

WZL WZL Processinfo Processinfo DB DB

„ WZL Manufacturing Tool Suite – Erfassung relevanter Maschinendaten in der Bearbeitung auf Basis von SinuCom – Messdaten werden in einer Datenbank erfasst – Steuerung und/oder Bediener können auf diese Daten über Plugins zugreifen – Darstellung von Prozessdaten im CAMSystem Seite 25

Werkzeugmaschinen − Steuerungstechnik und Automatisierung: Dienstleistung „ Themen der NC-Schulung: – Grundlagen der NC-Programmierung für Kunden und Studenten – Programmierung nach DIN 66025 (G-Code) – Siemens Sinumerik 840D / Heidenhain iTNC 530 ƒ ShopMill, ShopTurn ƒ Heidenhain Klartext-Dialog

„ Durchführung: – NC-Programmierung am Schulungsrechner und an der Werkzeugmaschine – Bearbeitung von Beispielen an der Werkzeugmaschine ƒ Einrichten der WZM mit Werkzeugen ƒ Bestimmung der Werkstückposition im Arbeitsraum und Eingabe der Nullpunktverschiebung

– Fertigung von Beispielbauteilen Quelle: Hermle, DST © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 26

Gliederung 1

Produktionstechnik am Standort Aachen

2

Aktuelle Forschungsschwerpunkte im Bereich Vorschubantriebe

3

Ausblick: Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen

© WZL/Fraunhofer IPT

Seite 27

Forschungsprojekt EWOTeK Intelligente Lastermittlung und Standby-Konzepte „ Lernbasierte Lastermittlung – Aufzeichnung des Leistungsbedarfs im Bearbeitungsprozess – Lastermittlung durch Vergleich mit Trainingsabläufen – Vorteile:

„ Prädiktive Lastermittlung – Look-Ahead im NC-Programm zur Vorhersage des Leistungsbedarfs spezifischer Aggregate – Vorteile: ƒ Frühzeitige Anpassung einzelner Aggregate möglich ƒ Auch für „Job-Shop“-Betrieb geeignet

Leistung

ƒ Beschränkung der für den Normalbetrieb nötigen Zusatzsensorik ƒ Generierung von Verbrauchsdaten für den Anwender

WKZ-Wechsel

Anschlussleistung Eilgänge

Betriebsbereitschaft Zerspanung Zeit

Lernbasiert

Prädiktiv

Quelle: Heller, WZL © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 28

Forschungsprojekt EWOTeK Komponentenoptimierung – Hydraulik, Kühlung… „ Lösungsansätze: – Bedarfsgerechte Hydraulikkonzepte – Bedarfsgerechte Kühlschmierstoff- und Späneförderung – Bedarfsgerechte Kühlung „ Arbeitsinhalte – Hydraulik ƒ Anbindung drehzahlvariabler Pumpen ƒ Zentrale Versorgung, Schaffung unterschiedlicher Druckniveaus, regenerative Konzepte

– Kühlschmierstoff- und Späneförderung ƒ Sensorische Erfassung des Bedarfs ƒ Entwurf einer Regelstrategie

– Kühlung ƒ Kühlleistung ↔ Thermische Stabilität? ƒ Modellierung des Systems, ƒ Aufbau einer Regelung, prädiktive Kopplung an Bearbeitung

Eingangsleistung 100% 88%

Späneförderer Druckluft -11% Hydraulik -12% Antriebe -15% -20%

-30%

Kühlung Kühlmittelanlage Spindel

Quelle:Heller © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 29

Forschungsprojekt EWOTeK Komponentenoptimierung – Spindel „ Lösungsansätze: – Feldstromregelung – Bedarfsgerechte Lagerschmierung Eingangsleistung

„ Arbeitsinhalte: – Reduktion der Spindelverluste durch Regelung des Motorfeldstroms – Untersuchung der resultierenden Dynamik – Portierung auf unterschiedliche Antriebsklassen – Sensorische Erfassung des Schmierzustands – Modellierung der Schmiersysteme

100% 88%

Elektronik Späneförderer Druckluft -11% Hydraulik -12% Antriebe -15% -20%

-30%

Kühlung Kühlmittelanlage Spindel

Bilder: Weiss © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 30

Forschungsprojekt EnoPRO Arbeitsinhalte

E n o

PRO

„ Vorhersage des Energieverbrauchs in der

CAD-CAM-Ebene – Generierung von Zusatzinformationen zum Energieverbrauch – Vorschlag verschiedener Frässtrategien

Zusatzinformationen: Bearbeitungszeit: x Sekunden Energieverbrauch pro Zyklus: x kWh Anfallende Energiekosten: x € Optimierung versuchen? Ja/Nein

„ Optimierung und Bewertung verschiedener

Frässtrategien – Generierung energieoptimaler Frässtrategien auf Basis von Einzelschnittvermessungen – Verifikation unter Berücksichtigung der Werkstückgüte und Stückzeit

Quelle: EXAPT, NX 6 Dokumentation © WZL/Fraunhofer IPT

Seite 31

Gliederung 1

Produktionstechnik am Standort Aachen

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Aktuelle Forschungsschwerpunkte im Bereich Vorschubantriebe

3

Ausblick: Effizienzsteigerung von Werkzeugmaschinen

© WZL/Fraunhofer IPT

Seite 32