Aktiver Werkzeughalter in Kombination mit offenen Steuerungssystemen für hochdynamische Präzisionsdrehmaschinen

Um die Unrundbearbeitung von Werkstücken wie Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren flexibel, hochdynamisch und präzise zu realisieren, wurde am Fraunhofer IPT eine hochdynamische Drehmaschine (HDM) entwickelt. Alle Werkzeugschlitten sind bei dieser Werkzeugmaschine mit Linearmotoren ausgestattet und ermöglichen eine Beschleunigung von 13g. Da bei den hohen Beschleunigungen des Werkzeugschlittens erhebliche Trägheitskräfte auftreten, ist ein Massenausgleich in Form eines Ausgleichsschlittens realisiert, der auf der gleichen Führungsbahn wie der Bearbeitungsschlitten in entgegengesetzter Vorschubrichtung verfährt und hierdurch zu einer erheblichen Reduzierung der Maschinenschwingungen beiträgt. Darüber hinaus ist die Maschine mit einem aktiven Werkzeughalter ausgestattet, der eine hochfrequente und verzögerungsfreie Ansteuerung des Werkzeugs bei einem maximalen Hub von 15µm und einer Bearbeitungskraft von 160N ermöglicht. Damit können die parasitären Schwingungen, die aufgrund der hohen Beschleunigungen bei schneller Unrundbearbeitung an den Schlitten auftreten, kompensiert werden. Die hochdynamische Unrunddrehmaschine HDM ist zudem mit einem offenen Steuerungssystem ausgestattet, das eine deutlich höhere Dynamik und Genauigkeit sowie eine bessere Konturbeschreibung der Bauteile gegenüber heute gängigen Steuerungen erlaubt. Ebenso bietet dieses Steuerungskonzept die Möglichkeit, über einen schnellen Bus, hier Fire Wire IEEE 1394, die Kommandos an die Servoumrichter zu übertragen und mitzulesen. Diese Daten werden auf einer separaten Recheneinheit, welche ein Rechenmodell der Maschine und der eingesetzten Ausgleichsaktoren mitführt, ausgewertet und so zur Generierung der Ausgleichsbewegungen für den aktiven Werkzeughalter genutzt. Die Regelung basiert auf einem Embedded System mit RT-Linux/Matlab und skalierbarer Hardware. Der aktive Werkzeughalter bildet somit ein lokal intelligentes Sensor-Aktorsystem, das auf engstem Raum neben dem Aktor und der Koppelmechanik auch elektronische Baugruppen wie eine funktionsadaptierte analoge/digitale Signalvorverarbeitung, Endstufen mit Energierückgewinnung und Rechnersysteme zur Regelung und Kommunikation vereinigt.