Simulation Dynamische Bewegungen leichter begreifen

Mit einem klaren Modellierungskonzept kann jeder Ingenieur anspruchsvolle Auslegungsaufgaben und dynamische Berechnungen lösen - Systemsimulation unterstützt dabei.

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EMAG Leipzig Maschinenbau GmbH

Für Berechnungsingenieure vieler Branchen ist die Sicherung gewünschter Eigenschaften in Antrieben, Maschinen und Anlagen nach wie vor eine große Herausforderung. Das in der Realität oftmals nichtlineare Verhalten solcher Systeme bringt lineare Auslegungsverfahren an Grenzen. Zudem gilt es, vielfältige Wechselwirkungen zwischen verschiedenen physikalischen Wirkprinzipien zu berücksichtigen, wodurch in der Vergangenheit oftmals zahlreiche Prototypentests notwendig wurden. Ist eine Untersuchung am realen Objekt nicht oder nur mit hohem Aufwand durchführbar, hilft die computergestützte Simulation des Systems. Das Simulationsmodell vereinfacht die Wirklichkeit und stellt Bedingungen her, die den Aufwand für eine Untersuchung deutlich reduzieren.

Simulation am Modell so genau wie nötig, so einfach wie möglich

Vom Groben ins Detail: Steht das Gesamtkonzept fest, müssen die einzelnen Teilsysteme, Komponenten und gegebenenfalls deren Steuerung entwickelt werden. Analog des Fortschritts in der Entwicklung können bei der Simulation grobe Modelle mit wenigen Parametern durch detailliertere Modelle mit präziserem Verhalten ersetzt werden. Die zu untersuchende Detailtiefe ist nahezu unbegrenzt. Auskunft über die anliegenden Lasten, die erforderliche Leistung und weitere Anforderungen an einzelne Komponenten, geben die Simulationsergebnisse des Gesamtmodells.

Für den Aufbau des Simulationsmodells braucht es keine detaillierten Kenntnisse in der Programmierung. Diese Erfahrung machten auch die Ingenieure in der Antriebsentwicklung bei Emag.

Ob Dreh-Fräs-, Laser-, Verzahn- oder Schleifmaschinen – Emag bietet erfolgreich seit vielen Jahrzehnten Fertigungssysteme für präzise Metallteile. Die Entwicklungsabteilung setzt dabei auch verstärkt auf virtuelle Entwicklungswerkzeuge. Emag prüft derzeit die Potentiale verschiedener Konzepte elektrisch betätigter Spannfutter mit gezielter, CNC-gesteuerter Spannkraftregelung und Spannbackenverstellung während der Rotation der Hauptspindel (Bild 1). Untersuchungsschwerpunkte sind 3- und 6-Backenfutter mit variierbaren Spannzentren (Achsabstand zwischen Drehmitte und Drehzentrum).

Software schließt Wissenslücken

Dazu wird in das rotierende Hauptspindelsystem eine zusätzliche Rotationsbewegung zur Steuerung der Spannbackenbewegungen eingeleitet. Diese befinden sich radial verschiebbar auf einem an der Hauptspindel befestigten Spannfutter. Zur Einleitung dieser relativen Rotationsbewegung werden u.a. Umlaufrädergetriebe (URG) (Bild 2), auch Planetengetriebe genannt, miteinander gekoppelt. Die heutige Antriebstechnik setzt zumeist URG unter Nutzung ihrer Standübersetzung als Drehmomentwandler ein. Der Einsatz gekoppelter URG in Werkzeugmaschinen ist hingegen wenig verbreitet, wodurch das Vorstellungsvermögen zur Getriebekinematik und das Wissen um die Berechnung solcher Getriebesysteme durch Konstrukteure stark abnehmen. Da durch die verwendete Technik vielfältige Übertragungsszenarien realisiert werden können, hat sie auch in modernen Werkzeugmaschinen ihre Berechtigung. Ingenieure nutzen daher aktuelle Berechnungs- und Simulationssoftware, um die entstehenden Wissenslücken zu schließen.

Erfahrung und Verständnis für das gesamte System

Mit Hilfe der Systemsimulationssoftware Simulation X wird die Getriebestruktur simuliert und die für die Getriebedimensionierung wesentlichen Parameter wie Drehmomente, Drehzahlen, Verzahnungskräfte und Wirkungsgrade ermittelt. Dabei bleibt das dynamische Systemverhalten stets im Blick. Mit der Software erhält der Konstrukteur zuverlässige Hilfe bei den analytisch anspruchsvollen Berechnungen. Der Aufbau des Berechnungsmodells (Bild 3) berücksichtigt dabei die Besonderheiten der Getriebearchitektur und deren Auswirkungen auf die Verstellgüte der Spannbacken, insbesondere für variierende Spannszenarien.

Unerwünschte Konfigurationen leicht finden

Die Simulation wurde transient durchgeführt. Innerhalb der Simulationszeit durchfahren Haupt- und Nebenantriebsmotor (Verstellung der Spannbacken) die in Bild 4 angegebenen Drehzahlvorgaben. Bild 5 zeigt die sich daraus Bewegungen im Spannfutter. Die Position der Spannbacken verändert sich infolge der auf sie wirkenden, ansteigender Fliehkraft (Hauptspindel läuft hoch) und des im Nebenantriebsstrangs vorhandenen Drehflankenspiels anfänglich leicht, ohne dass eine Verstellbewegung eingeleitet wurde. Setzt die aus der Kennlinie Bild 4 ersichtliche Vorgabe der Spannbackenverstellung ein, folgt dieser die Spannbacke ohne merkliche Schwingungen. Während des Reversierbetriebes der Spannbacken (Veränderung des Spannzentrums) wird das Vorhandensein von Drehflankenspiel am kurzzeitigen Verlust des Zahnkontaktes in Bild 6 deutlich. Diese schwingungsauslösenden Getriebekonfigurationen sind für den Antriebsstrang unerwünscht, da sich die Schwingungen insbesondere bei dünnwandigen Werkstücken im Bearbeitungsergebnis als Wandstärkeschwankungen niederschlagen. Im Rahmen des simulierten virtuellen Prototypen kann dieser Zustand bereits vor der Spannfutterproduktion aufgezeigt und korrigiert werden.

Ein Werkzeug für den gesamten Entwicklungsprozess von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt

Durch die Systemsimulation können die Emag-Ingenieure bereits während der Konstruktionsphase wichtige Erkenntnisse zum dynamischen Verhalten der Antriebsstränge gewinnen und ein Gefühl für die Getriebestruktur entwickeln. Wesentliche Erkenntnisse der durchgeführten Simulationen sind:

• Finden Beschleunigungseinprägungen in das Getriebesystem statt, bedingt die Verkopplung der URG gegenseitige Beeinflussungen. Die Beeinflussung der Drehzahl des Hauptantriebes wird mit zunehmender Anzahl an Nebenantriebsachsen (3- oder 6-Backenfutter) deutlicher und für das gesamtkinematische Systemverhalten nachteiliger. Die Drehzahlreglereinstellungen (P-Verstärkung) des Hauptantriebsstranges können bereits während der Simulationsphase ausgelegt werden.

• Nach Erreichen der Vorspannung im Getriebesystem, wird die Haftreibung in der Gleitführung der Spannbacken überwunden. Der Übergang von Haft- in Gleitreibung zieht ein Stick-Slip-Verhalten nach sich, das seinerseits Ursache von Lageschwingungen der Spannbacken ist.

• Je stärker die Rückwirkungen der auf die Spannbacken wirkenden Lasten auf den Nebenantriebsstrang sind, z.B. durch Bearbeitungs- und Fliehkräfte, umso geringer treten die Wirkungen der Drehflankenspiele in Erscheinung.

Risikomanagement – Konstruktionen bewerten, zielgerichtet dimensionieren, korrekte Funktion absichern

Mit Hilfe von Simulation X ist es den Emag-Ingenieuren möglich, das Getriebesystem elektrisch betätigter Spannfutter erfolgreich zu modellieren und zu simulieren. Da sie die auftretenden Belastungen einzelner Bauteile und Baugruppen kennen, können sie zielgerichteter konstruieren, besser einschätzen, welche Anforderungen einzelne Komponenten erfüllen müssen, konstruktive Alternativen bewerten und genauer dimensionieren. So erhält der Konstrukteur das gewünschte übersichtliche und nachvollziehbare Abbild eines gekoppelten URGs zur Einleitung einer relativen Rotation in ein rotierendes System. Durch Simulation wurden folgende Sachverhalte erfolgreich überprüft:

• Bestätigung der Getriebekinematik (Übertragungsfunktion),

• die Wirkung der Drehflankenspiele im Reversierbetrieb, der Steifigkeiten von Verzahnungen und Wellen,

• die Rückkopplung der auf die Spannbacken wirkenden Kräfte auf Neben- und Hauptantriebsstrang und damit verbundene Drehzahlschwankungen der Hauptspindel

. (mz)

* Dipl.-Ing. (FH) Tino Freigang Leiter Entwicklung, EMAG Leipzig Maschinenfabrik GmbH, Leipzig

* Michael Martin Account Manager Automotive & Industrial Machinery ITI GmbH, Dresden

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