Erhöhung der Prozessstabilität durch aktive Dämpfung von Frässpindeln mittels elektromagnetischer Aktoren

Das Auftreten von Ratterschwingungen stellt eine wesentliche Leistungsbeschränkung bei der Fräsbearbeitung dar. Existierende Werkzeugmaschinen und Frässpindeln sind bezüglich der Steifigkeit so weit optimiert, dass eine nennenswerte Verbesserung der Prozessstabilität nur durch erhöhte Dämpfung oder aktive Schwingungsregelung möglich ist. Durch die Erweiterung einer wälzgelagerten HPC-Motorspindel um einen radial wirkenden elektromagnetischen Aktor in Form eines aktiven Magnetlagers besteht die Möglichkeit, aktiv Dämpfung in das System einzubringen. Im Rahmen dieser Arbeit ist es auf diese Weise gelungen, die kritische Schnitttiefe zu erhöhen und das Zeitspanvolumen zu steigern. Mit der robusten Regelung und den Verfahren zur gesteuerten Adaption werden Werkzeuge vorgestellt, die einen systematischen Entwurf einer geeigneten Regelung ermöglichen. Mittels modellbasierter Untersuchungen wird gezeigt, dass bei richtiger axialer Positionierung des Aktors die an den Ratterschwingungen beteiligten Eigenmoden der Spindel beeinflusst werden können und dass durch aktive Dämpfung die Prozessstabilität erhöht werden kann. Dies ist bei beiden im Rahmen dieser Arbeit betrachteten Spindeln trotz der begrenzten Bandbreite des elektromagnetischen Aktors möglich. Zur aktiven Dämpfung der Spindel werden drei Regelungsverfahren betrachtet: ein manueller Reglerentwurf, die optimale Regelung und die robuste Regelung mittels µ-Synthese. Zusätzlich ist die Anwendung adaptiver Verfahren notwendig, um der drehzahlabhängigen Steifigkeit der eingesetzten Schrägkugellager Rechnung zu tragen. Hierfür werden mehrere Ansätze vorgestellt, angepaßt und verglichen. Zur Berücksichtigung der Stellgrößenbegrenzung des Aktors wird eine adaptive, frequenzselektive Filterung der Messsignale eingesetzt. Diese bewirkt, dass die Prozesskräfte nicht durch den Aktor, sondern durch die Wälzlager aufgenommen werden.