Simulation and Tool Path Optimization for the Hexapod Milling Machine

Du, S.

In einem modernen Produktionsumfeld ist das Mehrachs-Fräsen, gerade im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus, eines der Hauptarbeitsgebiete. Um die Vorteile der Mehrachs-Bearbeitung voll ausschöpfen zu können, werden neue Arten von Parallel-Kinematik-Maschinen (PKM) und neue Bearbeitungstechnologien wie das Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC) genutzt. Allerdings sind wegen der Komplexität des dynamischen Verhaltens der Maschinenachsen die Bearbeitungsgenauigkeit und damit auch die Prozesssicherheit der PKM bei der Benutzung heutiger CAM-Systeme noch nicht zufriedenstellend.

In dieser Arbeit wird eine Hybrid-Simulationsmethode zur Optimierung von Werkzeugbahnen vorgestellt, die die Grenzen der heutigen CAM-Systeme überwindet. Es wurden hauptsächlich zwei unabhängige Simulationen durchgeführt, um die Einflüsse auf die Endproduktqualität zu untersuchen. Zum Einsatz kamen eine Simulation des Maschinenverhaltens und eine Prozesssimulation. Es wird gezeigt, dass die Kinematik, die Dynamik und die Steifheit wichtige Faktoren darstellen, die die PKM-Genauigkeit beeinflussen. Diese Faktoren werden berücksichtigt, um eine präzise Modellierung des PKM-Verhaltens zu erhalten.

Indem die Jacobi-Matrizen für den Manipulator und die Gelenke hergeleitet wurden, konnte eine effiziente rechner-basierte Methode für die inverse und die direkte Dynamik untersucht werden. Es wird gezeigt, dass die dynamische Charakteristik der Gelenke für Fräsanwendungen nicht vernachlässigt werden darf und dass die Fehlerverteilungen im gesamten Arbeitsbereich aufgrund des quasi-statischen Verhaltens stark variieren.

Anschließend wird eine neue Prozesssimulationsmethode entwickelt, die eine analytische Formulierung des Sweep-Profils und die Generierung des topologisch korrekten Sweep-Volumens für Fünfachs-Bewegungen ermöglicht. Mit Hilfe der Theorie der Kinematik des starren Körpers wurden die geschlossenen Lösungen des Sweep-Profils für allgemeine Fräsergeometrien berechnet. Außerdem sind eine Analyse der Lösungen und die Bestimmung der Sonderfälle nötig, um effektiv die numerische Stabilität der abgeleiteten Formulierungen zu verbessern.

Schließlich wird eine effiziente auf dem Hybrid-Simulationsansatz für PKM basierende Optimierungsmethode vorgestellt. Die Fehlerfortpflanzung für den kombinierten Effekt von thermischer und elastischer Deformation wurde für die weitere Fehlerkompensierung berücksichtigt. Zusätzlich wurde die Glättung der Werkzeugorientierung in Bezug auf die PKM-Dynamik angewandt, welche in dieser Arbeit systematisch erklärt wird.

Veröffentlicht als

Dissertation Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2004, ISBN 3-8027-8726-9