Karriere am WZL

 

Masterarbeit oder Bachelorarbeit oder stud. Hilfskraft

am Forschungsbereich Technologie der Fertigungsverfahren, Abteilung Zerspantechnologie, Gruppe Produkt- und Prozessüberwachung
 

Forschungsthema: Modellprädiktive Kraftregelung beim Fräsen

Das Fräsen ist einer der flexibelsten Fertigungsprozesse zur Metallverarbeitung. Damit können komplexe Freiformflächen, wie sie bspw. im Flugzeug- und Automobilbau vorkommen, hergestellt werden. Die Prozesskraft ist beim Fräsen von zentraler Bedeutung. Sie beeinflusst die Qualität und über den Vorschub insbesondere die Produktivität.

Durch die komplexe Geometrie und die dadurch wechselnden Eingriffsbedingungen des Fräsers, ändert sich die Prozesskraft sehr schnell. Der Fertigungsprozess wird deshalb in der Regel sehr konservativ ausgelegt, um den Bruch eines Werkzeugs zu verhindern. Dadurch wird die Produktivität eines Werkzeugs nicht optimal ausgenutzt. Eine Offline-Optimierung der Parameter ist möglich, kann jedoch keinen Werkzeugverschleiß oder Chargenbedingte Schwankungen der Materialeigenschaften berücksichtigen.

Seit den 1980er Jahren werden zunehmend Regelungen der Prozesskraft für das Fräsen untersucht. Die schnell wechselnden Eingriffsbedingungen (und dadurch die sich schnell ändernde Kraft) stellt das Regelungssystem vor große Herausforderungen. Mit konventionellen Regelungssystemen ist eine konstante Prozesskraft nicht zu erreichen. Daher werden am WZL fortschrittliche Prozessregelungen für das Fräsen untersucht: Modellprädiktive Regelung.

Die Idee einer Modellprädiktiven Regelung (MPC) ist es, mit einem Prozessmodell kurzzeitig in die Zukunft zu schauen und so die Regelgröße (Kraft) frühzeitig anzupassen. Dafür wird mit Hilfe einer Durchdringungsrechnung die zu erwartenden Eingriffsgrößen simuliert. Identifiziert man nun während der Fertigung ein Prozesskraftmodell, so kann – in Kombination mit den Eingriffsgrößen – die zukünftige Kraft geschätzt werden. Da das Modell alle drei Fräserumdrehungen neu aufgebaut wird, werden Störungen wie Verschleiß implizit berücksichtigt. Mit dem System kann eine konstant hohe Prozesskraft erreicht werden, ohne die Belastungsgrenze des Werkzeugs zu überschreiten.


 
Themenfelder:

Kraftschätzung
Die Kraftmessung ist Voraussetzung für eine Anpassung des Kraftmodells. Die zurzeit eingesetzte Kraftmessplattform verlangt hohe Investitionskosten, begrenzt den Bauraum und limitiert die Anzahl der eingesetzten Achsen. Daher soll anhand von anderen Sensorsignalen indirekt auf die Prozesskraft geschlossen werden. Hierfür kann beispielsweise ein Regelkreisbeobachter oder Ansätze aus dem Machine Learning verwendet werden. Dabei müssen auch die Reibkräfte der Achsen modelliert und identifiziert werden.

Empirische Kraftmodellierung
Mechanistische Modelle benutzen analytische Ansatzfunktionen und werden durch empirisch ermittelte Koeffizienten an die Werkzeug-Werkstoff-Paarung angepasst. Leider beeinflussen die vorliegenden Eingriffsbedingungen die Koeffizienten z.T. erheblich. Das Modell ist der wichtigste Bestandteil der MPC zur Kraftregelung beim Fräsen. Für eine Online-Identifikation des Kraftmodells nach Kienzle wird momentan ein Curve Fitting durchgeführt. Ziel ist es auch andere Modelle hinsichtlich ihrer Genauigkeit und ihrer Laufzeit zu untersuchen. Dabei können analytische Modelle aber auch rein empirische Modelle (NN, SVM, …) eingesetzt werden, um eine kontinuierliche Identifikation zu ermöglichen. Auch eine Schätzung mittels Kalman Filter ist denkbar.

Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
Um den Nutzen einer solchen Regelung quantitativ zu belegen, werden Standzeituntersuchungen durchgeführt. Es werden verschiedene Strategien untersucht: Geregelt, ungeregelt, mit offline-Vorschuboptimierung. Anschließend wird die Standzeit, die Werkzeugbelastung, die geometrische Maßhaltigkeit des Bauteils, sowie die Randzone untersucht. Von einer Kostenrechnung bis zur detaillierten Auswertung von Kraftmessschrieben oder Gefügeschliffen ist alles möglich.
 
Voraussetzungen:
Bei den Themen kannst du dich je nach Interesse, Vorkenntnissen und Fähigkeit einbringen. Das Vorgehen und die Auswertungsmethoden stimmst du mit mir ab. Dein im Studium erworbenes Wissen kannst du in der aktuellen Forschung anwenden.

Kleiner Hinweis vorweg: Um Programmieren wirst du bei mir nicht herumkommen – sei es für eine einfache statistische Auswertung oder ein komplexes Programm. Du musst nicht perfekt programmieren können, ich helfe dir dabei es zu lernen. Matlab und LabView sind Hochsprachen, die es dir einfach machen sie zu erlernen. Nur bei einer Hiwi-Bewerbung erwarte ich Kenntnisse (und Interesse) in Matlab.
Zeitaufwand: 0,00 Arbeitsstunden

Ansprechpartner(in):
Max Schwenzer
 
Herwart-Opitz-Haus 53B 314
Tel.: +49 241 80-28021
Fax: +49 241 80-22293
Mail: M.Schwenzer@wzl.rwth-aachen.de