Substructuring methods for efficient prediction of spindle-holder-tool assembly dynamics

Chavan, Prateek Satish; Brecher, Christian; Schröder, Kai-Uwe

doi:42365

Substructuring methods for efficient prediction of spindle-holder-tool assembly dynamics = Substrukturierungsmethoden zur effizienten Prognose der Spindel-Halter-Werkzeug-Dynamik

Chavan, Prateek Satish^RWTH*

2023

VerantwortlichkeitsangabePrateek Chavan

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2023

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-98555-160-6

ReiheErgebnisse aus der Produktionstechnik ; 2023,18

Dissertation, RWTH Aachen University, 2023

Druckausgabe: 2023. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University. - Weitere Reihe: Werkzeugmaschinen. - Weitere Reihe: Edition Wissenschaft Apprimus

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Brecher, Christian (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Kai-Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-03-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-05756
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/959651/files/959651.pdf

Einrichtungen

Projekte

DFG project 245846105 - Experimentelle Substrukturkopplung zur Schwingungsanalyse an Werkzeugmaschinen (245846105) (245846105)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
dynamics (frei) ; force prediction (frei) ; joint identification (frei) ; substructuring (frei) ; tool coupling (frei) ; uncertainty (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertationsschrift stellt effiziente experimentelle und analytische Substrukturierungsmethoden für die zuverlässige Vorhersage der Dynamik von Spindel-Halter-Werkzeug-Baugruppen bereit. Konkret werden der Nachgiebigkeitsfrequenzgänge (engl.: Frequency Response Functions, FRFs) an der Werkzeugspitze sowie Übertragungsfunktionen zwischen Werkzeugspitze und spindelintegrierten Verlagerungssensoren (engl.: Spindle Integrated Displacement Sensors, SIDS) prognostiziert. Dabei wird die Halter-Werkzeug-Baugruppe analytisch modelliert, während die Spindel-Substruktur experimentell abgebildet wird. Die effiziente Vor-hersage der Spindel-Halter-Werkzeug-Dynamik bildet die Grundlage für eine Vielzahl an Berechnungen wie die Vorhersage des Stabilitätsverhaltens, der Prozess-kräfte sowie der virtuellen Oberflächenqualität. Zur Erzielung qualitativ hochwertiger experimenteller Response-Modelle werden drei zentrale Aspekte erforscht. Als Erstes werden Strategien zur Messung von translatorischen Nachgiebigkeiten systematisch verglichen und methodisch bewertet. Zweitens werden zwei neue Methoden zur Identifikation von rotatorischen Nachgiebigkeiten erarbeitet, die auf einer modalen Umrechnung und auf Rotationsbeschleunigungsmessungen basieren. Drittens wird eine Mess- und Auswertungsmethode zur Ermittlung der Matrix der Werkzeugschnittstelle-SIDS-Übertragungsfunktion unter Berücksichtigung von Messunsicherheiten vorgestellt und validiert. Dies ist für die Vorhersage der Werkzeugspitze-SIDS-Übertragungsfunktion mit entsprechenden Konfidenzintervallen erforderlich. Eine wesentliche Herausforderung bei der analytischen Response-Modellierung von Halter-Werkzeug-Baugruppen besteht darin, dass bestimmte Eigenschaften (z. B. Fügestellenparameter) a priori praktisch nicht modelliert werden können und somit zusätzliche Referenzmessungen für ihre Parametrisierung erfordern. In dieser Arbeit werden solche Referenzmessungen in Form von FRFs nicht am eingebauten Werk-zeug, sondern offline im frei eingespannten Zustand gemessen. Der erarbeitete und validierte Ansatz des Modelabgleichs mit erweitertem Werkzeug ermöglicht eine präzise Identifikation der a priori unbekannten Eigenschaften im nicht-eingebauten Zustand. Darüber hinaus werden Ansätze für die genaue Modellierung verschiedener Haltermerkmale wie Wuchtbohrungen, eine Kegelgeometrie sowie eingespannte Werkzeugsegmente entwickelt, analysiert und systematisch validiert. Ein bedeutender Beitrag dieser Arbeit ist die Darstellung des Nutzens der vorhergesagten Werkzeug- und Werkzeug-SIDS-FRFs zur Ermittlung der Prozesskräfte und der virtuellen Werkstückqualität. In diesem Zusammenhang wird die praktische Integration der entwickelten Substrukturierungsmethoden in bestehenden Ansätzen zur Ermittlung der virtuellen Qualität vorgestellt und erfolgreich validiert.

This thesis provides a framework of efficient experimental and analytical substructuring methods for the reliable prediction of spindle-holder-tool assembly dynamics. Specifically, this implies the prediction of the tool tip Frequency Response Functions (FRFs) as well as the tool tip-Spindle Integrated Displacement Sensors (SIDS) transfer functions for a main spindle equipped with contactless displacement sensors. Here, the holder-tool assembly is modelled analytically whereas the spindle substructure is modelled experimentally. The knowledge of the spindle-holder-tool assembly dynamics is indispensable for a variety of applications such as prediction of stability behavior, process forces, tool deflection during cutting as well as virtual surface quality. For achieving high-quality experimental response models, three important aspects are researched. Firstly, strategies for measurement of displacement-to-force compliances are systematically compared and assessed. Secondly, two new methods for the identification of rotational compliances are proposed based on a modal parameter approach and commercially available rotational accelerometers. Thirdly, an experimental method for obtaining the interface flange-SIDS transfer function matrix and corresponding measurement uncertainty is developed and validated. This is required for prediction the tool tip-SIDS transfer function along with propagated un-certainty bounds. A significant challenge in the analytical response modelling of holder-tool assemblies is that certain features like joint parameters cannot practically be modeled a priori and require additional reference measurements for their parametrization. Instead of using FRFs of the tool clamped in the machine spindle, this thesis utilizes the measurement of reference FRFs in an offline, freely constrained state of the tool assembly. A precise feature parameterization is made possible by the developed extended tool model updating approach. Using this approach, a priori unknown parameters like joint stiffness and effective diameter of the fluted segment are reliably parameterized and validated for several different holder-tool assemblies in a completely offline manner. Furthermore, methods for the accurate beam modelling of various holder features such as balancing holes, tapered segment and holder-inserted tool segment were developed, analyzed and systematically validated. Another valuable contribution of this thesis is demonstrating the utility of the predict-ed tool tip and tool tip-SIDS FRFs for estimating process forces and virtual work-piece quality. In this regard, the practical integration of the developed substructuring methods with an existing virtual quality framework is presented and successfully implemented to estimate process forces and workpiece quality for different milling operations and tool assemblies.

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