Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2007.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2007.

Zugl.: Darmstadt, Techn. Universiẗat, Diss., 2008.

Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2007

Techn. Hochsch., Diss., 2006--Aachen.

Steigende Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen sind nicht mehr allein durch die Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens zu erfüllen. Die Simulation des thermischen Verhaltens kann bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung entscheidende Hinweise zur Gestaltung des Maschinenentwurfes geben. Die Arbeit beschreibt die Methodik und Umsetzung eines Simulationswerkzeuges aufbauend auf Programmen der Finite-Elemente-Analyse. Neben der Modellierung von Antriebs- und Gestellkomponenten wird auf deren Kopplung eingegangen. Thermische Lasten durch Hauptantrieb, Nebenantrieb und Zerspanungsprozess werden dargestellt. Mit der Berücksichtigung konvektiver Randbedingungen als funktionaler Zusammenhang wird die Genauigkeit der Simulation gesteigert. Möglichkeiten zur Abbildung von Aufstellbedingungen und Temperaturschwankungen der Umgebung werden aufgezeigt. Hinweise zur Einbindung von thermischen Kompensationsmaßnahmen runden das Konzept ab. Anhand eines Demonstrators werden der theoretische und praktische Nachweis der Funktionsfähigkeit erbracht. / Simulation of the thermal behavior of cutting machine tools during the conceptual stage Greater demands in the accuracy of machine tools can no longer be achieved by improved static and dynamic functions alone. The simulation of thermal behavior can provide essential information for the machine’s design concept at the earliest stages of product development. This thesis describes methodology and implementation of a simulation tool, based on software utilizing finite element analysis. In addition to the modeling of drives and base components, the work focuses on coupling different sub-components. Heat sources of the main drive, feed drives and cutting process are described. Greater accuracy is obtained by the implementation of convection as a functional process in the simulation. Methods of implementing working area conditions and temperature deviations in the environment are illustrated. Finally, steps for incorporation of a thermal compensation mechanism are included to complete the concept. The workflow applied to a demonstration structure validates the theoretical background and demonstrates the functionality of the thesis. / Моделирование температурных характеристик металлорежущих станков на этапе разработки В настоящее время растущие требования к точности металлорежущих станков обеспечиваются не только улучшением их статических и динамических параметров. Моделирование температурных характеристик на ранних стадиях проектирования может задать определяющее направление для всего процесса разработки и производства металлорежущего станка. Данная работа описывает методику и реализацию средств симуляции, основанных на программе анализа конечных элементов. Кроме моделирования звеньев привода и неподвижных звеньев станка на них также наложены связи. Показаны температурные воздействия от главного и вспомогательного приводов, а также непосредственно от самого процесса резания. Введение учета конвекционных граничных условий как функциональной связи улучшает точность моделирования. Представлены способы для отображения начальных условий и температурных изменений среды. Концепцию завершают указания для учета термокомпенсаций. Изложены доказательства теоретической и практической применимости.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

Zugl.: Karlsruhe, Universiẗat, Diss., 2009.

Steigende Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen sind nicht mehr allein durch die Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens zu erfüllen. Die Simulation des thermischen Verhaltens kann bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung entscheidende Hinweise zur Gestaltung des Maschinenentwurfes geben. Die Arbeit beschreibt die Methodik und Umsetzung eines Simulationswerkzeuges aufbauend auf Programmen der Finite-Elemente-Analyse. Neben der Modellierung von Antriebs- und Gestellkomponenten wird auf deren Kopplung eingegangen. Thermische Lasten durch Hauptantrieb, Nebenantrieb und Zerspanungsprozess werden dargestellt. Mit der Berücksichtigung konvektiver Randbedingungen als funktionaler Zusammenhang wird die Genauigkeit der Simulation gesteigert. Möglichkeiten zur Abbildung von Aufstellbedingungen und Temperaturschwankungen der Umgebung werden aufgezeigt. Hinweise zur Einbindung von thermischen Kompensationsmaßnahmen runden das Konzept ab. Anhand eines Demonstrators werden der theoretische und praktische Nachweis der Funktionsfähigkeit erbracht. / Simulation of the thermal behavior of cutting machine tools during the conceptual stage Greater demands in the accuracy of machine tools can no longer be achieved by improved static and dynamic functions alone. The simulation of thermal behavior can provide essential information for the machine’s design concept at the earliest stages of product development. This thesis describes methodology and implementation of a simulation tool, based on software utilizing finite element analysis. In addition to the modeling of drives and base components, the work focuses on coupling different sub-components. Heat sources of the main drive, feed drives and cutting process are described. Greater accuracy is obtained by the implementation of convection as a functional process in the simulation. Methods of implementing working area conditions and temperature deviations in the environment are illustrated. Finally, steps for incorporation of a thermal compensation mechanism are included to complete the concept. The workflow applied to a demonstration structure validates the theoretical background and demonstrates the functionality of the thesis. / Моделирование температурных характеристик металлорежущих станков на этапе разработки В настоящее время растущие требования к точности металлорежущих станков обеспечиваются не только улучшением их статических и динамических параметров. Моделирование температурных характеристик на ранних стадиях проектирования может задать определяющее направление для всего процесса разработки и производства металлорежущего станка. Данная работа описывает методику и реализацию средств симуляции, основанных на программе анализа конечных элементов. Кроме моделирования звеньев привода и неподвижных звеньев станка на них также наложены связи. Показаны температурные воздействия от главного и вспомогательного приводов, а также непосредственно от самого процесса резания. Введение учета конвекционных граничных условий как функциональной связи улучшает точность моделирования. Представлены способы для отображения начальных условий и температурных изменений среды. Концепцию завершают указания для учета термокомпенсаций. Изложены доказательства теоретической и практической применимости.

Spanende Werkzeugmaschinen stellen einen zentralen Faktor in der Produktion technischer Güter dar. Sie haben einen erheblichen Anteil am industriellen Ener-gieverbrauch und fanden somit Aufnahme in die ErP-Richtlinie 2009/125/EG für energiegetriebene Produkte (Ökodesign-Richtlinie). Ähnlich Gebäuden, Konsum-gütern und Elektromotoren müssen Werkzeugmaschinen nachweislich energieef-fizienter werden. Obwohl die Energieeffizienz von Werkzeugmaschinen und de-ren Vergleichbarkeit seit langem Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen ist, konnten noch keine geeigneten Methoden zur energetischen Klassifizierung gefunden werden, die ein Energielabel ermöglichen. Zentrale Herausforderun-gen liegen vor allem im Fehlen geeigneter Bezugsgrößen, der Fülle potenzieller Einflussgrößen und der Vielfalt der Anwendungsfälle. Deshalb werden zunächst etablierte Klassifizierungsmethoden anderer Produktgruppen auf deren Über-tragbarkeit analysiert. Der daraus abgeleitete modulare Lösungsansatz umfasst neben einer detaillierten Vorgehensweise die empirisch-statistischen Methoden zur Normierung signifikanter Einflussgrößen auf einen Kennwert. Am Beispiel eines prozessunabhängigen Energieeffizienzindikators wird die Klassifizie-rungsmethode angewendet und diskutiert. Der so klassifizierte Kennwert fließt als Modul in zwei Label-Entwürfe ein.:1 Einleitung und gesellschaftliche Einordnung 23 1.1 Motivation 23 1.2 Relevanz 25 1.3 Wirkungsbetrachtung 30 2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 35 2.1 Zielsetzung 35 2.2 Aufbau der Arbeit 36 3 Analyse bestehender Ansätze und Rahmenbedingungen 39 3.1 Normen und rechtlicher Rahmen 39 3.2 Ausgeführte Energielabel 43 3.3 Methoden zum energetischen Vergleich spanender Werkzeugmaschinen 55 3.4 Energetische Kennwerte als mögliche Bezugsgröße 66 3.5 Kennwertermittlung 81 3.6 Zwischenfazit zu bestehenden Ansätzen und Rahmenbedingungen 90 4 Ansatz zur energetischen Klassifizierung 93 4.1 Methode zur energetischen Klassifizierung 93 4.2 Vorgehen zur Kennwertermittlung und Klassifizierung 96 4.3 Analyse von Einflussgrößen und Randbedingungen zur Kennwertbildung 96 4.4 Konzeption der Klassifizierungsmodule 118 4.5 Zwischenfazit zum entwickelten Ansatz zur energetischen Klassifizierung 121 5 Anwendung der Kennwertermittlung und Klassifizierung 123 5.1 Schritt 1: Maschinenklasse festlegen 123 5.2 Schritt 2: Bilanzgrenzen definieren 124 5.3 Schritt 3: Bezugsgröße bestimmen 124 5.4 Schritt 4: Potenzielle Einflussparameter auswählen 127 5.5 Schritt 5: Bezugsgröße und Einflussparameter messen bzw. erfassen 130 5.6 Schritt 6: Datensatz empirisch-statistisch analysieren 132 5.7 Schritt 7: Maschinen energetisch klassifizieren 141 5.8 Zwischenfazit zum ermittelten Kennwert für die prozessunabhängige Klassifizierung 145 6 Label-Entwurf 151 6.1 Auswahl der Beispielparameter 151 6.2 Label-Typ „Hexagon“ 153 6.3 Label-Typ „Piktogramm“ 154 6.4 Wirkung der Klassifizierungsmodule 155 7 Diskussion 157 7.1 Übertragbarkeit auf andere Maschinenklassen 157 7.2 Erfüllung der Anforderungen an ein Energielabel für Werkzeugmaschinen 157 8 Zusammenfassung 161 9 Ausblick 163 10 Literaturverzeichnis 165 A Anhang 189 A 1 Umwelt- und Verbrauchskennzeichnung nach ISO 14020 189 A 2 Ökodesign nach DIN 50598 191 A 3 Einflussgrößen und deren Auswirkungen auf die Schnittkraft 194 A 4 Liste der untersuchten Maschinen 196 A 5 Energetische Testwerkstücke und Messergebnisse 197 A 6 Scatterplott-Matrix aller Parameter 203 A 7 Begriffsdefinition für Anforderungen an ein Energielabel für Werkzeugmaschinen 204 A 8 Historische Entwicklung 205 / Cutting Machine tools are playing an important role in the production of technical goods. Their energy consumption is significant in the industrial sector and so they were included in the European directive 2009/125/EC for energy-related products (ecodesign requirements). As buildings, consumer goods, and electric engines, machine tools must become verifiable more efficient. As the energy efficiency of machine tools and their comparison are research topics since a long time, no suitable methods for classification were found to facilitate an energy label. Cen-tral challenges are the lack of appropriated reference values as well as the large amount of impact values and use cases. Therefore, this work initially analyses established classification methods of other product groups and their applicability. The derived modular approach consists of a detailed procedure as well as statisti-cal methods for the normalization of significant impact parameters to one charac-teristic value. The classification method is applied and discussed exemplarily to a process-independent energy efficiency indicator. This classified value becomes one module in two drafts for an energy label.:1 Einleitung und gesellschaftliche Einordnung 23 1.1 Motivation 23 1.2 Relevanz 25 1.3 Wirkungsbetrachtung 30 2 Zielsetzung und Aufbau der Arbeit 35 2.1 Zielsetzung 35 2.2 Aufbau der Arbeit 36 3 Analyse bestehender Ansätze und Rahmenbedingungen 39 3.1 Normen und rechtlicher Rahmen 39 3.2 Ausgeführte Energielabel 43 3.3 Methoden zum energetischen Vergleich spanender Werkzeugmaschinen 55 3.4 Energetische Kennwerte als mögliche Bezugsgröße 66 3.5 Kennwertermittlung 81 3.6 Zwischenfazit zu bestehenden Ansätzen und Rahmenbedingungen 90 4 Ansatz zur energetischen Klassifizierung 93 4.1 Methode zur energetischen Klassifizierung 93 4.2 Vorgehen zur Kennwertermittlung und Klassifizierung 96 4.3 Analyse von Einflussgrößen und Randbedingungen zur Kennwertbildung 96 4.4 Konzeption der Klassifizierungsmodule 118 4.5 Zwischenfazit zum entwickelten Ansatz zur energetischen Klassifizierung 121 5 Anwendung der Kennwertermittlung und Klassifizierung 123 5.1 Schritt 1: Maschinenklasse festlegen 123 5.2 Schritt 2: Bilanzgrenzen definieren 124 5.3 Schritt 3: Bezugsgröße bestimmen 124 5.4 Schritt 4: Potenzielle Einflussparameter auswählen 127 5.5 Schritt 5: Bezugsgröße und Einflussparameter messen bzw. erfassen 130 5.6 Schritt 6: Datensatz empirisch-statistisch analysieren 132 5.7 Schritt 7: Maschinen energetisch klassifizieren 141 5.8 Zwischenfazit zum ermittelten Kennwert für die prozessunabhängige Klassifizierung 145 6 Label-Entwurf 151 6.1 Auswahl der Beispielparameter 151 6.2 Label-Typ „Hexagon“ 153 6.3 Label-Typ „Piktogramm“ 154 6.4 Wirkung der Klassifizierungsmodule 155 7 Diskussion 157 7.1 Übertragbarkeit auf andere Maschinenklassen 157 7.2 Erfüllung der Anforderungen an ein Energielabel für Werkzeugmaschinen 157 8 Zusammenfassung 161 9 Ausblick 163 10 Literaturverzeichnis 165 A Anhang 189 A 1 Umwelt- und Verbrauchskennzeichnung nach ISO 14020 189 A 2 Ökodesign nach DIN 50598 191 A 3 Einflussgrößen und deren Auswirkungen auf die Schnittkraft 194 A 4 Liste der untersuchten Maschinen 196 A 5 Energetische Testwerkstücke und Messergebnisse 197 A 6 Scatterplott-Matrix aller Parameter 203 A 7 Begriffsdefinition für Anforderungen an ein Energielabel für Werkzeugmaschinen 204 A 8 Historische Entwicklung 205