Thermo-elastische Korrektur für 5-Achs-Bearbeitungszentren

Steckbrief

Eckdaten

Laufzeit:
01.11.2018 bis 31.10.2020
Organisationseinheit:
Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Maschinendatenanalyse und NC-Technik
Fördergeber:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen AiF
Status:
Abgeschlossen

Kontakt

Name

Marcel Fey

Oberingenieur

Telephone

work Phone
+49 241 80 27409

E-Mail

 

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer schnellen, volumetrischen Mess- und Modellierungsmethodik zur Charakterisierung des thermo-elastischen Verhaltens von 5¬Achs Werkzeugmaschinen sowie einer entsprechenden Korrekturlösung zur Optimierung dieses Verhaltens.

Werkzeugmaschinen haben eine herausragende Bedeutung für die metallverarbeitende Industrie. Ein wichtiger Faktor für ihr Leistungsvermögen ist die Arbeitsgenauigkeit, welche durch das statische, dynamische und thermo-elastische Maschinenverhalten charakterisiert wird. Der Anteil der thermo-elastischen Fehler zum Gesamtfehler kann dabei bis zu 75% betragen. Diesbezügliche Forschungsfelder sind das Messen, Vorhersagen und Korrigieren dieser Abweichungen. Die Forschung ist auf diesen Gebieten durch die konstant hohe Nachfrage nach hochpräzisen Bauteilen mit komplexen Geometrien und damit einer notwendigen Steigerung der Genauigkeit von 5-Achs Fräsmaschinen getrieben. Nach dem aktuellen Stand der Technik gibt es keine Methode zur Messung in thermischer Echtzeit sowie zur sicheren Bestimmung und Korrektur der wesentlichen thermo-elastischen Fehler von 5-Achsmaschinen. Um diese technische Lücke zu schließen, fokussiert dieses Forschungsvorhaben die Optimierung des thermo-elastischen Verhaltens von 5-Achs-Fräsmaschinen.

Kern von TheKo5 ist hierbei der Ansatz, alle wichtigen thermo-elastischen Abweichungen der Maschine in thermischer Echtzeit zu messen, zu prognostizieren und steuerungstechnisch zu korrigieren, um so eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu erreichen. Die Grundlage für den TheKo5 Ansatz ist die Messung thermo-elastischer Fehler. Hierbei ist eine schnelle und effiziente Messmethode essentiell, da die Maschine bereits im Laufe eines Messvorgangs abkühlt und damit das Messergebnis und die Messgenauigkeit beeinträchtigt. Das Erfassen einer möglichst großen Anzahl von Maschinenfehlern ist ein weiterer wichtiger Faktor, um das thermo-elastische Verhalten der Maschine mit ausreichender Genauigkeit abzubilden. Darüber hinaus ist für die industriellen Anwender eine gute Handhabbarkeit der zugehörigen Messtechnik für die Akzeptanz unerlässlich. Alle Aspekte können durch den R-Test realisiert werden. Hierbei erfolgt die Abweichungsmessung mittels eines berührungslos messenden 3D-Messkopfes und einer Kalibrierkugel. Durch diese Anordnung können die geometrischen Abweichungen während kontinuierlicher 5-Achs-Maschinenbewegungen erfasst werden. In diesem Forschungsprojekt soll der R-Test mittels neuer Messstrategien und mathematischen Lösungsmethoden befähigt werden, alle relevanten thermisch induzierten Abweichungen in möglichst kurzer Zeit zu ermitteln und so korrigierbar zu machen. Da eine solche Messung aus wirtschaftlichen Gründen nur sporadisch möglich ist, soll das Verfahren um eine Modellierungsmethode ergänzt werden, welche in der Lage ist, thermo-elastische Verlagerungen zwischen einzelnen Messungen zu interpolieren bzw. zu prognostizieren. Hierfür bringt das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen seine langjährige Expertise in der Prognose und Korrektur des thermo-elastischen Verhaltens und der Messung des volumetrischen Verhaltens ein. Die Vorhersage des Verhaltens zwischen zwei Messungen erfolgt mittels eines FE-Modells mit einer geringen Anzahl von Freiheitsgraden. Dieses kann auf Basis der kinematischen Kette der Werkzeugmaschine parametriert werden. Zur Steigerung der Maschinengenauigkeit sollen die gemessenen und prognostizierten Abweichungen mit Hilfe der Maschinensteuerung in thermischer Echtzeit korrigiert bzw. kompensiert werden. Da die heutigen Kompensationsfunktionen der Steuerungen nur begrenzte Möglichkeiten zur Modellierung des thermo-elastischen Verhaltens besitzen, soll in TheKo5 neben den Methoden zur thermo-elastischen Charakterisierung und Modellierung auch eine PC basierte modulare Kompensationseinheit zur kontinuierlichen Aktualisierung der Abweichungsdaten in der Maschinensteuerung entwickelt werden.