Direkte Korrektur thermo-elastischer Verlagerungen

Steckbrief

Eckdaten

Laufzeit:
01.01.2020 bis 31.12.2021
Organisationseinheit:
Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen, Maschinendatenanalyse und NC-Technik
Fördergeber:
Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG
Status:
Laufend

Kontakt

Name

Marcel Fey

Oberingenieur

Telephone

work Phone
+49 241 80 27409

E-Mail

 

In Anlehnung an die VDI/DGQ 3441 sind Fertigungsgenauigkeit, Arbeitsgenauigkeit und geometrische Genauigkeit für die Gesamtheit der Werkzeugmaschinen (WZM) von Belang. Die geometrische Genauigkeit der WZM ist die Genauigkeit, mit der eine beliebig vorgewählte Position im Arbeitsraum angefahren werden kann. Sie hängt wiederum von den Lageabweichungen der einzelnen Achsen zueinander sowie von der geometrischen Genauigkeit der Achsen selbst ab. Die kartesischen Abweichungen des Tool Center Points (TCP) von der Sollposition können mittels der in der ISO 230-1 definierten Fehlerparameter und einem Modell der kinematischen Kette eindeutig beschrieben werden.

Zur Erhöhung der geometrischen Genauigkeit von WZM wird ihre Geometrie nach der Inbetriebnahme eingemessen und steuerungstechnisch kompensiert. Die eingemessenen geometrischen Fehler der WZM werden im Betrieb aber durch statische, dynamische und instationäre thermo-elastische Fehler überlagert. Die thermo-elastischen Fehler können dabei bis zu 75% des Gesamtfehlers ausmachen. Sie stehen im Fokus des hier skizzierten Vorhabens.
Neben maschineninternen Einflüssen wirken gleichzeitig thermische Umgebungseinflüsse auf die Maschine und bewirken eine Wärmeeinbringung in die Struktur. Die induzierten Wärmeströme führen zu einer ungleichmäßigen und instationären Temperaturverteilung. Ihre Ausprägung ist abhängig von den thermo-elastischen Materialeigenschaften wie Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit, der Massenverteilung sowie der Lage der Wärmequellen. Zusammen mit den wirksamen Dehnlängen und deren Ausdehnungskoeffizienten, der Bauteil-struktur, der Lage der Bauteile zueinander sowie der Art und Anbringung des Positionsmesssystems resultieren aus diesem Temperaturfeld Verlagerungen und Neigungen der Maschinenstruktur. Dies resultiert letztendlich in einer Abweichung des Bearbeitungspunktes von seiner Sollposition. Die resultierenden Verlagerungen am TCP sind somit in der Regel hochgradig poseabhängig.

Verändert sich der thermische Zustand der Maschine nach dem Einmessen stark, können die Fehler anwachsen, was zu einer Abweichung des TCP von der Sollposition führt. In der Folge sinkt die Bauteilqualität. Abhilfe kann eine prozessaktuelle Erfassung der geometrischen Fehler schaffen. Gemessene Maschinenfehler sind im Kontext dieses Antrags prozessaktuell, wenn sie vor wenigen Minuten vor dem Fertigschnitt vermessen wurden.
Nach dem aktuellen Stand der Technik in Forschung und Industrie existiert keine Messmethodik, die den geometrischen Zustand kleiner und mittlerer WZM prozessaktuell erfassen kann. Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist daher die Validierung einer Messmethodik zur prozessaktuellen Abbildung der Veränderung der geometrischen Genauigkeit in kleinen bis mittleren Bearbeitungszentren. Darauf aufbauend soll im Rahmen des Projekts eine Methode zur direkten Korrektur der auftretenden Verlagerungen am TCP validiert werden.