C03: Strukturintegrierte Messtechnik

Systemansatz zur Bestimmung thermo-elastischer Verformungen durch die direkte Messung lokaler Verlagerungen unter Einsatz strukturintegrierter Sensorik

Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher: Fraunhofer IPT Aachen

Das übergeordnete Ziel des Teilprojekts C03 ist die direkte messtechnische Erfassung thermo-elastischer Verformungen in der Grundstruktur einer dreiachsigen Werkzeugmaschine während der Bauteilbearbeitung durch ein integriertes Sensorsystem sowie die Berechnung von Korrekturdaten für den Tool-Center-Point (TCP) auf Basis der erfassten Messwerte. Die Ergebnisse sollen dabei in den Kontext des Gesamtansatzes zur Verlagerungskorrektur gestellt werden und die im Projektbereich B erarbeiteten Methoden ergänzen und optimieren. Die Grundstruktur der Maschine wird hierbei durch das Maschinenbett sowie die Achsschlitten dargestellt und im Rahmen des Teilprojekts als experimentelles Maschinensystem aufgebaut. Die Ermittlung der Korrekturdaten für den TCP basiert auf der messtechnischen Erfassung von Verlagerungen an einzelnen Messpunkten innerhalb der Maschinenstruktur und der Auswertung dieser Messdaten unter Verwendung eines spezifischen Maschinenmodells. Durch die systematische Integration einer Vielzahl von einzelnen kapazitiven und laser-interferometrischen Applikationen zur präzisen Wegmessung werden die thermo-elastischen Verlagerungen der lokalen Strukturpunkte erfasst. Das entwickelte Sensorsystem wird zunächst im Maschinenbett und später auch in den Achsschlitten integriert werden. Durch die gekapselte Integration der Messtechnik in das Maschinenbett und die Achssysteme wird eine Aufnahme von thermo-elastischen Verlagerungen parallel zum Bearbeitungsprozess ermöglicht. Mit einem geometrisch-kinematischen Maschinenmodell werden sowohl die Geometrie und Kinematik des betrachteten Maschinensystems als auch die Lage und Orientierung der Messsysteme innerhalb des Maschinensystems abgebildet. Die Geometrie beschreibt hierbei im wesentlichen die geometrischen Abmessungen der Einzelkomponenten sowie die Lage dieser Komponenten zueinander. Die Kinematik bildet die Bewegungsfreiheitsgrade der Maschinenkomponenten – insbesondere der Achssysteme – ab. Unter Einsatz dieses Modells werden die gemessenen Einzelverlagerungen in eine auf den TCP bezogene Gesamtverlagerung umgerechnet. Das abschließende Ziel ist diese Gesamtverlagerung steuerungstechnisch über die CNC Maschinensteuerung zu korrigieren. Hierzu wird die messtechnisch erfasset TCP Verlagerung in steuerungskompatible Korrekturdaten transformiert. Diese Daten werden dann innerhalb der Steuerung kontinuierlich als Korrekturdaten mit den aus dem CNC Programm generierten Fahrbefehlen verrechnet.
In einer Entwurfsphase wird das Maschinensysteme sowie das Sensorsystem konzipiert und entwickelt. Hierzu werden insbesondere thermische Verformungssimulationen durchgeführt, um das Verformungsverhalten zu charakterisieren und die optimale Position der einzelnen Sensoren zu bestimmen. Im Anschluss wird ein geometrisch-kinematische Modell entwickelt und das experimentelle Maschinensystem aufgebaut. Im Rahmen einer ausführlichen Untersuchungsphase werden Zusammenhänge zwischen Temperatur, Einzel-Verformungen/ Verlagerungen der Messpunkte und TCP-Verlagerung identifiziert. Abschließend sollen Korrekturdaten für die CNC Steuerung durch systematische Aufbereitung der Verlagerungsmesswerte abgeleitet werden.