Werkzeugbau-Forschung Mobile Fräsmaschinen zerspanen durch FEM-Einsatz stets präzise

Ein Gastbeitrag von B. Denkena, D. Brouwer, M. Zimmermann, B. Bergmann und S. Kaiser

Am IFW untersucht man, wie mithilfe von Simulationen und Sensoren die Abdrängungskompensation für mobile Werkzeugmaschinen, die etwa zur Reparatur von schweren Presswerkzeugen dienen, machbar wird.

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Bild 1: Experten am IFW in Hannover und des Unternehmens Picum MT zeigen hier, wie man mobile Werkzeugmaschinen, die etwa zur Reparatur zig Tonnen schwerer Presswerkzeuge dienen, stets auf hohem Präzisionsniveau halten kann. Die Erfolgsfaktoren heißen FEM-Simulation und Sensorik.
Bild 1: Experten am IFW in Hannover und des Unternehmens Picum MT zeigen hier, wie man mobile Werkzeugmaschinen, die etwa zur Reparatur zig Tonnen schwerer Presswerkzeuge dienen, stets auf hohem Präzisionsniveau halten kann. Die Erfolgsfaktoren heißen FEM-Simulation und Sensorik.
(Bild: Picum MT)

Für die Fertigung von Karosserieblechen werden große, bis zu 60 Tonnen schwere und komplexe Presswerkzeuge verwendet. Jedes dieser Werkzeuge muss im Laufe seines Lebenszyklus mehrfach angepasst, optimiert oder verschleißbedingt repariert werden. Die dafür benötigten Werkzeugmaschinen befinden sich meist nicht am Einsatzort der Presswerkzeuge. Hierdurch resultiert ein langer und teurer Transport der Formen zur Maschine. Vor diesem Hintergrund hat die Picum MT GmbH eine mobile Maschine „entwickelt (Bild 1), durch die der Transportaufwand für das Presswerkzeug entfällt. Stattdessen kommt die Maschine zum Presswerkzeug.

Durch die im Fräsprozess wirkenden Kräfte erfährt der Fräser, in Abhängigkeit der Steifigkeit der Maschine, eine Abdrängung von der idealen Bahn. Durch den Einsatz von Simulationssoftware sowie dem Konzept der „fühlenden Maschine“ wird diesem Sachverhalt entgegengewirkt. Dieses Konzept basiert auf der Messung von Prozesskräften mithilfe integrierter Sensorik und der anschließenden, regelungstechnischen Kompensation der Abdrängung. In Zusammenarbeit mit dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover wird im Rahmen des Forschungsprojektes „Mobile Technologieplattform für hybride Prozessketten“ ein solches Konzept zur Genauigkeits- und Qualitätssteigerung umgesetzt.

Die Vision der fühlenden Maschine

Der Einsatz von Dehnungsmesstreifen (DMS) bietet die Möglichkeit, eine Werkzeugmaschine nachträglich mit sensorischen Fähigkeiten auszurüsten. Die zur Kompensation der Abdrängung verwendete Methodik ist in Bild 2 dargestellt. Mithilfe der Finite-Elemente-Simulation (FEM) (Bild 2, links) werden zunächst geeignete Applikationsstellen identifiziert. Die an diesen Stellen applizierten DMS bilden das Sensorarray und detektieren die Prozesskräfte, die zur Abdrängung des Fräsers führen. Der Messverstärker bereitet diese Signale auf und übermittelt sie an die Maschinensteuerung. Hier wird anhand einer Kalibriermatrix die Abdrängung des Tool-Center-Points (TCP) durch einen Kompensationsalgorithmus berechnet und als Offset-Wert in die Berechnung der in diesem Zeitschritt anzufahrenden Position einbezogen (Bild 2, rechts). Über den darauffolgenden Regler der Maschinenachsen wird die Kompensation der Abdrängung durchgeführt.

Bild 2: Von der Simulation in die Maschine. So gelingt die Optimierung mobiler Werkzeugmaschinen mithilfe von FEM-Simulation, Sensorik und adaptierter Regelung.
Bild 2: Von der Simulation in die Maschine. So gelingt die Optimierung mobiler Werkzeugmaschinen mithilfe von FEM-Simulation, Sensorik und adaptierter Regelung.
(Bild: Picum MT)

So findet man die richtigen Sensorpositionen

Damit das FEM-Modell der Maschine für die Identifikation von Applikationsstellen genutzt werden kann (Bild 2, links), muss zunächst ein Abgleich der Eigenschaften und des Verhaltens von FEM-Modell und Maschine durchgeführt werden. Hierdurch wird gewährleistet, dass die theoretisch ermittelten Größen (Dehnung, Abdrängung) mit denen der realen Maschine übereinstimmen. Hierzu wurde das CAD-Modell im ersten Schritt messtechnisch validiert. Anschließend wurde durch die FEM-Simulation der Verlauf der Spannungen und Dehnungen innerhalb der Struktur unter Krafteinwirkung untersucht. Hierfür wurden Simulationen des gesamten Modells mit den maximal zu erwartenden Prozesskräften am TCP durchgeführt. Anschließend wurde die daraus resultierende, maximale Dehnung an den einzelnen Komponenten betrachtet und eine Bewertung hinsichtlich der Applizierbarkeit von DMS durchgeführt. Die Untersuchung ergab, dass die Z-Achse am geeignetsten für die Applikation von DMS ist. Hier treten die höchsten Dehnungen in der Hauptrichtung Z auf. Die Hauptrichtung ist für die Anordnung der Messgitter relevant. Die Messgitter der DMS sollten immer in Hauptrichtung ausgerichtet sein, um so die höchste Sensitivität zu erreichen. Darüber hinaus ist hier genügend Fläche vorhanden, um die DMS und die dazugehörigen Schutzgehäuse zu befestigen. In Bild 3 ist das entsprechende Vorgehen von der Digitalisierung der Maschine über die Untersuchung mithilfe der FEM bis hin zur Applikation der DMS noch einmal dargestellt. Für eine einfachere Vergleichbarkeit der Dehnung wurde diese auf den Wert 1 normiert.

Bild 3: So identifizierte man am IFW die richtigen Applikationsstellen für DMS zur Kraftmessung an der Werkzeugmaschine.
Bild 3: So identifizierte man am IFW die richtigen Applikationsstellen für DMS zur Kraftmessung an der Werkzeugmaschine.
(Bild: IFW)

Applikation von Kraftmesssensoren will überlegt sein

Die in Bild 3 gezeigte, ausgewählte Stelle, bildet den besten Kompromiss aus hoher Dehnung für eine gute Prozesskraftauflösung bei gleichzeitiger Berücksichtigung des zur Verfügung stehenden Bauraums. Sowohl an der Vorder- als auch der Rückseite des Bauteils, wie in Bild 3 links unten zu sehen, wurden DMS-Vollbrücken (N2A-13, ME-Messsysteme) appliziert. Um eine näherungsweise gleiche Positionierung und somit ein gleichwertiges Signal der DMS zu gewährleisten, wurde eine Montagehilfe eingesetzt, die per rapid Prototyping erzeugt wurde.

Evaluation des Konzepts zur Messung

Anschließend wurden mit der präparierten Maschine erneut Messungen zur Abdrängung des TCP unter dem Einfluss definierter, äußerer Kräfte in unterschiedlichen Posen durchgeführt. Für die Posen wurden die Mittelstellung der Maschine sowie die positive und die negative Endposition der X- und Y-Achse, somit insgesamt fünf Positionen, die den gesamten Arbeitsraum umspannen, gewählt. Zusätzlich dazu wurde die Höhe der Z-Achse an jeder Position in drei Stufen variiert (Anfangs-, Mittel- & Endposition). Des Weiteren wurden unterschiedliche Rotationswinkel der A-Achse (Winkel um die X-Achse) untersucht. Die Höhe der Kräfte richtete sich dabei nach den maximal zu erwartenden Prozesskräften. Die Messung der Abdrängung wurde mit einem Renishaw XM-60 6D-laserinterferometer durchgeführt. Auf Basis der Messwerte erfolgten die Kalibrierung der Sensorik sowie die Entwicklung eines Algorithmus, der die TCP-Abdrängung online während des Prozesses bestimmt, sodass diese kompensiert werden kann.

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Aufgrund der richtungsabhängigen Steifigkeit der Z-Achse zeigen die DMS-Werte den zu erwartenden, harmonischen Verlauf (Bild 4). Die Richtungsabhängigkeit resultiert hierbei aus den Führungsschienen, die sich seitlich an der Z-Achse befinden. Diese Führungsschienen bewirken einen höheren Widerstandsquerschnitt bei Kräften in Querrichtung und sorgen so für eine höhere Steifigkeit.

Bild 4: So stellen sich die DMS-Daten in Abhängigkeit vom Angriffswinkel der Kraft bei der Fräsbearbeitung mit einer mobilen Werkzeugmaschine dar.
Bild 4: So stellen sich die DMS-Daten in Abhängigkeit vom Angriffswinkel der Kraft bei der Fräsbearbeitung mit einer mobilen Werkzeugmaschine dar.
(Bild: IFW)

Um die Abdrängung des Fräsers anhand der DMS-Werte im Prozess zu bestimmen, wurden im nächsten Schritt Korrelationen zwischen der Abdrängung des TCP und der gemessenen Dehnung identifiziert. Der so ermittelten Abdrängungs-Quotienten werden in einer Kalibriermatrix integriert (Bild 2, unten Mitte), mit der die Abdrängung schließlich durch die Steuerung kompensiert werden kann. Diese Ergebnisse werden zukünftig genutzt, um die Fertigungsgenauigkeit von Fräsprozessen weiter zu steigern.

Danksagung

Die Projektpartner danken der NBank und dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung für die Förderung des Forschungsprojektes „Mobile Technologieplattform für hybride Prozessketten“, Fördernummer ZW3-85040350.

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