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Messtechnik

Thermisch bedingte Fehler in Echtzeit korrigieren

| Autor/ Redakteur: Daniel Zontar, Filippos Tzanetos und Steffen Lowis / Udo Schnell

Temperaturschwankungen in Werkzeugmaschinen können zu fehlerhaften Bauteilen führen. Bei einem Korrektursystem reduzieren Verformungssensoren im Zusammenspiel mit der CNC den thermischen Einfluss während der Bearbeitung deutlich.

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Bild 1: Das Diagramm zeigt am Beispiel der Demonstratormaschine, die thermisch bedingte Verformung in X-Richtung im Laufe von drei Tagen.
Bild 1: Das Diagramm zeigt am Beispiel der Demonstratormaschine, die thermisch bedingte Verformung in X-Richtung im Laufe von drei Tagen.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Thermische Einflüsse in der Werkzeugmaschine und Temperaturschwankungen in der Produktionsumgebung können eine Verlagerung des sogenannten Tool Center Point verursachen – und damit Fehler am gefertigten Bauteil. Gerade bei Großbauteilen oder Bauteilen mit geringen Toleranzen reichen diese Abweichungen bereits aus, dass das Bauteil unbrauchbar wird. Das Fraunhofer-IPT hat ein Korrektursystem entwickelt, das die Abweichungen jetzt während des laufenden Prozesses misst und noch während der Bearbeitung korrigieren kann.

Das IPT hat für die Online-Korrektur der thermisch bedingten Abweichungen ein Modell entwickelt, mit dem die Positioniergenauigkeit des Werkzeugs in Bezug auf den Werkstücktisch um 86 % gesteigert werden konnte. Dies kann nun auch auf weitere Maschinen angewendet werden. Die Lösung für thermische Stabilität ist in jede Steuerung implementierbar, solange auf bereitgestellte Informationen der Steuerungshersteller zurückgegriffen werden kann und die Dateiformate angepasst werden.

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Einfacher, robuster Messaufbau

Bei den Verformungssensoren setzt das Fraunhofer-PT auf einfache kommerziell erhältliche Messtaster von Heidenhain anstelle der meist üblichen Temperatursensoren. Im Vergleich zu Korrekturmethoden mit Temperatursensoren ist der Messaufbau für die Verformungsmessung wesentlich einfacher und robuster gegenüber Messunsicherheiten. Die Elektronik ist im Sensor integriert; Lagerblöcke schützen die die Messstelle vor Verunreinigungen (Bild 2) und im Falle eines Sensorausfalls wird über eine En-Dat2.2-­Schnittstelle am Messtaster eine automatische Warnmeldung an die Steuerung gesendet.

Die Verformungssensoren wurden für Bearbeitungszentren für Großbauteile und für die Hochleistungsbearbeitung entwickelt und ausgiebig getestet. Die nachrüstbaren Sensoren zeichnen die Strukturverformungen der Maschine auf und erfassen alle Informationen der Wärmetransportmechanismen, Wärmequellen und Wärmesenken.

Anhand dieser Daten wird die Grundlage für ein Modell geschaffen, das die Verlagerung zwischen Werkzeug und Werkstück innerhalb von 0,1 ms berechnet. Um die thermischen Einflüsse zu kompensieren, werden thermisch bedingte Abweichungen als zeitlich veränderliche, geometrische Fehler betrachtet und vorhandene Herstellerdaten in Form von Fehlertabellen periodisch aktualisiert.

Bei modernen CNC-Maschinen enthalten diese Fehlertabellen repräsentative geometrische Fehlerwerte für lineare und rotatorische Achsen. Durch Interpolation der Werte werden Zusatzsollwerte generiert und von der CNC zyklisch abgearbeitet. Bild 2 zeigt eine beispielhafte Tabelle.

Um die Funktionsweise zu erproben, implementierten die Aachener Forscher die Methodik im Sonderforschungsbereich Transregio96 in eine Heidenhain-Steuerung. Die Funktionsweise lässt sich jedoch auf jede andere Steuerung übertragen, weil die Maschinenkinematik in der Steuerung definiert ist und das jeweilige Datenformat des Herstellers für die Online-Korrektur beibehalten werden kann.

Damit die Kinematik der Werkzeugmaschine angepasst werden kann, werden verschiedene Fehler-Tabellentypen der Maschinenhersteller benötigt: eine Kinematik-, eine Konfigurations- und drei Achsfehlertabellen (Bild 2). Durch die Eingabe von Befehlen in die Kinematiktabelle kann der Steuerung mitgeteilt werden, dass sich die Achse um einen definierten Wert bewegen soll. Dieser Wert wird durch einen Verweis auf die Fehlertabelle festgelegt.

Beispielsweise bedeutet der Verweis „A2C3“ in der zweiten Abbildung, dass die Achse 2 sich um den Wert in der Spalte C3 verschieben soll. In der Konfigurationstabelle werden die Maschinenachsen nummeriert, um einen Bezug zwischen Fehlertabelle und Maschinenachsen herzustellen. Pro Achse können so bis zu sechs Fehler beschrieben werden.

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