Thermisch bedingte Fehler in Echtzeit korrigieren

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Online-Korrektur als Plug&Play Lösung für bestehende Steuerungen

Um das Steuerungssystem in ein bestehendes Betriebsnetz zu integrieren und die Daten zu übertragen, wird die von Heidenhain zur Verfügung gestellte DNC-Bibliothek (Distributed Numerical Control) verwendet, die die Funktionen des CNC-Systems enthält. Anhand einer Ethernet-Schnittstelle kann das auf einem externen Rechner installierte CNC-System mit dem Korrektursystem kommunizieren.

Die Online-Korrektur im Test

Als externer Rechner dient ein Beckhoff-Industrie-PC (Bild 3). Dieser hat einen RTOS-Echtzeit-Kernel (Real Time Operating System), über den die Daten der Verformungssensoren mittels eines Ether-CAT-Netzwerks ohne nennenswerte Zeitverzögerung eingelesen werden. Das Verformungsmodell berechnet mithilfe dieser Daten die Positionsfehler der Maschine und erstellt zyklisch Fehlertabellen.

Das IPT hat die Korrekturmethodik an einer dreiachsigen Fräsmaschine mit einer Heidenhain-iTNC-530-Steuerung erprobt, deren Struktur durch simultane Bewegungen aller Linearachsen für eineinhalb Stunden thermisch belastet wurde. Das Verformungsmodell wurde in die Steuerung der Versuchsmaschine integriert. Die Korrekturwerte werden relativ zu einem vordefinierten Referenzzustand in Echtzeit, also nahezu ohne zeitliche Verzögerung, geliefert (Bild 4).

Zum Vergleich wurde auch der unkorrigierte Zustand der Maschine während der eineinhalbstündigen thermischen Belastung und während der Abkühlphase von zweieinhalb Stunden erfasst und die Verlagerung eines definierten Referenzpunkts gemessen. Zwei vom IPT entwickelte Modelle – aus dem Jahr 2015 sowie die aktuelle Version – wurden dabei parallel im Beckhoff-System angewendet, um die Auswirkung der Optimierungen des neu entwickelten Modells zu überprüfen. Das alte Modell erreicht bereits mit einer Zykluszeit von 5 ms eine Genauigkeitssteigerung von 43 %.

Mit dem neuen Modell und einer deutlich kürzeren Zykluszeit von 0,1 ms kann die Genauigkeit sogar um 86 % gesteigert werden. Die Forscher sehen dies als eindeutigen Beweis für die Funktionsfähigkeit der neu entwickelten Methodik. Diese Entwicklungen sind im Rahmen des Sonderforschungsbereichs (SFB) Transregio96, Teilprojekt C03 entstanden, das von der DFG gefördert wird. MM

* Daniel Zontar, M. Sc., ist Leiter der Gruppe Maschinenentwicklung und –vernetzung. Filippos Tzanetos, M. Sc., und Steffen Lowis, M. Sc., sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie-IPT in 52074 Aachen; weitere Informationen: Lisa Behnken, Tel. (02 41) 89 04-3 29, lisa.behnken@ipt.fraunhofer.de

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