Messtechnik

Thermische Stabilität in Werkzeugmaschinen

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Dreiachsige Versuchsmaschine belegt Funktionsfähigkeit des Systems

Die Funktionsfähigkeit des Systems belegte das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT mit einer dreiachsigen Versuchsmaschine (Bild 3), bei der mehrere thermische Belastungen prozessparallel korrigiert wurden. Um den unvorhersehbaren Charakter der Umgebungseinflüsse und ihre Auswirkungen auf die TCP-Verlagerung zu betonen, wurden die Versuche bei schwankender Umgebungstemperatur durchgeführt.

Weil die Versuchsmaschine in der Versuchshalle des Instituts nahe beim Hallentor steht, ist dessen Einfluss auf die Umgebungstemperatur der Maschine deutlich zu bemerken: Während des normalen Betriebs war das Hallentor geöffnet. Dies führte zu Temperaturstürzen bis zu 7 K.

Auffällig war dabei außerdem die deutlich instabilere Umgebungstemperatur am oberen Teil im Vergleich zum Fuß der Maschine. Dies bewirkte wiederum eine ungleichmäßige thermische Belastung der Gesamtkonstruktion.

Korrekturwerte werden in Echtzeit geliefert

Das mathematische Modell wurde in die Steuerung der Versuchsmaschine (Heidenhain iTNC 530) integriert und liefert die Korrekturwerte relativ zu einem vordefinierten Referenzzustand in Echtzeit (Bild 4). Zu erkennen ist die deutlich geringere Verlagerung in X-Richtung. Grund für diesen Unterschied ist die thermische Symmetrie der Versuchsmaschine in der Y-Z-Ebene. In Z-Richtung sind Verlagerungen bis zu 4 µm zu erkennen, in Y-Richtung bis zu 6 µm. In Y-Richtung ist die Verlagerung instabiler, weil der fehlerverursachende Hebelarm, also der Abstand zwischen der Lagerung des Spindelstocks und dem TCP, in diese Richtung wesentlich länger ist.

Während der Korrektur ist eine übersichtliche Visualisierung der aktuellen Verformung möglich (Bild 5). Das Fraunhofer IPT-hat dafür ein zusätzliches Softwaremodul entwickelt, das die gemessenen Strukturverformungen im Zeitraffer und mit Faktor 100 überzeichnet abspielt. Dies ermöglicht es dem Bediener und dem Konstrukteur, das thermische Verhalten der Maschine zu verstehen und die konstruktiven Ursachen der Instabilität zu finden.

Diese Entwicklungen sind im Rahmen des Projekts SFB/TR96 Teilprojekt C03 entstanden, das von der DFG gefördert wird. Dafür wird herzlich gedankt. MM

* M. Sc. Filippos Tzanetos ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, 52074 Aachen, Tel. (02 41) 89 04-1 54, filippos.tzanetos@ipt.fraunhofer.de

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