Messtechnik Thermische Stabilität in Werkzeugmaschinen

Autor / Redakteur: Filippos Tzanetos / Udo Schnell

Die Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen wird immer von den Betriebs- und Umgebungsbedingungen begrenzt. Mit nachrüstbaren Verformungssensoren kann sowohl die Genauigkeit als auch die Wiederholbarkeit der Maschinen gesteigert werden.

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Bild 1: Die nachrüstbaren Verformungssensoren können in Fräs-, Dreh-, Schleif- und Sondermaschinen zum Einsatz kommen.
Bild 1: Die nachrüstbaren Verformungssensoren können in Fräs-, Dreh-, Schleif- und Sondermaschinen zum Einsatz kommen.
(Bild: Fraunhofer-IPT)

Nachrüstbare Verformungssensoren können dazu beitragen, die Bearbeitungsgenauigkeit und die Wiederholbarkeit von Werkzeugmaschinen bei wechselnden oder schwer vorhersehbaren Betriebs- und Umgebungsbedingungen zu steigern: Das Fraunhofer-IPT hat zu diesem Zweck Verformungssensoren entwickelt, in Großfräsmaschinen eingebaut und ausgiebig getestet, die jetzt auch in Fräs-, Dreh-, Schleif- und Sondermaschinen zum Einsatz kommen sollen.

Werkzeugmaschinen haben in der Regel ein kompliziertes thermisches Verhalten: Nicht nur die Mechanismen der Wärmeübertragung – durch Konvektion und Strahlung – sind schwer zu beschreiben. Insbesondere die Wärmekapazität des Materials selbst führt zu instationären und somit instabilen Abweichungen in der Produktion. In der Industrie eingesetzt werden bisher drei Lösungen: Warmlaufen, Temperieren und Klimatisieren. Diese Lösungen sind mit hohem Einsatz von Energie und Kosten verbunden.

Dazu kommen Effekte, die außerhalb der Maschine liegen und nicht zu prognostizieren sind: Schon geringe Schwankungen der Umgebungstemperatur führen zu Unterschieden der Bearbeitungsgenauigkeit. Der Vergleich zwischen Tag- und Nachtschicht im Unternehmen zeigt, dass selbst minimale Temperaturabweichungen in der Nähe der Werkzeugmaschinen die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit der Positionierung des Werkzeuges beeinträchtigen. Die Reaktion auf Umgebungseinflüsse ist umso stärker, je größer das Maschinenbauteil ist und je mehr unterschiedliche Materialien es umfasst. Ein Körper mit größerer Masse kann mehr Wärme speichern. Darüber hinaus kommt es zu Hysterese-behaftetem Verhalten, wenn Bauteile unterschiedlicher Wärmekapazitäten miteinander verbunden sind. So verlagert sich der „Tool Center Point“ (TCP) beim Aufwärmen und Abkühlen des Maschinenumfelds.

Sensorsystem erfasst die Strukturverformung des Gesamtsystems

Um diesen Effekten zu begegnen, entwickelten die Forscher des Fraunhofer-IPT ein Sensorsystem, das diese in einer einzigen Messung erfasst: Indem eine praktikable Anzahl an Sensoren die Strukturverformungen der Gesamtmaschinenkonstruktion aus Werkstück und Maschine aufzeichnet, wird die Grundlage für ein echtzeitfähiges Modell geschaffen, das die Verlagerung zwischen Werkzeug und Werkstück beschreibt. Die Korrektur der Verlagerung erfolgt dann durch die Vorschubachsen selber, die die tatsächlichen Differenzen zu den Sollwerten anhand zusätzlicher Korrekturwerte ausgleichen.

Ein Messkanal besteht aus einem Messtaster, einem Sensorstab aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK), einem Aluminium-Stab zum Schutz des CFK-Stabs vor Staub und Verschmutzung sowie zwei Lagerblöcken. Die Abmessungen der Sensoren können an jeden Bauraum angepasst werden, indem Stäbe mit kleinerem Durchmesser gewählt werden oder Lagerblöcke für die jeweilige Fläche umkonstruiert werden. Im Querschnitt messen diese in der Standardform 40 mm × 25 mm. Der Schaltplan der Integration der Sensoren ist in Bild 2 skizziert.

Das mathematische Modell zeichnet sich durch ein nichtlineares algebraisches Gleichungssystem aus, das für jedes Maschinenbauteil anhand von iterativen numerischen Verfahren gelöst wird. Die Kinematik der Maschine wird durch Vektoranalyse abgebildet, um die Verformungen jedes Bauteils miteinander zu verketten. So können Korrekturwerte im Takt der numerischen Steuerung ausgegeben werden – unabhängig davon, wie schnell die Achsen verfahren werden.

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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