Verformungssensoren korrigieren Fertigungsfehler im laufenden Prozess

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Mathematisches Modell ist entscheidend

In einem weiteren Anwendungsfall wird die Verformung am Spindelstock einer Fräsmaschine konventioneller Größe untersucht. Dort beträgt die Messlänge etwa einen halben Meter. Das Sensorsystem wurde für diese Anwendung entsprechend miniaturisiert.

Von zentraler Bedeutung für die erfolgreiche Korrektur von Positionierfehlern ist – außer einer hochgenauen und langzeitstabilen Messtechnik – die Funktionsfähigkeit des mathematischen Modells. Ziel bei der Modellentwicklung war es stets, ohne eine zeitaufwendige Lernphase auszukommen. Das Modell kann lediglich durch die Berücksichtigung der Geometrie von Maschinenstruktur und Sensorsystem abgestimmt werden.

Dazu führten die Ingenieure des Fraunhofer-IPT umfangreiche Experimente zur Validierung an Prüfständen durch. Zunächst wurde anhand der sensorisch ermittelten Daten untersucht, ob zwischen der gemessenen Verformung und der tatsächlichen Verlagerung ein linearer Zusammenhang besteht. Der eingesetzte Prüfstand entsprach dabei exakt den Verhältnissen am Ständer einer Werkzeugmaschine: Ein Quader aus Mineralguss, der mit einem strukturintegrierten Sensorsystem ausgestattet ist, wurde mithilfe von Heizpatronen in unterschiedliche Verformungszustände versetzt. So bewirkte eine asymmetrische Temperaturverteilung mit etwa 10 °C Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Quaders bereits eine Auslenkung von rund 100 µm. Die Signale der integrierten Sensoren wurden mit externen Verformungsmessungen verglichen.

Durch die Methode des „Curve-Fitting“ konnte für eine Biegung ein nahezu linearer Zusammenhang mit einer Linearität unter 2 % ermittelt werden. Mit der Erfassung dieser Verformungen lässt sich bereits ein Großteil der Verlagerungen abbilden, die durch reine Ausdehnung und Biegung erster Ordnung entstehen. Diese wirken sich bei der Geometrie der Maschine in Form von Positionierabweichungen und Fehlern der Rechtwinkligkeit aus.

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