Laser-Doppler-Vibrometer für die Vermessung von Werkzeugmaschinen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gerät wurde in den ersten drei Jahren seit der Inbetriebnahme für vielfältige Aufgaben eingesetzt. Dazu zählen unter anderem die Auslegung von Ultraschallschwingern, die Untersuchung des Strukturverhaltens verschiedener Systeme sowie die Analyse von Fertigungsprozessen. Auslegung von Ultraschallschwingern Die Berührungslose Handhabung mittels Leistungsultraschall ermöglicht eine schonende Manipulation hochempfindlicher Bauteile. Dabei wird eine Platte in Ultraschallschwingungen versetzt, welche durch den Effekt der Squeeze-Film-Levitation ein tragendes Luftpolster hervorruft, auf dem beispielsweise ein Wafer in der Halbleiter- und Solarzellenfertigung schweben kann. Voraussetzung hierfür ist, dass die Platte möglichst exakt in einer bestimmten Eigenfrequenz angeregt wird, in der sie eine gleichmäßige Biegeschwingung vollzieht. Trotz der simulationsgestützten Auslegung von ultraschallbasierten Handhabungssystems können Abweichungen vom gewünschten Schwingungsverhalten infolge geringfügiger Material- und Fertigungstoleranzen auftreten. Durch Schwingungsmessungen mit dem LDV können diese Abweichungen erkannt und mechanisch korrigiert werden. Durch den Einsatz des Vibrometers war das iwb in der Lage, eine Vielzahl von Ultraschallschwingern autark aufzubauen und die Funktionsweise und Auslegung dieser Handhabungssysteme noch tiefgehender zu erforschen. Untersuchung des Strukturverhaltens verschiedener Systeme Schwingungsverhalten einer Reibschweißanlage: Das Schwungradreibschweißen erfordert aufgrund der beträchtlichen Prozesskräfte den Einsatz von Fertigungsanlagen mit guten dynamischen Steifigkeitseigenschaften. Zur Bewertung des dynamischen Maschinenverhaltens der iwb-eigenen Schwungradreibschweiß-Maschine wurde mit Hilfe des LDV eine experimentelle Modalanalyse durchgeführt. Dadurch war es möglich, das Schwingungsverhalten der Maschine sehr effizient und mit hohem Detaillierungsgrad zu untersuchen. Dämpfungseffekte in Werkzeugmaschinenkomponenten: Die Forschergruppe „Dämpfungseffekte in Werkzeugmaschinen" verfolgt das Ziel, die auftretende Dämpfung in Werkzeugmaschinen zu simulieren, um damit das Schwingungsverhalten genau prognostizieren zu können. Während die Methoden zur Bestimmung der Steifigkeiten und Massen bereits lange erprobt sind, stellt die Identifikation der Dämpfung an großen Strukturen eine Herausforderung dar. Moderne Messmittel wie das LDV ermöglichen eine Schwingungserfassung auch für große und komplexe Strukturen, wobei durch die berührungslose Messung eine Beeinflussung der Struktur ausgeschlossen ist. Statisches Verhalten von Industrierobotern: Die Einsatzfelder von Industrierobotern zur spanenden Bearbeitung sind stark durch die vergleichsweise geringe Steifigkeit der Roboter eingeschränkt. Am iwb wird ein Ansatz zur Kompensation der auftretenden Roboter-Abdrängung aufgrund der wirkenden Prozesskräfte erarbeitet, wobei die Kenntnis der Steifigkeit aller Roboterachsen zwingend erforderlich ist. Durch den Einsatz des LDV konnte die Verlagerung eines Roboters während der Belastung mit einer definierten Kraft erfasst werden, so dass die Steifigkeits-Kennfelder der einzelnen Achsen hochgenau berechnet werden können. Analyse von Fertigungsprozessen Reibschweißen: Beim Schwungradreibschweißen kommt es während des Fügeprozesses zu hochfrequenten Rotationsschwingungen, die Schädigungen der beiden Fügepartner hervorrufen können. Auf der Grundlage von Messungen mit dem LDV konnte das Verständnis des Schweißprozesses stark erhöht werden, so dass eine gezielte Beeinflussung der auftretenden Bauteilschwingungen möglich ist. Fräsen: Das Vibrometer bietet vielfältige Möglichkeiten, um die Ursache von Rattereffekten an Werkzeugmaschinen zu identifizieren. Es können beispielsweise während des Fertigungsprozesses die Schwingung des rotierenden Fräsers oder die Gleichförmigkeit der Spindeldrehung erfasst werden. Remote-Laserstrahlschneiden: Zur genauen Bearbeitung des Werkstücks beim Remote-Laserstrahlschnelden ist die präzise Führung der Laser-Optik erforderlich. Durch den Einsatz des LDV konnte untersucht werden, ob ein Industrieroboter hierzu im Stande ist und welche Prozessparameter (Bewegung der Scanner-Spiegel, Einsatz von Druckluft zum Schutz der Optik) unerwünschte Schwingungen des Scanners hervorrufen. Wälzstoßen: Beim Wälzstoßen wird das Schneidrad mit Hilfe einer komplexen Kinematik auf einer exakt vorgegebenen Trajektorie bewegt. Insbesondere bei hohen Hubfrequenzen kann es dabei zu Abweichungen von der idealen Bahn kommen, welche die Werkstückqualitat negativ beeinflussen. Mit dem LDV gelang es, die Bewegung des Schneidrades relativ zum Werkstück hochgenau zu erfassen, wodurch Potenzial zur Prozessoptimierung aufgezeigt werden konnte.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Berührungslose Greiftechnologien für die Halbleiter- und Mikrosystemtechnik. Reinhart, G. et al. (Hrsg.): Münchener Kolloquium - Innovationen für die Produktion. München: Utz Herbert 2008, S. 253-263
Reinhart, G.; Heinz, M.; Kirchmeier, T.
- Analysis of the Accuracy of Industrial Robots and Laser Scanners for Remote Laser Beam Welding and Cutting. DGR (Hrsg.): Proceedings for the joint conference of ISR 2010, 41st International Symposium on Robotics, ROBOTIK 2010, 6th German Conference on Robotics. Berlin, Offenbach: VDE-Verl. 2010, S. 751-758. ISBN: 978-3-8007-3273-9
Zäh, M. F.; Hatwig, J.; Musiol, J.; Rösch, O.; Reinhart, G.
- Integration of the Ultrasonic Handling Technology into Microassembly Systems. Lien, T. K. (Hrsg.): 3rd CIRP Conference on Assembly Technologies and Systems (CATS). Trondheim, Norway: Tapir Uttrykk 2010, S. 91-96
Reinhart, G.; Heinz, M.; Kirchmeier, T.
- Lasergestützte Positionierung von MOEMS. Mikroproduktion (2010) 02, S. 12-16
Reinhart, G.; Zeilinger, T.
- Prozessverhalten leicht erlernt. wt Werkstattstechnik online 100 (2010) 11/12, S. 869-847
Reinhart, G.; Kirchmeier, T.; Heinz, M.
- Schwingungsanalyse einer Reibschweißanlage durch den Einsatz eines 3D-Scanning-Laser-Doppler-Vibrometers. VDI Wissensforum (Hrsg.): Fachtagung Schwingungsanalyse & Identifikation 2010, S. 397-404. ISBN: 978-3-18- 092093-1
Zäh, M. F.; Lotz, M.; Rösch, O.
- Fuzzy Logic based Ultrasonic Gripper Design for Handling Small Parts. IEEE (Hrsg.): Proceedings of IEEE International Symposium on Assembly and Manufacturing: IEEE Press 2011, ISBN: 978-1-61284-343-8
Reinhart, G.; Kirchmeier, T.
- Non-contact Handling and Transportation for Substrates and Microassembly Using Ultrasound-Air-Film-Technology. In: IEEE/SEMI (Hrsg.): Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC) 2011, ISBN: 978-1-61284-409- 1
Reinhart, G.; Heinz, M.; Zimmermann, J.; Schilp, M.; Zitzmann, A.; Hellwig, J.; Stock, J.
- Schwingungsanalyse zur Bewertung der dynamischen Eigenschaften einer Reibschweißanlage. Polytec InFocus (2011) 01,S. 14-15
Zäh, M. F.; Rösch, O.; Lotz, M.
- Vibrations in friction welding. Production Engineering Volume 5/2 (2011), S. 159-165
Zaeh, M. F.; Poehler, A.
