Direkte Korrektur thermo-elastischer Verlagerungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Dieses Projekt hat eine neue, kosteneffiziente, maschinen-integrierte Messmethode für kleine und mittlere 3-Achs-Fräsmaschinen zur Bestimmung thermo-elastischer Fehler erarbeitet. Der Messaufbau besteht aus einem tischseitigen thermo-stabilen Laserrahmen mit Pentaprismen, die den Strahlengang entlang der drei Koordinatenrichtungen der Maschinenachsen umlenken und einem in der Spindel geführter Messkopf mit zwei integrierten positionssensitiven Dioden. Die Messung ist dabei eine relative Messung, die einen Vergleich zu einer initialen Referenzmessung durchführt. Aus den erfassten Geradheiten errechnet ein Messmodell 13 der 21 relevanten thermo-elastischen Fehler. Darin enthalten sind die für das thermo-elastische Verhalten besonders wichtigen Rechtwinkligkeiten und zwei Positioniergenauigkeiten. Da die für die Abbe-Fehler der Kinematik wichtigen Nickfehler nicht gemessen werden, ist die Anwendung auf kleine und mittlere Fräsmaschinen fokussiert. Aufgrund der kürzeren Abbehebel dieser Kinematiken haben die Nickfehler einen geringeren Einfluss auf den Gesamtfehler. Es wurde für das Verfahren eine Messunsicherheit für jeden Einzelfehler bestimmt. Das Messsystem wurde mit einem kommerziellen PSD-Messgerät sowie weiteren Messungen validiert. Das erste Ziel des Antrags, die Charakterisierung und Validierung einer maschinen-integrierten Messmethode auf Basis des photoelektrischen Effekts für kleine und mittlere Fräsmaschinen, wurde damit erreicht. Falls die Messungen des Systems nicht in Nebenzeiten stattfinden können, reduzieren sie die produktive Maschinenzeit. Um diese nicht produktive Messzeiten so klein wie möglich zu halten, wurde die Messmethode um eine Modellierung des Umgebungs- und des Achslasteinflusses ergänzt. Diese Modellierung berechnet auf Basis maschineninterner Daten sowie den Temperaturen der Glasmaßstäbe und der Umgebung die Verlagerung des Tool Center Points (TCP) für die messbaren Fehler. Dieses Vorgehen benötigt nur eine geringe Zahl zusätzlicher Sensoren, womit es kosteneffizient und wenig störanfällig ist. Unscented Kalman Filter bestimmen fortlaufend Parameter für die interne Systembeschreibung der messbaren thermo-elastischen Fehler der Fräsmaschine. Die Systembeschreibung besteht aus einem Verzögerungsglied erster Ordnung. Das Modell ist somit lernfähig, da es in der initialen Parametrierung nicht berücksichtigte Lastspektren nachträglich trainiert. Darüber hinaus ist es für nichtlineare Systeme geeignet. Experimentell wurde ein Schätzintervall von zwei Stunden für das Modell bestimmt. Es wird also alle zwei Stunden eine neue Messung benötigt, um die Modellparameter zu aktualisieren. Das entspricht einer maximalen Reduktion der produktiven Maschinenzeit um 3,3 %. Eine Messreihe über mehr als drei Wochen validiert die Wirksamkeit der Korrektur. Der quadratische Mittelwert der gemessenen Fehler wurde dabei um 64,8 % reduziert, während der Spitze zu Tal Wert der gemessenen Fehler um 65 % reduziert wurde. Das zweite Ziel des Antrags (Charakterisierung und Validierung einer Korrekturmethode) wurde damit erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Direct measurement of thermo-elastic errors of a machine tool. CIRP Annals, 70(1), 333-336.
Brecher, Christian; Spierling, Robert; Fey, Marcel & Neus, Stephan
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MEASUREMENT UNCERTAINTY OF A NEW MACHINE-INTEGRATED, PSD BASED APPROACH FOR THERMO-ELASTIC ERROR MEASUREMENT. MM Science Journal, 2022(2), 5713-5720.
BRECHER, CHRISTIAN; SPIERLING, ROBERT & FEY, MARCEL
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Learning model for the thermo-elastic machine tool behavior. In: RWTH Publications, 2023
Spierling, R.; Brecher, C.; Plum, F. & Fey, M.
