Verfahrensalternativen und Genauigkeitsbedingungen zur räumlichen Referenzierung in Werkzeugmaschinen
Final Report Abstract
Gegenstand des Forschungsprojektes war die Entwicklung, Untersuchung und Erprobung eines alternativen Referenzierungs verfahr ens für Werkstücke, Werkzeuge und Zusatzeinrichtungen im Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine. Arbeitsinhalt war, ausgehend von den Vorarbeiten, die Entwicklung der erforderlichen Berechnungs- und Auswertungsgrundlagen sowie die Untersuchung der Genauigkeitsbedingungen. Anschliessend erfolgte auf einer am IWM Dresden vorhandenen Gachsigen Werkzeugmaschine eine zweistufige Umsetzung zur Demonstration und experimentellen Untersuchung des neuen Verfahrens. Im ersten Schritt wurde das Verfahren manuell realisiert um den praktischen Funktionsnachweis zu erbringen und Anforderungen für die Verfahrensautomatisierung abzuleiten. Im zweiten Schritt wurde das Verfahren automatisiert umgesetzt und bezüglich Zeitbedarf. Genauigkeit und Bedienbarkeit optimiert. Darüber hinaus erfolgten vergleichende Untersuchungen zu dem etablierten Verfahren des Antastens mit einem Messtaster. Basis für die hier betrachtete Referenzierung ist die Ermittlung der Koordinaten von (mindestens) drei Referenzpunkten am zu referenzierenden Teil. Über die relativen Bezüge dieser Punkte kann das gesuchte lokale Koordinatensystem eindeutig bestimmt werden. Die Messaufgabe reduziert sich dann darauf, die Koordinaten dieser - physisch geeignet repräsentierten - Referenzpunkte zu bestimmen. Die physische Repräsentation gelingt vorteilhaft durch Präzisionsstahlkugeln, wie sie beispielsweise in Kugellagern ver-wendet werden. Deren Mittelpunkt kann aus beliebigen Richtungen vermessen werden. Die Fixierung der Kugeln erfolgt in magnetischen Dreipunktaufnahmen. Dadurch ist eine einfache Anbringung mit sehr hoher Wiederholgenauigkeit gegeben. Die Ermittlung der Referenzpunktkoordinaten erfolgt durch automatisierte Vermessung mit einem Double-Ball-Bar (DBB). Dieser misst quasikontinuierlich den räumlichen Abstand zwischen dem Mittelpunkt der zu referenzierenden, feststehenden Kugel und einer weiteren, bewegten Kugel am Endeffektor der Bewegungseinrichtung. Letztere wird dazu auf einer räumlichen Kreisbahn geführt, wobei für spezielle Kreisbahnen mit dem DBB keine Abstandsänderung messbar ist. Dies gilt für alle Kreise, die sich als Schnittkontur zwischen einer Ebene und einer Kugelsphäre ergeben, die den gesuchten Referenzpunkt als Mittelpunkt und die Messlänge des DBB als Radius hat. Mit dem entwickelten Messverfahren ist es möglich, ausgehend von einer Startschätzung der Referenzpunktkoordinaten, eine solche räumliche Kreisbahn und damit auch die Koordinaten des gesuchten Referenzpunktes mit hoher Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu bestimmen. Die Ermittlung der Startschätzung der Referenzpunktkoordinaten ist dabei ebenso automatisiert möglich wie die iterativ ablaufende Generierung und Vermessung der räumlichen Kreisbahnen. Die Interaktion des Bedieners bleibt dadurch auf das Einsetzen bzw. Entfernen des DBB beschränkt. Diese Bedieninteraktion kann durch einen größeren Messbereich des DBB, der bei dem im Projekt verwendeten Renishaw QC10 nur ±1 mm betrug, weiter vereinfacht werden. Das neue Messverfahren wurde in experimentellen Untersuchungen auch verglichen mit einem konventionellen Messverfahren zur Bestimmung der Kugelmittelpunkte, und zwar durch Antasten mit einem Messtaster. Die Ergebnisse zeigen, dass die erreichbare Messgenauigkeit bei beiden Messverfahren in der gleichen Größenordnung liegt. Diese wird in erster Linie durch die Positionier- und Wiederholgenauigkeit der Bewegungseinrichtung bestimmt. Darüber hinaus ergab sich aus analytischen Untersuchungen für beide Messverfahren ein deutlich höheres Genauigkeitspotential, das unterhalb der mit Werkzeugmaschinen praktisch realisierbaren Bewegungsgenauigkeiten liegt. Weiterhin zeigte sich aber auch, dass beim Antasten mit dem Messtaster nicht nur umfangreichere Bedieninteraktionen nötig sind sondern im Hinblick auf Sicherheit und Reproduzierbarkeit auch eine deutlich höhere Aufmerksamkeit und Konzentration des Bedieners, wodurch die Fehleranfälligkeit prinzipiell erhöht wird. Die Besonderheit der Lösung lag in der Umsetzung der Messverfahren auf einer Parallelkinematik mit 6 Freiheitsgraden. Dadurch waren sowohl beim Antasten mit dem Messtaster als auch bei der Vermessung mit dem DBB immer alle Vorschubachsen an der Messbewegung beteiligt, was die Vergleichbarkeit der gewonnenen Aussagen sichert. Darüber hinaus wurden Messverfahren entwickelt zur Bestimmung des Versatzes der bewegten Kugel bzw. der Messtasterkugel relativ zum bewegten Plattformkoordinatensystem. Dieser Versatz muss zur Bestimmung absoluter Koordinaten im Arbeitsraum bekannt sein. Hier erwies sich die Verfügbarkeit der 6 Bewegungsfreiheitsgrade nicht nur von Vorteil sondern sogar als eine grundlegende Voraussetzung. Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Publications
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Kauschinger, Bernd: Verbesserung der Bewegungsgenauigkeit an einem Hexapod einfacher Bauart. Dissertation, TU Dresden, 2006, verteidigt am 21.3.2006
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Kauschinger, Bernd: Verbesserung der Bewegungsgenauigkeit an einem Hexapod einfacher Bauart. Lehre - Forschung - Praxis, Schriftenreihe des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen, Eigenverlag, Dresden 2006, ISBN 3-86005-516-X
