Grundlagen zur strukturintegrierten Messung und steuerungsintegrierten Verarbeitung räumlicher Kräfte und Momente in Fertigungseinrichtungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 202081830

Die Messung von Kräften und Momenten ist Voraussetzung für viele fertigungstechnische Anwendungen, z.B. Prozessüberwachung oder geregelte Prozessführung. Mit dem erweiterten Bewegungsvermögen moderner Fertigungseinrichtungen wächst dabei der Bedarf zur prozessaktuellen Erfassung räumlicher Kräfte und Momente in bis zu 6 Freiheitsgraden. Bisher werden hierfür autarke 6D-Kraftmessplattformen (KMP) unmittelbar in der Nähe der Wirkstelle angebracht. Damit verbunden sind eine Verkleinerung des nutzbaren Arbeitsraumes, Einschränkung der Befestigungsmöglichkeiten (z.B. Spindeln) und der Robustheit der Fertigungseinrichtung (z.B. bzgl. aggressiver Medien oder Spänen) sowie vor allem hohe Investitionskosten. Alternativ dazu werden Kräfte aus Motorströmen rekonstruiert, die aufgrund zahlreicher nichtlinearer Störeinflüsse keine für WZM praxistaugliche Messgenauigkeit erlauben.Wesentliche Potenziale liegen in der Integration preiswerter, einachsiger Kraftsensoren direkt in die Maschinenstruktur. Hauptziele des Gesamtvorhabens sind die räumliche Kraft-/Momentenmessung und -regelung an der Wirkstelle mit Hilfe mehrerer strukturintegrierter einachsiger Kraftsensoren. In Phase I bildeten die Sensorintegration, Stabwerksauslegung, statische Modellbildung und Parameteridentifikation sowie die Steuerungsintegration die wesentlichen Untersuchungsschwerpunkte. Der Fokus von Phase II lag auf der Messung während der Maschinenbewegung. Es wurden die Messmodelle um dynamische Einflüsse erweitert, die Parameteridentifikation auf Basis dynamischer Trajektorien mit hoher Beschleunigung und erste Machbarkeitsstudien zur Kraftregelung durchgeführt. Alle Arbeiten wurden durch umfangreiche experimentelle Untersuchungen begleitet. Das größte Potenzial der strukturintegrierten Kraftmessung liegt in ihrer Anwendung zur Prozesskraftregelung, deren weitere Erforschung das Ziel der Fortsetzung des Vorhabens ist. Nach dem grundsätzlichen Machbarkeitsnachweis einer Kraftregelung auf Basis strukturintegrierter Sensorik in Phase II besteht der Lösungsansatz in der Überwindung der momentanen Defizite der asynchronen Sollwertvorgabe, der nichtlinearen poseabhängigen Maschinensteifigkeit, der Maßhaltigkeit bei Kraftregelung sowie der Regelung praxisrelevanter Prozesse. Dabei besteht noch grundlegender Forschungsbedarf insbesondere mit Bezug auf die strukturintegrierte Sensorik.Zu den Arbeiten gehören die Entwicklung von Möglichkeiten zur gemeinsamen Vorgabe der Sollwerte für Kräfte und Bewegungen in einem NC-Programm, was es erlaubt während der Bearbeitung die Kraft zu und die Kraftrichtung zu variieren, Untersuchungen zur Modellierung und kraftregelungstechnischen Korrektur der poseabhängigen räumlichen Maschinensteifigkeit, die durch die Integration der Kraftsensoren beeinflusst wird und als besondere Herausforderung für die Stabilität der Kraftregelung gilt sowie Untersuchungen zur Kontaktmodellierung, Kontaktsuche und Einhaltung der Maßhaltigkeit bei aktiver Kraftregelung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen