Basics for structure integrated measurement und control integrated processing of spatial forces and moments in machine tools
Final Report Abstract
Ziel des Vorhabens war die Realisierung und vergleichende Untersuchung strukturintegrierter räumlicher Kraft- und Momentenmessung in Fertigungseinrichtungen. Strukturintegrierte Kraftsensorik bietet im Vergleich zur Messung mit 6D-Kraftmessplattformen (KMP) am Endeffektor Vorteile bei Kosten, Robustheit, verfügbarem Arbeitsraum sowie Befestigungsmöglichkeiten (z. B. für Spindeln) und ist gleichzeitig vielfach genauer als eine Kraftschätzung aus den Strömen der Vorschubantriebe. Allerdings haben struktur- und prozessbedingte Einflüsse, wie bspw. die Maschinendynamik, Auswirkungen auf die Messung und müssen bei der Auswertung durch entsprechende Messmodelle berücksichtigt werden. In Phase I wurde der Nachweis über die Eignung strukturintegrierter Kraftmessung zur prozessaktuellen Messung von Kräften und Momenten an der Wirkstelle erbracht. Es wurden Sensoren in verschiedenen Anordnungen in Stabwerke und Kinematiken integriert, statische Messmodelle aufgestellt und in kommerziellen Maschinensteuerungen implementiert, Verfahren zur Stabwerksauslegung und Parameteridentifikation entwickelt sowie schließlich die entstandenen Varianten durch umfangreiche messtechnische Untersuchungen vergleichend bewertet. In Phase II wurden die Messmodelle um dynamische Anteile erweitert, Lösungen gefunden zur schnellen, synchronen und rauscharmen Erfassung der zur Berechnung notwendigen Kräfte und Beschleunigungen und die dynamische Messung durch experimentelle Untersuchungen validiert. Dabei erfolgte ebenso die vergleichende Beurteilung der erreichbaren Messgenauigkeit wie die Untersuchung von Fehlereinflüssen im Arbeitsraum. Mit Hilfe erweiterter Parameteridentifikationsverfahren und dynamisch bewegter Messbahnen können auch Parameter für die erweiterten wirkstellennahen Messmodelle identifiziert werden. Schließlich erfolgte die Umsetzung einer einfachen Kraftregelung mit Untersuchungen zur Sollwertaufschaltung auf die CNC und verschiedener Regelungsansätze. In Phase III wurden die Parameteridentifikationsverfahren erweitert zur korrekten Kalibrierung der wirkstellenfernen Messmodelle aus Eigenbewegungen, Lösungen für die synchrone Sollwertvorgabe von Kraft und Position im G-Code entwickelt, der Einfluss der Sensorintegration auf die Steifigkeit von Hexapod-Strukturen und Hexapod-Kinematiken untersucht sowie zwei Formen der hybriden/parallelen räumlichen Kraftregelung auf Basis strukturintegrierter Kraftmessung implementiert und validiert. Im Ergebnis des Vorhabens liegen eine systematische Strukturierung möglicher Lösungsvarianten für die Strukturintegration von Kraftsensorik in Parallelkinematiken, Methoden zur Auslegung, Modellierung und Steuerungsintegration sowie Genauigkeits- und Steifigkeitsbeurteilungen vor. Diese Lösungen gelten für den allgemeinen Fall einer 6D-Kraftmessung mit Hexapodstrukturen und -kinematiken und stellen aus diesem Grund eine Referenzlösung für die Übertragung auf andere Parallelkinematiken mit weniger FG dar. Die automatisierbaren Verfahren zur Parameteridentifikation erlauben eine einfache, schnelle und genaue Rekalibrierung der Messmodelle in Bearbeitungspausen und erfordern weder Vorwissen noch Versuchsaufbauten. Abschließend wird die Eignung der strukturintegrierten Sensorik für die Kraftregelung nachgewiesen, die einen bedeutenden Anwendungsfall der Kraftmessung darstellt. Die Ziele des Vorhabens wurden erreicht.
Publications
- Strukturintegrierte Kraftmessung. Teil 1 - Sensorintegration und Verformungsbetrachtung. ZWF, 10:722–725, 2014
C. Friedrich, B. Kauschinger, H. Höfer, M. Merx und K. Grossmann
(See online at https://doi.org/10.3139/104.111219) - Strukturintegrierte Kraftmessung. Teil 2 - wirkstellennahe Messung. ZWF, 11:819–824, 2014
C. Friedrich und K. Grossmann
(See online at https://doi.org/10.3139/104.111232) - Decentralized structure-integrated spatial force measurement in machine tools. Mechatronics, 40:17–27, 2016
C. Friedrich, B. Kauschinger und S. Ihlenfeldt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.mechatronics.2016.08.008) - Strukturintegrierte Kraftmessung. Teil 3 - wirkstellenferne Messung. ZWF, 1-2:36–40, 2016
C. Friedrich und K. Grossmann
(See online at https://doi.org/10.3139/104.111396) - Spatial force measurement using a rigid hexapod-based end-effector with structure-integrated force sensors in a hexapod machine tool. Measurement, 145C:350–360, 2019
C. Friedrich, B. Kauschinger und S. Ihlenfeldt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.05.044) - Stiffness evaluation of a hexapod machine tool with integrated force sensors. Journal of Machine Engineering, 20(1):58–69, 2020
C. Friedrich, B. Kauschinger und S. Ihlenfeldt
(See online at https://doi.org/10.36897/jme/117786) - Model Calibration for a Rigid Hexapod-Based End-Effector with Integrated Force Sensors. MDPI Sensors, 21(10):3537, 2021
C. Friedrich und S. Ihlenfeldt
(See online at https://doi.org/10.3390/s21103537) - Räumliche Kraftmessung und -regelung mit Parallelkinematiken unter Verwendung strukturintegrierter Kraftsensorik. Dissertation, Technische Universität Dresden, 2022
C. Friedrich
- Spatial Compliance Measurement of a Clamping Table with integrated Force Sensors using the Absolute MultiLine Laser Interferometer. Journal of Machine Engineering, 22(1), 2022
C. Friedrich und S. Ihlenfeldt
(See online at https://dx.doi.org/10.36897/jme/146533)
