Modellgestütztes und maschinenintegrierbares Multisensorsystem zur automatischen und prozessparallelen Ermittlung und Kompensation des volumetrischen Maschinenfehlers am funktionalen Punkt (AutoKomp II)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Robert Heinrich Schmitt
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 298597595

Der Trend in der Produktionstechnik hin zur effizienteren Fertigung von Bauteilen mit komplexer werdenden Geometrien und schrumpfenden Toleranzen ist durch die fortschreitende technologische Entwicklung ungebrochen. Für die Bauteilqualität ist die Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine ein entscheidender Faktor. Jede Abweichung von der Sollbewegung am funktionalen Punkt (volumetrischer Fehler) wird auf das Werkstück übertragen und resultiert in Formabweichungen. Als Gegenmaßnahme industriell etabliert ist die Kalibrierung der Werkzeugmaschine, d.h. das Messen der Maschinenfehler, mit einer anschließenden steuerungsbasierten Kompensation. Da der volumetrische Fehler prozess-, temperatur-, last-, und verschleißabhängig variiert, verlieren statische Kompensationen innerhalb kurzer Zeitspannen (in Extremfällen wenige Stunden) an Gültigkeit. In der Industrie sind regelmäßige Wiederholungen der Kalibrierung zwar etabliert, sie sind aufgrund der hohen Veränderlichkeit des volumetrischen Fehlers unzureichend und verursachen gleichzeitig hohe Kosten. Zusätzlich existieren in Forschung und Industrie zahlreiche Methoden die Veränderlichkeit einzelner geometrischer Fehler zu kompensieren jedoch fehlt ein Gesamtmodell für die praxistaugliche Kompensation aller relevanten statischen und elastischen Effekte. Um den ökonomischen Nutzen von Kalibrierungen zu maximieren und kosten- und energieaufwendige Klimatisierung zu vermeiden, sollten zeitdiskrete Kalibrierungen und die prozessparallele Erfassung von Maschinenzuständen sowie die verschiedenen Modellierungsansätze effektiv ineinandergreifen. Das Ziel der hier beantragten Phase des Gesamtvorhabens ist die Weiterentwicklung und Implementierung eines modellgestützten, maschinenintegrierbaren Multisensorsystems zur automatischen und prozessparallelen Ermittlung und Kompensation des volumetrischen Maschinenfehlers am funktionalen Punkt. Aufbauend auf dem in Phase eins entwickelten und validierten Sensoraufbau zur prozessparallelen Erfassung der geometrischen Fehler innerhalb einer Linearachse soll die gesamte Versuchsmaschine mit entsprechenden Sensoren ausgestattet werden. Zusätzlich sollen weitere Sensoren verwendet werden, um auch Maschinen- und Umgebungszustände, wie z.B. die Verformung von Strukturkomponenten und die Temperaturverteilung, aufzunehmen. Als Zeitdiskrete Stützfeiler für den Aufbau die Einstellung und Validierung eines Gesamtmodells kommen direkte Messungen des volumetrischen Fehlers hinzu, wobei es gilt die Zeitabstände hierfür zu maximieren. Dieses Multisensorsystem liefert dann Daten für einen hybriden Gesamtmodellansatz, welcher einerseits bestehende und industriell etablierte Methoden berücksichtigt aber auch die Vorteile modernster White-Box- und Black-Box-Modellierung versucht zu vereinen. Das Vorhaben wird über ein Jahr an einer Versuchsmaschine getestet und validiert, bevor es in Phase drei auf weitere Maschinentypen und in den Produktivbetrieb übertragen werden soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen