SFB/TR B07 - Strukturmodellbasierte Korrektur thermo-elastischer Fehler an Werkzeugmaschinen
Zielstellung:
Das TP B07 befasst sich mit der Erstellung, der Inbetriebnahme und dem Betrieb der strukturmodellbasierten thermischen Korrektur. Ziel ist es, thermo-elastische Fehler an Werkzeugmaschinen (WZM) steuerungsintegriert und in thermischer Echtzeit zu korrigieren. Hierfür werden physikalisch basierte Modelle verwendet, die das thermische Verhalten der WZM inklusive ihrer Strukturvariabilität abbilden. Dieser Ansatz ist vor allem bei stark veränderlichen thermischen Lasten, wie z. B. in der Einzel- und Kleinserienfertigung, vorteilhaft im Vergleich zu korrelativen Korrekturansätzen, die insbesondere in der Serienfertigung sehr gute Ergebnisse erzielen.
In der 1. Phase des SFB/TR 96 (Grundlagen) wurde dieser Korrekturansatz in funktionale Module strukturiert, algorithmisch aufbereitet und seine Funktion an Einzelachsen nachgewiesen. In der 2. Phase (Integration) wurde der Korrekturansatz am Versuchsträger MAX mit drei kartesischen Achsen und entsprechend komplexeren thermischen Zuständen erweitert und die Steuerungsintegration auf einer kommerziellen Steuerung getestet. Damit wurden die Grundlagen für die technische Lösung der strukturmodellbasierten Korrektur gelegt und der Funktionsnachweis erbracht.
Während der 3. Phase sollen die Defizite der strukturmodellbasierten Korrektur unter Betriebsbedingungen im Fokus stehen. Es existiert kein Vorgehen zur effizienten Bestimmung der Störanfälligkeit der Korrektur sowie der zu erwartenden Restfehler und der Ursachen dieser Restfehler bei Inbetriebnahme. Das thermische Verhalten einer WZM kann sich im Laufe des Betriebs ändern (z. B. durch Einlauf und Verschleiß), wodurch sich die Korrekturgenauigkeit sukzessive verschlechtert. Bei Betriebsunterbrechungen und Wiederanlauf der Korrektur führen Abweichungen im Starttemperaturfeld des Modells zu einem Offset, zwischen simuliertem und realem thermischem Fehler, am Wirkpunkt. Zusätzliche rechenintensive Funktionalitäten, wie z. B. eine Parameteroptimierung, können zu einer Beeinträchtigung der wesentlichen Steuerungsfunktionen führen. Aus den Defiziten ergeben sich die folgenden Forschungsfragen:
- Wie können die Korrekturgüte und Störanfälligkeit der Korrektur bei Inbetriebnahme bestimmt und Verbesserungspotentiale identifiziert werden?
- Wie kann die Korrekturgüte, Robustheit und Verfügbarkeit des Korrekturansatzes im Betrieb und bei Wiederanlauf der Korrektur überwacht und abgesichert werden?
- Können Rechencluster verwendet werden um, unter Berücksichtigung moderner Sicherheitsaspekte und Anforderungen der Maschinensteuerung, vollautomatisch Kapazitäten zur Auslagerung von Berechnungen zur Verfügung zu stellen?
- Wie müssen umfängliche kryptografische Sicherheit und vollautomatische Ressourcenorchestration gestaltet und kombiniert werden, sodass eine Verwendung im industriellen Umfeld insb. für die strukturmodellbasierte thermische Korrektur möglich ist?
Einordnung der strukturmodellbasierten Korrektur in die thermo-elastische Wirkungskette
Lösungsweg:
Um die Fragen während der Inbetriebnahme der Korrektur zu beantworten, soll ein messtechnisch- und modellbasiertes Vorgehen zum Test der Teilbereiche Datenerfassung, Modellberechnung und Korrekturwertaufschaltung entwickelt werden. Im Betrieb soll die Korrektur mittels Temperatur- und Verlagerungsmessungen an sensitiven Punkten sowie unter Nutzung von Vergleichsmodellen überwacht werden. Bei relevanten Abweichungen sollen die Modellparameter nachgeführt werden, um die Korrekturgüte zu erhalten. Darüber hinaus sollen Varianten zur Schätzung des Starttemperaturfeldes nach Betriebsunterbrechungen evaluiert werden. Zu den Varianten gehört die Fortführung des Modells während Betriebsunterbrechungen auf externer Hardware (Rechencluster), die geraffte Simulation unter Annahmen für Umgebung und technologische Lasten sowie die Interpolation des Temperaturfeldes zwischen Messpunkten.
Rechencluster sollen einerseits verwendet werden um kontinuierliche Berechnungen während und zwischen dem Betrieb der WZM zu übernehmen, andererseits um Lastspitzen durch kurzzeitig Aufgaben (z.B. das Nachführen von Modellparametern) abzufedern, die Steuerungsrechner überlasten könnten. Die Nutzung der Server im Cluster richtet sich dabei nach dem tatsächlichen Bedarf und ermöglicht es Kapazitäten flexibel durch alle angeschlossenen WZM zu nutzen. Zusätzlich können Modelle von mehreren Maschinen in einem Fertigungsbereich sowie deren thermische Maschinenumgebung auf wenigen Servern konzentriert, überwacht, abgeglichen und administriert werden. Diese Trennung von Produktionsumgebung und Rechentechnik erleichtert es Anpassungen (z. B. bei Kleinserienproduktion) vorzunehmen und reduziert den Wartungsaufwand. Weitere offene Forschungsfragen, die in diesem Kontext beantwortet werden müssen, betreffen neben einer sicheren und robusten Kommunikation zwischen Maschinensteuerungen und Rechencluster (Authentifizierung, Verschlüsselung, Nachrichtenlatenz) auch die Bereitstellung der erforderlichen serverseitigen Ressourcen. Die Möglichkeiten zur Absicherung und garantierter Verfügbarkeit der Berechnungsumgebung, die automatische und bedarfsgerechte Anpassung der Rechenleistung, die Nachverfolgbarkeit der ausgetauschten Daten sowie der Schutz von Betriebsdaten sind insbesondere im industriellen Umfeld zu untersuchen.
Veröffentlichungen:
Thiem, X. ; Kauschinger, B. ; Ihlenfeldt, S. : Online correction of thermal errors based on a structure model. In: International Journal of Mechatronics and Manufacturing Systems, In press, 2019 Link
Thiem, X. ; Kauschinger, B. ; Ihlenfeldt, S. : Structure model based correction of machine tools. In: Conference on Thermal Issues in Machine Tools, Auerbach/Vogtl: Verlag Wissenschaftliche Scripten, 2018, S. 309–3018
Naumann, C. ; Spierling, R. ; Wennemer, M. ; Fey, M. ; Brecher, C. ; Thiem, X. ;
Riedel, M. ; Kauschinger, B. ; Ihlenfeldt, S.: Experimentelle Analyse modellbasierter Korrekturverfahren für thermo-elastische Verformungen im Online-Einsatz an einer Demonstratormaschine. In: 5. Kolloquium zum SFB/TR 96. Chemnitz, 2017. – ISBN 978–3–86780–516–2, S. 221–239
Wiemer, H. ; Höfer, H. ; Ihlenfeldt, S. ; Müller, J.; Thiem, X. ; Schroeder, S. ;
Galant, A. ; Kauschinger, B. : Methoden und Möglichkeiten von virtuellen Demonstratoren zur Gestaltung und Korrektur des thermoelastischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen. In: 5. Kolloquium zum SFB/TR 96. Chemnitz, 2017. – ISBN 978–3–86780–516–2, S. 277–308
Thiem, X. ; Kauschinger, B. ; Ihlenfeldt, S. : Structure Model Based Correction of Thermally Induced Motion Errors of Machine Tools. In: Procedia Manufacturing (2017), Nr. 14, S. 128–135 Link
Putz, M. ; Ihlenfeldt, S. ; Kauschinger, B. ; Naumann, C. ; Thiem, X. ; Riedel, M. : Implementation and demonstration of characteristic diagram as well as structure model based correction of thermo-elastic tool center point displacements. In: Journal of Machine Engineering (2016), Nr. 16, S. 88-101 Link
Ihlenfeldt, S. ; Thiem, X. ; Naumann, C. ; Riedel, M. ; Kauschinger, B. : Experimenteller Vergleich kennfeld- und strukturmodellbasierter Korrektur. In: Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen : begleitender Tagungsband 4. Kolloquium zum SFB/TR 96. Dresden : Verlag Wissenschaftliche Scripten, Aachen, 2016. S. 111–129
Thiem, X. ; Riedel, M. ; Kauschinger, B. ; Müller, J. : Principle and Verification of a Structure Model Based Correction Approach. In: 7th CIRP International Conference on High Performance Cutting (HPC) Bd. 46, 2016, S. 111–114 Link
Thiem, X. ; Kauschinger, B. ; Mühl, A. ; Großmann, K. : Challenges in the development of a generalized approach for the structure model based correction. In: Applied Mechanics and Materials (2015), Nov., Nr. 794, S. 387–394 Link
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Großmann, K. ; Mühl, A. ; Thiem, X. : Korrektur thermisch bedingter Fehler an Werkzeugmaschinen. Module eines strukturmodellbasierten Korrekturansatzes. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF) 109 (2014), Nr. 5, S. 318–323 Volltext
Großmann, K ; Städel, C ; Galant, A. ; Mühl, A : Vergleichende Untersuchung alternativer Methoden zur Erzeugung kompakter Modelle – Berechnung von Temperaturfeldern an Werkzeugmaschinen. In: Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb (ZWF) 107 (2012), Nr. 6, S. 452–456
Großmann, K ; Mühl, A : Modularisierung der Datenflüsse und Algorithmen für die steuerungsintegrierte Korrektur thermisch bedingter Verlagerungen in Werkzeugmaschinen. In: 2. Kolloquium des SFB/TR 96, Modellierung und Simulation. Chemnitz, 2011.
Großmann, K ; Jungnickel, G ; Kauschinger, B. ; Mühl, A ; Rehn, S : Strukturmodellbasierte Korrektur thermo-elastischer Fehler an spanenden Werkzeugmaschinen. In: 1. Kolloquium des SFB/TR 96, Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen. Dresden, 2011.
Großmann, K ; Jungnickel, G ; Kauschinger, B. ; Mühl, A ; Rehn, S : Prozessaktuelle strukturmodellbasierte Korrektur thermoelastischer Fehler. In: 1. Kolloquium des SFB/TR 96, Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen. Dresden, 2011.
Kontakt:
© Crispin-Iven Mokry
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
NameHerr Dr.-Ing. Jens Müller
Antriebs- und Steuerungstechnik
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Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen
Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen
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