Korrektur thermischer Verformungen an einem Bearbeitungs­zentrum

Zielstellung

Für ein Bearbeitungszentrum ist eine thermische Korrektur als Softwarelösung aufzubauen. Diese Maschine besitzt drei translatorische und mit der Rundtisch- und Schwenkeinheit zwei rotatorische lagegeregelte Vorschubachsen, welche für die Ausführung der thermischen Korrektur genutzt werden sollen. Als wesentliche Wärmequellen und Einflussgrößen kommen die Hauptspindel, die Vorschubantriebe, der Zerspanungsprozess mit Prozesskühlung, das Kühlregime der Antriebsmotoren und die Umgebungstemperatur in Betracht.

Lösungsweg

Der Korrektur wird ein strukturbasiertes Zustandsmodell der Maschine zugrunde gelegt. Der Vorteile dieser Methode gegenüber korrelativen Zustandsmodellen besteht in der Verarbeitung beliebiger thermischer Lastverläufe und Randbedingungen. An einem thermischen Knotenpunktmodell nach Bild 1 erfolgt prozessparallel die Berechnung des Temperaturfeldes mit den aktuellen Lastdaten wie Drehzahlen und Leistungen der motorischen Antriebe, Position der Achsen und Signalgrößen zur Beschreibung des Maschinenzustandes, zum Kühlmitteleinsatz, zur Arbeitsraumtür usw. Weitere unumgängliche Eingangsgrößen sind die Umgebungstemperatur und die Vorlauftemperatur der Fluidkreisläufe. Aus dem Temperaturfeld der Maschine lassen sich mit vereinfachenden Ansätzen die thermischen Verformungen der Bauteile und die thermisch bedingten Abweichungen am Wirkpunkt Werkzeug/Werkstück ermitteln. Diese Abweichungen werden in der Maschinensteuerung zur Korrektur der Achspositionen genutzt.

Ergebnisse

Das Zustandsmodell wurde entwickelt und getestet, siehe Bild 2. Das Kompensationsprogramm ist als WIN32-DLL ausgeführt. Beim Anwender laufen Versuche zur erreichbaren Genauigkeit und Maßnahmen für eine industrietaugliche Integration in die Maschinensteuerung.

Im vorliegenden Projekt sind nur die translatorischen Abweichungen zu korrigieren. Die Maschine wird in der Mittelstellung der Vorschubachsen bei waagerechter Tischlage betrachtet, wobei jedoch die durch die Vorschubbewegungen hervorgerufenen Verlustleistungen berücksichtigt werden. Die Einbeziehung der mit den Achsbewegungen verbundenen Strukturänderung im thermischen Modell und der Aufbau einer positionsabhängigen Arbeitsraumkorrektur ist für ein Folgeprojekt vorgesehen.

Kontakt

© Crispin-Iven Mokry

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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Herr Dr.-Ing. Lars Penter

Oberingenieur Forschung und Lehre

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Professur für Werkzeugmaschinenentwicklung und adaptive Steuerungen

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