SFB/TR96 C06 Messtechnische Erfassung

Eine systemische Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität am Beispiel der spanenden Fertigung

Laufzeit:	07/2011 – 06/2015
Finanzierung:	DFG – SFB/TR 96
Bearbeiter:	Dr.-Ing. Jens Müller Dipl.-Ing. Marcel Merx
Kooperation:	Standorte Dresden, Aachen und Chemnitz des SFB/TR 96

Zielstellung

Das Ziel des Vorhabens ist es, die Analyse von Werkzeugmaschinen entlang der thermischen Wirkungskette zu verbessern. Dazu sollen die gegenwärtigen Hauptdefizite:

begrenzte strukturelle Auflösung der Temperatur- und Verformungsmessung,
hoher Zeitaufwand zur Vorbereitung und Durchführung von Messungen sowie
der fehlende Bezug zwischen steuerungsintern- und extern verfügbaren Messgrößen

durch den Einsatz einer neuartigen Messmethodik beseitigt werden. Diese nutzt die auf definierte Messpunkte bezogene (selektive) Thermografie zur berührungslosen Temperaturmessung bzw. die Nahbereichsfotogrammetrie zur berührungslosen Deformationsmessung auch an bewegten Baugruppen und bezieht die von der Maschinensteuerung erfassten Daten unter Berücksichtigung des korrekten Zeitbezugs in die Auswertung ein. Die Messmethodik wird in der ersten Projektphase an einem spezifischen Versuchsträger implementiert und weiterentwickelt.

Lösungsweg

Ausgangspunkt für die Arbeiten ist der am IWM entwickelte und bereits aufgebaute Versuchsträger in Leichtbauweise, welcher zu Projektbeginn hinsichtlich der relevanten Verhaltensbereiche (Geometrie und Kinematik, Statik, Dynamik) untersucht wird. Aus den ermittelten Daten werden Verhaltensmodelle abgeleitet, um die isolierte Betrachtung des thermischen Verhaltens des Versuchsträgers zu ermöglichen.

Als Grundlage für die Entwicklung der neuartigen Messmethodik werden die Nahbereichsfotogrammetrie sowie die selektive Thermografie für den Einsatz an Werkzeugmaschinen qualifiziert. Dies umfasst die Definition von geeigneten Signalisierungen (bspw. Papiermarken) zur Darstellung von Messpunkten am Untersuchungsobjekt. Es werden verschiedene Varianten entwickelt und hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit (Fotogrammmetrie) sowie der Temperaturauflösung (Thermografie) verglichen. Schließlich werden die Kamerabilder und Thermobilder durch geeignete Auswertealgorithmen kombiniert, um Verformungs- und Temperaturfeld in Deckung zu bringen.

Am Versuchsträger wird eine PC-basierte CNC-Steuerung integriert, wobei Funktionalitäten zur Erfassung und Dokumentation der grundlegenden (bspw. Motorströme, Drehzahlen usw.) und erweiterten (bspw. Temperaturen, Beschleunigungen) steuerungsinternen Daten geschaffen werden.

Die entwickelte neuartige Messmethodik wird schließlich am Versuchsträger implementiert, evaluiert und weiterentwickelt.

Ergebnisse

Bisher wurde der Versuchsträger in den Verhaltensbereichen Geometrie & Kinematik, Statik und Dynamik untersucht und aus den Untersuchungsergebnissen ein Maschinenmodell abgeleitet. Die Steuerungsfunktionalität wird derzeit weiterentwickelt und Methoden zur Datenerfassung implementiert.

Zur Qualifizierung der selektiven Thermografie und der Nahbereichsfotogrammetrie für den Einsatz an Werkzeugmaschinen wurden geeignete Marken bzw. Signalisierungen entwickelt (Bild 1 links). Für die Fotogrammmetrie („sichtbares“ Spektrum) konnten Papiermarken als geeignet identifiziert werden.

Bild 1: Einteilung von Signalisierungen für Nahbereichsfotogrammetrie und selektive Thermografie

Für die selektive Thermografie wurden unterschiedliche Arten von Signalisierungen (Bild 1 rechts) entwickelt und erstellt. Um eine definierte Versuchsumgebung zu schaffen, wurde eine beheizbare Versuchseinrichtung entwickelt und aufgebaut (Bild 2 links). Diese ermöglicht es, die Temperatur der blanken Metalloberflächen der Versuchseinrichtung bzw. aufgebrachter Materialproben gezielt einzustellen, um das Verhalten der Signalisierungen bei unterschiedlichen thermischen Parametern (Temperatur, Emissions- bzw. Reflexionsgrad des Untergrundes, Strahlungshintergrund, usw.) bewerten zu können (Bild 2 rechts).