Grundlagen zur strukturinte­grierten Messung und steuerungsinte­grierten Verarbeitung räumlicher Kräfte und Momente in Fertigungsein­richtungen

Zielstellung und Lösungsansatz

Die prozessaktuelle Messung von Kräften und Momenten ist zunehmend Voraussetzung für viele fertigungstechnische Anwendungen. Ihr Einsatz reicht von Prozessdiagnose und -überwachung über Qualitätssicherung und -nachweis bis hin zur geregelten Bearbeitung und adaptiven Prozessführung. Mit dem erweiterten Bewegungsvermögen moderner Fertigungseinrichtungen (z.B. 5-Achs-Maschinen oder Hexapoden) wächst dabei der Bedarf an prozessaktueller Erfassung räumlicher Kräfte und Momente in bis zu 6 Freiheitsgraden.

Meist werden hierfür autarke 6D-Kraftmessplattformen unmittelbar in der Nähe der Wirkstelle angebracht. Damit verbunden sind eine Verkleinerung des nutzbaren Arbeitsraumes, eine Einschränkung bei der Montierbarkeit von Werkzeugen oder Werkstücken und der Robustheit der Fertigungseinrichtung (z.B. bzgl. aggressiver Medien oder Späne in Sensornähe) sowie vor allem hohe Investitionskosten. Alternativ dazu werden Kräfte und Momente aus Motorströmen rekonstruiert, allerdings ist der Einsatz dieser Methodik aufgrund nichtlinearer und stochastischer Störeinflüsse in der Antriebskette auf Anwendungen mit sehr niedrigen Genauigkeitsanforderungen begrenzt.

Großes Potenzial besteht daher in der Integration mehrerer Kraftsensoren direkt in die Maschinenstruktur und der intelligenten Verarbeitung der Messsignale zu räumlichen Kräften und Momenten an der Wirkstelle. Insbesondere parallele Stabstrukturen (z.B. als Leichtbau-Endeffektorplattform) und Parallelkinematiken – und für die 6D-Messung speziell Hexapodstrukturen und Hexapoden – sind dafür geeignet, und zwar aufgrund der im Vergleich zu seriellen Kinematiken günstigeren Übersetzung von Fehlern und Steifigkeiten, der nahezu reibungsfreien Messung sowie der Möglichkeit, kostengünstige einachsige Standard-Kraftsensoren mit hoher Steifigkeit einzusetzen. Allerdings müssen struktur- und prozessbedingte Einflüsse – wie bspw. Achsbewegungen, Massen, Trägheiten und Schwerpunktlagen – bei der Messdatenauswertung durch entsprechende Messmodelle berücksichtigt werden.

Ergebnisse

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 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 Ergebnisse um die Möglichkeit zur Messung während der Maschinenbewegung erweitert. Das beinhaltet die Ergänzung der Messmodelle um dynamische Anteile, die Entwicklung einer schnellen, synchronen und rauscharmen messtechnischen Erfassung der zur Berechnung notwendigen Kräfte und Beschleunigungen und die experimentelle Validierung der dynamischen Messung und vergleichende Beurteilung der erreichbaren Messgenauigkeit sowie Untersuchung von Fehlereinflüssen. Ferner erfolgten die Erweiterung, Optimierung und Validierung der Parameteridentifikationsverfahren für die dynamischen Modelle sowie Untersuchungen zur Machbarkeit einer Prozesskraftregelung auf Basis der integrierten Kraftmessung durch Umsetzung einer einfachen Kraftregelung an einem Beispielprozess mit Untersuchungen zur Sollwertaufschaltung auf die CNC und Untersuchung verschiedener Regelungsansätze.

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Veröffentlichungen

Friedrich, C. ; Kauschinger, B. ; Ihlenfeldt, S. : Spatial force measurement using a rigid hexapod-based end-effector with structure-integrated force sensors in a hexapod parallel kinematic. In: Measurement (2019), 145C, S. 350–360

Friedrich, C. ; Kauschinger, B. ; Ihlenfeldt, S. : Decentralized structure-integrated spatial force measurement in machine tools. In: Mechatronics 40 (2016), S. 17–27

Friedrich, C. ; Großmann, K. : Strukturintegrierte Kraftmessung. Teil 3 – wirkstellenferne Messung. In: ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 111 (2016), Nr. 1–2, S. 36–40

Friedrich, C. ; Großmann, K. : Strukturintegrierte Kraftmessung. Teil 2 – wirkstellennahe Messung. In: ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 109 (2014), Nr. 11, S. 819–824

Friedrich, C. ; Kauschinger, B. ; Höfer, H. ; Merx, M. ; Großmann, K. : Strukturintegrierte Kraftmessung. Teil 1 – Sensorintegration und Verformungsbetrachtung. In: ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 109 (2014), Nr. 10, S. 722–725

Weitere Veröffentlichungen in Vorbereitung.

Kontakt

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Herr Dr.-Ing. Christian Friedrich

Mitarbeiter der Hauptabteilung CPPS am Fraunhofer IWU Dresden

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