Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

TheKo5 - Thermo-elastische Korrektur für 5-Achs-Bearbeitungszentren

Das entscheidende Qualitätskriterium einer Werkzeugmaschine, das zur Kaufentscheidung des Kunden führt, ist die Produktivität. Diese ist wiederum eng mit der erzielbaren Bearbeitungsgenauigkeit verknüpft, wodurch ein Konflikt entsteht: Wird die Produktivität der Maschine weiter gesteigert, so steigt auch die Wärmeentwicklung in der Maschine und sie verliert an Genauigkeit.

Das Projekt »TheKo5« fokussiert sich daher auf die Messung, Modellierung und Kompensation der thermo-elastischen Verlagerungen von 5-Achs Werkzeugmaschinen. Dabei werden thermo-elastische Abweichungen gemessen und prognostiziert, um eine maximale Maschinengenauigkeit zu erreichen.

Für die Messung thermo-elastischer Abweichungen ist eine schnelle Messmethode Voraussetzung, da die Struktur im Laufe des Messvorgangs abkühlt und damit die Messgenauigkeit beeinträchtigt. In diesem Forschungsvorhaben soll der R-Test mittels neuer kontinuierlichen Messstrategien und mathematischen Lösungsmethoden ermächtigt werden, thermo-elastische Abweichungen in großer Zahl, schnell zu erfassen.

Eine kontinuierliche Erfassung ist nicht wirtschaftlich durchführbar, daher wird die Messung, um ein Modell ergänzt, das die thermo-elastischen Verlagerungen zwischen einzelnen Messungen vorhersagt. Die Vorhersage des Verhaltens zwischen zwei Messungen erfolgt mittels eines FE-Modells mit einer geringen Anzahl von Freiheitsgraden.

Deutschland nimmt mit einem Produktionsvolumen von über 14 Mrd. € und einem Exportvolumen von über 7,6 Mrd. € im Jahr 2014 eine weltweit führende Position ein. Gleichzeitig sind knapp 53 % der Hersteller von Werkzeugmaschinen, sowie viele Zulieferer derselben, kleinen und mittleren Unternehmen (KMU). Ebenfalls sind 87 % der Betriebe des deutschen Maschinen- und Anlagenbaus, als Hauptanwender spanender Werkzeugmaschinen, KMU. Somit entsteht durch die im Projekt »TheKo5« angestrebten Innovationen ein Mehrwert für die KMU der deutschen Werkzeugmaschinenbranche.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt TheKo5 wurde ein Ansatz entwickelt, um die thermo-elastische Abweichungen in fünfachsigen Werkzeugmaschinen zu reduzieren. Zu Beginn des Projekts wurden gemeinsam mit den Mitgliedern des Vereins Ultrapräzisionstechnik die Anforderungen sowie der Ansatz der Methodik definiert. Die Methodik besteht primär aus zwei Entwicklungen: 1. Methode für die schnelle Messung von einem thermischen Zustand, 2. Modellierungsmethode für die Vorhersage. Eine Herausforderung lag in der Entwicklung einer sehr schnellen, jedoch robusten Messmethode. Eine schnelle Messung ist erforderlich, da sich die thermo-elastischen Abweichungen schnell verändern. Eine weitere Herausforderung war die Modellierung dieser Abweichungen innerhalb von einem kurzen Zeitraum mit einer hinreichenden Genauigkeit, um die Abweichungen ständig zu korrigieren, wenn die Messung nicht möglich ist. Hierfür wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt.

Erzielte Ergebnisse:

- Ansatzentwicklung zur Messung, Modellierung sowie Korrektur der thermo-elastischen Abweichungen in fünfachsigen Werkzeugmaschinen

- Entwicklung und Validierung einer schnellen jedoch robusten Messmethode für die thermo-elastischen Abweichungen

- Entwicklung und eines FE-Modells für die Modellierung der thermo-elastischen Abweichungen in thermischer Echtzeit.

- Entwicklung einer modularen Kompensationseinheit für die Korrektur der gemessenen sowie modellierten Abweichungen in der Steuerung.

- Thermische Untersuchung der Demonstratormaschine unter internen sowie externen Belastungen

- Validierung des Ansatzes unter realen thermischen Lasten