Ressourceneffiziente Kalibrierung von 5-Achs-Werkzeugmaschinen mit Tracking-Interferometern

Die Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen lässt sich durch die Kalibrierung von Geometriefehlern und deren Kompensation deutlich steigern. Ein innovatives Verfahren zur Messung der Geometriefehler, das für Koordinatenmessgeräte eingesetzt wird, ist die sequentielle Multilateration mit Tracking-Interferometern. Die Anwendung dieses Verfahrens für die Kalibrierung von Werkzeugmaschinen wird erstmalig untersucht und um zwei Funktionen erweitert: Die Kalibrierung von Rotationsachsen und die kontinuierliche Messung bei bewegter Maschine. Abschließend werden die Effektivität und die Effizienz des Verfahrens in Bezug auf die Steigerung der Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen untersucht. Die sequentielle Multilateration lässt sich auf verschiedene Kinematiken anwenden, wenn diese mathematisch beschrieben sind. In der Koordinatenmesstechnik wurden Tracking-Interferometer bislang zur Kalibrierung von Linearachsen eingesetzt. Da viele moderne Werkzeugmaschinen über zusätzliche Drehachsen verfügen, wird das Verfahren durch ein Modell der Rotationsachsen ergänzt, eine Kalibrierstrategie entwickelt und validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Rotationsachsen vollständige und mit hinreichend geringer Unsicherheit kalibriert werden können. Ein Hinderungsgrund für die Kalibrierung von Werkzeugmaschinen ist die Dauer der Messung, die zu Ausfallzeiten in der Produktion führt. Ein Ansatz, die Kalibrierung mit Tracking-Interferometern effizienter zu gestalten, ist die kontinuierliche Messung bei bewegter Maschine. Die Herausforderung der kontinuierlichen Messung ist die Synchronisation des Tracking-Interferometers mit der Werkzeugmaschine. Daher wird ein System zur synchronen Datenaufnahme entwickelt und validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Geometriefehler schneller, mit erhöhter Messpunktdichte und hinreichend geringer Unsicherheit gemessen werden können. Das Ziel der Kompensation der Geometriefehler von Werkzeugmaschinen ist die Steigerung der Fertigungsgenauigkeit, um kleinere Toleranzen einhalten zu können oder den Fertigungsprozess zu zentrieren. Untersuchungen an einem Testbauteil zeigen, dass die herstellbare Toleranz um bis zu 50% reduziert werden kann. Die Effizienz der Kompensation ist ein Maß für die Wirtschaftlichkeit der Kompensation. Der Verkürzung von Anlaufzeiten und der Minderung von Ausschuss stehen Ausfallzeiten der Produktion sowie Kosten für die Aufrüstung der Werkzeugmaschine gegenüber. Die Kalibrierkosten werden dem Nutzen gegenübergestellt.

Klappentext

Die Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen lässt sich durch die Kalibrierung von Geometriefehlern und deren Kompensation deutlich steigern. Ein innovatives Verfahren zur Messung der Geometriefehler, das für Koordinatenmessgeräte eingesetzt wird, ist die sequentielle Multilateration mit Tracking-Interferometern. Die Anwendung dieses Verfahrens für die Kalibrierung von Werkzeugmaschinen wird erstmalig untersucht und um zwei Funktionen erweitert: Die Kalibrierung von Rotationsachsen und die kontinuierliche Messung bei bewegter Maschine. Abschließend werden die Effektivität und die Effizienz des Verfahrens in Bezug auf die Steigerung der Fertigungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen untersucht. Die sequentielle Multilateration lässt sich auf verschiedene Kinematiken anwenden, wenn diese mathematisch beschrieben sind. In der Koordinatenmesstechnik wurden Tracking-Interferometer bislang zur Kalibrierung von Linearachsen eingesetzt. Da viele moderne Werkzeugmaschinen über zusätzliche Drehachsen verfügen, wird das Verfahren durch ein Modell der Rotationsachsen ergänzt, eine Kalibrierstrategie entwickelt und validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Rotationsachsen vollständige und mit hinreichend geringer Unsicherheit kalibriert werden können. Ein Hinderungsgrund für die Kalibrierung von Werkzeugmaschinen ist die Dauer der Messung, die zu Ausfallzeiten in der Produktion führt. Ein Ansatz, die Kalibrierung mit Tracking-Interferometern effizienter zu gestalten, ist die kontinuierliche Messung bei bewegter Maschine. Die Herausforderung der kontinuierlichen Messung ist die Synchronisation des Tracking-Interferometers mit der Werkzeugmaschine. Daher wird ein System zur synchronen Datenaufnahme entwickelt und validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Geometriefehler schneller, mit erhöhter Messpunktdichte und hinreichend geringer Unsicherheit gemessen werden können. Das Ziel der Kompensation der Geometriefehler von Werkzeugmaschinen ist die Steigerung der Fertigungsgenauigkeit, um kleinere Toleranzen einhalten zu können oder den Fertigungsprozess zu zentrieren. Untersuchungen an einem Testbauteil zeigen, dass die herstellbare Toleranz um bis zu 50% reduziert werden kann. Die Effizienz der Kompensation ist ein Maß für die Wirtschaftlichkeit der Kompensation. Der Verkürzung von Anlaufzeiten und der Minderung von Ausschuss stehen Ausfallzeiten der Produktion sowie Kosten für die Aufrüstung der Werkzeugmaschine gegenüber. Die Kalibrierkosten werden dem Nutzen gegenübergestellt.