Universität Karlsruhe (TH)
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (wbk)

Diplomarbeit

Charakterisierung des dynamischen Verhaltens
einer Mikrofräsmaschine

cand. mach. Stefan Schwarzwälder

 

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung 7

1.1 Motivation ... 7

1.2 Zielsetzung ... 9

1.3 Aufbau der Arbeit 9

2 Grundlagen und Versuchsplanung 11

2.1 Meßmittel ... 11
2.1.1 Laser-Interferometer ... 11
2.1.1.1 Eigenschaften des Laserlichtes ... 12
2.1.1.2 Vorteile des Lasers ... 13
2.1.1.3 Physikalische Grundlagen des Lasers ... 13
2.1.1.4 Helium – Neon – Laser ... 17
2.1.1.5 Interferometrie ... 22
2.1.2 Kreisformtester ... 30
2.1.2.1 Vorteile des Kreisformtests ... 30
2.1.2.2 Aufbau des Renishaw-Ballbar-Verfahrens ... 31
2.1.2.3 Ablauf der Datenerfassung ... 33
2.1.2.4 Auswertung des Kreisformtests ... 39
2.1.3 Besonderheiten für die Durchführung in dieser Arbeit ... 42
2.1.3.1 Totweg ... 42
2.1.3.2 Cosinus-Fehler ... 43
2.1.3.3 Abbe´sches Komparatorprinzip ... 44

2.2 Messen ... 48
2.2.1 Abgrenzung Messen und Prüfen ... 49
2.2.2 Grundlagen ... 50
2.2.3 Definitionen ... 52
2.2.4 Meßabweichung und Meßunsicherheit ... 53
2.2.4.1 Vorbemerkung ... 53
2.2.4.2 Ursachen der Meßunsicherheit ... 54
2.2.4.3 Bedeutung der Meßunsicherheit ... 56
2.2.4.4 Fehlereinteilung ... 56
2.2.5 Fehlerrechnung ... 59
2.2.5.1 Mittelwert ... 60
2.2.5.2 Mittlere Abweichung ... 61
2.2.5.3 Standardabweichungen ... 61
2.2.6 Regressionsrechnung 62

2.3 Normen und Richtlinien zur Charakterisierung und Vermessung der Maschine ... 64
2.3.1 DIN-Normen ... 64
2.3.2 VDI-Richtlinien ... 65
2.3.3 Einschätzung der vorgegebenen Regelwerke ... 66
2.3.4 Versuchsplan 67

2.4 Versuchsplanung und Begriffsbestimmung der Kennwerte ... 68
2.4.1 Vorbemerkung ... 68
2.4.2 Minimale und maximale Bahngeschwindigkeit ... 69
2.4.3 Beschleunigungs –und Verzögerungszeiten und –wege ... 71
2.4.4 Vorschubkonstanz ... 72
2.4.5 Positionierzeit ... 73
2.4.6 Schleppabstand ... 74
2.4.7 Geschwindigkeitsverstärkung ... 75
2.4.8 Grenzfrequenz ... 77
2.4.9 Kreisformabweichung ... 78

3 Versuchsdurchführung 80

3.1 Beschreibung der Mikro-Fräsmaschine 80

3.2 Vermessung der Maschine ... 82
3.2.1 Minimale und maximale Bahngeschwindigkeit ... 83
3.2.2 Beschleunigungs –und Verzögerungszeiten und –wege ... 88
3.2.3 Vorschubkonstanz ... 94
3.2.4 Positionierzeit ... 97
3.2.5 Bestimmung des Schleppabstandes, der Geschwindigkeitsverstärkung und der Grenzfrequenz ... 98
3.2.6 Bestimmung der Kreisformabweichung 105

4 Interpretation und Schlußfolgerungen 109

4.1 Minimale und Maximale Bahngeschwindigkeit ... 109

4.2 Beschleunigungs– und Verzögerungszeiten und –wege ... 110

4.3 Vorschubkonstanz ... 111

4.4 Positionierzeit ... 112

4.5 Geschwindigkeitsverstärkung ... 112

4.6 Kreisformtests 113

5 Zusammenfassung und Ausblick 115

5.1 Bewertung der Mikro-Fräsmaschine ... 116

5.2 Optimierungsmöglichkeiten des Planetengewindetriebs ... 118

5.3 Verbesserung des dynamischen Verhaltens mittels Linearmotor ... 120

Anhang 124

A.1 Literaturverzeichnis ... 124

DIN-Normen und VDI-Richtlinien ... 127

Handbücher und Firmenprospekte 129

A.2 Meßprotokolle / Diagramme ... 130

Maximale Bahngeschwindigkeit x-Achse ... 131

Maximale Bahngeschwindigkeit, y-Achse ... 132

Diagramme Beschleunigungs –und Verzögerungszeiten und –wege, x-Achse ... 133

Diagramme Beschleunigungs –und Verzögerungszeiten und –wege, y-Achse ... 142

Diagramme Positionierzeit x-Achse ... 151

Diagramme Positionierzeit y-Achse ... 152

Wertetabelle Schleppabstand x-Achse ... 154

Wertetabelle Schleppabstand y-Achse ... 155

Meßschriebe des dynamischen Kreisformtests 156

A.3 CNC-Programme ... 161

Programm zur Bestimmung der Vorschubkonstanz sowie zur Ermittlung von Beschleunigungs- und Verzögerungszeiten und –wege ... 161

Programm zur Bestimmung der Positionierzeit ... 162

Programm zum Auslesen des Schleppabstandes bei verschiedenen Geschwindigkeiten ... 163

Dynamischer Kreisformtest nach DIN ISO 230-1 ... 164

Dynamischer Kreisformtest nach DIN ISO 230-1 ... 166

 

1 Einleitung

1.1 Motivation

Voraussetzung für eine rationell geführte Fertigung ist unter anderem genaue Kenntnis quantitativer Angaben über Genauigkeit und Grenzen der eingesetzten Werkzeugmaschinen und Fertigungsmittel. Dies gewinnt zunehmend unter dem Aspekt der zunehmenden Automatisierung und der sich dadurch ergebenden geringeren direkten Eingriffe des Menschen in den Fertigungsprozeß an Bedeutung. Im Vordergrund des Interesses stehen dabei die optimale Anpassung an die Fertigungsaufgabe und die wirtschaftliche Nutzung.

Produktivitätssteigerung und Kostenreduzierung sind demnach vorrangige Ziele moderner Produktionsunternehmen. Dabei erlangen Schlagworte wie „cost-of-ownership“ und „life-cycle-cost“ für die Unternehmen stetig wachsende Relevanz. [TEC-01]

Die Kosten, hervorgerufene Verzögerung der Inbetriebnahme und Produktionsausfälle, Forderung nach besserer Qualität und die Verschärfung gesetzlicher Vorschriften führen zu einer Verschiebung der Akzente der Beurteilung.

Sehr häufig ist die erreichbare hohe Absolut- und Wiederholgenauigkeit bei NC-Maschinen von Interesse und ausschlaggebend für deren Einführung, respektive Anschaffung.

Sie reduzieren die für Kontrollen und Messungen erforderlichen Aufwendungen ganz erheblich, festgestellte Abweichungen lassen sich einfach korrigieren. Die Genauigkeit einer NC-Maschine wird nach verschiedenen Gesichtspunkten beurteilt. Dazu stehen mehrere DIN und VDI/DGQ-Richtlinien zur Verfügung. [MEI-94]

Voraussetzung ist zunächst die geometrische Genauigkeit, das heißt die einzelnen Achsen müssen exakt zueinander ausgerichtet sein.

Eine gute Steifigkeit des Maschinenkörpers ist Voraussetzung dafür, daß beim Verfahren der Achsen und beim Bearbeiten die Genauigkeit der Maschine erhalten bleibt.

Die Genauigkeit einer NC-Maschine wird zusätzlich beurteilt nach der erreichbaren Einfahrtoleranz, die sich aus der systemfehlerbedingten Positionsabweichung und der auf zufälligen Fehlereinflüssen beruhenden Positionsstreubreite zusammensetzt [VDI/DGQ 3441].

Für alle Maschinentypen stehen auch Beurteilungsrichtlinien zur Verfügung, die von einfachen Prüfwerkstücken ausgehen [VDI 2851]. Anhand dieser Einfachprüfwerkstücke soll die Werkzeugmaschine auf typische Fehler untersucht werden.

(Abbildung 1 : Arbeitsunsicherheit einer Werkzeugmaschine – Einflußgrößen - Quelle : [Mei-94] - In Downloadversion enthalten)

Alle rein maschinenbedingten Abweichungen, die bei der Herstellung von Teilen auf einer Werkzeugmaschine entstehen, werden definitionsgemäß unter dem Begriff der Arbeitsunsicherheit zusammengefaßt. Er enthält entsprechend Abbildung 1 damit sowohl systematische als auch zufällige Fehleranteile.

Ein direktes, geschlossenes Prüfverfahren zur Ermittlung der Arbeitsunsicherheit oder der Fertigungsunsicherheit einer Werkzeugmaschine ist technisch zur Zeit nicht realisierbar. Nur verschiedene indirekte Prüfungen geben Aufschluß über die wesentlichen Einflußgrößen. Die systematischen Fehleranteile der Arbeitsunsicherheit - insbesondere die Positionsunsicherheit - werden meist durch direkte Messungen an der Maschine ermittelt.

Im Rahmen der Diplomarbeit FT 2711 [MUN-99] wurde die statische Charakterisierung und Bewertung schon durchgeführt, so daß hieran anschließend nun die dynamische Charakteristik der Mikro-Fräsmaschine erfaßt und beurteilt werden soll.

1.2 Zielsetzung

Es wird beabsichtigt, aus den Kennwerten zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens der Mikro-Fräsmaschine verschiedene Schlüsse ziehen zu können :

Das Hauptaugenmerk soll auf die Möglichkeit eines Vergleiches zwischen der am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (wbk) der Universität Karlsruhe selbst konzipierten und konstruierten Mikro-Fräsmaschine und einem Mikro-Bearbeitungszentrum der Firma Kugler gelegt werden. Darüber hinaus werden die Daten typischen Vergleichsgrößen konventioneller 3-Achs-Fräsmaschinen gegenübergestellt.

Zudem sollen Potentiale und Optimierungsstrategien in Bezug auf Antriebe und Steuerung aufgezeigt und identifiziert werden.

1.3 Aufbau der Arbeit

Es werden zunächst die eingesetzten Meßmittel in ihren physikalischen Grundlagen beschrieben sowie die unter dem Aspekt der Versuchsdurchführung zugehörigen Spezifikationen, wie beispielsweise Genauigkeit, Fehlerquellen und Richtlinien zur Handhabung diskutiert.

Aufgrund der Durchsicht und Analyse der relevanten DIN-Normen und VDI-Richtlinien wird ein Versuchsplan erstellt, der die signifikanten Kennwerte und Kenngrößen zur Charakterisierung der Dynamik der Mikro-Fräsmaschine enthält.

Die Begriffsbestimmung der aufzunehmenden Kenndaten sowie eine Erläuterung ihres Einflusses auf das Verhalten, respektive die Dynamik der Mikro-Fräsmaschine wird sich anschließen, bevor dann die Versuchsplanung erörtert wird. Hierbei soll besonders unter der Prämisse der Reproduzierbarkeit und Validität der Messungen gearbeitet werden.

Die Versuchsdurchführung umfaßt Hinweise und Richtlinien zum konkreten Meßaufbau, der Darstellung der Ergebnisse sowie deren Auswertung und Erläuterung.

Anschließend wird die Interpretation der Meßergebnisse sowie ein Ausblick in bezug auf Potentiale und Optimierungsmöglichkeiten folgen.

2 Grundlagen

2.1 Meßmittel

2.1.1 Laser-Interferometer

In den späten vierziger und wieder in den frühen sechziger Jahren wurden auf der Grundlage der Quantenphysik zwei bedeutende technologische Entwicklungen möglich : Der Transistor und der Laser.

Die Erfindung des Transistors führte zur Entwicklung der Mikroelektronik, die sich mit der (quantenmechanischen) Wechselwirkung zwischen Elektronen und Materie befaßt. Beim Laser geht es um die Wechselwirkung zwischen Photonen und Materie. [TIP-00]

LASER ist ein Akronym und steht für :

Light Amplification by the stimulated emission of radiation und läßt sich am treffendsten mit Lichtverstärkung durch erzwungene Aussendung von Strahlung übersetzen.

Der Laser wirkt als Oszillator und Verstärker für monochromatisches Licht, Infrarot und Ultraviolett, dabei erzeugt er kohärentes Licht. In diesen Funktionen ist er durchgehend einsetzbar in dem Wellenlängenbereich zwischen etwa 0,1 m und 3 mm, das heißt rund 15 Oktaven des elektromagnetischen Spektrums. Zum Vergleich sei erwähnt, daß das sichtbare Licht nur die Oktave von circa 0,37 bis 0,75 m Wellenlänge umfaßt. [SCH-89][

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