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.
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. 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
Im Rahmen der Diplomarbeit wird nun die dynamische Charakteristik der Fräsmaschine erfaßt und beurteilt. 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.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Zielsetzung
1.3 Aufbau der Arbeit
2 Grundlagen und Versuchsplanung
2.1 Meßmittel
2.1.1 Laser-Interferometer
2.1.1.1 EIGENSCHAFTEN DES LASERLICHTES
2.1.1.2 VORTEILE DES LASERS
2.1.1.3 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DES LASERS
2.1.1.4 HELIUM – NEON – LASER
2.1.1.5 INTERFEROMETRIE
2.1.2 Kreisformtester
2.1.2.1 VORTEILE DES KREISFORMTESTS
2.1.2.2 AUFBAU DES RENISHAW-BALLBAR-VERFAHRENS
2.1.2.3 ABLAUF DER DATENERFASSUNG
2.1.2.4 AUSWERTUNG DES KREISFORMTESTS
2.1.3 Besonderheiten für die Durchführung in dieser Arbeit
2.1.3.1 TOTWEG
2.1.3.2 COSINUS-FEHLER
2.1.3.3 ABBE´SCHES KOMPARATORPRINZIP
2.2 Messen
2.2.1 Abgrenzung Messen und Prüfen
2.2.2 Grundlagen
2.2.3 Definitionen
2.2.4 Meßabweichung und Meßunsicherheit
2.2.4.1 VORBEMERKUNG
2.2.4.2 URSACHEN DER MEßUNSICHERHEIT
2.2.4.3 BEDEUTUNG DER MEßUNSICHERHEIT
2.2.4.4 FEHLEREINTEILUNG
2.2.5 Fehlerrechnung
2.2.5.1 MITTELWERT
2.2.5.2 MITTLERE ABWEICHUNG
2.2.5.3 STANDARDABWEICHUNGEN
2.2.6 Regressionsrechnung
2.3 Normen und Richtlinien zur Charakterisierung und Vermessung der Maschine
2.3.1 DIN-Normen
2.3.2 VDI-Richtlinien
2.3.3 Einschätzung der vorgegebenen Regelwerke
2.3.4 Versuchsplan
2.4 Versuchsplanung und Begriffsbestimmung der Kennwerte
2.4.1 Vorbemerkung
2.4.2 Minimale und maximale Bahngeschwindigkeit
2.4.3 Beschleunigungs –und Verzögerungszeiten und –wege
2.4.4 Vorschubkonstanz
2.4.5 Positionierzeit
2.4.6 Schleppabstand
2.4.7 Geschwindigkeitsverstärkung
2.4.8 Grenzfrequenz
2.4.9 Kreisformabweichung
3 Versuchsdurchführung
3.1 Beschreibung der Mikro-Fräsmaschine
3.2 Vermessung der Maschine
3.2.1 Minimale und maximale Bahngeschwindigkeit
3.2.2 Beschleunigungs –und Verzögerungszeiten und –wege
3.2.3 Vorschubkonstanz
3.2.4 Positionierzeit
3.2.5 Bestimmung des Schleppabstandes, der Geschwindigkeitsverstärkung und der Grenzfrequenz
3.2.6 Bestimmung der Kreisformabweichung
4 Interpretation und Schlußfolgerungen
4.1 Minimale und Maximale Bahngeschwindigkeit
4.2 Beschleunigungs– und Verzögerungszeiten und –wege
4.3 Vorschubkonstanz
4.4 Positionierzeit
4.5 Geschwindigkeitsverstärkung
4.6 Kreisformtests
5 Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Bewertung der Mikro-Fräsmaschine
5.2 Optimierungsmöglichkeiten des Planetengewindetriebs
5.3 Verbesserung des dynamischen Verhaltens mittels Linearmotor
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Erfassung und Beurteilung der dynamischen Charakteristik einer Mikro-Fräsmaschine, die am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (wbk) konzipiert wurde. Im Zentrum steht dabei die experimentelle Ermittlung signifikanter Kennwerte, um diese einerseits mit einem Mikro-Bearbeitungszentrum der Firma Kugler zu vergleichen und andererseits Optimierungspotenziale für Antrieb und Steuerung zu identifizieren.
- Dynamische Charakterisierung der Mikro-Fräsmaschine mittels Laser-Interferometrie und Kreisformtests.
- Ableitung eines Versuchsplans auf Basis von DIN-Normen und VDI-Richtlinien zur Bestimmung kinematischer Kennwerte.
- Gegenüberstellung der Ergebnisse mit Referenzwerten konventioneller 3-Achs-Fräsmaschinen.
- Analyse von Optimierungsstrategien wie dem Einsatz von Linearmotoren zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens.
Auszug aus dem Buch
2.1.1.1 EIGENSCHAFTEN DES LASERLICHTES
Um die große Bedeutung des Lasers zu erkennen, werden nun im folgenden einige Charakteristika des Laserlichts betrachtet. Hierbei wird der Vergleich eines Lasers mit dem durch eine Wolframfadenlampe emittierten (kontinuierliches Spektrum) oder einem durch eine Neonentladungsröhre (Linienspektrum) ausgestrahlten Lichtes angestellt : [HAL-94]
i) Laserlicht ist nahezu monochromatisch: Wolframlicht, das ein kontinuierliches Spektrum überstreicht, bietet für einen Vergleich keine Basis. Das Licht ausgewählter Linien einer Gasentladungsröhre dagegen kann Wellenlängen im sichtbaren Bereich haben, die auf ungefähr 1 : 106 genau definiert sind. Die Definitionsschärfe von Laserlicht kann leicht tausendmal größer sein, das heißt 1: 109.
ii) Laserlicht ist nahezu kohärent. Die Kohärenzlänge von Laserlicht kann mehrere hundert Kilometer betragen. Zwei Strahlen, die unterschiedliche Wegstrecken dieses Betrages zurückgelegt haben, können noch zur Interferenz gebracht werden. Die Kohärenzlänge für Licht von einer Wolframfadenlampe oder einer Gasentladungsröhre ist dagegen wesentlich kürzer als 1 m.
iii) Laserstrahlen sind nahezu parallel. Laserstrahlen sind nur wegen der Beugungseffekte, die durch die Wellenlänge und den Durchmesser der Austrittsblende bestimmt sind, nicht streng parallel. Licht anderer Lichtquellen kann durch eine Linse oder einen Spiegel zwar annähernd parallel gemacht werden, doch divergiert es wesentlich stärker als Laserlicht. Jeder Punkt einer Wolframfadenlampe zum Beispiel erzeugt einen separaten eigenen Strahl; die Winkeldivergenz des Gesamtstrahls ist nicht durch Beugung, sondern durch die räumliche Ausdehnung des Fadens gegeben.
iv) Laserlicht kann scharf fokussiert werden. Diese Eigenschaft hängt mit der Parallelität des Laserstrahls zusammen. So wie beim Licht der Sterne wird die Größe des fokussierten Strahlenquerschnitts nur durch Beugungseffekte und nicht durch die Ausdehnung der Lichtquelle begrenzt. Flußdichten von ungefähr 1015 W/cm² werden mit gebündeltem Laserlicht leicht erreicht. Im Vergleich dazu hat eine Acetylen/Sauerstoff- Flamme eine Flußdichte von nur etwa 103 W/cm².
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung erläutert die Bedeutung der Genauigkeitsprüfung bei modernen NC-Maschinen und definiert die Zielsetzung der Arbeit, die dynamische Charakterisierung der institutseigenen Mikro-Fräsmaschine vorzunehmen.
2 Grundlagen und Versuchsplanung: Dieses Kapitel beschreibt die eingesetzten Messmethoden (Laser-Interferometer, Kreisformtest) und leitet auf Basis relevanter Normen einen detaillierten Versuchsplan zur Bestimmung dynamischer Kennwerte ab.
3 Versuchsdurchführung: Hier werden der Aufbau der Mikro-Fräsmaschine sowie die konkrete Durchführung der Messungen zur Bestimmung der Bahngeschwindigkeiten, Zeiten, Vorschubkonstanz und Kreisformabweichung detailliert beschrieben.
4 Interpretation und Schlußfolgerungen: Dieses Kapitel diskutiert die gewonnenen Messergebnisse, bewertet das dynamische Verhalten der Achsen und leitet Schlussfolgerungen hinsichtlich der Konfigurationsgüte ab.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Die Arbeit schließt mit einer zusammenfassenden Bewertung der Mikro-Fräsmaschine ab und skizziert Optimierungspotenziale, insbesondere durch alternative Antriebskonzepte wie Linearmotoren.
Schlüsselwörter
Mikro-Fräsmaschine, Dynamik, Laser-Interferometer, Kreisformtest, Bahngeschwindigkeit, Beschleunigung, Vorschubkonstanz, Positionierzeit, Schleppabstand, Geschwindigkeitsverstärkung, Grenzfrequenz, DIN ISO 230, VDI 3427, Maschinencharakterisierung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der dynamischen Charakterisierung und messtechnischen Bewertung einer am wbk der Universität Karlsruhe entwickelten Mikro-Fräsmaschine.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die experimentelle Bestimmung kinematischer Kenngrößen, die Anwendung interferometrischer Messverfahren sowie die Bewertung der Bahngenauigkeit und Antriebsdynamik.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die Gewinnung von Kennwerten zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens, um einen Vergleich mit kommerziellen Anlagen zu ermöglichen und Optimierungsstrategien aufzuzeigen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden standardisierte Verfahren nach DIN ISO 230 und VDI-Richtlinien (3427) angewendet, insbesondere die laserinterferometrische Positionsmessung und der Kreisformtest mit dem Renishaw-Verfahren.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der Messtechnik, die Planung und detaillierte Durchführung der Versuchsreihen sowie die abschließende Interpretation der Messergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Schlüsselwörter sind unter anderem Mikro-Fräsmaschine, Bahngeschwindigkeit, Kreisformabweichung, Schleppabstand, Geschwindigkeitsverstärkung und dynamische Maschinencharakterisierung.
Wie unterscheidet sich die Mikro-Fräsmaschine in der x- und y-Achse laut den Messungen?
Die Messungen zeigen, dass die y-Achse eine höhere Dynamik aufweist als die x-Achse, was auf die geringere y-Verfahrstrecke und die konstruktive Anordnung (y-Tisch sitzt auf x-Tisch) zurückzuführen ist.
Warum ist der Einsatz von Linearmotoren als Verbesserungsvorschlag aufgeführt?
Linearmotoren eliminieren mechanische Übertragungselemente wie den Planetenrollengewindetrieb, wodurch Spiel, Elastizitäten und zusätzliche Trägheitsmassen entfallen, was das dynamische Verhalten signifikant verbessert.
- Quote paper
- Dipl.-Ing. Stefan Schwarzwälder (Author), 2002, Charakterisierung des dynamischen Verhaltens einer Fräsmaschine , Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/87372
