Redundant parallel kinematic machines are parallel mechanisms to which one or more kinematic branch is added in order to improve their mechanical properties, in particular, their stiffness. Redundant parallel kinematic machines have then more actuators than their degree of freedom. New calibration methods are developed in this thesis in order to deal with the particularities related to the actuation redundancy. First, calibration methods using geometrical models are tested. Several measurement systems and control models are compared. A self-calibration is also carried out, where the redundant branches are switched to a passive mode. Thus, they play the role of the measurement system and the mechanism can be calibrated without the help of extra sensors. Geometrical calibration methods, however, do not take into account the internal constraints due to the redundancy. Elastic deformations are neglected although they are shown to have an influence on the positioning accuracy after the calibration. Modeling methods are then developed that take into account the geometry of the mechanism as well as the stiffness of its elements to improve the accuracy of the calibration. With such modeling methods, it is possible to determine the tool-center-point position for redundantly actuated parallel mechanisms from geometrical and stiffness parameters and given positions for all actuators. The modeling methods are first demonstrated on a simple mechanism. They are then tested on a real machine and used in calibration processes. / Mechanismen mit redundanter Parallelkinematik sind Parallelmechanismen, denen eine oder mehrere kinematische Ketten zugefügt werden, um die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Steifigkeit, zu verbessern. Maschinen mit redundanter Parallelkinematik besitzen dann mehr Antriebe als ihr Freiheitsgrad erfordern würde. In dieser Dissertation werden neue Kalibrierungsmethoden entwickelt, um die mit der Antriebsredundanz gebundenen Besonderheiten zu betrachten. Zuerst werden Kalibrierungsmethoden basierend auf geometrischen Modellen getestet. Verschiedene Messmethoden und Messsysteme werden verglichen. Eine Selbstkalibrierung wird durchgeführt. Bei dieser Kalibrierungsmethode werden die redundanten Antriebe freigeschaltet und als Messsystem genutzt. Die Maschine kann dadurch ohne externes Messsystem kalibriert werden. Dennoch betrachten geometrische Kalibrierungsmethode keine internen Verspannungen, die mit der Redundanz verbunden sind. Die elastischen Verformungen werden vernachlässigt, obwohl gezeigt wird, dass sie einen Einfluss auf die Positioniergenauigkeit nach der Kalibrierung haben. Es werden deshalb Modellierungsmethoden entwickelt, die sowohl die Geometrie des Mechanismus als auch die Elementsteifigkeit betrachten, um die Genauigkeit der Kalibrierung zu verbessern. Mit solchen Methoden ist es möglich, die Werkzeugposition redundanter Parallelkinematiken aus den Geometrie- und Steifigkeitsparametern und allen Antriebspositionen zu bestimmen. Die Modellierungsmethoden werden zuerst an einem einfachen Mechanismus angewandt. Sie werden danach an einer realen Maschine getestet und in einem Kalibrierungsprozess genutzt / Les mécanismes à cinématique parallèle redondante sont des mécanismes parallèles auxquels a été ajoutée une branche cinématique, ou plus, dans le but d'améliorer leurs propriétés mécaniques, en particulier, leur rigidité. Les mécanismes à cinématique parallèle redondante possèdent donc plus d'actionneurs que leur degré de liberté. De nouvelles méthodes d'étalonnage sont développées dans cette thèse afin de prendre en compte les spécificités liées à la redondance d'actionnement. Les méthodes d'étalonnage utilisant des modèles géométriques sont d'abord testées. Plusieurs systèmes de mesure et plusieurs modèles de contrôle sont comparés. Un auto-étalonnage est aussi réalisé. Pour cette méthode d'étalonnage, les actionneurs redondants sont mis en mode passif et jouent le rôle de système de mesure. Le mécanisme peut être étalonné sans ajout de codeurs. Cependant, les méthodes d'étalonnage géométriques ne prennent pas en compte les contraintes internes liées à la redondance. Les déformations élastiques sont négligées bien qu'il soit montré qu'elles ont une influence sur la précision de positionnement après étalonnage. Des méthodes de modélisation qui prennent en compte la géométrie du mécanisme ainsi que la rigidité des éléments sont donc développées pour améliorer la précision de l'étalonnage. Avec de telles méthodes, il est possible de déterminer la position de l'outil des mécanismes à redondance d'actionnement à partir de paramètres géométriques et élastiques et de la position de tous les actionneurs. Les méthodes de modélisation sont d'abord appliquées sur un mécanisme simple. Elles sont ensuite testées sur une machine réelle et utilisées dans des processus d'étalonnage.

Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2008

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2008.

Zugl.: Karlsruhe, Universiẗat, Diss., 2009.

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2010

Zugl.: Zürich, Techn. Hochsch., Diss., 2009

An Werkzeugmaschinen können steuerungsintegrierte geometrisch-kinematische Korrekturmodelle, wie z.B. das VCS, sowie Laserinterferometer und Lasertracker zur Bestimmung von Korrekturparametern als Stand der Technik angesehen werden. Defizite bestehen derzeit in der Charakterisierung des genauigkeitsrelevanten Maschinenzustandes durch Bestimmung von Verformungen sowie der räumlichen Lagevermessung bewegter Maschinenbaugruppen im gesamten Arbeitsraum. Photogrammetrische Verfahren sind zwar prinzipiell in der Lage, dies zu realisieren, erreichen aber nicht die notwendige Genauigkeit und können hinsichtlich der Anzahl der Kameras und des Sichtfeldes nicht an die räumlichen Gegebenheiten einer Werkzeugmaschine angepasst werden. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines photogrammetrischen Verfahrens zur Charakterisierung des Maschinenzustandes mit hoher Genauigkeit. Grundlage ist ein Messmodell, in dem die kinematische Struktur und die Messanordnung zusammengeführt wird. Weiterhin werden alle Objektzustände zusammengeführt, um einen möglichst hohen Informationsgehalt zu erreichen und diesen für statistische Auswertungen zugänglich zu machen. Zur Verifizierung werden Analysen von Komponenten und Maschinen sowie die Simulation von Messungen vorgestellt. Dabei wird die kinematische Achsanordnung im Messmodell berücksichtigt, was sowohl die Erstellung optimierter Messkonfigurationen als auch die direkte Parameterermittlung von Korrekturmodellen ermöglicht. Für die Bestimmung thermo-elastischer Verlagerungen an einem Hexapod wird eine erweiterte 6DoF-Messkonfiguration, bestehend aus stationären und mit der Maschine bewegten Kameras, vorgestellt. Damit können Messunsicherheiten von weniger als 10 μm bzw. 10 μm /m in einem Messvolumen von 600 mm x 600 mm x 400 mm experimentell verifiziert werden. Im Mittelpunkt steht dabei die Entwicklung eines Modellierungskonzepts für photogrammetrische Messungen. Anhand von Beispielmessungen wird gezeigt, dass dadurch die erzielbare Messgenauigkeit deutlich erhöht werden kann. Im Vordergrund steht dabei die Kombination der Modelle von Maschine und Messsystem sowie des Messzyklus in einem geschlossenen Messmodell. Durch die Entwicklungen im Bereich Industrie 4.0 besteht ein zunehmender Bedarf, Maschinen zu konfigurieren und zu kalibrieren. Gleichzeitig verbessern sich Leistung, Verfügbarkeit und Zugänglichkeit von maschinenspezifischen Modellen. Die Kombination von maschinenspezifischen Modellen mit Modellen der Messsysteme unter Verwendung der entwickelten Methodik ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Messgenauigkeit.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung und Motivation 1 1.1 Bedeutung und Genauigkeit von Werkzeugmaschinen 2 1.2 Erfassung der Genauigkeit 4 1.3 Anforderungen der Industrie 4.0 an WZM 5 1.4 Inhalt und Aufbau dieser Arbeit 6 2 Aufbau, Verhalten und Korrektur von WZM 9 2.1 Kinematischer Aufbau von WZM 10 2.2 Fertigungs- und Maschinengenauigkeit 11 2.3 Genauigkeitsbestimmende Verhaltensbereiche 13 2.4 Steuerungsintegrierte Korrektur 18 2.5 Methoden zur Erfassung von Abweichungen 20 2.6 Typische Messmittel an WZM 21 2.7 Defizite 29 3 Photogrammetrische Methoden 33 3.1 Bildentstehung 34 3.2 Bildverarbeitung 38 3.3 Objektrekonstruktion 41 3.4 Genauigkeitskenngrößen 50 3.5 Auswertemethoden 53 3.6 Potenziale und Defizite 59 4 Konkretisierung der Zielstellung 61 4.1 Bedarf 62 4.2 Zielstellung 63 4.3 Methodik 63 5 Entwicklung eines Modellierungskonzeptes für WZM 65 5.1 Struktur und Parameter der Modelle 66 5.2 Genauigkeitsrelevante Einflussgrößen 70 5.3 Modellierungskonzept 78 5.4 Beispielhafte Modellierung: DMU80 90 6 Realisierung und Test der Modellumgebung 95 6.1 Hard- und Softwarekonzept 96 6.2 Softwarekomponenten 97 6.3 Bildaufnahme und Bildspeicher 98 6.4 Realisierung und Test der Bildmessung 99 6.5 Implementierung der Modellkomponenten 107 6.6 Realisierung und Test der Ausgleichungskomponente 109 6.7 Verifikation der 3D-Koordinatenbestimmung 111 6.8 Zwischenfazit 112 7 Experimentelle Verifikation 113 7.1 Komponentenanalyse 115 7.2 Analyse von Maschinen 131 7.3 Simulation von Messkonfigurationen 144 8 Zusammenfassung und Ausblick

Der Werkzeugmaschinenbau wendet sich zunehmend der Entwicklung von Maschinen für die Trockenbearbeitung zu. Gründe dafür sind die ökologisch und betriebswirtschaftlich vorteilhafte Einsparung des Kühlschmiermittels und die eventuelle Einsparung von nachgeschalteten Waschgängen. Der breiten Anwendung der Trockenbearbeitung in der Großserienfertigung steht die noch fehlende Prozesssicherheit entgegen. Große Mengen Späne, die bei der Nassbearbeitung durch das Kühlschmiermittel weggespült wurden, müssen nun auf andere Art und Weise abtransportiert werden, um den Bearbeitungsprozess nicht zu gefährden. Ein erfolgsversprechender Ansatz besteht darin mit dem Strömungsmedium Luft die Späne aus dem Prozess zu entfernen. Dieser Problemstellung widmet sich die vorliegende Arbeit. Die Strömung und der Spantransport durch Luftströmungen wurden mit Hilfe von moderner FEM/ CFD- Software simuliert. Die Ergebnisse werden mit zahlreichen Versuchen und Messungen verifiziert. Erstmalig wird in dieser Arbeit die Strömungssimulation auf Arbeitsräume von komplex gegliederten Werkzeugmaschinen angewendet. Die getroffenen zur Simulation nötigen Vereinfachungen werden untersucht und geprüft. Aus den Simulationsergebnissen werden praktische Konstruktionshinweise abgeleitet und das gesamte Vorgehen in den Konstruktionsprozess eingeordnet.

Eine der wichtigsten Eigenschaften einer Werkzeugmaschine ist ihre Dynamik. Agilere Maschinen benötigen weniger Zeit für den Bearbeitungsprozess und verursachen damit geringere Stückkosten. Maschinen, die große Bauteile bearbeiten sollen, müssen jedoch selbst auch groß sein. Aufgrund des 2. Newtonschen Gesetzes (F=m*a) implizieren schwerere Maschinenstrukturen geringere Beschleunigungen bei konstanten Antriebskräften. Durch überlagerte Kinematiken ist es möglich, Werkzeuge in großen Arbeitsbereichen hochdynamisch zu bewegen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit verschiedenen Konzepten und den daraus resultierenden Algorithmen, um die Bewegung für die redundanten Achsen zu zerlegen. Ziel der Dissertation ist es, Algorithmen und Konzepte zur Bewegungszerlegung für redundante Achsen zu entwickeln und in Bezug auf Praxistauglichkeit und Realisierbarkeit in aktuellen Steuerungen vergleichend zu evaluieren. / One of the most important features of machine tools is its dynamics. Fast machines mean less time for the working process and lower running costs. However, a machine tool for working on large workpieces, has to be big, too. Because of the Newton's 2nd axiom (F=m*a), heavy structures imply low accelerations to keep the driving force constant. This doctoral thesis refers to an approach using more drives than the applied degrees of freedom, which means redundancy. In this way, it is possible to build up hierarchical drive structures with different dynamics and specialized tasks. For example, small, lightweight 5DOF structures can be supported by additional large, heavy machine structures. Long travels are done by the large machine structure and high acceleration and jerk are provided by the small unit. Several algorithms have been developed and evaluated to split a trajectory for a machine tool with hierarchical drive structures.

Steigende Anforderungen an die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen sind nicht mehr allein durch die Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens zu erfüllen. Die Simulation des thermischen Verhaltens kann bereits in frühen Phasen der Produktentwicklung entscheidende Hinweise zur Gestaltung des Maschinenentwurfes geben. Die Arbeit beschreibt die Methodik und Umsetzung eines Simulationswerkzeuges aufbauend auf Programmen der Finite-Elemente-Analyse. Neben der Modellierung von Antriebs- und Gestellkomponenten wird auf deren Kopplung eingegangen. Thermische Lasten durch Hauptantrieb, Nebenantrieb und Zerspanungsprozess werden dargestellt. Mit der Berücksichtigung konvektiver Randbedingungen als funktionaler Zusammenhang wird die Genauigkeit der Simulation gesteigert. Möglichkeiten zur Abbildung von Aufstellbedingungen und Temperaturschwankungen der Umgebung werden aufgezeigt. Hinweise zur Einbindung von thermischen Kompensationsmaßnahmen runden das Konzept ab. Anhand eines Demonstrators werden der theoretische und praktische Nachweis der Funktionsfähigkeit erbracht. / Simulation of the thermal behavior of cutting machine tools during the conceptual stage Greater demands in the accuracy of machine tools can no longer be achieved by improved static and dynamic functions alone. The simulation of thermal behavior can provide essential information for the machine’s design concept at the earliest stages of product development. This thesis describes methodology and implementation of a simulation tool, based on software utilizing finite element analysis. In addition to the modeling of drives and base components, the work focuses on coupling different sub-components. Heat sources of the main drive, feed drives and cutting process are described. Greater accuracy is obtained by the implementation of convection as a functional process in the simulation. Methods of implementing working area conditions and temperature deviations in the environment are illustrated. Finally, steps for incorporation of a thermal compensation mechanism are included to complete the concept. The workflow applied to a demonstration structure validates the theoretical background and demonstrates the functionality of the thesis. / Моделирование температурных характеристик металлорежущих станков на этапе разработки В настоящее время растущие требования к точности металлорежущих станков обеспечиваются не только улучшением их статических и динамических параметров. Моделирование температурных характеристик на ранних стадиях проектирования может задать определяющее направление для всего процесса разработки и производства металлорежущего станка. Данная работа описывает методику и реализацию средств симуляции, основанных на программе анализа конечных элементов. Кроме моделирования звеньев привода и неподвижных звеньев станка на них также наложены связи. Показаны температурные воздействия от главного и вспомогательного приводов, а также непосредственно от самого процесса резания. Введение учета конвекционных граничных условий как функциональной связи улучшает точность моделирования. Представлены способы для отображения начальных условий и температурных изменений среды. Концепцию завершают указания для учета термокомпенсаций. Изложены доказательства теоретической и практической применимости.