Die Erweiterung experimenteller Infrastrukturen um neuartige Sensor eröffnen die Möglichkeit, qualitativ neuartige Erkenntnisse zu gewinnen. Um diese Informationen vollständig zu erschließen ist ein Abdecken der gesamten Verarbeitungskette von der Datenauslese bis zu anwendungsbezogenen Auswertung erforderlich. Eine Erweiterung bestehender wissenschaftlicher Instrumente beinhaltet die strukturelle und zeitbezogene Integration der neuen Sensordaten in das Bestandssystem. Das hier vorgestellte Framework bietet durch seinen flexiblen Ansatz das Potenzial, unterschiedliche Sensortypen in unterschiedliche, leistungsfähige Plattformen zu integrieren. Zwei unterschiedliche Integrationsansätze zeigen die Flexibilität dieses Ansatzes, wobei einer auf die Steigerung der Sensitivität einer Anlage zur Sekundärionenmassenspektroskopie und der andere auf die Bereitstellung eines Prototypen zur Untersuchung von Rezyklaten ausgerichtet ist. Die sehr unterschiedlichen Hardwarevoraussetzungen und Anforderungen der Anwendung bildeten die Basis zur Entwicklung eines flexiblen Softwareframeworks. Um komplexe und leistungsfähige Applikationsbausteine bereitzustellen wurde eine Softwaretechnologie entwickelt, die modulare Pipelinestrukturen mit Sensor- und Ausgabeschnittstellen sowie einer Wissensbasis mit entsprechenden Konfigurations- und Verarbeitungsmodulen kombiniert.:1. Introduction 2. Hardware Architecture and Application Background 3. Software Concept 4. Experimental Results 5. Conclusion and Outlook / Novel sensors with the ability to collect qualitatively new information offer the potential to improve experimental infrastructure and methods in the field of research technology. In order to get full access to this information, the entire range from detector readout data transfer over proper data and knowledge models up to complex application functions has to be covered. The extension of existing scientific instruments comprises the integration of diverse sensor information into existing hardware, based on the expansion of pivotal event schemes and data models. Due to its flexible approach, the proposed framework has the potential to integrate additional sensor types and offers migration capabilities to high-performance computing platforms. Two different implementation setups prove the flexibility of this approach, one extending the material analyzing capabilities of a secondary ion mass spectrometry device, the other implementing a functional prototype setup for the online analysis of recyclate. Both setups can be regarded as two complementary parts of a highly topical and ground-breaking unique scientific application field. The requirements and possibilities resulting from different hardware concepts on one hand and diverse application fields on the other hand are the basis for the development of a versatile software framework. In order to support complex and efficient application functions under heterogeneous and flexible technical conditions, a software technology is proposed that offers modular processing pipeline structures with internal and external data interfaces backed by a knowledge base with respective configuration and conclusion mechanisms.:1. Introduction 2. Hardware Architecture and Application Background 3. Software Concept 4. Experimental Results 5. Conclusion and Outlook

Spanende Werkzeugmaschinen erfahren während ihres Betriebes signifikante interne Wärmeeinträge, u.a. durch die Verlustleistung der Antriebe, Reibung der Lager und Führungen und den Bearbeitungsprozess. Gleichzeitig sind sie aber auch wechselnden externen Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Diese Vielzahl an thermischen Einflüssen erzeugt transiente Temperaturfelder in der Werkzeugmaschine, die variable Deformationen in der Maschinenstruktur verursachen. Die Auswirkung dieser Deformationen auf den Tool-Center-Point verringert die Positioniergenauigkeit und wirkt sich letztendlich negativ auf die Werkstückqualität aus. Diese Verformungen werden im hier entwickelten Verfahren, der kennfeldbasierten Korrektur, durch hochdimensionale Kennfelder mit Hilfe von Live-Sensordaten vorhergesagt und online in der Maschinensteuerung durch berechnete Offsets korrigiert. Wenngleich das prinzipielle Vorgehen anderen verwandten Korrekturverfahren, wie der Regressionsanalyse, ähnelt, müssen für die effiziente Nutzung von Kennfeldern als Modellierungstool verschiedene Aspekte der Korrektur neu untersucht bzw. vertieft werden. Am Ende erfolgt eine Implementierung und Validierung des Verfahrens an zwei ausgewählten Demonstratoren.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Überblick über die Inhalte der Arbeit 2 Stand der Technik 2.1 Maßnahmen zur Reduktion thermo-elastischer Effekte 2.1.1 Korrekturverfahren 2.1.2 Kompensationsstrategien 2.2 Kennfeldberechnung mit Smoothed Grid Regression 2.2.1 Kernfunktionsansatz 2.2.2 SGR im 2D mit bilinearer Interpolation 2.2.3 SGR in n Dimensionen mit n-linearer Interpolation 2.2.4 Kennfeldberechnung 2.2.5 Glättungsbedingungen 2.2.6 Daten- versus Glättungsfehler 2.2.7 Lösung des linearen Gleichungssystems 3 Einordnung in den Stand der Technik 4 Kennfeldbasierte Korrektur Thermo-elastischer Verformungen 4.1 Idee der kennfeldbasierten Korrektur 4.2 Trainingsdaten zum Anlernen der Korrekturkennfelder 4.3 Erstellung der kennfeldbasierten Korrektur 4.3.1 Wahl der Kernfunktionen 4.3.2 Wahl der Glättungsbedingungen 4.3.3 Wahl der Daten- und Glättungsgewichte 4.4 Anwendungsbeispiel und Ableitung von Anpassungsbedarfen 5 Numerische Berechnung hochdimensionaler Kennfelder 5.1 Numerische Handhabung großer SGR-Modelle 5.2 Effiziente Kennfeldberechnung durch Mehrgitterverfahren 5.3 Einbettung von Glättungsbedingungen höherer Ordnung 5.3.1 Motivation und eine Beispielfunktion 5.3.2 Finite-Elemente-Ansatz für Glättung höherer Ordnung 5.3.3 Test und Vergleich der Berechnungsvarianten 5.3.4 Neue Kombinationsmethode für lineare Extrapolation 5.4 Erprobung und Vergleich von Mehrgitterlösern 6 Optimierung der Kennfeldgitter 6.1 Kennfeldgitter 6.2 Wichtige Gitterstrukturen 6.2.1 Äquidistante Gitter 6.2.2 Gitter mit variablen Achsintervallen 6.2.3 Transformierte Gitter 6.2.4 Gitter mit Substrukturen 6.2.5 Dünne Gitter (sparse grids) 6.2.6 Vergleich der Arten von Kennfeldgittern 7 Optimale Sensorplatzierung und Auswahl der Kennfeldeingänge 7.1 Typen von Eingangsvariablen und deren Eignung zur Korrektur 7.2 Eignung von Temperaturgradienten in Kennfeldern 7.3 Methoden der Variablenauswahl 7.3.1 Sensitivitätsanalyse 7.3.2 Hauptkomponenten-Analyse (PCA) 7.3.3 Sequentielle Heuristik 7.3.4 Stabilitätsanalyse 7.3.5 Vergleich und experimentelle Validierung der Verfahren 8 Implementierung und Validierung der kennfeldbasierten Korrektur 8.1 Korrekturwertaufschaltung in einer Maschinensteuerung 8.2 Erprobung und Validierung der Korrektur 8.2.1 MiniHex 8.2.2 DMU 80 eVo 8.3 Korrektur unter Produktionsbedingungen 8.4 Plausibilitätsüberprüfung 9 Bewertung und Erweiterungen zur kennfeldbasierten Korrektur 9.1 Vor- und Nachteile der kennfeldbasierten Korrektur 9.2 Aufwandsabschätzung und exemplarische Bewertung 9.2.1 Aufwandsabschätzung der kennfeldbasierten Korrektur 9.2.2 Bewertung an ausgewählten Beispielen 9.3 Kombination mit anderen Korrektur- und Kompensationsstrategien 9.4 Aktualisierung von Kennfeldern 9.5 Übertragbarkeit der Ergebnisse 10 Zusammenfassung 11 Ausblick A Anhang A.1 Datensätze A.1.1 Stab-Simulation A.1.2 Vermessung Auerbach ACW630 A.1.3 Simulation Maschinenständer ACW630 A.1.4 Vermessung MiniHex A.1.5 Simulation Maschinenständer mit bewegter Wärmequelle A.1.6 Vermessung 3-Achs-Bearbeitungszentrum Aachen A.1.7 Simulation DMU 80 eVo A.2 Biographie des Autors

In der Arbeit werden normativ-technische und verfahrenstechnische Voraussetzungen zur Richtighaltung von Kreisformmessgeräten dargelegt. Dazu wird ein umfassendes Begriffssystem für die allgemeine Beschreibung von Bewegungsabweichungen von bewegten Bauteilen an Werkzeugmaschinen oder Formmessgeräten, z.B. Kreisformmessgeräten, als Grundlage für ihre Tolerierung und Messung vorgeschlagen. Bekannte Messverfahren zur Bestimmung von Rotationsabweichungen der Spindel von Kreisformmessgeräten werden theoretisch und praktisch untersucht. Es wird ein neues Messverfahren, das kontinuierliche Relativlagenmessverfahren, entwickelt und ebenfalls untersucht. Die untersuchten Messverfahren zur Bestimmung von Rotationsabweichungen ermöglichen verschiedene Messunsicherheiten bis zu weniger als 0,02 µm. Vorschläge für die Gestaltung des Prüfschemas zur Richtighaltung von Kreisformmessgeräten werden unterbreitet. auch unter: Zentralbibliothek/Magazin/MPF1443:Verzeichnis der verwendeten Abkuerzungen V Vorwort VII 1. Einleitung 1 2. Grundlagen der radiusbezogenen Kreisformmessung 2 2.1. Eliminierung der Exzentrizitaet 2 2.2. Messunsicherheit der Kreisformmessung 3 2.3. Bewegung eines rotierenden Teiles 3 3. Begriffe und Definitionen zur Bewegung eines Teiles 5 3.1. Allgemeine Bemerkungen 5 3.2. Internationaler Stand 9 3.2.1. Bekannte Begriffe und Definitionen fuer die Bewegung eines Teiles 10 3.2.2. Bekannte Begriffe und Definitionen fuer die Bewegung eines rotierenden Teiles 11 3.2.3. Einschaetzung 14 3.3. Aufgabenstellung zur Erarbeitung von Begriffen und Definitionen 15 3.4. Vorschlag fuer neue Begriffe und Definitionen 16 3.4.1. Vorbemerkungen 16 3.4.2. Begriffe fuer die Verschiebung eines Punktes eines bewegten Teiles 19 3.4.2.1. Begriffe fuer die allgemeine Bewegung 19 3.4.2.2. Begriffe fuer die Rotation 21 3.4.2.3. Begriffe fuer die Translation 23 3.4.2.4. Erlaeuterungen zu den Begriffen 25 3.4.3. Begriffe fuer die Verdrehung einer Strecke eines bewegten Teiles 31 3.4.3.1. Begriffe fuer die allgemeine Bewegung 31 3.4.3.2. Begriffe fuer die Rotation und Translation 37 3.4.3.3. Erlaeuterungen zu den Begriffen 37 3.5. Vergleich und Einschaetzung der neuen Definitionen 43 3.6. Zeichnungsangaben von Bewegungs- und Verdrehungsabweichungen 49 4. Messverfahren zur Bestimmung von Rotationsabweichungen 51 4.1. Theoretische Untersuchungen 52 4.1.1. Vergleichsmessverfahren 53 4.1.2. Mehrlagenmessverfahren 54 4.1.2.1. Umkehrmessverfahren 55 4.1.2.2. Relativlagenmessverfahren 57 4.1.2.2.1. Relativlagenmessverfahren mit zwei Messstellungen 58 4.1.2.2.2. Relativlagenmessverfahren mit punktweiser Berechnung 59 4.1.2.2.3. Relativlagenmessverfahren mit Fourier-Reihen- Berechnung 60 4.1.2.3. Kontinuierliches Relativlagenmessverfahren 61 4.1.3. Weitere Messverfahren 64 4.1.3.1. Frequenztrennmessverfahren 64 4.1.3.2. Fotodiodensignalmessverfahren 65 4.1.4. Einschaetzung 66 4.2. Messtechnische Untersuchungen 67 4.2.1. Relativlagenmessverfahren mit punktweiser Berechnung 68 4.2.2. Vergleichsmessverfahren 73 4.2.3. Kontinuierliches Relativlagenmessverfahren 76 4.2.4. Einschaetzung 86 4.3. Messverfahren zur Richtighaltung von Kreisformmessgeraeten 87 5. Metrologische Richtighaltung 88 5.1. Pruefschema fuer Kreisformmessgeraete 90 5.1.1. Spezialnormal der Laenge fuer die Kreisform 91 5.1.2. Referenznormale 91 5.1.3. Arbeitsmessmittel 92 5.2. Pruefvorschriften fuer Kreisformmessmittel 93 5.2.1. Pruefvorschriften fuer die Eichung der Haupt- normale 93 5.2.2. Betriebliche Pruefvorschriften fuer Kreisformmessgeraete 93 5.3. Einschaetzung 95 6. Weitere Aufgaben 95 Verzeichnis der Anmerkungen 97 Literaturverzeichnis 98 Verzeichnis der Abbildungen 105 Verzeichnis der Anlagen 108 Anlagen 110 Thesen

Vor dem Hintergrund einer messdatengetriebenen Instandhaltung und Prozessoptimierung gewinnen Konzepte wie Condition Monitoring zunehmend an Bedeutung. Zur schnellen inline-Bewertung insbesondere zerspanender Fertigungsverfahren ist dazu die Messung mechanischer Schwingungen erforderlich. Berührungslose optische Sensorik spielt aufgrund hoher Auflösungen und Abtastraten eine wachsende Rolle. In diesem Gebiet positioniert sich die vorliegende Arbeit und leistet einen Beitrag für die alternative Schwingungssensorik. Für den Anwendungsfall eines zu überwachenden Längsdrehprozesses wird die astigmatische Fokusdetektion als einfaches Messverfahren sowie als Ergänzung zum bestehenden Technikstand identifiziert. Die Eignung dieses in optischen Leseköpfen (Pickup-Einheiten) verwendeten Verfahrens kann durch eine multikriterielle Bewertung anhand der Literatur beurteilt werden. Simulationen sowie der Realaufbau eines prototypischen auf DVD-Pickup-Einheiten basierenden Vibrations-Messsystems lassen Erkenntnisse über die Skalierbarkeit und Handhabung des Ansatzes zu. Im Rahmen eines Feldtests des Pickup Messsystems werden Werkzeugschwingungen in einem Längsdrehprozess inline erfasst. Im Ergebnis lassen sich die entsprechenden Amplituden-Frequenz-Spektren des Messsignals mit nachträglichen Profilmessungen des Werkstücks vergleichen. Der vorgestellte Ansatz kann während der Bearbeitung einen Rückschluss auf die Werkstück-Welligkeit ermöglichen.