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

Der Beitrag "Voraussetzungen und Grenzen einer eigenschaftsmodellbasierten Korrektur St. Bäumler, C. Brecher, M. Wennemer; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen" ist in dieser Version nicht enthalten, bitte nutzen Sie die Version unter oben angegebenen Link (Nachfolger). / Im Mittelpunkt der 2. Tagung des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 „Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen standen erste Ergebnisse zur Modellierung und Simulation von Komponenten und Baugruppen von Werkzeugmaschinen im Mittelpunkt. An den drei Standorten Aachen, Chemnitz und Dresden werden unterschiedliche Lösungsansätze für die steuerungsintegrierte Korrektur thermischer bedingter Strukturverformungen in spanenden Werkzeugmaschinen verfolgt. Von diesen wird eine unterschiedliche Wirksamkeit bzw. Eignung für verschiedene Einsatzfälle erwartet. Bevor diese in der Praxis umgesetzt werden können, müssen Fragen zur Beschreibung der Wärmequellen und zur Wärmeübertragung beantwortet werden. Außerdem bedarf die Umsetzung der Konzepte in den CNC-Steuerungen effizienter Verfahren zur Modellierung und Simulation der thermisch bedingten Strukturverformung. Für die Entwicklung und Bewertung der Korrekturverfahren sowie zur Berechnung der notwendigen Achs-Korrekturen ist die Systemsimulation u. a. an einem prozessaktuelle Werkzeugmaschinenabbild erforderlich. Für die Bewertung ihrer Praxisrelevanz werden die Einzellösungen nach und nach in ein betriebswirtschaftlich orientiertes Gesamtmodell integriert.

Im Mittelpunkt der 3. Tagung des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 am 29. und 30.Oktober 2013 am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen standen die verschiedenen Lösungsansätze der einzelnen Teilprojekte bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen zur Verifizierung von Simulationsergebnissen bzw. zur Ableitung von Modellparametern. Es wurden vier Themenblöcke behandelt: • Ermittlung von thermisch relevanten Prozessparametern • Experimentelle Methodik zur Analyse von Teilsystemen in Werkzeugmaschinen • Methodische Rahmenbedingungen bei der Ermittlung von thermisch relevanten Parametern • Verfahren zur Verformungs- und Verlagerungsmessung

Im Mittelpunkt der 2. Tagung des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 „Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen standen erste Ergebnisse zur Modellierung und Simulation von Komponenten und Baugruppen von Werkzeugmaschinen im Mittelpunkt. An den drei Standorten Aachen, Chemnitz und Dresden werden unterschiedliche Lösungsansätze für die steuerungsintegrierte Korrektur thermischer bedingter Strukturverformungen in spanenden Werkzeugmaschinen verfolgt. Von diesen wird eine unterschiedliche Wirksamkeit bzw. Eignung für verschiedene Einsatzfälle erwartet. Bevor diese in der Praxis umgesetzt werden können, müssen Fragen zur Beschreibung der Wärmequellen und zur Wärmeübertragung beantwortet werden. Außerdem bedarf die Umsetzung der Konzepte in den CNC-Steuerungen effizienter Verfahren zur Modellierung und Simulation der thermisch bedingten Strukturverformung. Für die Entwicklung und Bewertung der Korrekturverfahren sowie zur Berechnung der notwendigen Achs-Korrekturen ist die Systemsimulation u. a. an einem prozessaktuelle Werkzeugmaschinenabbild erforderlich. Für die Bewertung ihrer Praxisrelevanz werden die Einzellösungen nach und nach in ein betriebswirtschaftlich orientiertes Gesamtmodell integriert.

Der Beitrag "Voraussetzungen und Grenzen einer eigenschaftsmodellbasierten Korrektur St. Bäumler, C. Brecher, M. Wennemer; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen" ist in dieser Version nicht enthalten, bitte nutzen Sie die Version unter oben angegebenen Link (Nachfolger). / Im Mittelpunkt der 2. Tagung des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 „Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen standen erste Ergebnisse zur Modellierung und Simulation von Komponenten und Baugruppen von Werkzeugmaschinen im Mittelpunkt. An den drei Standorten Aachen, Chemnitz und Dresden werden unterschiedliche Lösungsansätze für die steuerungsintegrierte Korrektur thermischer bedingter Strukturverformungen in spanenden Werkzeugmaschinen verfolgt. Von diesen wird eine unterschiedliche Wirksamkeit bzw. Eignung für verschiedene Einsatzfälle erwartet. Bevor diese in der Praxis umgesetzt werden können, müssen Fragen zur Beschreibung der Wärmequellen und zur Wärmeübertragung beantwortet werden. Außerdem bedarf die Umsetzung der Konzepte in den CNC-Steuerungen effizienter Verfahren zur Modellierung und Simulation der thermisch bedingten Strukturverformung. Für die Entwicklung und Bewertung der Korrekturverfahren sowie zur Berechnung der notwendigen Achs-Korrekturen ist die Systemsimulation u. a. an einem prozessaktuelle Werkzeugmaschinenabbild erforderlich. Für die Bewertung ihrer Praxisrelevanz werden die Einzellösungen nach und nach in ein betriebswirtschaftlich orientiertes Gesamtmodell integriert.

Im Mittelpunkt der 3. Tagung des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 am 29. und 30.Oktober 2013 am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen standen die verschiedenen Lösungsansätze der einzelnen Teilprojekte bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen zur Verifizierung von Simulationsergebnissen bzw. zur Ableitung von Modellparametern. Es wurden vier Themenblöcke behandelt: • Ermittlung von thermisch relevanten Prozessparametern • Experimentelle Methodik zur Analyse von Teilsystemen in Werkzeugmaschinen • Methodische Rahmenbedingungen bei der Ermittlung von thermisch relevanten Parametern • Verfahren zur Verformungs- und Verlagerungsmessung

Im Mittelpunkt der 2. Tagung des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 „Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen standen erste Ergebnisse zur Modellierung und Simulation von Komponenten und Baugruppen von Werkzeugmaschinen im Mittelpunkt. An den drei Standorten Aachen, Chemnitz und Dresden werden unterschiedliche Lösungsansätze für die steuerungsintegrierte Korrektur thermischer bedingter Strukturverformungen in spanenden Werkzeugmaschinen verfolgt. Von diesen wird eine unterschiedliche Wirksamkeit bzw. Eignung für verschiedene Einsatzfälle erwartet. Bevor diese in der Praxis umgesetzt werden können, müssen Fragen zur Beschreibung der Wärmequellen und zur Wärmeübertragung beantwortet werden. Außerdem bedarf die Umsetzung der Konzepte in den CNC-Steuerungen effizienter Verfahren zur Modellierung und Simulation der thermisch bedingten Strukturverformung. Für die Entwicklung und Bewertung der Korrekturverfahren sowie zur Berechnung der notwendigen Achs-Korrekturen ist die Systemsimulation u. a. an einem prozessaktuelle Werkzeugmaschinenabbild erforderlich. Für die Bewertung ihrer Praxisrelevanz werden die Einzellösungen nach und nach in ein betriebswirtschaftlich orientiertes Gesamtmodell integriert.:Programm Mittwoch, 24.10.2012 13:00 Uhr Bedeutung und Konzepte von Modellierung und Simulation für den SFB/TR-96 K. Großmann, Sprecher des SFB/TR-96 13:30 Uhr Fachkonzeptionelle Modelle als Basis der Integration und Bewertung (C05) R. Braun, M. Burwitz, W. Esswein; TU Dresden, Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik, insb. Systementwicklung Session 1: Grundmodelle zur Beschreibung der Wärmequellen 14:00 Uhr Grundlagenuntersuchungen der Temperaturverteilung beim kontinuierlichen Schnitt mittels Thermografie (A02) M. Brockmann, F. Klocke, D. Veselovac; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren 14:30 Uhr Modellierung der Verlustquellen in Antriebsmotoren (C04) R. Werner, St. Winkler; TU Chemnitz, Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe 15:00 Uhr Simulation der Erwärmung von Spindellagern auf der Basis eines lokalen Reibmodells (B03, B04) St. Bäumler, C. Brecher, D. Haber, J. Rossaint; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen K. Großmann, B. Kauschinger, St. Rehn; TU Dresden, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik Session 2: Wärmeübertragung 16:00 Uhr Wärmeübertragung in Aluminium-Leichtbaustrukturen (B04, C06) K. Großmann, B. Kauschinger, St. Schroeder, Ch. Städel; TU Dresden, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik 16:30 Uhr Wärmeübertragung an Fugenkontakten am Beispiel spanender Werkzeuge (B02, A01) R. Kneer, S. Vieler; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung U. Semmler; Fraunhofer IWU Chemnitz M. Bräunig; TU Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse 17:00 Uhr Identifikation relevanter Parameter und Strukturbereiche für den Wärmeübergang zwischen Maschine und Umgebung (B01, B05) St. Ihlenfeldt, C. Zwingenberger; Fraunhofer IWU Chemnitz R. Herzog, I. Riedel; TU Chemnitz, Professur Numerische Mathematik 17:30 Uhr Analyse und Modellierung der fluidischen Kühlung von Motorspindeln (A04) J. Weber, Jul. Weber; TU Dresden, Institut für Fluidtechnik Donnerstag, 25.10.2012 Session 3: Beiträge zur Effizienzsteigerung von Modellierung und Simulation 9:00 Uhr Optimale Versuchsplanung für die experimentelle Ermittlung von Kennwerten der Wärmeübertragung an Fugenkontakten (B02, B05) T. Etling, R. Herzog; TU Chemnitz, Professur Numerische Mathematik R. Kneer, S. Vieler; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Wärme- und Stoffübertragung 9:30 Uhr Moderne Techniken zur schnellen und hochauflösenden Simulation (A07) A. Naumann, J. Wensch; TU Dresden, Institut für wissenschaftliches Rechnen 10:00 Uhr Parametererhaltende Modellordnungsreduktion für die Simulation thermo-elastischer Probleme an Werkzeugmaschinen (A06) P. Benner, N. Lang, J. Saak; TU Chemnitz, Professur Mathematik in Industrie und Technik Session 4: Voraussetzungen zur Systemsimulation des prozessaktuellen Werkzeugmaschinenabbildes für Berechnung und Korrektur 11:00 Uhr Effiziente Simulation thermo-elastischer Verformungen an Werkzeugmaschinen mit ordnungsreduzierten Modellen bei Berücksichtigung großer Relativbewegungen (A05) A. Galant, K. Großmann, A. Mühl; TU Dresden, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik 11:45 Uhr Thermische Analyse bewegter Baugruppen mittels FEM am Beispiel der Führungswagen (A05) M. Beitelschmidt, M. Partzsch; TU Dresden, Institut für Festkörpermechanik 12: 15 Uhr Voraussetzungen und Grenzen einer eigenschaftsmodellbasierten Korrektur (B06) St. Bäumler, C. Brecher, M. Wennemer; RWTH Aachen, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen 12:45 Uhr Modularisierung der Datenflüsse und Algorithmen für die steuerungsintegrierte Korrektur thermisch bedingter Verlagerungen in Werkzeugmaschinen (B07) K. Großmann, A. Mühl, Ch. Städel; TU Dresden, Institut für Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik