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Institut für Werkzeugmaschinenund Steuerungstechnik
Prof. Dr.-Ing. habil. K. Großmann
Sonderforschungsbereich
Transregio96
2. Wiener Produktionstechnik Kongress - WPK 2014 (7.-8. Mai 2014)
Effiziente modell- und experimentgestützteAnalyse des thermischen Verhaltens
von Werkzeugmaschinen
K.Großmann, B.Kauschinger, M.Merx, M.Riedel, A.Galant
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Gliederung
• EinleitungDFG-Sonderforschungsbereich/Transregio 96
• Echtzeitfähige FE-SimulationPrinzip, Beispiele
• Photogrammetrische VerlagerungsmessungErweitertes Messmodell, Prinzip Bildmessung, Beispiele
• Selektive ThermografieProblemfeld, Messmodell, Beispiele
• Zusammenfassung
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Sonderforschungsbereich/Transregio96Thermo-Energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen
Ziel• Befähigung spanender Werkzeugmaschinen zu Fertigungsqualität und Wirtschaftlichkeit unter den Bedingungen einer
energie-effizienten Produktion durch konstruktive und steuerungstechnische
Lösungen
• Lösung des Zielkonfliktes zwischenEnergieeinsatz, Genauigkeit und Produktivitätam Beispiel der spanenden Fertigung
20 Teilprojekte an:
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Ansätze: Gestaltungsintegrierte Kompensation Steuerungsintegrierte Korrektur Prozessaktuelles Werkzeugmaschinenabbild
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Gliederung
• EinleitungDFG-Sonderforschungsbereich/Transregio 96
• Echtzeitfähige FE-SimulationPrinzip, Beispiele
• Photogrammetrische VerlagerungsmessungErweitertes Messmodell, Prinzip Bildmessung, Beispiele
• Selektive ThermografieProblemfeld, Messmodell, Beispiele
• Zusammenfassung
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Berechnungsmethodik mit ANSYS und MATLAB/Simulink
Export
TVT n
RückTrafo
Reduktion
MOR
CAD
Visualisierung und weitere Analyse
Postprocessing
FEM
FE-ModellFEM
Preprocessing
Importoriginales FE-Netz(Strukturerhalt)
Q.
DBS
Berechnung
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Beispiel: Bewegung eines Spindelstocks am Maschinenständer
Belastungszyklus
Bewegung:• 1 h nur im unteren Bereich• 1 h über gesamtem Verfahrweg• 1 h nur im oberen Bereich
5 mal zyklisch wiederholt mitwachsender Geschwindigkeit
Umgebung:• zeitlich veränderliche
Umgebungstemperatur• höhenabhängige Luftschichtung
am Maschinenständer
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Werkstoff:GJL-250
Spindelstock (ST)
Werkstoff:GJL-250
Ständer (S)
- KonvektionModellierung der Luftschichtung
• Lasteinbringung:- Temperierung
Aufstellfläche des StändersSeitenfläche des Ständers Frontfläche des Spindelstocks
• CAD und Material:
- Wärmefluss durch VerlustleistungKontaktflächen der Gleitführung
Beispiel: Modellbildung für Maschinenständer mit Spindelstock
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Zeit [h]
Tem
pera
tur [
o C]
2,5m/min 5m/min 10m/min 15m/min 20m/min
unreduziertreduziertUmgebungs-temperatur
Bereiche mit pendelnder Bewegung des Spindelstocks
ANSYSMatlab-Simulink
Genauigkeitsvergleich: Temperaturverläufe
Punkt 2 (innerhalb der Struktur, nahe der auf 22oC temperierten Seitenwand)
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Zeit [h]
unreduziertreduziert
Messpunkt
ZZ
YY XX
Genauigkeitsvergleich: Verlagerung in 3 RaumrichtungenVe
rlage
rung
[µm
]
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Postprocessing: Verformungsberechnung und Visualisierung
Temperaturverteilung und thermoelastische VerformungTemperaturverteilung mit Bewegung
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100
1000
10000 [s]
10
100
1000
10000 [s]
10
FreiheitsgradeFreiheitsgrade
100
16 626
Aufwandsvergleich für das Beispiel
SpeicherbedarfSpeicherbedarf
14 MB
1,2 MB
Rechenzeit ThermikRechenzeit Thermik
ca. 5h
180 s
13 s
Rechenzeit Thermo-MechanikRechenzeit Thermo-Mechanik
300 s
ca. 5h
500 s
100
1000
10000
[DOF]
5
10
15
[MB]
reduziert(nur Berechnung)
reduziert (Berech-nung + Modell-konstruktion)
unreduziert1 ~166 ~12 1
1 ~14 1385 ~23 1385~39
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MOR-Simulation an zwei Stabachsen des mobilen Demonstrators
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Gliederung
• EinleitungDFG-Sonderforschungsbereich/Transregio 96
• Echtzeitfähige FE-SimulationPrinzip, Beispiele
• Photogrammetrische VerlagerungsmessungErweitertes Messmodell, Prinzip Bildmessung, Beispiele
• Selektive ThermografieProblemfeld, Messmodell, Beispiele
• Zusammenfassung
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Nahbereichs-Photogrammetrie – Erweitertes Messmodell
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Photogrammetrie-Toolkit – Modellierungs- und Auswertesoftware
Software-Unterstützung für:• Modellierung• Bildmessung• Ausgleichung• Visualisierung• Validierung
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Nahbereichs-Photogrammetrie – Bildmessung
Markemit Code
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Verfahrensparameter:• Startschätzung• Anzahl Suchstrahlen• Art der Kantenextraktion• Markentyp und -größe• Auswerteoperator• …Unsicherheit ca. 0,01 Pixel
• Mittelpunkt (xm, ym)• Hauptachsen (ra, rb)• Hauptachslage (α)
Bsp.: Ellipsen-Operator
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Beispiel: Thermisch bedingte Verlagerung am Mobilen Demonstrator
Lastregime:• Zyklische Bewegung einer Stabachse
im unteren Verfahrbereich: x = -265 mm … 0 mm, v = 30 m/min 15 x ca. 1 min.
• Posemessung nach jedem Teilzyklus (1 min.)• danach: Zyklus an nächster Stabachse Gesamtzyklus = 6 x 15 min = 90 min
• Bewegte Stabachse = Erwärmung KGT-Spindel (im unteren Bereich) KGT-Mutter, Spindellager, Motor
• Unbewegte Stabachsen = Abkühlung• Einachsige Dehnung der Stabachsen• 6D-Bewegungsfehler der Plattform
Schaltschrankmit Steuerung
Umhausung
Hexapod-plattform
Stabachsen
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Beispiel: Thermisch bedingte Verlagerung am Mobilen Demonstrator
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• Lastkollektiv: Beheizen der unteren5x2 Heizfolien mit 2800 W/m²
• Deformationsmessung (photogrammetrisch): Überblickmessung (0,3 mm/Px)
(Monokamera 28,8 MPx auf Ständer blickend) Erfassen des Deformationsfeldes
Minimalmessung (0,15 mm/Px)(Monokamera 5 MPx am Ständer befestigt) max. Wirkung d. Deformation im Bild
Unsicherheit σBild ≈ 0,01 Px
• Lastkollektiv: Beheizen der unteren5x2 Heizfolien mit 2800 W/m²
• Deformationsmessung (photogrammetrisch): Überblickmessung (0,3 mm/Px)
(Monokamera 28,8 MPx auf Ständer blickend) Erfassen des Deformationsfeldes
Minimalmessung (0,15 mm/Px)(Monokamera 5 MPx am Ständer befestigt) max. Wirkung d. Deformation im Bild
Unsicherheit σBild ≈ 0,01 Px
Messung am Maschinenständer
AVT Prosilica GX6600
AVT Prosilica GC2450
Beispiel: Verlagerung und Verformung an einer Ständerbaugruppe
Photogrammetrie zur Messung thermo-elastischer Deformationen geeignet!
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Gliederung
• EinleitungDFG-Sonderforschungsbereich/Transregio 96
• Echtzeitfähige FE-SimulationPrinzip, Beispiele
• Photogrammetrische VerlagerungsmessungErweitertes Messmodell, Prinzip Bildmessung, Beispiele
• Selektive ThermografieProblemfeld, Messmodell, Beispiele
• Zusammenfassung
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• Erfassung: Wärmestrahlung L(T) T4 (z.B: λ = 7…14 µm)• Gesamte Strahlung = Transmittion(τ) + Reflexion(ρ) + Emission(ε) τ + ρ + ε = 1• blanke Metalle: Emissionsgrad ε << 1, Reflexionsgrad ρ 1 (= Umgebung)
d.h. konventionelle Thermografie nur begrenzt geeignet an WerkzeugmaschinenBedarf: Emissionsgrad ε 1, Reflexionsgrad ρ 0Ansatz: definierte Oberflächen (Anbringen von Messmarken mit e1)
Lokalisierung der Messmarken im Thermobild mittels Photogrammetrie
• Erfassung: Wärmestrahlung L(T) T4 (z.B: λ = 7…14 µm)• Gesamte Strahlung = Transmittion(τ) + Reflexion(ρ) + Emission(ε) τ + ρ + ε = 1• blanke Metalle: Emissionsgrad ε << 1, Reflexionsgrad ρ 1 (= Umgebung)
d.h. konventionelle Thermografie nur begrenzt geeignet an WerkzeugmaschinenBedarf: Emissionsgrad ε 1, Reflexionsgrad ρ 0Ansatz: definierte Oberflächen (Anbringen von Messmarken mit e1)
Lokalisierung der Messmarken im Thermobild mittels Photogrammetrie
Reflexion des Strahlungshintergrunds (ca. 20 °C)Reflexion des Strahlungshintergrunds (ca. 20 °C)
Reflexion einerWärmequelle (Thermokamera)Reflexion einerWärmequelle (Thermokamera)
Strahlungshinter-grund (Umgebung)Strahlungshinter-
grund (Umgebung)
Modifizierte Oberfläche
(Marke)
Modifizierte Oberfläche
(Marke) Reflexion derUmgebung (ca. 20 °C)
Reflexion derUmgebung (ca. 20 °C)
Thermografie - Problemfeld
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Thermografie am stationären Versuchsträger MAX
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Herausforderungen:• Temperaturabhängig geringer Kontrast Messpunkte eingeschränkt lokalisierbar• Relativbewegungen veränderte Messpunktlage im Thermobild• Blanke metallische Oberflächen Reflexion der Umgebungstemperatur
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Selektive Thermografie – Messmodell
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Anforderungen:• Lokalisierung der relevanten Pixel im Thermobild Robustheit• Berücksichtigung des Emissionsverhaltens der Thermomarken Messgenauigkeit
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Selektive Thermografie liefert qualitativ gute Ergebnisse!
Multiplikation mit 1/e
Versuchsbedingungen:• asynchrone Bildaufnahme• Abstand der T-Messpunkte• Einstellung von e• TU fest eingestellt 20 °C• Fokus minimal verändert
0,5°C
Thermografische Temperaturmessung - Versuchsergebnisse
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Lokalisierung der Thermomarken am mobilen Demonstrator
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Gliederung
• EinleitungDFG-Sonderforschungsbereich/Transregio 96
• Echtzeitfähige FE-SimulationPrinzip, Beispiele
• Photogrammetrische VerlagerungsmessungErweitertes Messmodell, Prinzip Bildmessung, Beispiele
• Selektive ThermografieProblemfeld, Messmodell, Beispiele
• Zusammenfassung
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Zusammenfassung
• Im SFB/Transregio96 werden effiziente Methoden zur messtechnischen und modellgestützten Analyse des thermischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen entwickelt und untersucht.
• Modellordnungsreduktion ermöglicht die echtzeitfähige Simulation des thermischen Verhaltens unter Berücksichtigung von Strukturverände-rungen mit der hohen Auflösung der FEM.
• Nahbereichs-Photogrammetrie ermöglicht mit Hilfe eines erweiterten Messmodells die schnelle, berührungslose Messung thermisch bedingter Verlagerungen und Verformungen an Werkzeugmaschinen.
• Selektive Thermografie erschließt neue Anwendungsfelder für die berührungslose Temperaturmessung durch Verbindung von Thermografie und Photogrammetrie.
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Vielen Dankfür Ihre Aufmerksamkeit
Die Arbeiten im SFB/Transregio 96 werden mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert,
wofür gedankt wird
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Prozessaktuelles Abbild der Werkzeugmaschine
Wärmeaustauschmit der Umgebung
(Temperaturschichtung, Sonneneinstrahlung)
Wärmeübertragung über die Aufstellung(Aufstellelemente, Fundament)
Wärmeübergangan Fugenkontakten
(Verschraubungen, Pressverbindungen)
Wärmeübertragungin den Gestellbaugruppen
(Geometrie, Werkstoff, Innenräume)
Wärmeströmeaus dem Zerspanungsprozess
(Aufteilung in Span, WSt u. WZ)
Verlustleistungen und Wärmeübertragungin bewegten Koppelstellen(Lager, KGT, PSF, Überdeckung)
Fluidischer Wärmeaustauschund -transport
(Kühl- und Schmiersysteme)
Verlustleistungen und Wärmeübertragungin elektrischen Antrieben
(Hauptantrieb, Vorschubantriebe)
Entwicklung und Betrieb steuerungsintegrierter Lösungen
(Korrektur)
Entwicklung und Bewertung gestalterischer Lösungen
(Kompensation)
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Systematische Untersuchung der Lösungsräumezur Minimierung thermisch bedingter Bearbeitungsfehler
Unterscheidung in
Kompensation:physische Beeinflussung der thermo-
elastischen Wirkungsketteüber
baugruppenintegrierte Komponentenzur gezielten Gestaltung
des thermischen Maschinenverhaltens(materiell – energiearm)
Korrektur:modell- und messwertbasierte Berechnung
inverser Vorgaben zur steuerungsintegrierten Sollwertkorrektur
der lagegeregelten Vorschubachsen(virtuell – energieneutral)
Lösungsansatz
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Alternativen bezüglich der verarbeiteten Größen entlang der thermischen Wirkungskette
Ausprägungen der Korrekturverfahren
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Beispiel: SIMULINK-Modell
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Bündeltriangulation Stereobildauswertung
Kameraanzahl 1 (meist) 2 - 3
Blickfeld variabel variabel oder fest
Kalibrierung Selbstkalibrierung separater Kalibrierschritt / vorkalibriert
Messunsicherheit ±2 µm + 5 µm/m (RMS)*±3 µm + 7 µm/m (3 Sigma)*
±20 µm (1m³, konfigurationsabhängig) *bis zu ±90 µm (17m³, Entfernung 6m) **
WeltObjektReferenzkreuz
Quelle: Nikon
Quelle: Aicon
Quelle: Aicon
Objekt
Nahbereichs-Photogrammetrie – Stand der Technik
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• Marke gut und reproduzierbar detektierbar kreisförmige Marken (Ellipsenmessung)• genügend Kontrast im optischen und Thermobild selektive Beschichtung, Untergrund ε↓ und T↑• geringer Höhenversatz zwischen den kontrast-
bildenden Kanten (Dicke gering)• möglichst gesamtes Sichtfeld der Kameras mit
Marken abdecken
• Marke gut und reproduzierbar detektierbar kreisförmige Marken (Ellipsenmessung)• genügend Kontrast im optischen und Thermobild selektive Beschichtung, Untergrund ε↓ und T↑• geringer Höhenversatz zwischen den kontrast-
bildenden Kanten (Dicke gering)• möglichst gesamtes Sichtfeld der Kameras mit
Marken abdecken
• Photogrammetrie-Kalibrierfeld mit verschiedenen Ebenen und eingehangenen Längenmaßstäben• ergänzt um beheizte Thermografie-Kalibriertafeln
(AL-Platten mit Heizfolie, erhabene Papiermarken)
• Photogrammetrie-Kalibrierfeld mit verschiedenen Ebenen und eingehangenen Längenmaßstäben• ergänzt um beheizte Thermografie-Kalibriertafeln
(AL-Platten mit Heizfolie, erhabene Papiermarken)
Erweitertes Kalibrierfeld:
rel. Orientierung
Selektive Thermografie - Kalibrierung
Ablauf
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