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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


Transregio96

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Gliederung





• 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





• 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





• Zusammenfassung

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Transregio96


• 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





• Zusammenfassung

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Transregio96


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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Transregio96


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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Transregio96

2. Wiener Produktionstechnik Kongress - WPK 2014 (7.-8. Mai 2014) 30




Transregio96


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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Transregio96


• 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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