Multisensorsystem zur Kompensation von Störeffekten − Kraftmessung bei der 5-Achs-Bearbeitung

In der Zerspanung ist die Messung von Prozesskräften essenziell für die Prozessanalyse und Prozessoptimierung. Kraftmodelle sind in der Zerspanung neben Temperaturmodellen die am weitesten verbreiteten Ansätze, um die spanende Bearbeitung zu optimieren und die geforderten Qualitäten an komplexen Produkten zu erzielen. Zur Bestimmung der Prozesskräfte wird in den meisten Fällen die piezoelektrische Kraftmessung genutzt. Dabei werden einzelne Quarzscheiben vorgespannt und so zu einem Sensor mit hoher Linearität zusammengefügt. Ein zusätzlicher Informationsgewinn kann durch das Zusammenschalten mehrerer Sensoren zu einer Kraftmessplattform erzielt werden. Neben der Erweiterung des Messbereichs wird so die Berechnung von Drehmomenten ermöglicht.

Trotz des linearen Verhaltens der piezoelektrischen Sensoren können äußere Umgebungseinflüsse, wie zum Beispiel die Einsatztemperatur, eine Korrektur der Sensorsignale erforderlich machen. Die Einsatztemperatur bewirkt eine Veränderung des Zusammenhangs zwischen Kraft und die durch den Sensor abgegebene Ladung. Aus diesem Grund muss dieses Verhalten beschrieben und für den Einsatz in einer Fertigung entspre-chend kalibriert werden. Neben der mechanischen Kompensation durch eine Konstruktion, die thermische Dehnungen weitgehend ausgleicht, wird vielfach eine Korrektur der Messwerte durch die Nutzung weiterer Sensorsignale angestrebt. Die Korrektur von thermischen Effekten wird häufig zur Steigerung der Messgenauigkeit genutzt. Steht neben dem eigentlichen Messsignal eine Information über die Temperatur zur Verfügung, so kann eine modellbasierte Korrektur vorgenommen und damit die Genauigkeit der Messung weiter gesteigert werden. Derartige Kompensationsmethoden kommen bei der Zerspankraftmessung aber auch in der Werkzeugmaschine selbst zum Einsatz. In Werkzeugmaschinen werden Temperaturmesswerte zur Kompensation von thermischen Dehnungen der Maschinenstruktur verwendet.
Neben thermisch bedingten Messfehlern bewirken dynamische Effekte bei der Messung von Zerspankräften eine Verfälschung der Messgröße. Insbesondere beim Fräsen wird das Werkstück durch das Ein- und Austreten der Schneiden zu Schwingungen angeregt. Liegt dabei die anregende Frequenz zu nah bei der Systemeigenfrequenz, kommt es zu einer ungewünschten Beeinflussung des Messsignals. Eine einfache Tiefpassfilterung führt zwar zu einer Reduktion der überhöhten Amplitude, liefert jedoch keine hinreichend genaue Korrekturfunktion [2]. Eine Kompensation kann in diesem Fall durch Messung der Beschleunigung oder durch Kenntnis der inversen Übertragungsfunktion des Systems realisiert werden. Dieses Verfahren kann nur dann verwendet werden, wenn das zeitlich veränderliche Übertragungsverhalten des Systems bekannt ist. Im Falle von Zerspankraftmessungen kann nicht von einem konstanten Übertragungsverhalten ausgegangen werden, da sich die Masse des Werkstücks mit dem Materialabtrag ändert.

Darüber hinaus kommen weitere Störungen der Messung zum Tragen, wenn die Kraftmessung bei komplexen Bearbeitungsprozessen eingesetzt wird. Hierbei ist die Beschreibung der wirkenden Beschleunigungen am Sensor von essenzieller Bedeutung. Ein klassisches Beispiel für diese Problemstellung ist die 5-Achs-Bearbeitung komplexer Produkte. Da Kraftmesssysteme auf Werkzeugseite keinen automatischen Werkzeugwechsel zulassen, muss eine werkstückseitige Kraftmessung erfolgen. Ein Großteil der heute im Einsatz befindlichen Bearbeitungszentren realisiert bei der 5-Achs-Bearbeitung die lineare Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug auf der Werkzeugseite und die synchronen rotatorischen Bewegungen auf der Werkstückseite. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, dass die Kraftmessplattform über eine telemetrische Datenübertragung verfügt, um eine freie Bewegung des Messsystems in allen Bearbeitungsrichtungen zu erlauben.