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

Weiterhin wirken, durch die Bewegung von Werkstück und Kraftmessplattform im Raum, zusätzlich zur Prozesskraft statische und dynamische Kräfte . Der dynamische Anteil setzt sich aus der Zentrifugalkraft, der Eulerkraft und der Corioliskraft zusammen. Letztere tritt in der Regel nicht auf, da keine bewegten Massen innerhalb des rotierenden Systems vorhanden sind. Sind die Winkelgeschwindigkeiten, Winkelbeschleunigungen sowie Form, Lage und Masse des Werkstücks bekannt, können die wirkenden dynamischen Kräfte ermittelt und von der Messung subt-rahiert werden.

Zusätzlich zu den dynamischen Effekten durch die Bewegung des Werk-stücks bewirken Gravitationskräfte bei der 5-Achs-Bearbeitung eine Verfälschung der ausgegebenen Kraftwerte. Wird die Orientierung des Werkstücks im Raum während der Bearbeitung verändert, so ändert sich die Lage des Gewichtskraftvektors bezogen auf das Koordinatensystem der Messeinrichtung. Demzufolge muss der Einfluss der Gewichtskraft abhängig von der aktuellen Orientierung des Werkstücks im Raum kompensiert werden. Hierzu wird die wirkende Gewichtskraft entlang der Koordinatenachsen der Messplattform aufgeteilt und vom Messsignal subtrahiert. Parallel zur Kompensation der dynamischen Fehler aufgrund von anregenden Schwingungen muss auch hier der Verlust an Gewichtskraft durch die Bearbeitung selbst berücksichtigt werden. Bei Schlichtprozessen kann der Massenverlust gegebenenfalls vernachlässigt werden, bei Schruppprozessen hingegen ist eine Berücksichtigung erforderlich. Hierfür stehen grundsätzlich zwei verschiedene Strategien zur Verfügung. Ist das Zeitspanvolumen über die Bearbeitungsdauer konstant, so kann von einem linearen Massenabtrag ausgegangen werden. Ausgehend von der Masse zu Beginn der Bearbeitung, kann online eine Kompensation durchgeführt werden. Bei nicht konstantem Zeitspanvolumen besteht die Möglichkeit, über eine a priori Zerspansimulation den Verlauf zu berechnen, während der Bearbeitung zu synchronisieren und damit die Kompensation durchzuführen.

Insbesondere bei der Fertigung von hochwertigen Komponenten in ge-ringen Stückzahlen kann durch eine Prozesskraftmessung und eine darauf basierende Prozessüberwachung die Prozesssicherheit gesteigert werden. Neben der Erfassung von Kräften werden die maschineninternen Positionssignale der einzelnen Achsen aufgezeichnet. Hieraus können die wirkenden Beschleunigungen durch Differenzierung der Signale gewonnen werden.
Eine Kompensation der Gewichtskraft wird abhängig vom Winkel der Schwenkachse durchgeführt. Die verbleibenden dynamischen Kraftanteile können anschließend über die Winkelbeschleunigung kompensiert werden. Das unkompensierte Kraftsignal zeigt bei konstanter Masse die Übereinstimmung mit der zugehörigen Winkelbeschleunigung. Das Beispiel der Kraftmessung bei der 5-Achs-Bearbeitung zeigt, dass die singuläre Auswertung von Messgrößen zu Fehlinterpretationen führt. Durch die kombinierte Auswertung verschiedener Sensoren besteht die Möglichkeit, die Störgrößen zu erfassen und den Informationsgehalt der Messung zu steigern. Zur Umsetzung einer digitalen, modellbasierten Produktion ist daher die Entwicklung neuer, integrierter Sensoren erforderlich.

Für die Erfassung von Prozesskräften im Zuge der digitalen Produktion ist neben der drahtlosen Datenübertragung eine weitere Einbettung von Sensoren und Datenvorverarbeitung in die eigentliche Kraftmessplattform anzustreben. Die Erfassung von Position und Beschleunigung des Werkstücks wird über Beschleunigungssensoren und miniaturisierte Lagesensoren, wie sie in Smartphones bereits verwendet werden, realisiert. Um die Datenübertragungsraten gering zu halten, muss eine Vorverarbei-tung auf dem System (sensorintegrierte Signalverarbeitung) stattfinden. Hierzu werden rekonfigurierbare Datenerfassungssysteme verwendet. Diese erlauben je nach Anwendungsfall eine veränderte Datenverarbeitung auf dem System. Für die Prozessüberwachung oder Prozessregelung werden vom System dann nur noch die notwendigen Kennwerte übertragen. Durch die Rekonfigurierbarkeit kann die Verrechnungsmethode jederzeit optimal an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. Ein Beispiel für eine CPPS-Kraftmessplattform für die 5-Achs-Bearbeitung mit integrierten Lage- und Beschleunigungssensoren zeigt Bild 7.