Thermische Messtechnik zur Analyse von Werkzeugmaschinen

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1 Thermische Messtechnik zur Analyse von Werkzeugmaschinen Herausforderung Kühlschmiermittel Philip Blaser Pablo Hernandez Becerro Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF), ETH Zürich

2 Inhalt Herausforderungen bei thermischen Messung Messen von thermischen Kühlschmiermitteleinflüssen Resultate Zusammenfassung und Ausblick 11/23/2017 1

3 Inhalt Herausforderungen bei thermischen Messung Messen von thermischen Kühlschmiermitteleinflüssen Resultate Zusammenfassung und Ausblick 11/23/2017 2

4 Herausforderungen bei thermischen Messung Die Messung von thermischen Verlagerungen birgt eine Menge an Herausforderungen: Möglichst viele Punkte im Arbeitsraum sollten vermessen werden Die Messzeit sollte so kurz wie möglich gewählt werden Rückschlüsse auf Maschinenkomponenten ermöglichen (a) (b) (c) Quelle: (a) Weikert and Knapp 2004 (b) Ibaraki et al (c) Ibaraki et al /23/2017 3

5 Herausforderungen bei thermischen Messung Kühlschmiermittel (KSM) verändern das thermische Verhalten einer Werkzeugmaschine drastisch Ohne KSM Mit KSM Temperatur der Dreh-/Schwenkachse bei einer Drehgeschwindigkeit der Rotationsachse C von 600 U/min. Das KSM wird nicht aktiv gekühlt. Quelle: Mayr et al /23/2017 4

6 Herausforderungen bei thermischen Messung Simulation einer kompletten Werkzeugmaschine mit KSM Die Führungsschienen zeigen eine örtliche und zeitliche Änderung Messungen sollten diese Verlagerungen erfassen können 11/23/2017 5

7 Inhalt Herausforderungen bei thermischen Messung Messen von thermischen Kühlschmiermitteleinflüssen Resultate Zusammenfassung und Ausblick 11/23/2017 6

8 Messen von thermischen KSM-Einflüssen KSM-Zuführung: Bettspülung Kopfspülung Schwalldusche Quelle: Angepasst von ISO : /23/2017 7

9 Messen von thermischen KSM-Einflüssen Messungen Kein KSM, Environmental Variation Error (EVE) Test Bettspülung Kopfspülung Bett- und Kopfspülung Bettspülung, Kopfspülung und Schwalldusche Tisch hinten Neigungswaage Tisch vorne 11/23/2017 8

10 Messen von thermischen KSM-Einflüssen Ablauf der Neigungswaagenmessung KSM ON OFF OFF ON OFF Zeit [s] Neigungswaage R-Test Warten KSM ON KSM OFF Zeit [h] /23/2017 9

11 Messen von thermischen KSM-Einflüssen Messablauf: Anfahren von 8 Punkten in Y/Z-Ebene Wartezeit: 5 s Messzeit: 1s Gesamte Messzeit: 250 s Neigungswaage Tisch hinten Tisch vorne 11/23/

12 Messen von thermischen KSM-Einflüssen Die Messungen konzentrieren sich auf die Winkelabweichungen der Y- und Z-Achse um die X-Achse Im Vorfeld durchgeführte Messungen haben gezeigt, dass die Winkelabweichungen die Hauptursache für die TCP-Verlagerungen sind Neigungswaage EAZ t k, z j+1 + EAY(t k, y i ) EAZ t k, z j + EAY(t k, y i ) Messung Position z j+1 y i Messung Position z j y i j EAZ t k, z j EAZ t k, z j+1 EAZ t k, z j j+1 j+1 j+2 11/23/

13 Messen von thermischen KSM-Einflüssen Messmittel Sensor Spanne Genauigkeit Auflösung Anzahl Sensoren Abtastrate Direct-todigital 0 to 70 C ±0.5 C 0.1 C s temperature sensor Umgebungstemperatursensor 0 to 50 C ±1 C 0.1 C 8 60 s Sensor Spanne Genauigkeit Auflösung Thermischer Drift Neigungswaage Talyvel 3 ±3 mm/m ±1 μm/m oder ± 2% des Messwerts 1 μm/m ±0.5% des Messwerts pro C Quelle: /23/

14 Inhalt Herausforderungen bei thermischen Messung Messen von thermischen Kühlschmiermitteleinflüssen Resultate Zusammenfassung und Ausblick 11/23/

15 Resultate 11/23/

16 Resultate Y-Achse Temperatursensor EVE: Environmental Variation Error 11/23/

17 Resultate Bettspülung Aug 23 Aug 24 Aug 23 Aug 24 Tisch vorne Z-Achse Temperatursensor 11/23/

18 Resultate Kopfspülung Aug 24 Aug 25 Aug 24 Aug 25 Tisch vorne Z-Achse Temperatursensor 11/23/

19 Resultate Bett- und Kopfspülung Aug 25 Aug 26 Aug 25 Aug 26 Tisch vorne Z-Achse Temperatursensor 11/23/

20 Resultate Bett- und Kopfspülung mit Schwalldusche Aug 29 Aug 30 Aug 29 Aug Z-Achse Temperatursensor 11/23/

21 Inhalt Herausforderungen bei thermischen Messung Messen von thermischen Kühlschmiermitteleinflüssen Resultate Zusammenfassung und Ausblick 11/23/

22 Zusammenfassung und Ausblick Die Kombination von verschiedenen KSM-Zuführungen hat unterschiedliche Einflüsse auf das thermische Verhalten einer Werkzeugmaschine Die Steuerung der Vorlauftemperatur hat einen direkten Einfluss auf das zeitliche Temperaturverhalten Das Messverfahren ist imstande das thermische Verhalten einer Werkzeugmaschine unter KSM-Einfluss zu erfassen Die Ursachen der thermischen Abweichungen können einzelnen Maschinenkomponenten zugeordnet werden. 11/23/

23 Zusammenfassung und Ausblick Die Schwankungen in der Umgebungstemperatur verursachen eine zeitliche Änderung der Winkelfehler der Y-Achse Peak-to-peak EAY = 6 μm/m Der Einfluss der Bettspülung kann mit der Neigungswaage erfasst werden, indem man entlang der Z-Achse fährt Transiente Phase: EAZ = 12 μm/m in 82 min EAZ = 14 μm/m von 5 nach 6 EAZ = 3 μm/m von 6 nach 7 nach 12 h 11/23/

24 Zusammenfassung und Ausblick Dieses Messverfahren wird beim Werkzeugmaschinenhersteller verwendet um Designänderungen der nächsten Generation zu evaluieren. Designänderungen werden aufgrund von FEM Simulation eruiert und mit Messungen validiert Überarbeitung der Strukturteile Verbesserung der KSM-Zuführung Isolierungen des Ständers gegenüber der Umgebung Optimale Regeltemperatur für KSM 11/23/

25 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!