Charakterisierung des dynamischen Verhaltens einer Fräsmaschine

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Motivation

1.2 Zielsetzung

1.3 Aufbau der Arbeit

2 Grundlagen und Versuchsplanung

2.1 Meßmittel

2.1.1 Laser-Interferometer

2.1.1.1 EIGENSCHAFTEN DES LASERLICHTES

2.1.1.2 VORTEILE DES LASERS

2.1.1.3 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN DES LASERS

2.1.1.4 HELIUM – NEON – LASER

2.1.1.5 INTERFEROMETRIE

2.1.2 Kreisformtester

2.1.2.1 VORTEILE DES KREISFORMTESTS

2.1.2.2 AUFBAU DES RENISHAW-BALLBAR-VERFAHRENS

2.1.2.3 ABLAUF DER DATENERFASSUNG

2.1.2.4 AUSWERTUNG DES KREISFORMTESTS

2.1.3 Besonderheiten für die Durchführung in dieser Arbeit

2.1.3.1 TOTWEG

2.1.3.2 COSINUS-FEHLER

2.1.3.3 ABBE´SCHES KOMPARATORPRINZIP

2.2 Messen

2.2.1 Abgrenzung Messen und Prüfen

2.2.2 Grundlagen

2.2.3 Definitionen

2.2.4 Meßabweichung und Meßunsicherheit

2.2.4.1 VORBEMERKUNG

2.2.4.2 URSACHEN DER MEßUNSICHERHEIT

2.2.4.3 BEDEUTUNG DER MEßUNSICHERHEIT

2.2.4.4 FEHLEREINTEILUNG

2.2.5 Fehlerrechnung

2.2.5.1 MITTELWERT

2.2.5.2 MITTLERE ABWEICHUNG

2.2.5.3 STANDARDABWEICHUNGEN

2.2.6 Regressionsrechnung

2.3 Normen und Richtlinien zur Charakterisierung und Vermessung der Maschine

2.3.1 DIN-Normen

2.3.2 VDI-Richtlinien

2.3.3 Einschätzung der vorgegebenen Regelwerke

2.3.4 Versuchsplan

2.4 Versuchsplanung und Begriffsbestimmung der Kennwerte

2.4.1 Vorbemerkung

2.4.2 Minimale und maximale Bahngeschwindigkeit

2.4.3 Beschleunigungs –und Verzögerungszeiten und –wege

2.4.4 Vorschubkonstanz

2.4.5 Positionierzeit

2.4.6 Schleppabstand

2.4.7 Geschwindigkeitsverstärkung

2.4.8 Grenzfrequenz

2.4.9 Kreisformabweichung

3 Versuchsdurchführung

3.1 Beschreibung der Mikro-Fräsmaschine

3.2 Vermessung der Maschine

3.2.1 Minimale und maximale Bahngeschwindigkeit

3.2.2 Beschleunigungs –und Verzögerungszeiten und –wege

3.2.3 Vorschubkonstanz

3.2.4 Positionierzeit

3.2.5 Bestimmung des Schleppabstandes, der Geschwindigkeitsverstärkung und der Grenzfrequenz

3.2.6 Bestimmung der Kreisformabweichung

4 Interpretation und Schlußfolgerungen

4.1 Minimale und Maximale Bahngeschwindigkeit

4.2 Beschleunigungs– und Verzögerungszeiten und –wege

4.3 Vorschubkonstanz

4.4 Positionierzeit

4.5 Geschwindigkeitsverstärkung

4.6 Kreisformtests

5 Zusammenfassung und Ausblick

5.1 Bewertung der Mikro-Fräsmaschine

5.2 Optimierungsmöglichkeiten des Planetengewindetriebs

5.3 Verbesserung des dynamischen Verhaltens mittels Linearmotor

Zielsetzung & Themen

Ziel dieser Arbeit ist die Erfassung und Beurteilung der dynamischen Charakteristik einer Mikro-Fräsmaschine, die am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik (wbk) konzipiert wurde. Im Zentrum steht dabei die experimentelle Ermittlung signifikanter Kennwerte, um diese einerseits mit einem Mikro-Bearbeitungszentrum der Firma Kugler zu vergleichen und andererseits Optimierungspotenziale für Antrieb und Steuerung zu identifizieren.

• Dynamische Charakterisierung der Mikro-Fräsmaschine mittels Laser-Interferometrie und Kreisformtests.
• Ableitung eines Versuchsplans auf Basis von DIN-Normen und VDI-Richtlinien zur Bestimmung kinematischer Kennwerte.
• Gegenüberstellung der Ergebnisse mit Referenzwerten konventioneller 3-Achs-Fräsmaschinen.
• Analyse von Optimierungsstrategien wie dem Einsatz von Linearmotoren zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens.

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1 Einleitung: Die Einleitung erläutert die Bedeutung der Genauigkeitsprüfung bei modernen NC-Maschinen und definiert die Zielsetzung der Arbeit, die dynamische Charakterisierung der institutseigenen Mikro-Fräsmaschine vorzunehmen.

2 Grundlagen und Versuchsplanung: Dieses Kapitel beschreibt die eingesetzten Messmethoden (Laser-Interferometer, Kreisformtest) und leitet auf Basis relevanter Normen einen detaillierten Versuchsplan zur Bestimmung dynamischer Kennwerte ab.

3 Versuchsdurchführung: Hier werden der Aufbau der Mikro-Fräsmaschine sowie die konkrete Durchführung der Messungen zur Bestimmung der Bahngeschwindigkeiten, Zeiten, Vorschubkonstanz und Kreisformabweichung detailliert beschrieben.

4 Interpretation und Schlußfolgerungen: Dieses Kapitel diskutiert die gewonnenen Messergebnisse, bewertet das dynamische Verhalten der Achsen und leitet Schlussfolgerungen hinsichtlich der Konfigurationsgüte ab.

5 Zusammenfassung und Ausblick: Die Arbeit schließt mit einer zusammenfassenden Bewertung der Mikro-Fräsmaschine ab und skizziert Optimierungspotenziale, insbesondere durch alternative Antriebskonzepte wie Linearmotoren.

Schlüsselwörter

Mikro-Fräsmaschine, Dynamik, Laser-Interferometer, Kreisformtest, Bahngeschwindigkeit, Beschleunigung, Vorschubkonstanz, Positionierzeit, Schleppabstand, Geschwindigkeitsverstärkung, Grenzfrequenz, DIN ISO 230, VDI 3427, Maschinencharakterisierung

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?

Die Diplomarbeit befasst sich mit der dynamischen Charakterisierung und messtechnischen Bewertung einer am wbk der Universität Karlsruhe entwickelten Mikro-Fräsmaschine.

Was sind die zentralen Themenfelder?

Zentrale Themen sind die experimentelle Bestimmung kinematischer Kenngrößen, die Anwendung interferometrischer Messverfahren sowie die Bewertung der Bahngenauigkeit und Antriebsdynamik.

Was ist das primäre Ziel der Arbeit?

Das Ziel ist die Gewinnung von Kennwerten zur Charakterisierung des dynamischen Verhaltens, um einen Vergleich mit kommerziellen Anlagen zu ermöglichen und Optimierungsstrategien aufzuzeigen.

Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?

Es werden standardisierte Verfahren nach DIN ISO 230 und VDI-Richtlinien (3427) angewendet, insbesondere die laserinterferometrische Positionsmessung und der Kreisformtest mit dem Renishaw-Verfahren.

Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?

Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen der Messtechnik, die Planung und detaillierte Durchführung der Versuchsreihen sowie die abschließende Interpretation der Messergebnisse.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Schlüsselwörter sind unter anderem Mikro-Fräsmaschine, Bahngeschwindigkeit, Kreisformabweichung, Schleppabstand, Geschwindigkeitsverstärkung und dynamische Maschinencharakterisierung.

Wie unterscheidet sich die Mikro-Fräsmaschine in der x- und y-Achse laut den Messungen?

Die Messungen zeigen, dass die y-Achse eine höhere Dynamik aufweist als die x-Achse, was auf die geringere y-Verfahrstrecke und die konstruktive Anordnung (y-Tisch sitzt auf x-Tisch) zurückzuführen ist.

Warum ist der Einsatz von Linearmotoren als Verbesserungsvorschlag aufgeführt?

Linearmotoren eliminieren mechanische Übertragungselemente wie den Planetenrollengewindetrieb, wodurch Spiel, Elastizitäten und zusätzliche Trägheitsmassen entfallen, was das dynamische Verhalten signifikant verbessert.