Innovative Werkzeugmaschine Präzision, Produktivität, Effizienz

Konrad Wegener1,2 , Josef Mayr2, Markus Steinlin2

1Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung, ETH Zürich, Schweiz2inspire AG, ETH Zürich, Schweiz

Mit freundlicher Unterstützung durch

Inhalt

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Einleitung Konzept für Präzision Dynamische Kompensation Energieeffizienz Thermische Kompensation Zusammenfassung

Trends

Steigerung von Genauigkeit und Produktivität Extrapolationen sind nicht zulässig:

nach Reinhard, iwb München

- Die Physik gilt weiterhin- Mechanische Funktionen werden elektronisch unterstützt- Design for compensation- Steigerung der Zuverlässigkeit (Wettbewerb gegen LWC)- Selbstdiagnose und Eigenreparatur (Adaption an Schadenszustand)- Kognitive Strategieplanung ( 5-2-1 – Minutenmaschine)- Automatische Maschinenanpassung (Tuning)

Trends Maschine als Kommunikator Entlastung Bediener, Komplexitätssteigerung Maschine Download, Upload aus dem Netz Kommunikation mit Werkstück, autonome Fertigungssysteme Sensorfusion, Prozessüberwachung Adaptronik, Selbstinbetriebnahme, Rekonfigurierung

4

Methoden zur Optimierung des Maschinenverhaltens Prozess

Thermik

Dynamik

Zuverlässigkeit

Kinematische Genauigkeit

TCO, Energie

Inhalt

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Einleitung Konzept für Präzision Dynamische Kompensation Energieeffizienz Thermische Kompensation Zusammenfassung

Bear

beitu

ngsg

enau

igke

it [

m]

Quelle: McKeown nach Taniguchi

7

Entwicklung der Genauigkeitsanforderungen

Neue Konzepte erforderlich

Normal Machining

Precision Machining

Ultra Precision Machining

R-Test, Kalibrierung

Präzoplan, flächige Führung

Planares Maschinenkonzept

Soviel Planarität wie möglich

Wiederbenutzung von Funktionsflächen für mehrere Achsen

Planar:Aerostatische FührungAbdeckung als Blechrollband2-D-Messsystem

Linear:Antrieb über eine Traverse mit Gantry

8

Resultate

Extreme Steifigkeit (vertikal 300 N/μm) Hohe Produktivität durch Fahren ohne

Ruckbegrenzung Glanzoberflächen mit Ra<6 nm Arbeitsraumgenauigkeit auf unter 1 μm

kompensierbar Einfache Kompensation durch

geringe Zahl von Fehlerparameternund Realisierung Abbé-Komparatorprinzip

Stepping 0.1 μm

OZX

OXZ

Lesekopf

Z-Massstab

XY-Tisch

SpindelTCP

Z-Pinole

Inhalt

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Einleitung Konzept für Präzision Dynamische Kompensation Energieeffizienz Thermische Kompensation Zusammenfassung

Dynamische Kompensation

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Cross – und Intalk

Crosstalk

Intalk

Dynamische Kompensation

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Messung von Beschleunigungen am TCP mit unterschiedlichen vorgegebenen Beschleunigungen

Messungen des Crosstalks mit unterschiedlichen vorgegebenen Beschleunigungen

Gute Korrelation, aber unveränderter Ruck

Dynamische Kompensation

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Kalibrierung Steuerkurve, Ausfiltern Störeffekte

Dynamische Kompensation

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Konzeption der Cross- und Intalkkompensation

Position des TCP aus Bahnplanung nominelle Beschleunigung aus Bahnplanung Berechnung achsweise Cross- und Intalk Lineare Superposition der Abweichungen zur Berechnung der

Kompensationswerte Neue Bahn incl. Kompensationswerte über NC neue Geschwindigkeiten NC Skalierung zur Anpassung an Messungen

Dynamische Kompensation

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ca. 50% Crosstalk-Reduktion ohne Produktivitätsminderung

Crosstalk und Crosstalk-Reduktion aus Modell

Crosstalk und kompensierter Crosstalk gemessen

Management von Toleranzen zur Bahnoptimierung, Produktivitätssteigerung

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Energieverbrauch

Material Herstel- Trans- Inbetrieb- Nutzung Recyclinglung port nahme

Die Maschine fährt nicht wie programmiert Nutzung des Toleranzbereichs für die Bahnplanung ermöglicht höhere

Geschwindigkeiten, verringert Brems- und Beschleunigungsvorgänge und damit Rucke und verringert dynamikbedingte Bahnabweichungen

Inhalt

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Einleitung Konzept für Präzision Dynamische Kompensation Energieeffizienz Thermische Kompensation Zusammenfassung

Massnahmen zur EnergieeffizienzProzessoptimierung: Nutzen 1. – 2. – 3. Art

Nutzen 1. Art entsteht durch Effizienz der Maschinenherstellung.

Nutzen 2. Art entsteht in der Nutzung von Produktionsmaschinen. Zentrales Handlungsfeld für Maschinenhersteller ErP-Richtlinie

Nutzen 3. Art bedeutet mehr Effizienz in der Nutzung der gefertigten Produkte. Dieser Nutzen hat bei aktiven Produkten eine sehr grosse Hebelwirkung.

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Energieeffizienz in der Produktion Effizienzsteigerungen zu Lasten der Bauteilqualität hat häufig auf die

Gesamtenergiebilanz verheerende Auswirkungen durch die Nutzungsphase der hergestellten Produkte.

Beispiel Schleifen eines Aussenrings des Lagers einer 5 MW WindturbineAufwand 0.96 MJ, Qualitätsverbesserung mit zusätzlichen 0.24MJ Feinstschleifen 0.1% Wirkungsgradverbesserung einer 5 MW –Anlage Innerhalb eines Jahres wird die zusätzlich aufgewendete Energie 186000 mal zurückgespielt. (Aurich 2014)

Beispiel Bearbeitung von Kurbelwellen (Beispiel: Weber Züst)Nutzen 3. Art: 1% Reduktion Treibstoffverbrauch durch bessere Lagerflächen 30 Mio € Einsparung pro Anlage und Jahr durch Reduktion

Treibstoffverbrauch und Vermeidung CO2-Strafe Amortisationszeit 20 Tage

Präzision, Effizienz und Produktivität gehören zusammen

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Simultanes Mehrkanalmesssystem

Mehrkanalmessung, wie sie in ISO/DIS 14955-1 vorgeschlagen wird 17 Kanäle für 3-Phasenmessung (max. 10 kW ohne Messtransformer) 2 Kanäle für Druckluftmessung (max. 150 m3/h, DN20) Sampling Rate 5 Hz

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CLT

CLT

CLT

FLOW

Air Consumer A

RS232 Conv.

RS

232

Pressure

Consumer C

Consumer A

Consumer B

Signal flow

machine tool

Measured power supply

Measurement system

Measured Air supply

ETHZ-Spin-OffSigma-Tools

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Generalisierung von Erkenntnissen

Empirische Erkenntnisse aus Fallstudien können zu Handlungsfeldern kondensiertwerden: Prozessoptimierung: Produktivitätsverbesserung und Abfallverringerung sind

typische Massnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz Betriebe ohne Nutzen: Leistungs-

aufnahme in unproduktiven Zeitenbedeutet Ineffizienz

Wärmemanagement: Die zugeführte Energie wird in Wärme umgewandelt, die abgeführt werden muss, damit der Prozess stabil bleibt.

Hallenintegration: Fabrikseite Versorgung wie Druck-luft, Klimatisierung oder Kühlwasserwerden sorglos beansprucht und/oderdie Integration ist mangelhaft.

Effiziente Prozesse

Vermeidung Betrieb ohne

Nutzen

Wärme-Management

Hallen-Integration

Wärmemanagement: Simulation der Wärmequellen

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MessungSimulation

IWF ETHZ / Simon Züst

Gute Vorhersage der relevanten Leistungsanteile aufgrund der Komponentenspezifikation ist nachgewiesen.

Forschungsrichtung: Verknüpfung mit dem thermischen Modell der Maschine Verhalten im Teillastbereich Simulation nur mit Katalogdaten

0 100 200 300 400 500 sec. 0 100 200 300 400 500 sec.

7 kW

5

1

0

Pow

er [k

W]

0 100 200 300 400 500 sec.

7 kW

5

1

0

Pow

er [k

W]

Inhalt

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Einleitung Konzept für Präzision Dynamische Kompensation Energieeffizienz Thermische Kompensation Zusammenfassung

Motivation für thermische Kompensation Konventionelle Sichtweise:

– Thermische Stabilität kann nur erreicht werden durch Kühlung und Klimatisierung– Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit und Gutteilausbringung durch

Warmlaufzyklen energetischer Aufwand Neue Sichtweise:

– Optimieren der Bearbeitungsgenauigkeit und Produktivität ohne zusätzlichen Einsatz von Energie- und sonstigen Resourcen

– Einleiten von Gegenbewegungen durch die Steuerung– Beherrschen des Temperaturgangs (wissensbasiert)

Kompensationsansätze

25

Kompensation von Fehlbewegungen

Problem: Historienabhängigkeit Modell der Gesamtmaschine (Starrkörper)

– NC-Bahn erforderlich für Simulation NC-Bahn (aus Steuerung, z.B. FANUC

Focas2) Belastung der Achsen aus

Mehrkörpersimulation Thermisches FE-Modell Mechanisches FE-Modell (ggf. reduziert) Berechnung der Kompensationswerte Schnelle Modellbildung mit Makros

Mit weniger mehr erreichen, Ersatz der Klimatisierung

Heute möglich: ca. 70% Reduktion Verlagerung

26Ess: 2011

Trotz hohem Rechenaufwand echtzeitfähige Kompensation möglich durchlangsame Temperaturbewegung

Kompensation des Aufwärmverhaltens nennenswerte Energieeinsparungen durch Vermeidung Warmlaufzyklen– Eingabe der Kompensationswerte über FOCAS2 von FANUC– Kompensationsmodell läuft auf der Steuerung– Fehler kompensiert: durchgezogene Linie

– Measured by incremental probes– Fehler uncompensiert: +

Kompensation mittels Simulationsmodell

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X

Y

Z

0 5 10 15 20

-20

-10

0

10

Time [h]

Dis

plac

emen

t [m

]

XYZ

Kompensation mittels SimulationsmodellNachmessung mit Kreuzgitter

Verlagerungen an Position 4 und 2 im Arbeitsraum– Fehler kompensiert: durchgezogene Linie– Fehler unkompensiert: +

Positionsabhängige Fehler gleichermassengut kompensiert

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0 5 10 15 20 25-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Time [h]

Dis

plac

emen

t [m

]

XY

Position 2

0 5 10 15 20 25-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Time [h]

Dis

plac

emen

t [m

]

XY

Position 4

Kompensationsstrategie: Vereinfachung

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Physikalisches Modell, Echtzeitkompensation

PhänomenologischesModell, Codemodifikation

Modell

Lageabweichung (Echtzeit)

Kompensations-parameter

NC (Fanuc)

Focas 2(Verschieben KS)

ModellgleichungenFitting Algorithmus

Kompensations-parameter

NC-CodeCode

Generator (C++)

Kompensierter Code

Physikalisches Modell

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Umgebungs-temperatur (TE)

C-Achse

B-Achse

B-Kö

rper

Gest

ell

Tisch

Eingangsparameter

Leistungseingang (PI,k) Kühlleistung (PC,k) Winkelposition horizontale Achse

Modellkonstanten

Masse (mk) Geometrie der Körper Konvektionskoeffizienten (ak) Wärmeleitfähigkeit (lkiki) Wärmekapazität (cpk)

Parameteridentifizierungdurch Kalibrieren

Reduktion thermischer Fehlermit physikalischem Modell

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R0T

A0C1

Z0T

Y0C

[μm]

1 Linear effects of A0C are compensated for a defined height2 Calculation: reduction of the root mean squares of the deviations throughout the cycle

Y0C Z0T R0T A0Clin

Verbesserung [%2] 78 72 70 33

Gebhardt:2013

Nicht kompensiertkompensiert

Zeit [h]

Phänomenologisches Modell

32

Phänomenologisches Modell

33

Inhalt

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Einleitung Konzept für Präzision Dynamische Kompensation Energieeffizienz Thermische Kompensation Zusammenfassung

Zusammenfassung

Innovation im WZM-Bau hat viele Aspekte. Aber Präzision, Produktivität, Effizienz sind gemeinsam zu betrachten

und Produktion ist die Kreuzung der Lebenszykluslinien der Werkzeugmaschine mit dem Produkt Nutzen 1., 2. und 3. Art

Ansatz für Ultrapräzision Je besser die Basis, desto effektiver Kompensation Dynamische Kompensation Energieeffizienz verbessert thermisches Verhalten, Thermische Kompensation ist energieeffiziente Umsetzung der

Verringerung des Temperaturgangs. Energieeffizienz für bessere Teilequalität Kompensation mit Feldgleichungen Kompensation mittels physikalischer Näherung Kompensation mit phänomenologischen Gleichungen Design for Compensation Reproduzierbarkeit

35

36

Energieeffizienz und thermisches Verhalten von Werkzeugmaschinen

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

inspire AGfür mechatronische Produktionssysteme und Fertigungstechnikhttp://www.inspire.ch

IWFInstitut für Werkzeugmaschinen und Fertigung IWF der ETH Zürichhttp://www.iwf.mavt.ethz.ch

Konrad Wegenermailto:wegener@iwf.mavt.ethz.ch

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Systemgrenze für Energiebetrachtung

WerkzeugmaschineFactory & Facilities

Prozess Zone

Elektrische Energie WärmeabfuhrW

ärme Ab

luft

Weitere Versorgung

Electric Drives

Electric drives have a similar design Generic drive model

– Synchronous / Asynchronous– Feed drive / spindle

Housing divided in a series of bodies Equivalent thermal network

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Compensation of the warm-up behavior– Compensation is active and running on machine tool– Compensated error: solid line

– Measured by the incremental probes– Uncompensated error: + sign– X and Y axis: error less than 5µm

Simulations and Measurements Compensation

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X

Y

Z

0 5 10 15 20

-20

-10

0

10

Time [h]

Dis

plac

emen

t [m

]

XYZ

Simulations and Measurements Compensation

Displacements at position 4 and position 2– Compensated error: solid line– Uncompensated error: + sign

Position dependent errors– Large change in X error– Compensated error stays the same

40

0 5 10 15 20 25-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Time [h]

Dis

plac

emen

t [m

]

XY

Position 2

0 5 10 15 20 25-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

Time [h]

Dis

plac

emen

t [m

]

XY

Position 4

KSM-Zufuhr

Montag, 19. Mai 41Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigung (IWF)

Additiv gefertigte Ringdüse

Ringdüse

Additiv gefertigte Ringdüse 1. KSM-Strahl2. KSM-StrahlAbrasivbelagbenetzter Bereich

Gliederschlauchsystem

Düse

Profilansichtder

Ansicht Unterseite

Werkzeug

Energieeffizienz und thermische Kompensation

Kühlschmiermittelversorgung so wenig wie möglich (Suffizienzprinzip) aber an die richtige Stelle Prozessabhängig gesteuert reproduzierbar und berechenbar

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