Werkstückmesssysteme und Genauigkeitssteigerungen im ... · 11.04.2008 WMS.1 Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack Werkstückmesssysteme und Genauigkeitssteigerungen im Fertigungsprozess

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Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

WerkstWerkstüückmesssystemeckmesssysteme

undund

GenauigkeitssteigerungenGenauigkeitssteigerungen

imim

Fertigungsprozess Fertigungsprozess

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2 - 2118 - 0

Aufgaben von Werkstückmeßsystemen

TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL

1Ausmessen, Kontrollieren und Klassifizierengefertigter Werkstücke

(Erhöhen der Genauigkeit gefertigter Werkstücke)gleichmäßig gute Fertigungsqualität

Vermeiden von Ausschuß

Erkennen von Werkzeugverschleiß und/oderWerkzeugbruch

Reduktion des Aufwandes für die Werkzeugvoreinstellung

Ausgleich von Abweichungen beimAufspannen von WS und von verschiedenenAbmessungen der Rohteile

Automatisierung des Fertigungsablaufs unddessen Überwachung.

2

3

4

5

6

7

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TUHHPROF.DR.K.RALL

ArbeitsbereichWerkzeugmaschinen undAutomatisierungstechnik

(Fertigungstechnik II)TECHNISCHE UNIVERSITÄT

HAMBURG - HARBURG

Anforderungenan

Werkstück-meßsysteme

9 - 2117 - 3

*** hohe Meßgenauigkeit

*** Messung von Innen- und Außendurchmessern

*** kurze Meßzeiten

*** schnelle Umrüstbarkeit

*** kostengünstiger Aufbau

*** hohe Zuverlässigkeit

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Interne Meßverfahren Externe Meßverfahren

9 - 2116 - 7TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL

Vergleich von Werkstückmeßsysteme

- preiswert- etwas ungenauer- wie Wz wechselbar- flexibel- nicht für alle Meßaufgaben- während der Zerspanung schutzbedürftig- Referenzpunkt erforderlich

- teuer- max. erreichbare Genauigkeit- hoher Umrüstaufwand- unflexibel- für alle Messungen geeignet- Korrekturwerte nicht direkt verwendbar

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2 -0407 - 1

Vergleich von internen und externen Meßverfahren


ausreichend

negativ

sehr günstig

sehr günstig

gering

mäßig

gering

günstig

meist ohne Einfluß

ungünstig

nicht möglich

hoch

gering

hoch

BeurteilungskriteriumInternes Messenmit schaltendemTaster

Externes Messen

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Physikalische Messverfahren 1

Gestalt der Meßobjekte ebeneFlächen

Bohrungen( Basisteile )

beliebigVollkörper( Fügeteile )

Vollkörper( Fügeteile )

Messgenauigkeit bis 0,2% vomMessbereich

0,1 / bis 0,1%(Messbereich)

0000,001 mm 0,001 mm bis

0,05 mm0,002 mm bis

0,05 mm

Anzahl nötiger Messsysteme Anzahl Basis-teilbohrungen 1 1 1 2

sehr großBauvolumen klein sehr klein groß groß

Technischer Aufwand gering mittel groß sehr großsehr groß

Verunreinigungen,Magnetfelder

Mögliche Störeinflüsse Streulicht veränderliches Licht, Streulicht - Verunreini-

gungen

Installationsart beliebig beliebigbewegt beliebig stationär

Messabstand 1 bis 2 mm beliebig beliebigbeliebig(Objektivwahl)

beliebig(typ. 500 mm)

Messbereich bis 1x1 mm2 bis 24x24 mm2 beliebigbeliebig bis 0,5 x 0,5 m2

Abstands-sensoren, z.B. induktiv Reflexlicht- taster

Fotosensoren PSD-Vier- quadranten- Sensor

Videometrie,z. B. Grauwert Binärbild

Lasermess-systeme(Triangula- tion)

Lasermess-systeme(Schatten- bildung)

MesssystemeS

chw

eige

rt

BewertungskriteriumLaserstrahl

PSDLaser PSDCCDLicht

AB

C D

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Interferenz Echo/Laufzeit Echo/Phase Fokus Triangulation

BemerkungenspiegelndeOberfl. erf.

rel. Messung

kurzePulsdauer=> hohe

Pulsenergie

vorw. Ver-messungs-wesen ein-

gesetzt

Störgrößen Laserfreq., Atmosphäre

Atmosphäre,Strahlöffn.Rauschen

AtmosphäreSchwingungenmech. FehlerOberfl. Stör.

AbschattungOberfl. Stör.

Systematische Fehler 0,1 µm 0,1 … 0,5 % 0,8 mm/km 0,1 %

Messparameter Hell-Dunkel-Streifen

Laufzeit Phasenver-schiebung

Lichtinten-sität

Ort desLichtes

Zufällige Fehler(Auflösung)

λ/2 ... λ/4 cm … m 0,1 mm …1 µm

0,1 … 1 µm 0,1 % Meß-bereich

Messbereich < 30 m 1 bis400.000 km

1 m bis3 km

+ - 0,2 mm

TS

TSL

EST

TSL

E

TSL

E

STE

L

BL

ObST

LE

ObÄt

Pri

nzip

skiz

ze

TS : TrippelspiegelST : StrahlteilerL : LichtquelleOb : ObjektivBL : Blende

: ZeitdifferenzE : Empfänger∆t

Physikalische Messverfahren 2

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2 - 3195 - 4

Meßtaster mit Funkübertragung


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2 - 3366 - 5Prof. Dr.-Ing. K. Rall

TUHH

ScanningScanning--Tastkopf VASTTastkopf VASTZeiss

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2 - 2327 - 0

Vergleich von Meß- und Korrekturverfahren


O.Gossel

Kriterium WZ-Messung in der Maschine

Werkstückmessungin der Maschine

Werkstückmessungaußerhalb desArbeitsraumes

Genauigkeit

Seriengröße

Teilespektrum

Taktzeit

Rüstaufwand

Vorteile

Nachteile

mittel

Einzelfertigung - Kleinserie

groß

mittel

gering

hoch

Einzelfertigung - Kleinserie

groß

mittel

gering

sehr hoch

Mittelserie - Großserie

klein

klein

hoch

Voreinstellung der WZ

entfällt

WZ-Überwachung

möglich

Messen in der Bear-beitungsspannungin der Maschinehohe FlexibilitätRückführung desKorrektursignals

große Anzahl vonMeßstellen möglichAbsolutmessungkeine Nebenzeitendurch Messenkeine Verschmut-zungsgefahr

hohe Nebenzeitendurch Messen in der

Maschine

Verschmutzungsgefahr

Kollisionsgefahr

hohe Nebenzeitendurch MeßvorgangBelegung einer WZ-Position im Magazinbegrenzte Anzahl anMeßstellen

Relativ unflexibelaufwendige Steuerungrelativ hohe Kostenzweite Spannung fürWST

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Vorverarbeitung auf VormaVorverarbeitung auf Vormaßß,,Messung des Messung des (Vor)-- IstmaIstmaßßes undes undanschlieanschließßende Nachbearbeitungende Nachbearbeitungauf das Endmaauf das Endmaßß..

Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 1

Am Beispiel einer DrehmaschineAm Beispiel einer Drehmaschine(gilt analog für beliebige Fertigungsprozesse)

Sowohl das externe Messsystem als auch das Sowohl das externe Messsystem als auch das Positionersystem weisen systematische und Positionersystem weisen systematische und zufzufäällige Messllige Mess-- bzw. Positionierfehler auf.bzw. Positionierfehler auf.

SchaublinSchaublin

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Externer Sensormesswert nach Vorverarbeitungsschritt:Externer Sensormesswert nach Vorverarbeitungsschritt:

VIM VS VI VI M VI M VI( ) ( ) ( ) ( ) , mitx x T x S x T x S x= + + + +

{ } { }VS S Max ( ) Max ,xx x T x q qσ +> + + ∈


Nicht reversibler Prozess Nicht reversibler Prozess (Material kann nicht wieder aufgetragen werden)

PositionierPositionier-- MessprozessMessprozess

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Sx := Sollwert

Kx := Korrektur

KSx := korrigierter Sollwert

VSx := Vorverarbeitungsschritt-Sollwert

VIMx := gemessener Vorverarbeitungsschritt-Istwert

Ix := Endschritt-Istwert

VI( )T x := systematischer Fehler im Endverarbeitungsschritt

VI( )T x := systematischer Fehler im Vorverarbeitungsschritt

M VI( )T x := systematischer Messfehler

I( )S x := zufälliger Fehler im Endverarbeitungsschritt

VI( )S x := zufälliger Fehler im Vorverarbeitungsschritt und

M VI( )S x := zufälliger Messfehler


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KorrekturKorrektur

K VS VIM , mitx x x= − VIM VS VI VI M VI M VI( ) ( ) ( ) ( )x x T x S x T x S x= + + + +

( )K VS VIM VI VI M VI M VI( ) ( ) ( ) ( )x x x T x S x T x S x⇒ = − = − + + +

KS S Kx x x= +

korrigierten Sollwert korrigierten Sollwert

erreichter Istwert erreichter Istwert

I KS I I( ) ( )x x T x S x= + +

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( )( )

I S

K I I

VI VI M VI M VI I I

I VI I VI M VI M VI

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

x x x

x T x S x

T x S x T x S x T x S x

T x T x S x S x T x S x

∆ = −= + += − + + + + +

= − + − − +

( )

I KS I I

KS S K

K VI VI M VI M VI

( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

x x T x S x

x x x

x T x S x T x S x

= + += += − + + +

( )I VI I VI M VI M VI( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )x T x T x S x S x T x S x∆ = − + − − +


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Normalverteilte zufNormalverteilte zufäällige Fehlerllige Fehler(zentraler Grenzwertsatz der Statistik)

( , ) , mit := Mittelwert und := Standardabweichungx x x xX N µ σ µ σ→

Verteilungsfunktion von und sind annVerteilungsfunktion von und sind annäähernd gleich,hernd gleich,wenn die Prozessschritte zeitlich nahe beieinander liegen.wenn die Prozessschritte zeitlich nahe beieinander liegen.

VI( )S xI( )S x

( )( )( )

I I

VI VI

M VI VIM

( ) ,

( ) ,

( ) ,

X X

X X

X M

X x N T

X x N T

X x N T

σ

σ

σ

→

→

→

⇒


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Sofern die zufSofern die zufäälligen Prozesse unkorreliert sind, lligen Prozesse unkorreliert sind, gilt der Superpositionssatzgilt der Superpositionssatz

( )2 2

1 1 1

, für ,m m m

i i i i i i i i ii i i

c X N c c X Nµ σ µ σ= = =

→ →

∑ ∑ ∑

( )2 2I , 2X X Mx N T∆ σ σ⇒ → +


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SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen

Systematische FehlerSystematische FehlerVor-, Mess- und Nachbearbeitungsschritt Ohne Messung, bei analogen Annahmen

I VI M VI( ) ( ) ( ) ( )T x T x T x T x∆ = − −

ZufZufäällige Fehlerllige FehlerVor-, Mess- und Nachbearbeitungsschritt Ohne Messung, bei analogen Annahmen

2 22x X M∆σ σ σ= +

I( ') ( ')T x T x∆ =

'x X∆σ σ=

Streubreiten vergrStreubreiten vergrößößern sich erheblich!ern sich erheblich!

differenzieller systematischer Fehlerdes Positioniersystems(z.B. Offset- und Linearitätsfehler)

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Insofern macht dieses Konzept nur dann Sinn, wenn dieInsofern macht dieses Konzept nur dann Sinn, wenn diesystematischen gegensystematischen gegenüüber den zufber den zufäälligen Prozessfehlernlligen Prozessfehlern

dominieren und das Sensorsystem in seinen systematischendominieren und das Sensorsystem in seinen systematischenund zufund zufäälligen Messfehlern klein gegenlligen Messfehlern klein gegenüüber den Prozessfehlernber den Prozessfehlern

ausfausfäällt llt (was typischerweise der Fall ist)..

Das Ergebnis zeigt ferner, dass bei einer AnnDas Ergebnis zeigt ferner, dass bei einer Annääherung desherung desVorverarbeitungswertes an den Endwert die systematischenVorverarbeitungswertes an den Endwert die systematischen

Fehler abnehmen, jedoch kann hiervon bei mechanischenFehler abnehmen, jedoch kann hiervon bei mechanischenSpanprozessen nur eingeschrSpanprozessen nur eingeschräänkt Gebrauch gemacht werden, da einmalnkt Gebrauch gemacht werden, da einmal

entferntes Material unwiederbringlich verloren ist und imentferntes Material unwiederbringlich verloren ist und imVorverarbeitungsschritt deshalb ein Mindestabstand zumVorverarbeitungsschritt deshalb ein Mindestabstand zum

Sollwert einzuhalten ist.Sollwert einzuhalten ist.


SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen

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HoermannHoermann

SchaublinSchaublin

Durch statistische Auswertungen Durch statistische Auswertungen üüber eineber eineSchar / SerienprodukteSchar / Serienprodukte

lassen sich niederfrequente lassen sich niederfrequente ÄÄnderungennderungensystematischer Fehlersystematischer Fehler

üüber eine Prozessregelung reduzierenber eine Prozessregelung reduzieren(Werkzeugverschleiß, Temperatureinflüsse usw.)..

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AllgemeinerAllgemeiner

FallFall

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•• BestBest--FitFit--BauteilformBauteilform-- und Lageund Lage--korrekturkorrektur im spannungsarmenim spannungsarmenarmen Zustand armen Zustand (Aluminium- oder CFK-Strukturen)..

•• Messtechnische Ermittelung der Anpassung der FMesstechnische Ermittelung der Anpassung der Füügebereiche gebereiche bis hin zur automatischen Berechnung des erforderlichenbis hin zur automatischen Berechnung des erforderlichenMaterialauftrags bzw. Materialauftrags bzw. --abtragsabtrags usw. usw. (CAD-CAM-Koppelung)..

Airbus/Boeing

Anwendungen der Identifikation und Messtechnik II

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Boeing

Damit sind beliebige Bauteilbewegungen und nicht Damit sind beliebige Bauteilbewegungen und nicht nur rein translatorische Bewegungen bei geringen nur rein translatorische Bewegungen bei geringen

KraftKraft-- und Momenteneinleitungenund Momenteneinleitungensowie Nachbearbeitungsprozessesowie Nachbearbeitungsprozessemit hoher Prmit hoher Prääzision realisierbar.zision realisierbar.

Anwendungen der Identifikation und Messtechnik III

DLR

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On-Line-Kalibration flexible Großbauteilmontage I

Absolute PositionierfehlerAbsolute Positionierfehlerder Groder Großßbauteile bauteile

0,1 bis 0,2 mm0,1 bis 0,2 mm(nach typisch 2-4 Iterationen)

Preiswerte Greifer, StandardPreiswerte Greifer, Standard--Industrieroboter und preiswerte Industrieroboter und preiswerte

HallenfundamenteHallenfundamente

Fotos: Roman Jupitz Symposium 2004Symposium 2004

Analog auch bei Analog auch bei CFKCFK--BauteilenBauteilen

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On-Line-Kalibration flexible Großbauteilmontage II

Absolute PositionierAbsolute Positionier--fehlerfehler der Groder Großß--

bauteilebauteile0,05 bis 0,1 mm0,05 bis 0,1 mm

(nach typisch 2-4 Iterationen)

Preiswerte Greifer,Preiswerte Greifer,StandardStandard--IndustrieIndustrie--roboterroboter und preisund preis--

werte Hallenwerte Hallen--fundamentefundamente

Fotos:RomanJupitz

Analog auch bei Analog auch bei CFKCFK--BauteilenBauteilen

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Lineare NLineare Nääherung der implizitenherung der implizitenVektorabbildung .Vektorabbildung .

t ,=Y yx X yxS Q S QSZ =F

HGGG

I

KJJJ

µ µ

µ µ

Z Z Z Z

Z Z Z Z

m

m m m

1 1 1

1

= = − −s E Z Zmn m Z n Zm nZc he j d id io te je jµ µ

1, −= =yx yx y xy Q x Q J J∆ ∆∆ ∆∆ ∆∆ ∆

Fehlerfortpflanzung der Unsicherheiten 1

Worst CaseWorst Case Analyse der systematischen FehlerAnalyse der systematischen Fehler

( ) ( )( ) ( )Maxm mn ny∆ = yxQ x∆∆∆∆

positiv definitpositiv definit

Kovarianz Analyse der zufKovarianz Analyse der zufäälligen Fehlerlligen Fehlert=Y yx X yxS Q S Q

f p x y 0( , , ) =

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Fehlerfortpflanzung der Unsicherheiten 2

Weitere Einzelheiten zu Anwendungen und TheorieWeitere Einzelheiten zu Anwendungen und Theoriesiehe Script siehe Script www.tuwww.tu--harburg.de/ft2/woharburg.de/ft2/woLehrunterlagenLehrunterlagen

Robotik Robotik (Analyse, Modellierung und Identifikation)

Kap. 8.15.3 Kap. 8.15.3 (Bauteilform- und Lageregelkreise für die Luftfahrtindustrie)

Implizite und explizite parametrische Modelle undImplizite und explizite parametrische Modelle undParameteridentifikationParameteridentifikation

(Diese Vertiefung ist nicht Bestandteil der Prüfung!!!!)

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