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11.04.2008WMS.1
Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
WerkstWerkstüückmesssystemeckmesssysteme
undund
GenauigkeitssteigerungenGenauigkeitssteigerungen
imim
Fertigungsprozess Fertigungsprozess
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Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
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.
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Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack
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
TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL
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
TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL
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 +> + + ∈
Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 2
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
Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 3
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Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 4
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∆ = − + − − +
Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 5
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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
→
→
→
⇒
Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 6
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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⇒ → +
Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 7
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Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 8
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.
Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 9
SchlussfolgerungenSchlussfolgerungen
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Genauigkeitsteigerung in Fertigungsprozessen 10
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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