Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Entwicklung eines aktiven Spannsystems zur hochpräzisen Kompensation von Winkelfehlern bei der Positionierung von Präzisionsbauteilen in Werkzeugmaschinen
    ( 2011)
    Uhlmann, E.
    ;
    Oberschmidt, D.
    ;
    Essmann, J.
    ;
    Löwenstein, A.
    ;
    Pagel, L.
    ;
    Gaßmann, S.
    ;
    Hinze, M.
    Aufgrund der andauernden Produktminiaturisierung floriert der Markt für Mikrobauteile wie nie zuvor. Zur nachhaltigen Sicherung der internationalen Konkurrenzfähigkeit in diesem Markt muss die Produktivität der Fertigung gesteigert werden. Die Reduzierung der Nebenzeiten in der Produktion ist hierfür ein probates Mittel. Das bedeutet u. a. die exakte, schnelle und reproduzierbare Positionierung von Bauteilen in Werkzeugmaschinen durch Spannen, Messen, Ausrichten, und Werkstückwechseln. In der Mikroproduktion sind Strukturgrößen und Fertigungstoleranzen im Bereich einiger Mikrometer üblich. Um die genannten Prozessschritte automatisiert mit einer Präzision im Submikrometerbereich zu realisieren wurde innerhalb des hier vorgestellten Projektes eine neue Generation von Spannsystemen entwickelt. Die Projektergebnisse des InnoNet-Projekts ActiveClamp wurden durch ein interdisziplinäres Konsortium, koordiniert durch das Fraunhofer IPK, in dem Zeitraum vom 1.1.2009 bis zum 31.12.2010 erarbeitet. Neben zwei Forschungseinrichtungen waren sechs Unternehmen beteiligt. Das Projekt wurde finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie. Der im Projekt entstandene Prototyp ist in der Lage, Winkelfehler von 10 mrad mit einer Auflösung von 0,002 mrad zu kompensieren. Die Werkstücke werden über ein pneumatisch betätigtes Nullpunktspannsystem aufgenommen. Für den Winkelfehlerausgleich sind hochgenaue Piezomotoren im Ein satz. Für den Betrieb dieser Piezo-Antriebe wurde eine bislang einzigartige Ansteuerung realisiert. Hierzu wurde eine Hardware entwickelt, die eine maximale Ausgangssignalfrequenz von 200 Hz bei einer maximalen Phasenkapazität von 27 MikroF erreicht. Zudem verfügt die Firmware der Ansteuerung über sechs verschiedene Signalformen, wobei die Schrittauflösung zwischen 32 und 1024 Schritten pro Signalperiode variiert werden kann. Dadurch wird eine minimale Schrittauflösung des verwendeten Antriebssystems von wenigen Nanometern erreicht. Mit Hilfe der eigens entwickelten Softwareanwendung und der intuitiven Benutzeroberfläche können die Parameter der Ansteuerung jederzeit konfiguriert und so verschiedenen Anwendungen angepasst werden. Zur Positionsregelung werden kapazitive Sensoren mit einer Auflösung von 20 nm genutzt. Bei diesen hohen Präzisionsanforderungen können aufgrund des Stick-Slip Effektes keine konventionellen Gelenke eingesetzt werden. Daher wurden Festkörpergelenke entworfen bei denen selbst bei kleinen Bewegungen keine Haftreibung auftritt. Da das Konzept skalierbar ist, kann es für unterschiedliche industrielle Anwendungen, wie z. B. Messmaschinen, Justageanlagen, optische Systeme und medizintechnische Geräte, eingesetzt werden.
  • Publication
    Aktives Spannsystem: Positionieren von Präzisionsteilen in der Werkzeugmaschine
    ( 2011)
    Uhlmann, E.
    ;
    Oberschmidt, D.
    ;
    Essmann, J.
    ;
    Langmack, M.
    ;
    Löwenstein, A.
    Ein neues Konzept für automatisierte Spannsysteme positioniert Bauteile in der Maschine äußerst präzise. Das funktioniert unabhängig vom Maschinentyp, der Anzahl der Bewegungsachsen, vom Werkstückkoordinatensystem, der Maschinensteuerung und der Qualität der Spannflächen.
  • Publication
    Spannsystem zur Kompensation von Winkelabweichungen
    ( 2011)
    Uhlmann, E.
    ;
    Essmann, J.
    ;
    Löwenstein, A.
    ;
    Hinze, M.
    ;
    Langmack, M.
    Für die Fertigung von Mikro- und Präzisionsbauteilen, beispielsweise Spinndüsen oder Kühlluftbohrungen, wurde ein neuartiges aktives Spannsystem zur Positionierung entwickelt. Der entwickelte Prototyp ist in der Lage, Winkelabweichungen von ± 0,57° mit einer Genauigkeit von 0,5 Winkelsekunden zu kompensieren. Dazu werden hochgenaue Piezomotoren, kapazitive Wegsensoren und Festkörpergelenke genutzt. Die Werkstücke werden über ein pneumatisch betätigtes Nullpunktspannsystem aufgenommen. Für einen Test unter realen und praxisnahen Bedingungen wurde der entwickelte Prototyp in ein hybrides Bearbeitungszentrum integriert und anschließend der Einfluss von Positionsunsicherheiten auf die Bearbeitungsergebnisse untersucht. Die verwendete Maschine vereint die Mikrofunkenerosion mit der Laserbearbeitung Der Fachbeitrag beschreibt den mechanischen Aufbau des Prototyps, die Montage und Justierung.
  • Publication
    Real time error compensation integrating open control system and laser interferometer
    ( 2009)
    Essmann, J.
    ;
    Uhlmann, E.
    A control setup for the integration of simulation models and additional sensors is presented, The setup makes use of Ethercat technology and open source software components. Hardware is at industrial grade and a standard CNC can be integrated in principle. The real time execution of simulation models parallel to the NC control is of high potential for an application specific and cost efficient increase of functionalities or enhancement of performance for highly dynamical machine tools. One application is the real time error compensation of the dynamical positioning error, for example by use of a laser interferometer, presented here. Next steps will be the evaluation of control integrated simulation models instead of a laser interferometer, the test of different control strategies, the upgrade of the test bench to a three axis system and the integration of a standard CNC control for setpoint generation.
  • Patent
    Vorrichtung zum Bewegen eines Werkstuecks oder eines Werkzeugs
    ( 2008)
    Essmann, J.
    ;
    Uhlmann, E.
    (A1) Die Erfindung beinhaltet eine Vorrichtung (10) zum Bewegen eines Werkstuecks oder eines Werkzeugs in einer Ebene, welche ein Gestell (5), eine Aufnahme (4) fuer ein Werkstueck oder Werkzeug und eine erste (20; 200; 200') und eine zweite (30; 300; 300') Maschinenachse umfasst, wobei die erste und die zweite Maschinenachse jeweils zumindest einen Antrieb und ein Fuehrungssystem (401, 501) beinhalten und die erste Maschinenachse eine Bewegung des Werkstuecks oder Werkzeugs in einer ersten Richtung (X) und die zweite Maschinenachse eine Bewegung in einer zweiten von der ersten verschiedenen Richtung (Y) bewirkt. Dabei ist die erste Maschinenachse (20; 200, 200') und die zweite Maschinenachse (30; 300, 300') zumindest teilweise am Gestell (5) angeordnet. Weiterhin ist ein Antrieb zur aktiven Impulsentkopplung und Bewegungsaufteilung beschrieben.