Kalibrieren von Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik : Bestimmung von bis zu sechs Freiheitsgraden einer Werkzeugmaschine mittels Planspiegelinterferometrie

Abstract

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein neues Messsystem auf Basis der Planspiegelinterferometrie, zur Kalibrierung von parallelkinematischen Werkzeugmaschinen entwickelt und evaluiert.<br />Zunächst wird als Motivation dargelegt, warum ein Bedarf an parallelkinematischen Werkzeugmaschinen gegeben ist, wie sich diese entwickelt haben und worin die grundlegenden Unterschiede zu den klassischen, seriellen Werkzeugmaschinen zu finden sind. Im Weiteren werden einige Grundlagen zu Parallelkinematiken dargelegt. Eine Darstellung zum Stand der Technik zeigt die bekanntesten parallelkinematischen Werkzeugmaschinen aus Industrie und Forschungsinstituten. Durch Beobachtung des Fehlerverhaltens und Darstellen der wirkenden Mechanismen, werden die Problematik und die Notwendigkeit einer Kalibrierung über den gesamten Arbeitsraum einer Werkzeugmaschine mit Parallelkinematik beschrieben. Unter Anwendung der gängigen Normen zur Vermessung bzw. Bestimmung der Genauigkeit von Werkzeugmaschinen werden Kalibrierstrategien aufgezeigt, die eine Erhöhung der Genauigkeit ermöglichen. Nachdem am Markt etablierte bzw.<br />in Labors entwickelte Messgeräte zur Bestimmung der Genauigkeiten mit ihren Charakteristiken näher gebracht werden, wird das neue planspiegelinterferometrische System beschrieben und in seiner Funktion und Eigenschaft erläutert. Die Tauglichkeit des Systems wird durch eine Gegenüberstellung mit einem konventionellen Retroreflektorsystem im Messeinsatz, an einer konventionellen Werkzeugmaschine vom Typ Mori Seiki NMV 5000 DCG evaluiert. Die Evaluierung, unter Zuhilfenahme einer Unsicherheitsanalyse zeigt, dass ähnliche Messunsicherheiten auftreten wie beim etablierten System. Im finalen Schritt wird das neue Messsystem an der parallelkinematischen Werkzeugmaschine Quickstep HS 500 eingesetzt. Die Strukturgenauigkeit konnte, unter Einschränkung auf die Möglichkeiten der zur Verfügung stehenden Struktur, auf einen akzeptablen Wert verbessert werden. Das System hat damit seine praktische Einsatztauglichkeit unter Werkstattbedingungen, unter Beweis gestellt.<br />

This thesis is introducing a new measurement system based on plane mirror interferometry for calibration of parallel kinematic machine tools. First, set out as motivation, why there is a need for parallel kinematic machine tools, how these have developed and what the basic differences are related to the classical serial machine tools. In addition, some bases are set out on parallel kinematics. A presentation on the state of the art shows the best-known parallel kinematic machine tools from industry and research institutes. By observing the response to error and displaying the acting mechanisms the problem and the need for calibration over the entire working area of a machine tool with parallel kinematics are presented. Using the current standards for measuring and determining the accuracy of machine tool calibration strategies are presented that allow an increase in accuracy. Once on market established or in laboratories developed instruments for determining the accuracy are being described. A closer look to the characteristics of the new plane mirror interferometry will be made. The system is described and illustrated in its function and property. The usefulness of the system is evaluated by a comparison with a conventional retro-reflector system, in a conventional machine tool type Mori Seiki NMV 5000 DCG. The evaluation, with the aid of an uncertainty analysis shows that there are similar uncertainties as in the established system. In the final step, the new measuring system is used on the parallel kinematic machine tool Quickstep HS 500th The structural accuracy could be improved by restriction of the possibilities of the available structure to an acceptable level. The System is therefore suitable for practical use under workshop conditions.