Około 75% wszystkich błędow powstałych podczas produkcji części konstrukcyjnych spowodowane jest wahaniami temperatury – przede wszystkim w przypadku dużych elementow konstrukcyjnych i odpowiednio dużych maszyn. Jest to związane z tym, że rozszerzalność cieplna staje się zauważalna na bardzo długich odcinkach, zwłaszcza w przypadku długiego ramienia dźwigni. Powszechnie stosowanym rozwiązaniem tego problemu jest utrzymywanie maszyny i jej otoczenia w stałej temperaturze. W celu utrzymania stałych warunkow brzegowych wszystkie dostępne źrodła ciepła maszyny muszą być włączone przez 24 godziny na dobę. Powoduje to, że procesy przetwarzania muszą być realizowane w sposob ciągły. Staje się to jednak problematyczne w przypadku produkowania niewielkiej liczby sztuk, ponieważ prowadzenie procesu i związane z nim warunki brzegowe mogą się znaczenie rożnić dla każdej części konstrukcyjnej. Dodatkowo rownież w wielu sytuacjach niemożliwe jest zapewnienie kompleksowej klimatyzacji części konstrukcyjnych lub wiąże się to z ekstremalnie wysokim nakładem energetycznym.

Odkształcenie mierzone bezpośrednio
Z tego względu Instytut Technologii Produkcyjnej Fraunhofer w ramach kilku projektow badawczych pracuje nad alternatywnym podejściem: jego podstawę stanowi system czujnikow, ktory bezpośrednio mierzy odkształcenie struktury maszyny. System zostaje długotrwale zintegrowany z maszyną, co pozwala na bieżąco i rownocześnie z procesem produkcyjnym mierzyć odkształcenie urządzenia. Przy pomocy modelu matematycznego, za pośrednictwem ktorego przetwarzane są dane, w przybliżeniu określone zostaje przesunięcie w punkcie centralnym narzędzia (TCP – Tool-Cental-Point). W kolejnym kroku rozpoznane błędy pozycjonowania mogą zostać skorygowane. W tym celu zostają obliczone wartości korekcyjne dla osi dosuwu, ktore zostają zastosowane podczas sterowania. Zasada pomiarowa opiera się na integracji prętow wykonanych z tworzywa sztucznego wzmocnionego włoknem węglowym (CFK) ze strukturą maszyny. Z powodu bardzo niskiego wspołczynnika rozszerzalności cieplnej są one stabilne pod względem termicznym i służą jako punkt referencyjny dla pomiaru odkształcenia. Poprzez nieumocowany układ węzła łożyskowego ustalającego i swobodnego uzyskano możliwość zmierzenia z dużą dokładnością wydłużenia środkowego, ktore występuje na napiętej długości pręta. Długość ta może wynosić od kilku centymetrow do wielu metrow – dokładność pomiarow pozostaje praktycznie taka sama. Pomiar zmiany długości wykonywany jest po stronie łożyska przesuwnego przy użyciu normalnego przetwornika przemieszczenia. Przetestowana została dotykowa i bezdotykowa procedura pomiarowa łącznie z procedurą optyczną. W zależności od zastosowania zasada sensoryczna może zostać dostosowana do wymogow zakresu pomiaro- wego i rozdzielczości. W celu monta- żu czujnikow opracowano system budowy modu- łowej dla rożnych zastosowań. Dzięki temu system czujnikow może być wykorzystany zarowno podczas konstruowania nowych maszyn, jak i może zostać zastosowany w podstawie wykonanej z betonu z żywicą reaktywną.

System można jeszcze ulepszyć
Model, ktory może zostać przykręcony do zewnętrznej części maszyny, może być ulepszony rownież w przypadku już istniejących urządzeń. System można wdrożyć w już istniejących maszynach bez zbędnych inwestycji. Wspolnie z partnerami naukowymi Fraunhofer IPT zainstalował taki system pomiarowy w posiadanej obrabiarce w celu zarejestrowania rozciągłości łoża maszyny o długości 20 m. System pokazał, jak pracuje łoże maszyny przy rożnych temperaturach. Dokładność takich pomiarow na tak długim odcinku wyniosła 20 μm i tym samym można ją porownać z interferometrem laserowym. Jednak pomiar przy użyciu systemu czujnikow jest zdecydowanie bardziej wytrzymały niż pomiar interferometrem laserowym. Pokazały to kilkumiesięczne badania przeprowadzone na obrabiarce zgodnie z warunkami pracy maszyny. Nie zaobserwowano negatywnego wpływu na wyniki pomiarowe zakłoceń spowodowanych drganiami czy mgłą olejową. W związku z tym nowy system pomiarowy kwalifikuje się do stosowania przemysłowego.

Model matematyczny jest decydujący
W kolejnym przykładzie zbadano odkształcenie na wrzecienniku frezarki o standardowym rozmiarze. Tutaj długość pomiarowa wynosiła około poł metra. System czujnikow został odpowiednio zmniejszony. Zasadnicze znaczenia dla udanej korekty błędow pozycjonowania ma – poza wysoce dokładną i długotrwale stabilną techniką pomiaru – funkcjonalność modelu matematycznego. Podczas tworzenia tego modelu starano się sporządzić go bez długotrwałej fazy przygotowawczej. Model może zostać dopasowany wyłącznie poprzez uwzględnienie geometrii struktury maszyny i systemu czujnikow. W tym celu inżynierowie z Instytutu Frauenhofera przeprowadzili wiele eksperymentow związanych z walidacją na stanowiskach kontrolnych. Następnie na podstawie sensorycznie zebranych danych zbadano, czy między zmierzonym odkształceniem i rzeczywistym przesunięciem zachodzi związek linearny. Stworzone stanowisko kontrolne odpowiada dokładnie warunkom panującym na wsporniku obrabiarki: prostopadłościan z odlewu mineralnego, ktory jest wyposażony w zintegrowany strukturalnie system czujnikow, przy pomocy elementow grzejnych został poddawany rożnym odkształceniom. Tym sposobem asymetryczne rozdzielenie temperatury z około 10-stopniową rożnicą temperatury między dwoma stronami prostopadłościanu powodowało odchylenie wynoszące ok. 100 μm. Sygnały wysyłane przez zintegrowane czujniki zostały porownane z zewnętrznymi pomiarami odkształceń. Poprzez metodę „dopasowanie do krzywej“(curve fitting) dla zgięcia można było ustalić prawie linearną koherencję z linearnością na poziomie 2%. Poprzez zarejestrowanie tego odkształcenia można odwzorować znaczną część przemieszczeń, ktore w pierwszym rzędzie powstają na skutek rozciągania i zgięcia. W odniesieniu do geometrii maszyny mają one wpływ na formę odchyleń w pozycjonowaniu i błędy w prostokątności.

Udana walidacja na stanowisku kontrolnym
Zgodnie z wykazaną linearnością sporządzono model, ktory wykorzystuje parametry geometryczne prostopadłościanu jako ograniczenia obliczania korekcji. Obliczenia modelowe zostały jednak zweryfikowane na stanowisku kontrolnym. W najlepszym przypadku prostego zgięcia prostopadłościanu odchylenia modelu pozostawały na poziomie około 5% w odniesieniu do zgięcia prostopadłościanu. Wnioski pomiarow walidacyjnych: stosując taki system na wsporniku maszyny przesunięcia termiczne punktu centralnego urządzenia, ktore są spowodowane odkształceniem wspornika, mogą zostać zredukowane aż do 95% poprzez odpowiednią korekcję. Po obiecujących badaniach w laboratorium i na maszynach testowych następnym logicznym krokiem jest połączenie systemu czujnikow z systemem sterowania. Rejestracja danych, obliczanie modelu i generowanie danych korekcyjnych odbywa się w systemie czasu rzeczywistego, ktory może zostać wyposażony w interfejs stosowany w rożnych protokołach Fieldbus. Jednak w celu dokonania sprawnej korekcji najpierw należy odczytać dane maszyny, wartości żądane osi przesuwu i dane narzędzi w celu uwzględnienia długości dźwigni, ktore w wielu sytuacjach mają duże znaczenie. Z drugiej strony należy ponownie wprowadzić dane korygujące. Na tym zasadza się ta koncepcja – dopasować wartości żądane dla osi przesuwu z wartościami korygującymi. Wielu producentow sterowania oferuje w tym zakresie rożne rozwiązania. Obliczenie modelu matematycznego trwa około 100 ms – czas, ktory jest zdecydowanie wystarczający na uwzględnienie termicznych zmian stanu. Ponadto pozostaje jeszcze wystarczająco dużo czasu, by skorygować odkształcenie przy pomocy obciążenia mechanicznego. Dzięki rosnącej wydajności obliczeniowej systemow sterowania maszynami rownież integracja mechanizmow korekcyjnych ze sterowaniem wydaje się być obiecującym rozwiązaniem.