Intelligente Vorrichtungen für die Prozessüberwachung und -beeinflussung in der zerspanenden Fertigung dünnwandiger Bauteile

Abstract

Um der Forderung nach stetig wachsender Produktivität, bei zugleich steigenden Anforderungen an die Bauteileigenschaften, wie Oberflächengüte und Fertigungstoleranzen, gerecht zu werden, ist ein stabiler Fertigungsprozess unabdingbar. Eine Möglichkeit dieser Forderung zu entsprechen, besteht im Einsatz zusätzlicher Sensorik für die Überwachung sowie Aktorik für die aktive Beeinflussung des Prozesses. Aufgrund ihrer Nähe zum Fertigungsprozess und dem direkten Kontakt zum Bauteil, eignen sich insbesondere Werkstückspannvorrichtungen für deren Integration. Die vorliegende Arbeit zeigt am Beispiel der optimierten Bearbeitung dünnwandiger Bauteile die erforderlichen Schritte für die Entwicklung solcher intelligenter Spannvorrichtungen. Den Anforderungen des Beispielprozesses entsprechend, erfolgt die Auslegung und der Aufbau prototypischer Vorrichtungen mit integrierter Sensorik und Aktorik für die Überwachung der Fertigung und den aktiven Eingriff in den Prozess. Initiale Fräsversuche und Untersuchungen bzgl. der Eignung der ausgewählten Komponenten dienen der Verifizierung der Systemeigenschaften, welche für die Überwachung und die Optimierung des untersuchten Fräsprozesses notwendig sind. Die auf der Methode der finiten Elemente gestützte Analyse des Systemverhaltens bildet die Grundlage der Modellierung des Gesamtsystems. Angepasst auf die Fertigung filigraner Strukturen werden Möglichkeiten erörtert, Merkmale aus den aufgenommenen Sensorsignalen zu extrahieren und für eine nachgeschaltete Steuerung bzw. Regelung mittels Kriteriendefinition zu klassifizieren. Die Validierung der Überwachung und gezielten Beeinflussung des Prozesses mit Hilfe der entwickelten intelligenten Vorrichtungen erfolgt im Fräsprozess.

To meet the demand for increasing productivity and rising requirements for part properties like surface quality and machining tolerances at the same time, a stable production process is indispensable. One way to settle this claim is the usage of additional sensors for monitoring as well as actuators for influencing the manufacturing process. For their integration clamping devices are well suited because of the direct contact to the workpiece and the proximity to the process. The aim of the presented work is to show the essential steps necessary for the development of such smart clamping devices using the example of the manufacturing of thin walled parts. Complying with the requirements of the sample application the design of prototypes with integrated sensors and actuators will be demonstrated. For the verification of the aspired behaviour of the developed clamping systems and their selected components initial milling tests are conducted. Finite element analysis serves as basis for the modelling of the investigated system. Needed for the control approach, the presented methods for feature extraction and classification of the sensor signals are focussed on the special requirements for the manufacturing of low rigidity parts. The validation of the developed smart devices regarding the monitoring and targeted intervention of the process takes place in milling tests. I