SmarTemp - Entwicklung intelligenter Ausrüstung auf Basis von Verformungssensoren zur automatischen Korrektur von thermischen Fehlern in Werkzeugmaschinen

Die in den letzten 20 Jahren immer höher gewordenen Erwartungen der Zerspanungsindustrie an Produktivität und Bauteilqualität haben zu einem Bedarf an intensiver Forschung nach praxistauglichen Mitteln zur Korrektur thermoelastischer Fehler in Werkzeugmaschinen geführt. Es wird geschätzt, dass bis zu 75% der geometrischen Werkstückfehler auf thermische Probleme in Werkzeugmaschinen zurückzuführen sind.

Die am häufigsten in der heutigen industriellen Praxis verwendeten Gegenmaßnahmen umfassen die Gestaltung einer thermisch stabilen Werkzeugmaschinenkonstruktion, Aufwärmverfahren, die Temperierung mit Kühlkreislaufsystemen und die Klimatisierung der Produktionsumgebung. Die Konstruktion von thermisch stabilen Werkzeugmaschinenstrukturen kann zwar die Gesamtwirkung von Temperaturgradienten reduzieren, jedoch können nicht alle thermischen Fehler vollständig beseitigt werden.

Im Gegensatz dazu verspricht die mechatronische Korrektur gute Ergebnisse für verschiedene Modellierungstechniken. Dieser Ansatz zur Fehlerkorrektur führt über die Steuerung der Maschine zu Korrektur der aktuellen Position der Werkzeugmaschinenachsen. Ein Modell, das aktuelle Sensordaten als Eingabe verwendet, berechnet die notwendigen Korrekturwerte.

Der fortschrittlichste Ansatz besteht darin, die TCP-Verschiebung (Transmission Control Protocol) direkt zu messen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie nicht auf Modelle angewiesen ist. Die erhaltenen Werte sind jedoch nur zum Zeitpunkt der Messung gültig. Eine indirekte Korrektur kann dieses Problem lösen, indem Maschinenzustandsvariablen wie Temperaturen, Maschinensteuerungsdaten oder Verformungen verwendet werden. Das Projekt SmarTemp konzentriert sich auf das neuartige Konzept der Verwendung von integralen Deformationssensoren (IDS), um mehr Informationen mit weniger Installations- und Rechenaufwand zu erfassen.

Allgemeine Ziele des Projekts SmarTemp

Das Projekt SmarTemp wird zur Weiterentwicklung der IDS-Technologie in folgenden Bereichen beitragen:

• Bewertung der Zuverlässigkeit von Online-Korrekturfunktionen unter realen Schnittbedingungen.
• Validierung der Online-Korrekturfunktion für Bearbeitungszentren über mehrere Prozesse hinweg. Beispielsweise sind unterschiedliche Richtungen sowohl beim Fräsen als auch beim Bohren kritisch. Da ein Bearbeitungszentrum für beides ausgelegt ist, sollten die IDS-Sensoren so installiert werden, dass der thermische Fehler für beide Prozesse mit hoher Genauigkeit vorhergesagt werden kann.
• Validierung der Online-Korrekturfunktion für 5-Achs-Maschinen. Da Rundachsen hinsichtlich ihres thermischen Verhaltens nicht zu vernachlässigen sind, müssen die IDS-Sensoren weiterentwickelt werden, um auch an diesen Achsen signifikante Fehler zu erkennen.

Die Rolle von Wibu-Systems

Im Projekt SmarTemp konzentrieren sich die von Wibu-Systems eingebrachten Kenntnisse und Kompetenzen vor allem auf die Bereitstellung von Cybersecurity-Komponenten, die in das vorgeschlagene Automatisierungs-Framework (Beckhoff TwinCAT) integriert werden sollen. Dies umfasst die folgenden Hauptaktivitäten im Rahmen des Projekts:

• Entwicklung eines Datenschutzkonzepts für eine spezialisierte „Technologiedaten-Marktplattform“ (Datenmarktplatz), welche die Bereitstellung eines hochmodernen Maschinentechnologie-Datenaustauschs ermöglicht und aus einem Sensordatenerfassungssystem und einem Datenbereitstellungssystem für fortschrittliche Maschinentechnologiedaten besteht, die von einem "digitalen Zwilling" eines dedizierten Systems erzeugt werden.
• Entwicklung von neuartigen Geschäftsmodellen, basierend auf dem Besitz von Daten, welche durch den digitalen Datenmarktplatz gesammelt und produziert wurden; dies schließt CodeMeter-Lizenzierungsfunktionen von Wibu-Systems für geschützte Software und Daten ein, welche die Systemintegrität und IP-Schutz (Intellectual Property) im gesamten Datenhandelssystem sicherstellen.
• Entwicklung der Architektur eines IT-Sicherheitssystems und der Automatisierungsinfrastruktur zum Aufbau des digitalen Datenmarktplatzes.
• Weiterentwicklung und Integration der Hard- und Softwarekomponenten von CodeMeter in die Automatisierungsgeräte (Industrie-PCs).
• Integration von CodeMeter-Lizenzierung und Schlüsselmanagement zur Sicherung der Netzwerkknoten innerhalb der Infrastruktur; Gewährleistung einer sicheren Endpunktkommunikation durch eine Zertifikats- und Schlüsselspeicher- (Container-)API für industrielle Protokollstapel (z. B. Teil der OPC-UA Client-Server-Architektur oder anderer Kommunikationsprotokolle).

Die Anforderungen an die Entwicklungsaktivitäten und die Schutzsysteme für Automatisierungs- und Infrastrukturgeräte entsprechen den Standards ISO IEC/ISA-62443.