Ziel der Entwicklung

Hauptziel des Projektes ist die Entwicklung eines integrierten Messsystems zur direkten Bestimmung und Kompensation thermisch bedingter Positionsabweichungen von Achssystemen in Werkzeugmaschinen. Erreicht werden soll die Zielstellung durch die Integration eines Bildverarbeitungssystems in Werkzeugmaschinen, welches eine maßliche Bestimmung der Positionsabweichung der X-Y-Koordinaten im Submikrometerbereich ermöglicht. Für die Erfassung der Positionsabweichungen in Werkzeugmaschinen war vorgesehen, einen Messkopf bestehend aus einem Laser, einer Kamera und einer kurzbrennweitigen Linse zu entwickeln und möglichst nah am TCP zu integrieren. Zusätzlich sollten im Arbeitsraum der Maschine Prüfkörper verbaut werden, deren relative Verschiebung zum Messkopf bestimmt werden soll. Eine weitere Zielstellung des FuE-Vorhabens bestand darin, eine zu integrierende Nachrüstvariante für bereits bestehende Fertigungsanlagen zu entwickeln. Hierbei sollte das Messsystem dahingehend erweitert werden, dass die Kompensationsdaten autark, also ohne Einbindung der Maschinensteuerung mit den Positionswerten der Achsmesssysteme verrechnet werden. Hierfür ist ein Controller zu entwickeln, der zwischen den Achsmesssystemen und der Maschinensteuerung eingebunden wird. Im Controller werden die jeweils aktuellen Kompensationsdaten gespeichert und in Echtzeit mit den Positionsdaten der Achsmesssysteme verrechnet. Die korrigierten Positionsdaten werden anschließend an die Maschinensteuerung ausgegeben.

Vorteile und Lösungen

Generell existiert eine Vielzahl von Ansätzen, um die Genauigkeit von Fertigungsanlagen für die Präzisionsbearbeitung zu erhöhen. Diese Ansätze reichen vom Einsatz von Werkstoffen mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten über die konstruktive Auslegung von Werkzeugmaschinen bis hin zum Einsatz von integrierter Messtechnik.
Zielgruppen für die wirtschaftliche Verwertung des entwickelten Messsystems zur Erfassung und Kompensation von thermisch bedingten Positionsabweichungen in Achssystemen werden in den Bereichen Sensorik, Maschinen- und Anlagenbau, Robotik und Mikromontage sowie im Bereich der Endanwender in der mechanischen Bearbeitung, speziell im Werkzeug- und Formenbau, der Halbleiterindustrie, der Automobilindustrie und deren Zulieferer gesehen.
Im Vergleich mit der entwickelten messtechnischen Lösung zur Erfassung und Kompensation von Positionsabweichungen in Achssystemen sind derzeit am Markt keine relevanten Systeme existent.
Als wesentliche Wettbewerber können Anbieter von taktilen oder optischen Abstandsmesssystemen angesehen werden. Im Vergleich zu den derzeitigen Produkten bietet das zu entwickelnde Messsystem auf der Basis industrieller Bildverarbeitung folgende wesentliche Vorteile: Mit jeder Messung werden Positionsabweichungen in mehreren Freiheitsgraden erfasst / kostengünstiges Messsystem durch den Einsatz industrieller Bildverarbeitung / robustes Messsystem aufgrund der berührungslosen Messung und des einfachen Aufbaus / erhöhte Kollisionssicherheit und wesentlich einfachere Positionierung bezüglich der definierten Messpunkte (Messrichtung/Bewegungsrichtung der Achsen).
Es wird davon ausgegangen, dass sich Wettbewerber aus dem Segment optischer Abstandsmess-systeme mit erfolgreicher Überführung der Forschungsergebnisse in die industrielle Nutzbarkeit zu Partnern wandeln, welche dieses neue Messsystem in ihr Produktportfolio aufnehmen können und werden.
Wesentlich für die Marktakzeptanz sind dabei: niedrige Investitionskosten, einfache Integrierbarkeit, Handhabung bei der Inbetriebnahme und Kalibrierung, wartungsfreundliche Ausführung, keine störenden Einflüsse auf die Prozessfunktionalität.

Die technischen Parameter des Messsystems können wie folgt zusammengefasst werden:
Ausführung des Messkopfes in kompakter und gut in Bearbeitungsmaschinen integrierbarer Bauform; Bildaufnahme einer Prüfgeometrie im Durchlichtverfahren durch ein Kamerasystem mit einer Auflösung von zirka 4 Megapixel bei einer Belichtungszeit < 50 Millisekunden; Vergrößerung der Abbildung der Prüfgeometrie um mindestens Faktor 100 durch ein geeignetes optisches System (Einzellinse oder Linsensystem); Laserquelle mit parallelem Strahl (gegebenenfalls mittels zusätzlicher Komponenten wie Strahlaufweiter und Lochblenden); Kostengünstige und kompakte Prüfkörper mit integrierter 180°-Strahlumlenkung und Prüfgeometrie; Gleichzeitige Detektion von Positionsabweichungen in der X-Y-Ebene eines Achssystems mit einer Messauflösung von zirka 50 Nanometer durch die Bestimmung der Abbildungsverschiebung; Detektion der Positionsabweichung der Z-Achse mit einer Messauflösung von zirka 1 Mikrometer durch Kontrastanalysemethoden; Triggerung des Messsystems durch die übergeordnete Maschinensteuerung; Übergabe der Kompensationsdaten an die Steuerung beziehungsweise direkte echtzeitfähige Kompensation in einem Controllermodul zwischen Achsmesssystem und Maschinensteuerung; modulare und flexibele Auslegung zur Ermöglichung von Anpassungen in einzelnen Funktionsbereichen (unter anderem Objektive, Kameraauflösung und Datenauswertung).

Zielgruppe und Zielmarkt

Die Zielgruppe für die wirtschaftliche Verwertung hat sich innerhalb der Projektlaufzeit nicht wesentlich geändert. Als Hauptnutzer stehen weiterhin Sensorhersteller sowie Maschinen- und Anlagenbauer im Mittelpunkt. Die Fähigkeit zur Kompensation von thermisch bedingten Positionsabweichungen in Achssystemen stellt einen deutlichen Wettbewerbsvorteil dar.
Die ersten Anwendungsschwerpunkte für das entwickelte Messsystem werden vom Antragsteller ITW in den Bereichen Sensorik, Maschinen- und Anlagenbau, Robotik und Mikromontage sowie im Bereich der Endanwender in der mechanischen Bearbeitung, speziell im Werkzeug-und Formenbau, der Halbleiterindustrie, der Automobilindustrie und deren Zulieferer gesehen. Hier wurde auch ein erhebliches Potenzial zur Weiterentwicklung von Sensorsystemen und zur Integration kostengünstiger aber hochleistungsfähiger und spezifischer In-Prozess-Messtechnik ausgemacht. Diese Fokussierung ergibt sich zu einem Großteil auch aus der Branchenverteilung und der fachlichen Ausrichtung des Institutes.
Die Zielmärkte können wie folgt zusammengefasst werden:
Wesentliche potenzielle Nutzer sind Anbieter von diskret aufgebauten Sensoren und Messsystemen für die Prozesssteuerung mittels optischer Sensoren und peripheren Auswertesystemen. Diese können zusätzlich durch die Bereitstellung entsprechender Hard- und Softwarelösungen ihr Portfolio erweitern. Die modulare Bauweise des Messsystems erlaubt es, Standardkomponenten (bspw. CCD-Kamera, Laserquelle, Prüfkörper) je nach Anforderung des Kunden zu integrieren und somit eine effiziente und kostenoptimale Lösung für die Nutzer zu ermöglichen. Sensorhersteller fungieren somit als Fertiger bzw. Anbieter des neuartigen Messsystems für die Nutzer im Maschinen- und Anlagenbau bzw. der Produktion.
Die zweite Nutzergruppe umfasst die Maschinen- und Anlagenbauer. Die moderne Produktion in den Hochlohnländern steht ständig vor der Herausforderung, die Technologieführerschaft zu erhalten und weiter auszubauen. Es liegt im nationalen Interesse einer modernen Industrienation wie Deutschland, führender Exporteur moderner Produktionstechnik zu bleiben, aber auch Produktionsarbeitsplätze im Inland zu erhalten [Bre10]. Produktionstechniken, die sich in den Hochlohnländern etablieren und längerfristig behaupten, zeichnen sich durch eine hohe Wertschöpfung bei niedrigen Lohnkostenanteilen an den Gesamtkosten aus.
Mittels der Integration der messtechnischen Lösung in die Maschinen und Anlagen ist es möglich, ein neues Präzisionsniveau in der Fertigung zu gewährleisten. Für die Hochlohnländer bedeuten derartige Produktionstechniken einen Schritt zum Erhalt und Aufbau der Technologieführerschaft und damit zum Erhalt von qualifizierten Arbeitsplätzen in Hochlohnländern, nicht nur bei Ausrüstern sondern auch bei Serienproduzenten.
Industrieroboter haben als Schlüsseltechnologien insbesondere in der Automatisierungstechnik eine große Bedeutung erlangt. In den letzten Jahren haben die Hersteller von Industrierobotern intensiv an der Optimierung der Genauigkeiten von Robotersystemen gearbeitet. Hierdurch eröffnen sich neben den klassischen Anwendungen für Roboter im industriellen Umfeld neue Einsatzfelder für Assistenzsysteme in der Produktion, in dem Roboter bei der Herstellung von komplexen Baugruppen zunehmend assistieren sollen.
Durch den Einsatz des zu entwickelnden Messsystems im Bereich der Kalibrierung von Robotersystemen kann ein wichtiger Beitrag zur Erschließung neuer Einsatzfelder für die Robotertechnik in den Bereichen hochpräziser Handling-, Montage sowie Fertigungsprozessen geleistet werden.