Correction Algorithms and High Dimensional Characteristic Diagrams


Start: 2011-07-01
End: 2015-06-30
Principal Investigators: Roland Herzog,Ulrich Priber
Staff: Ilka Riedel, Christian Naumann
Funded by: DFG within the Collaborative Research Center funding scheme
Part of: Thermo-Energetic Design of Machine Tools (SFB Transregio 96)

Project Description

Die zeitabhängige Berücksichtigung der thermischen Situation von Werkzeugmaschinen erfordert online-taugliche Methoden zur Korrektur der Werkzeugposition im Bearbeitungsprozess. Höherdimensionale Kennfelder, berechnet durch Smoothed Grid Regression (SGR), sind dafür sehr gut geeignet und werden auf der Basis von FE-Simulationsdaten angelernt. In der thermischen Situation der Werkzeugmaschine begründete Eingangsgrößen, deren Auswahl, Normierung sowie Relevanz Gegenstand der Untersuchungen sein werden, führen mittels der Kennfelder zu produktionsrelevanten Korrekturgrößen, z.B. für die Position des Tool Center Points (TCP). Die Sensitivitätsanalyse für die zugrunde liegenden FE-Modelle ist dabei ein wichtiges und notwendiges Hilfsmittel zur Reduktion der großen Anzahl potentieller Einflussgrößen. Die Kennfeldmethode und die Sensitivitätsanalyse werden dafür im Rahmen dieses Projektes problemspezifisch weiterentwickelt.

Das Ziel der Forschungsarbeiten ist die Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen, die durch thermische Einflüsse beeinträchtigt ist. Für die Modellierung sind Methoden erforderlich, die örtlich (3D) und zeitlich die thermische Situation beschreiben. Physikalisch begründete Modellansätze in der Form von FE-Modellen für ausgewählte Baugruppen von Werkzeugmaschinen sind die Grundlage der Untersuchungen. Sie sind der Ausgangspunkt für eine Sensitivitätsanalyse, mit deren Hilfe diejenigen Eingangsgrößen (z.B. Temperaturmesspunkte) ermittelt werden, die auf die relevanten Ausgangsgrößen (thermisch verursachte Verschiebungen) signifikanten Einfluss haben.

Mit dem anschließenden Entwurf mehrdimensionaler Kennfelder wird ein robustes und bei Bedarf lokal zu verfeinerndes Werkzeug eingesetzt, das nicht an spezielle Maschinenkonzepte gebunden ist, sondern für die Beschreibung allgemeiner nichtlinearer Zusammenhänge auf der Basis mehrdimensionaler punktueller Datenfelder im Fraunhofer IWU entwickelt wurde. Für den Einsatz der Kennfeldmethode für die Beschreibung des thermo-mechanischen Verhaltens sind Forschungsarbeiten zur Erweiterung der Methode auf eine höhere Anzahl von Eingangsdimensionen und zur Verringerung des Zeitaufwandes für die Kennfeldberechnung durch moderne Vorkonditionierungstechniken geplant. Die Sensitivitätsanalyse stellt ein sehr allgemeines Werkzeug zur Beurteilung qualitativer und quantitativer Zusammenhänge zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen dar, die durch Differentialgleichungen bzw. FE-Modelle verknüpft sind. Sie erlaubt eine Beurteilung des Einflusses verschiedener Eingangsgrößen. Dies gelingt effizient durch den Einsatz eines sogenannten adjungierten FE-Modells. Mithilfe der berechneten Sensitivitäten erfolgt die Auswahl der signifikanten Temperaturmesspunkte und anderer Einflussgrößen, die in die Kennfeldmodellierung sowie in reduzierte FE-Modelle Eingang finden werden. Damit sind wesentliche Voraussetzungen für den erfolgreichen Einsatz von höherdimensionalen Kennfeldern hergestellt.

Associated Publications

  • Christian Naumann, Ilka Riedel, Steffen Ihlenfeldt and Ulrich Priber
    Characteristic diagram based correction algorithms for the thermo-elastic deformation of machine tools
    Procedia CIRP 41, p.801-805, 2016
    doi:10.1016/j.procir.2015.12.029
    bibtex 
    @ARTICLE{NaumannRiedelIhlenfeldtPriber:2016:1,
  AUTHOR = {Naumann, Christian and Riedel, Ilka and Ihlenfeldt, Steffen and Priber, Ulrich},
  PUBLISHER = {Elsevier BV},
  DATE = {2016},
  DOI = {10.1016/j.procir.2015.12.029},
  JOURNALTITLE = {Procedia CIRP},
  PAGES = {801--805},
  TITLE = {Characteristic diagram based correction algorithms for the thermo-elastic deformation of machine tools},
  VOLUME = {41},
}
  • Roland Herzog and Ilka Riedel
    Sequentially optimal sensor placement in thermoelastic models for real time applications
    Optimization and Engineering 16(4), p.737-766, 2015
    doi:10.1007/s11081-015-9275-0
    bibtex 
    @ARTICLE{HerzogRiedel:2015:1,
  AUTHOR = {Herzog, Roland and Riedel, Ilka},
  PUBLISHER = {Springer US},
  DATE = {2015},
  DOI = {10.1007/s11081-015-9275-0},
  JOURNALTITLE = {Optimization and Engineering},
  NUMBER = {4},
  PAGES = {737--766},
  TITLE = {Sequentially optimal sensor placement in thermoelastic models for real time applications},
  VOLUME = {16},
}
  • Christian Naumann, Ilka Riedel, Ulrich Priber and Roland Herzog
    Correction algorithms and high-dimensional characteristic diagrams
    Thermo-Energetic Design of Machine Tools, Lecture Notes in Production Engineering, p.159-174, 2015
    doi:10.1007/978-3-319-12625-8_14
    bibtex 
    @INCOLLECTION{NaumannRiedelPriberHerzog:2015:1,
  AUTHOR = {Naumann, Christian and Riedel, Ilka and Priber, Ulrich and Herzog, Roland},
  EDITOR = {Großmann, Knut},
  PUBLISHER = {Springer International Publishing},
  BOOKTITLE = {Thermo-Energetic Design of Machine Tools},
  DATE = {2015},
  DOI = {10.1007/978-3-319-12625-8_14},
  PAGES = {159--174},
  SERIES = {Lecture Notes in Production Engineering},
  TITLE = {Correction algorithms and high-dimensional characteristic diagrams},
}
  • Roland Herzog and Ilka Riedel
    Comparison of two suboptimal sensor placement strategies in thermo-elastic models
    Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 14(1), p.881-882, 2014
    doi:10.1002/pamm.201410421
    bibtex 
    @ARTICLE{HerzogRiedel:2014:1,
  AUTHOR = {Herzog, Roland and Riedel, Ilka},
  DATE = {2014},
  DOI = {10.1002/pamm.201410421},
  JOURNALTITLE = {Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics},
  NUMBER = {1},
  PAGES = {881--882},
  TITLE = {Comparison of two suboptimal sensor placement strategies in thermo-elastic models},
  VOLUME = {14},
}
  • Jörn Richter
    Modellierung des Wärmeübergangs im Luftspalt elektrischer Maschinen
    Diploma thesis, Technische Universität Chemnitz, Germany, 2014
    bibtex 
    @THESIS{Richter:2014:1,
  AUTHOR = {Richter, Jörn},
  INSTITUTION = {Technische Universität Chemnitz, Germany},
  DATE = {2014},
  TITLE = {Modellierung des Wärmeübergangs im Luftspalt elektrischer Maschinen},
  TYPE = {Diploma thesis},
}
  • Tommy Etling
    Optimale Versuchsplanung für die Bestimmung von Parametern bei Wärmeübergangsexperimenten
    Diploma thesis, Technische Universität Chemnitz, Germany, 2012
    bibtex 
    @THESIS{Etling:2012:1,
  AUTHOR = {Etling, Tommy},
  INSTITUTION = {Technische Universität Chemnitz, Germany},
  DATE = {2012},
  TITLE = {Optimale Versuchsplanung für die Bestimmung von Parametern bei Wärmeübergangsexperimenten},
  TYPE = {Diploma thesis},
}

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