5 Experimentelle Modellbildung (S. 123-125)

5.1 Vorbetrachtung

Die Zielstellung der messtechnischen Bewertung von Maschineneigenschaften besteht im Wesentlichen in der Beantwortung zweier Fragen:

1. Entsprechen die Maschineneigenschaften den Erwartungen?
2. Was sind die Ursachen für eventuelle Abweichungen?

Die Erwartungswerte resultieren aus projektierten und konstruktiv realisierten Parametern, die sich ihrerseits aus den Anforderungen an die zu entwickelnde Maschine ableiten. Nach Abschluss der Konstruktion liegen die Erwartungswerte beispielsweise als Ergebnisse von Rechnungen mit Finite-Elemente-Modellen vor. Ein wesentlicher Unsicherheitsfaktor bei solchen Simulationen ist die ungenaue Kenntnis des Steifigkeits- und Dämpfungsverhaltens von Koppelstellen. Bei Parallelkinematiken sind das insbesondere die Gelenke, die Führungen und die mechanischen Antriebskomponenten. Es ergeben sich somit auch weitere Zielstellungen, z. B., Ergebnisse aus den genannten Simulationsrechnungen zu verifizieren oder anhand von Messwerten abzugleichen.

Eine messtechnische Bewertung setzt die Verfügbarkeit einer Maschine oder wichtiger Baugruppen voraus, und sie ist zeit- und kostenaufwändig. Experimentelle Eigenschaftsermittlungen werden deshalb zweckmäßig an Prototypen durchgeführt, mit der Möglichkeit, nicht tolerierbare Abweichungen konstruktiv zu beheben.

Eine weitere wichtige Fragestellung zielt auf die zu erwartende dynamische Prozessstabilität. Diese wird sowohl von den Maschineneigenschaften als auch von technologischen Parametern sowie den Werkstück- und Werkzeugeigenschaften beeinflusst. Sie ist im Kontext mit konkreten Bearbeitungsaufgaben zu sehen und wird im Folgenden mit den dynamischen Maschineneigenschaften betrachtet.

Anhand der globalen Eigenschaften Arbeitsgenauigkeit, Leistungsvermögen, Umweltverhalten und Zuverlässigkeit können sowohl serielle als auch parallelkinematische Maschinen ausreichend bewertet werden. Für die globalen Eigenschaften gelten die folgenden Zuordnungen [148]:

• Die Arbeitsgenauigkeit wird durch das kinematische und geometrische Verhalten der Maschine beschrieben, relevante Einflussgrößen sind die konstruktive Auslegung, die Herstellungs- und Montagegenauigkeit sowie das elastische Last- und Verformungsverhalten hinsichtlich angreifender Gewichtskräfte, statischer und dynamischer Prozesskräfte, Massenkräfte und Wärmelasten.
• Das Leistungsverhalten wird durch Drehzahlen, Momente, Achsvorschübe und -beschleunigungen sowie die Werkzeug- bzw. Werkstückwechselzeiten beschrieben.
• Das Umweltverhalten umfasst die Geräusch- und Vibrationsemissionen, die Belastung mit Hilfsstoffen und Prozessabfällen, den Unfallschutz und die Ergonomie.
• Die Zuverlässigkeit wird bestimmt von der Ausfallhäufigkeit, der Prozessstabilität und der Instandsetzbarkeit.

Die Mess- und Bewertungsmethoden für die beiden letztgenannten globalen Eigenschaften unterscheiden sich nicht von denen seriellkinematischer Maschinen. Sie sind deshalb auch nicht Gegenstand weiterer Betrachtungen. Für die Beantwortung der Frage nach vorhandenen Abweichungen von Erwartungswerten hinsichtlich der Arbeitsgenauigkeit und des Leistungsverhaltens müssen die Eigenschaften entweder direkt an der Wirkstelle zwischen Werkzeug und Werkstück oder indirekt anhand von Musterwerkstücken messtechnisch ermittelt werden. Die Mess- und Bewertungsmethoden hierzu unterscheiden sich ebenfalls nicht grundsätzlich von denen an seriellen Kinematiken. Insbesondere das kinematische Verhalten einschließlich der Positionierunsicherheit kann gleichermaßen an seriell- und parallelkinematischen Maschinen auf Basis von Maschinenabnahmevorschriften entsprechend [25] für Bearbeitungszentren und [63] für Drehzentren geprüft werden.

Ein deutlicher Unterschied in den anzuwendenden Mess- und Bewertungsmethoden besteht bei Parallelkinematiken in der Ursachenermittlung für Abweichungen. Die Messungen an der Wirkstelle liefern Summeninformationen aus allen relevanten Einflüssen. Bei der Ursachenermittlung sind aber die anteiligen Einflüsse auf die festgestellten Abweichungen zu ermitteln. Das ist bei seriell aufgebauten Kinematiken relativ einfach, weil die Fehleranteile der einzelnen Maschinenachsen in Bezug zum Werkzeugmittelpunkt als weitestgehend entkoppelt angesehen werden können. Die Ermittlung anteiliger Einflüsse bei parallelkinematischen Maschinen gestaltet sich wegen der gekoppelt wirkenden Komponenten schwieriger, weil einerseits gemessene Abweichungen in der Regel nicht mehr direkt einzelnen Maschinenkomponenten zuzuordnen sind und andererseits der anteilige Einfluss zusammenwirkender Komponenten abhängig ist von den Posen und Positionen der Arbeitsplattform im Arbeitsraum.