Dynamische Referenzierung von Koordinatenmess- und Bearbeitungsmaschinen

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Osten; Professor Dr.-Ing. Oliver Sawodny
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243209925

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projekt „Dynamische Referenzierung von Koordinatenmess- und Bearbeitungsmaschinen“ wurde gemeinschaftlich vom Institut für Technische Optik sowie vom Institut für Systemdynamik der Universität Stuttgart bearbeitet und hatte zum Ziel, dynamische Fehler an Koordinatenmess- und Bearbeitungsmaschinen einerseits hochgenau zu messen und andererseits diese mit geeigneten Regelstrategien zu kompensieren. Hierfür wurde ein neuartiges bildbasiertes Messsystem entwickelt, welches auf der Abbildung mehrerer sowohl am Tool- Center-Point (TCP) als auch am Werkstück befestigten Punktlichtquellen basiert. Jede Punktlichtquelle wird mit einem computergenerierten Hologramm zu einem Muster aus mehreren Einzelspots auf dem Kamerasensor vervielfältigt. Durch die Mittelwertbildung über alle Spotschwerpunkte pro Muster lassen sich so die Grenzen der klassischen kamerabasierten Positionsdetektion hinsichtlich der Genauigkeit von einigen Hundertstel Pixel hin zu wenigen Tausendstel Pixel überwinden. Um diese gesteigerte Genauigkeit in einem Messsystem nutzbar zu machen, wurden verschiedene Kalibrierfunktionen und –methoden simulativ untersucht, ein stereobasiertes Kameramessystem entwickelt und mittels neuer Kalibrierstrategien kalibriert. Der Restfehler der Kalibrierung betrug unter 0,5 µm in allen drei Raumrichtungen für ein Kalibriervolumen von 100 mm x 74 mm x 24 mm. Um dynamische Fehler zu kompensieren sind hohe Messraten nötig. Hierfür wurden zwei Ansätze zur Bildverarbeitung untersucht und implementiert. Beide Ansätze erzielten eine Messrate von 400 Hz. Ein weiteres Ziel des Projekts war es, die regelungstechnische online Kompensation von dynamischen Fehlern, welche beim Einsatz von hochdynamischen Referenztrajektorien zur Verkürzung von Messzyklen aufgrund von erhöhten Beschleunigungskräften auftreten. Da die Kameramessungen der tatsächlichen TCP-Position nur mit einer geringeren Abtastrate und deutlicher Latenz dem Regelungssystem zur Verfügung steht, wurden verschiedene Ansätze zur Schätzung der aktuellen TCP-Position untersucht. Ein datenerweiterter Ansatz, bestehend aus einem einfachen Fehlermodell und einem Gaußprozess, um Modellfehler zu lernen, ermöglichte die geringsten Schätzfehler. Weiterhin wurden redundante Zusatzachsen für die dynamische und genaue Folgeregelung der TCP-Position in den betrachteten Versuchsaufbau integriert. Dadurch ergeben sich zusätzliche Freiheitsgrade in der Aufteilung der Referenztrajektorie auf die einzelnen Achsen. Zur Ausnutzung dieser Freiheitsgrade wurden zwei Dual-Stage-Regelungskonzepte auf Referenzgrößenebene entwickelt und implementiert. Beide ermöglichen eine deutliche Steigerung der dynamischen Positioniergenauigkeit. Durch den gewählten modularen Ansatz auf Referenzgrößenebene eignen sich die Methoden insbesondere auch zur Nachrüstung bestehender Maschinen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• „Gaussian Process Based Multi-Rate Observer for the Dynamic Positioning Error of a Measuring Machine,“ European Control Conference, pp. 627--632, 2019
  M. Ringkowski, O. Sawodny
  
• „Hochgenaue Kalibrierung eines Multipoint-Positionsmesssystems,“ DGaO Proceedings, 120. Tagung, 2019
  S. Hartlieb, T. Haist, M. Tscherpel, F. Guerra, W. Osten
  
• "Estimating dynamic positioning errors of coordinate measuring machines," Elsevier/Mechatronics, Bd. 68, p. 102383, 2020
  M. Ringkowski, O. Sawodny, S. Hartlieb, T. Haist, W. Osten
  
• “Accurate 3D coordinate measurement using holographic multipoint technique,” SPIE International Society for Optics and Photonics, pp. 1 – 12., 2020
  S. Hartlieb, C. Erol, M. Tscherpel, T. Haist, F. Guerra, W. Osten
  
• „Hochgenaue Kalibrierung eines holografischen Multi-Punkt-Positionsmesssystems,” tm – Technisches Messen, Bd. 87, pp. 504-513, 2020
  S. Hartlieb, T. Haist, M. Tscherpel, F. Guerra, W. Osten
  
• „Optimal Reference Allocation of Dual-Stage Measuring Machines,“ IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp. 1362-1367, 2020
  M. Ringkowski, E. Arnold, O. Sawodny
  
• "Highly accurate imaging based position measurement using holographic point replication," Elsevier/Measurement, Bd. 172, p. 108852, 2021
  S. Hartlieb, T. Haist, M. Tscherpel, F. Guerra, W. Osten
  
• “Bildbasierte Vibrationsmessung mittels holografischer Punktvervielfältigung“ DGaO Proceedings, 122. Tagung, 2021
  S. Hartlieb et al.