Position und Bahnabweichung optimieren

Die Genauigkeit der Maschinenbewegung bestimmt im Wesentlichen das Bearbeitungsergebnis einer Werkzeugmaschine. Für Präzisionsbearbeitungen ist es daher wichtig, die Positionsabweichungen zu erfassen und gegebenenfalls zu kompensieren. Durch die hohen Beschleunigungen moderner Maschinen sind für das Bearbeitungsergebnis aber zunehmend auch dynamische Bahnabweichungen maßgebend. Beide Abweichungen erfassen die Kreuzgitter-Messgeräte KGM 281 und KGM 282 von Heidenhain.


KAP-TT-Haidenhain Bild 1.jpg

Bild 1
KGM 282 mit Durchmesser 230 mm

Maschinen mit kleinem Arbeitsraum bringen die besten Voraussetzungen für die Herstellung von hochpräzisen Teilen z. B. in der Uhrenindustrie oder in der optischen Industrie mit. Unter anderem sind sie besonders steif und schwingungsarm. Wie genau sie tatsächlich sind, zeigt eine Maschinenraumvermessung. Wegen der immer höheren Genauigkeitsanforderungen sind dafür allerdings neue Kalibrier-methoden notwendig. Deshalb ersetzt inzwischen die hochgenaue räumliche Vermessung des Maschinenraums zum Beispiel mit einem Kreuzgitter-Messgerät die klassische Vermessung entlang einer Linie pro Achse.

Kreuzgitter-Messgeräte mit Genauigkeiten von ±1 μm

Die Kreuzgitter-Messgeräte des Typs KGM 281 für Messbereiche bis Durchmesser 140 mm und KGM 282 für Messbereiche bis Durchmesser 230 mmm (Bild 1) messen sowohl Positions- als auch Bahnabweichungen einer Maschine. Einerseits ermöglicht die hohe Genauigkeit von ±1 μm in X- und Y-Richtung – Bild 2 zeigt eine beispielhafte Messung der Genauigkeit in der Ebene – eine exakte Kalibrierung der Maschinenkinematik.

Bild 2 Ergebnis der Genauigkeitsmessung in der Ebene für ein Heidenhain-Kreuzgitter-Messgerät

Bild 2
Ergebnis der Genauigkeitsmessung in der Ebene für ein Heidenhain-Kreuzgitter-Messgerät

Andererseits verfügen sie über eine sehr kleine Signalperiode von 4 μm. Zusammen mit dem berührungslosen Messprinzip erlaubt das eine genaue Bestimmung der Maschinendynamik.
Dabei darf die Montage der Kreuzgitter-Messgeräte auf dem Maschinentisch natürlich nicht die Genauigkeit beeinflussen. Deshalb hat Heidenhain die Befestigung zum Maschinentisch neu konstruiert. Eine Dreipunktauflage entkoppelt die Aufspannmechanik und den Träger der Maßverkörperung in Z-Richtung vom Maschinentisch. Dadurch kann eine Verschmutzung auf dem Tisch zwar den Grundkörper verbiegen, nicht jedoch den Maßstabsträger.

Anwendungsbeispiel 1: Erhöhen der volumetrischen Genauigkeit

Im Zusammenspiel mit den Kalibriertabellen der Steuerung TNC 640 von Heidenhain erhöhen die Kreuzgitter-Messgeräte KGM 281 und KGM 282 die Volumengenauigkeit der 3-achsigen Bewegung signifikant. In Versuchen an einer Maschine mit den Arbeitsraumabmessungen 200 mm x 200 mm x 200 mm (Bild 3) konnten mit Hilfe des KGM 282 und einer kundenspezifischen Software für die TNC 640-Steuerung die räumlichen Abweichungen auf unter 2 µm reduziert werden. Die spezielle Software erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Maschinenhersteller und Heidenhain. Daher ist sie ausschließlich projektspezifisch verfügbar. Außerdem ist diese Kalibriermethode nur mit sehr gut reproduzierbaren Maschinenachsen sinnvoll. Heidenhain-Längenmessgeräte der neuesten LC-Generation oder sogar der LF-Baureihe (mit höherer Genauigkeit) sind dafür unerlässlich.

Bild 3 Messaufbau der Y- und der Z-Ebene

Bild 3
Messaufbau der Y- und der Z-Ebene


KAP-TT-Haidenhain Bild 4.jpg

Bild 4
Gemessene Bewegungsbahnen für eine 3-Achs-Kalibrierung

Für die Versuche wurden im zu kalibrierenden Raum Messwerte in sechs Messebenen ermittelt. Dazu wurden Kreisbahnen abgefahren und die Abweichungen mit der Software gemessen. Die gemessenen Abweichungen wurden anschließend in modell- basierte Korrekturdaten umgerechnet und zur TNC 640 übertragen. Um das Ergebnis zu verifizieren, wurde nach dem Kalibrierzyklus und der entsprechenden Datenübertragung zur Steuerung die Messung in allen Ebenen wiederholt. Die Bilder 4 und 5 zeigen die räumlichen Abweichungen vor und nach der Kalibrierung. Die Steigerung der Maschinengenauigkeit liegt deutlich über den Erwartungen.
Bild 5 Darstellung der Abweichungen im Raum vor (links) und nach (rechts) der Kalibrierung mit dem KGM 282

Bild 5
Darstellung der Abweichungen im Raum vor (links) und nach (rechts) der Kalibrierung mit dem KGM 282

Anwendungsbeispiel 2: Erhöhen der dynamischen Genauigkeit

KAP-TT-Haidenhain Bild 6.pdf

Bild 6
Nickbewegungen einer Achse bei hohen Beschleunigungen

KAP-TT-Haidenhain Bild 7.jpg

Bild 7
Testwerkstück mit Kreisbahn über einer Rechteckkontur: links nach der Bearbeitung mit CTC, rechts nach der Bearbeitung ohne CTC mit angefräster Fläche an der Kreisbahn

KAP-TT-Haidenhain Bild 8.pdf

Bild 8
Abweichung zwischen Soll- und Istkonturen beim Fräsen ohne CTC

Bei hohen Achsbeschleunigungen sind Nickbewegungen der Maschine unvermeidbar. Je nach Konstruktion limitieren sie die Dynamik aufgrund des entstehenden Positionsfehlers am Tool Center Point. Bild 6 zeigt, dass diese Nickbewegungen in der Regel einen Anteil in Bewegungsrichtung plus einen senkrecht dazu wirkenden Anteil haben. Die Auswirkungen dieser Nickbewegung zeigen sich als Abweichungen an der Kontur eines Testwerkstücks, bei dem zunächst ein Zapfen und anschließend ein darunterliegendes Quadrat gefräst wurden. Wo Kreisbahn und Rechteckkontur aufeinandertreffen, kann es zu einer Abweichung kommen, die als kleine Fläche sichtbar ist (Bild 7 rechts und Bild 8).
Unter der Bezeichnung „Dynamic Precision“ fasst Heidenhain Reglerfunktionen der TNC 640 zusammen, die die Maschinengenauigkeit auch bei hoher Achsgeschwindigkeit konstant halten. So können komplexe Bauteile mit höherem Vorschub bearbeitet werden. Eine Funktion dieses Pakets ist die Kompensation beschleunigungsabhängiger Positionsabweichungen CTC. Sie kompensiert die oben beschriebenen Nickbewegungen wirkungsvoll, sodass ein mit CTC gefrästes Testwerkstück keine Abweichungen zwischen Kreisbahn und Rechteckkontur zeigt (Bild 7 links). Die notwendigen Daten für die Kompensation liefert eine Vermessung der Maschine oder der Maschinenbaureihe beim Maschinenhersteller nach verschiedenen Standardmesszyklen.

KAP-TT-Haidenhain Bild 9a+b+c.jpg

Bild 9
Ergebnisse der Standardkalibrierung einer Maschine mit Vermessung der Rundheit (9a), einer Freiform („Kleiderbügel“), (9b) und der Rechtwinkligkeit (9c)

Die klassische Abstimmung der Reglerparameter erfolgt zuvor ebenfalls mit einem Kreuzgitter-Messgerät, z. B. durch einen Kreisformtest (Bild 9a) oder die Vermessung einer Freiform und der Rechtwinkligkeit (Bilder 9b und 9c).

Fazit

Für die sehr hohe Genauigkeit einer Werkzeugmaschine ist neben der genauen Mechanik die Kombination aus Messgeräten in der Maschine, Steuerung der Maschine und Messgeräten zum Kalibrieren der entscheidende Faktor.

Heidenhain bietet auf allen drei Gebieten Technologien an, die für ausgezeichnete Bearbeitungsergebnisse sorgen:

- Längen- und Winkelmessgeräte für Werkzeugmaschinen haben eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit. Das dynamische Verhalten erlaubt eine hohe zulässige Verfahrgeschwindigkeit und Beschleunigung in Messrichtung. Damit eignen sie sich sowohl für den Einsatz an hochdynamischen konventionellen Achsen als auch für Direktantriebe.

- Das Steuerungskonzept der TNC 640 garantiert hervorragende Genauigkeit und Oberflächengüte bei zugleich hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten. Grundlagen dafür sind unter anderem die optimierte Bewegungsführung, die effektive Ruckbegrenzung und die dynamische Vorausberechnung der Kontur.

- Vergleichsmessgeräte wie z. B. das VM 182, das KGM 281 und das KGM 282 erfassen die dynamischen und statischen Abweichungen einer Maschine. Damit ermöglichen sie eine direkte Prüfung der Maschinengenauigkeit.

***
Literatur
Lamdamap 2015: „Increasing 5-axis accuracy by using a cross-grid encoder for volumetric compensation“; T. Boye und G. Günther (Heidenhain), M. Fritz (Kern Microtechnik)
Technische Info: Dynamic Precision

***
Kontakt
Dr. Johannes Heidenhain GmbH
Dr.-Johannes-Heidenhain-Str. 5
83301 Traunreut
Tel.: 0 86 69/31-0
Fax : 0 86 69/3 86 09
E-Mail: info@heidenhain.de
www.heidenhain.de