Präzision ist Trumpf

Längenmesssysteme - Zuverlässigkeit plus Schnelligkeit sind ohnehin ein Muss. Gefragt ist die Werkzeugmaschine, die sich flexibel auf neue Aufgaben einstellt. Was können Messsysteme dazu beitragen?

01. Juli 2005

Eine Schwierigkeit beim Einsatz von Werkzeugmaschinen ist die Forderung nach hoher Genauigkeit auch bei kleinsten Stückzahlen und knappen Lieferfristen. Schließlich erlauben die häufig wechselnden Aufträge und die damit verbundene geringe Größe der Fertigungslose keine langwierige Kompensation der thermischen oder systematischen Fehler einer Werkzeugmaschine. Die Genauigkeit des ersten Werkstücks gewinnt deshalb immer mehr an Bedeutung. Gefragt sind also eine reproduzierbare Genauigkeit, kurze Bearbeitungszeiten und eine hohe Maschinenverfügbarkeit. Immer wichtiger werden deshalb neben der statischen und dynamischen Steifigkeit der Maschine und der Leistungsfähigkeit der CNC-Steuerungen besonders die Positioniergenauigkeit, das thermische Verhalten der Vorschubachsen und das Regelverhalten. Gerade diese Punkte lassen sich durch die Wahl geeigneter Positionsmessgeräte deutlich verbessern.

Zur Ermittlung der Präzision heutiger Werkzeugmaschinen dient eine Vielzahl von Prüf- und Abnahmetests. Während früher rein geometrische Abnahmetests genügten, kommen heute verstärkt dynamische Tests wie Kreis- und Freiformtests, thermische Untersuchungen und im Fall von Produktionsmaschinen Fähigkeitsuntersuchungen zum Einsatz. Moderne Prüfverfahren erlauben dabei eine immer differenzierbarere Analyse der unterschiedlichen Einflüsse des Schneidprozesses, der geometrischen und thermischen Genauigkeit, der statischen und dynamischen Steifigkeit sowie des Positionierverhaltens der Vorschubantriebe auf die erzielbare Genauigkeit des Werkstücks.

Zur Positionserfassung an NC-Vorschubachsen lassen sich grundsätzlich einerseits Kugelgewindespindeln in Verbindung mit Drehgebern sowie andererseits Längenmessgeräte einsetzen. Bei der Längenmessung über Spindel und Drehgeber dient die Spindel des Kugelgewindetriebs als Maßverkörperung. Der im Motor eingebaute Drehgeber unterteilt die Spindelumdrehung und erzeugt eine relative Position. Die Spindel übt also eine Doppelfunktion aus: Als Antriebssystem muss sie große Kräfte übertragen, in ihrer Eigenschaft als Messgerät aber werden hohe Genauigkeit und Konstanz erwartet. Da jedoch zur Positionserfassung des Schlittens in diesem Falle kein eigenes Messgerät verwendet wird, umfasst die Regelschleife lediglich den Drehgeber im Motor. Dadurch sind verschleiß- und temperaturbedingte Abweichungen zu erwarten, welche die akzeptable Fertigungstoleranz weit überschreiten können.

Erwärmung als Fehlerquelle ausschließen

Die bedeutendste Fehlerquelle ist die Erwärmung der Kugelgewindespindel im Betrieb. Die Doppelfunktion des Kugelgewindetriebs als mechanisch steifes Übertragungsglied einerseits und Maßverkörperung andererseits ist deshalb ein problematischer Kompromiss, weil sowohl die geforderte Steifigkeit als auch die unerwünschte Erwärmung von der Vorspannung der Kugelgewindemutter und der Festlager abhängen. So liegt beispielsweise das Reibmoment eines geschliffenen Präzisionskugelgewindetriebs mit 40 Millimeter Durchmesser in der Größenordnung von 1 Nm und erzeugt bei 2.000 U/min schon eine Wärmeleistung von 200 Watt. Je nachdem, ob die Kugelgewindespindel sich frei ausdehnen kann oder nicht, sind dadurch bei solchen Achsentests unterschiedliche Verhalten zu erwarten.

Im Test mit einer 1 Meter langen X-Achse bei einer mittleren Verfahrgeschwindigkeit von 4 m/min (Positioniergeschwindigkeit 10 m/min) verschiebt sich die weit vom Festlager der Kugelgewindespindel entfernte Position innerhalb von 40 Minuten um mehr als 110 Mikrometer, wobei die Drift schon sofort nach dem Einschalten sehr schnell ansteigt. Jede Änderung der durchschnittlichen Vorschubgeschwindigkeit in einem Fertigungsprozess wirkt sich deshalb sofort auf die Positioniergenauigkeit aus.

Größere Genauigkeit durch gekapseltes Längenmessgerät

Sinnvoller ist daher die Erfassung der Schlittenposition über ein separates Längenmessgerät, das die Tischbewegungen direkt misst und somit unabhängig bleibt von Spiel und Ungenauigkeiten in den Übertragungselementen der Maschine. Einen Einfluss auf die Genauigkeit der Messung haben damit praktisch nur noch die Präzision und der Einbauort des Längenmessgerätes.

Am einfachsten erreichen lassen sich diese Anforderungen an Werkstückqualität und Produktivität mit dem Einsatz von optischen Längenmessgeräten: Diese Komponenten bieten eine hohe Systemgenauigkeit, thermische Stabilität und Verschmutzungsunempfindlichkeit und erlauben zudem hohe Verfahrgeschwindigkeiten. Ein Spezialist für derartige Messsysteme ist die Heidenhain GmbH im oberbayerischen Traunreut. Deren gekapselte Längenmessgeräte sind geschützt vor Staub, Spänen und Spritzwasser und besitzen eine neu entwickelte Einfeld-Abtastung. Dabei trägt die Abtastplatte zur Signalgewinnung ein großflächiges Gitter, dessen Teilungsperiode sich geringfügig von der Teilungsperiode des Maßstabs unterscheidet. Auf diese Weise entsteht eine optische Schwebung über die Länge des Abtastfeldes: An manchen Stellen überlagern sich die Striche, und es fällt Licht auf den Empfänger. An anderen Stellen dagegen liegen Striche und Lücken übereinander, hier herrscht Schatten. An den Poitionen Dazwischen werden die Lücken nur teilweise verdeckt. Dieser Effekt bewirkt eine optische Filterung, die homogene Signale mit sehr guter Sinusform erlaubt. Anstelle einzelner Photoelemente generiert ein großflächiger, speziell strukturierter Photosensor die vier um 90° zueinander phasenversetzten Abtastsignale.

Die große Abtastfläche über die gesamte Breite der Maßstabsteilung und die Anordnung mehrerer Abtastfelder hintereinander macht die Messgeräte mit Einfeld-Abtastung extrem unempfindlich gegen Verschmutzung. Im Verschmutzungstest bleiben die Positionsabweichungen selbst bei großflächigen Verschmutzungen weit unter dem als Genauigkeitsklasse für das Messgerät spezifizierten Wert.

Zusätzlich zur absoluten Genauigkeit ist die Oberflächengüte des Werkstücks ein Beurteilungskriterium für die Werkzeugmaschine. Entscheidend dafür sind neben kleinen Signalperioden auch die Signalqualitäten, die sich über die Lebensdauer der Maschine nicht nachteilig entwickeln dürfen. Bei synthetisch erzeugten Signalperioden hingegen wird üblicherweise nur die Amplitude optimiert, die grundsätzlichen Fehler bleiben jedoch erhalten und werden am Werkstück sichtbar. Die Einfeld-Abtastung erzeugt Ausgangssignale mit hoher Qualität und Konstanz, deren Amplituden zudem nur im geringen Maße abhängig sind von der Verfahrgeschwindigkeit. So gewährleisten die neuen Längenmessgeräte stabile Ausgangssignale auch bei Verfahrgeschwindigkeiten bis zu 180 Meter pro Minute.

Helmut Huber, Heidenhain

Erschienen in Ausgabe: 04/2004