Mess- und Prüftechnik Längenmessgeräte erhöhen die Bearbeitungsgenauigkeit an Werkzeugmaschinen

Autor / Redakteur: Helmut Kügel* / Ute Drescher

Werkzeugmaschinen müssen heute Teile mit sehr hoher Genauigkeit auch in kleinen Losgrößen wirtschaftlich produzieren. Dabei ermöglicht der Einsatz von Längenmessgeräten die Bearbeitungsgenauigkeit vom ersten bis zum letzten Teil. So hat die Vorschubmechanik oder die Ausdehnung der Kugelumlaufspindel keinen Einfluss mehr auf das Bearbeitungsergebnis.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Wer in der Fertigung Genauigkeit vom ersten bis zum letzten Teil erwartet, ist mit dem Einsatz von Längenmessgeräten gut beraten. Wird nämlich ein Längenmessgerät zur Erfassung der Schlittenposition verwendet, umfasst die Positionsregelschleife die komplette Vorschubmechanik. Man spricht deshalb von einem Betrieb im Closed Loop. Bei dieser Vorgehensweise hat die Vorschubmechanik wie ein unterschiedliches Werkstückgewicht oder die Ausdehnung der Kugelumlaufspindel keinen Einfluss mehr auf das Bearbeitungsergebnis und somit auf die Genauigkeit der Maschine.

Arbeitet die Maschine im Gegensatz dazu im so genannten „Semiclosed Loop“, bestimmten die Steigung der Kugelumlaufspindel und die Winkelposition des Motor-Drehgebers die Tischposition. Veränderungen in der Vorschubmechanik wie z.B. die thermische Ausdehnung sind für den Regelkreis nicht sichtbar.

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Erwärmt sich die Kugelumlaufspindel, sind Positionsfehler unvermeidbar

Gerade bei höheren Verfahrgeschwindigkeiten erwärmt sich die Kugelumlaufspindel jedoch deutlich. Bild 2 zeigt eine solche Erwärmung, aufgenommen von einer Thermokamera. Deutlich zu sehen ist die inhomogene Temperaturverteilung mit Temperaturspitzen bis zu 50,5°C. Positionsfehler bis zu 200 µm innerhalb kurzer Zeit sind unvermeidbar und lassen sich auf Grund der unbekannten Verteilungskurve nicht kompensieren.

Die Auswirkungen auf die Genauigkeit einer Produktion von 300 Teilen zeigt der in Bild 3 dargestellte Versuchsaufbau. Dabei wird ein Werkstück mit drei Bohrungen (je 2 mm tief) und der entsprechenden Außenkontur gefertigt. Nachdem 30 weitere Werkstücke ohne Werkzeugeingriff „bearbeitet“ wurden, erfolgt eine weitere Zustellung um 2 mm in Z-Richtung. Neun Wiederholungen dieser Bearbeitungsfolge simulieren die Produktion der 300 Einzelteile.

Im Vergleich zeigen Werkstücke, gefertigt auf einer Maschine im Semiclosed Loop zu denen, die auf einer Maschine im Closed Loop produziert wurden, deutliche Unterschiede im Bearbeitungsergebnis. Die Abweichung zur Sollposition betragen bis zu 200 µm. Im Gegensatz dazu entsprechen die Werkstücke, die mit Längenmessgerät gefertigt wurden, der gewünschten Kontur bis auf wenige µm (Bild 4). Der Einsatz von Längenmessgeräten gewährleistet somit die Genauigkeit des ersten Teils auch für das letzte Teil ohne langwierige Einfahrzyklen.

Dieser Sachverhalt gilt natürlich auch für den Formenbau. Werden z.B. zwei Formhälften bearbeitet, erfordern Formabweichungen auf Grund von Maschinenfehlern in der Regel sehr aufwändige Nacharbeiten.

Winkelmessgeräte erzielen höhere Genauigkeit als Drehgeber

Diese grundlegende Betrachtung für Linearachsen gilt gleichermaßen für Rundachsen. Auch hier lässt sich die Position über die Getriebeuntersetzung in Verbindung mit einem Drehgeber am Motor oder über ein hochgenaues Winkelmessgerät an der Maschinenachse erfassen, wobei bei der Verwendung von Winkelmessgeräten deutlich höhere Genauigkeiten und Reproduzierbarkeiten erzielt werden.

Für Werkzeugmaschinen werden in der Regel gekapselte Längenmessgeräte eingesetzt, die in zwei Bauformen dem Markt zur Verfügung stehen.

Messgeräte mit Messlängen bis 4240 mm verfügbar

Absolute Längenmessgeräte mit großem Profilquerschnitt sind bis zu einer Messlänge von 4240 mm verfügbar. Aufgrund der Befestigung alle 200 mm mit dem Maschinenbett wird eine sehr hohe Zuverlässigkeit gegenüber Vibrationen erreicht, die von außen eingeleitet werden. Bei beengtem Einbauraum werdenLängenmessgeräte mit kleinem Profilquerschnitt eingesetzt. Hier sind Messlängen bis 2040 mm möglich.

Der grundsätzliche Aufbau der Geräte ist für beide Bauformen identisch (Bild 5). Eine Lichtquelle durchleuchtet den Glasmaßstab. Die hochgenaue DIADUR-Teilung auf dem Glas erzeugt ein exaktes Muster auf dem Detektor (Photoelemente), das die integrierte Elektronik in elektrische Signale umgewandelt. Bei Längenmessgeräten für die Werkzeugmaschine werden nur Detektoren nach dem so genannten Einfeld-Prinzip eingesetzt.

Herstellereigene Asics sind auf den Einsatz in Werkzeugmaschinen optimiert

Diese, von HEIDENHAIN entwickelten Opto-ASICs, sind auf den Einsatz in Werkzeugmaschinen hin optimiert. Sie zeichnen sich durch eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen und EMV-Störungen aus. Die moderne Sensortechnologie ist die Grundvoraussetzung für höchste Zuverlässigkeit bei gleichbleibender Signalstabilität.

Ein Gehäuse schützt die Optik vor grober Verschmutzung und dient zur Befestigung am Maschinenbett. Die elastischen Dichtlippen verschließen den für die Bewegung nötigen Spalt fast vollständig. In vielen Fällen reichen diese Maßnahmen aus, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Bei extremer Flüssigkeits- oder Kondensationsbelastung hat sich der Einsatz von sauberer Druckluft bewährt, um die Zuverlässigkeit über viele Betriebsjahre zu gewährleisten. Eine Kupplung zwischen Abtastwagen und Montagefuß ermöglicht die Montagetoleranz +/-0,3 mm zur Maschinenkomponente, ohne dass die Genauigkeit des ermittelten Positionswertes beeinflusst wird.

Auch in der Werkzeugmaschinenbranche steigt der Anteil der direkt angetriebenen Linearachsen stetig an. Die Anforderungen an die Messtechnik bezüglich der Signalqualität und Neutralität im Regelkreis nehmen dadurch kontinuierlich zu. Neben kleinen Signalperioden ist auch eine kleine Positionsabweichung innerhalb der Periode erforderlich, um die geforderten Regelsteifigkeiten zu erreichen.

Die absoluten LC-Längenmessgeräte mit Einfeldabtastung erreichen eine max. Abweichung innerhalb der Signalperiode von +/-20 nm und stellen somit keine Begrenzung für die Regelbandbreite dar. Die Absoluttechnik erleichtert die Ermittlung des Kommutierungswinkels beim Einschalten der Werkzeugmaschine deutlich und ermöglicht eine einfache Implementierung von direkt angetriebenen Vorschubachsen.

Konstruktion sollte den Einsatz von Längenmessgeräten frühzeitig berücksichtigen

Wenn während der Konstruktion frühzeitig der Einsatz von Längenmessgeräten berücksichtigt wird ist eine schnelle und sichere Montage in wenigen Minuten möglich. So kann z.B. die nötige Ausrichtung des Messgerätes zur Maschinenführung über gefräste Anschlagkanten erfolgen.

Natürlich können auch Stifte die Ausrichtung der Messgeräte übernehmen. Für die absoluten Längenmessgeräte der Baureihe 400 (Bild 6) gibt es „Stifte mit Spannelemente“ als Zubehör, um eine sichere Verbindung des Maßstabs mit dem Maschinenbett zu gewährleisten. Ab der Messlänge 640 mm wird deren Verwendung empfohlen. Spätestens bei 1240  mm Messlänge müssen die Spannelemente oder eine Montageschiene verwendet werden um die nötige Stabilität des Messgerätes senkrecht zur Messrichtung zu gewährleisten.

Die Spannelemente verfügen im Vergleich zur Verwendung der Montageschiene über zwei Vorteile. Zum einen können die Kosten reduziert werden zum anderen ändern sich die grundsätzlichen Anbauverhältnisse nicht. Eine Baukastenkonstruktion mit variabler Messlänge ist somit einfach umzusetzen.

Längenmessgeräte sichern Werkstückqualität

Für die Produktivität einer Werkzeugmaschine ist neben der Genauigkeit (kann ich mit diesem Betriebsmittel dieses Teil überhaupt Prozesssicher herstellen) auch die Zuverlässigkeit (wie verfügbar ist das Betriebsmittel) ein entscheidender Faktor. Hohe Produktivität bei gleichbleibender Werkstückqualität lässt sich am einfachsten mit Längen- bzw. Winkelmessgeräten erreichen. Deren Verwendung gehört mittlerweile nicht nur bei Universalmaschinen sondern auch bei Produktionsmaschinen zum Standard. Zahlreiche Hilfsmittel, angefangen von 3D-Modellen zur einfacheren Konstruktion der Maschine über spezielles Montagezubehör zu schnellen und sicheren Montage bis hin zu elektrischen Prüfmittel für die Inbetriebnahme unterstützen den Einsatz.

*Helmut Kügel arbeitet im Produktmanagement bei der DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH, Traunreuth.

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