Geometriefehler kompensieren

Bei der neuen CNC-Funktionalität kurz VCS besser Volumetric Compensation System, können erstmals alle Geometriefehler einer Werkzeugmaschine zuverlässig, schnell, einfach und vor allem integriert kompensieren. Hierdurch bietet sich für Maschinenhersteller- und Betreiber eine sehr wirksame und neue Möglichkeit, die Fertigungsgenauigkeit alleine durch steuerungstechnische Maßnahmen der Maschinen, zu erhöhen. Durch die mechanische Nachbearbeitung bei der Justageerspart dies in der Praxis den Prüfaufwand und reduziert somit Stillstandszeiten. Hierbei profitiert besonders die Genauigkeit aufgrund der langen wirksamen Hebel.

Geometriefehler bei Werkzeugmaschinen

Alle Werkzeugmaschinen weisen sehr geringfügige systematische Geometriefehler beim
Führungssystem der Vorschubachsen auf. Hierbei treten bei Linearachsen lineare Positionsfehler, Geradheitsfehler sowohl horizontal wie auch vertikal, Nicken, ebenso wie Rollen und Gieren auf. Zusätzlich treten weitere Fehler in der Ausrichtung von Maschinenkomponenten treten zueinander auf, wie zum Beispiel Rechtwinkligkeitsfehler. Schon bei einer Drei-achsigen Maschine konnten diese bereits 21 Fehler in der Geometrie, die sich dann am Werkzeughalter aufsummieren: Je Linearachse sind diese sechs Fehlerarten mal drei Achsen und plus drei Fehler der Rechtwinkligkeit macht zusammen 21. Doch auch bei den Rundachsen, zum Beispiel bei den Drehschwenkköpfen, können systematisch und geometrische Fehler auftreten. Dieses sind die Lage der beiden Rundachsen, der gegenseitige Versatz, wobei die Orientierung des Werkzeugträgers- und dabei letztlich die Positionsabweichungen jeder der Rundachsen.

Minimale Fehler bei langen Hebel machen sich so schmerzlich spürbar

Jeder einzelne dieser systematischen Fehler tritt dann tatsächlich auf. Alle einzelnen Abweichungen überlagern sich dann tatsächlich zu einem einzigen Gesamtfehler, der dann als volumetrischer Fehler bezeichnet wird. Bei Großmaschinen kann der Fehler bei absolut ungünstigen Konstellationen der Achspositionen, eine Größenordnung von mehreren, 100 Mikrometer erlangen. Grund hierfür liegt in den speziellen großen Portalfräsmaschinen, die sehr langen und wirksamen Hebeln. Um diese Möglichkeit, dass Fehler in einer solchen Größenordnung im Werkstück auftreten, machen zeitraubende und sehr aufwendige Sicherungsmaßnahmen bei der Qualitätssicherung erforderlich. Daher lohnt es sich, näher mit der Ursache von volumetrischen Fehlern und mit der Kompensation zu befassen.

Im gesamten Arbeitsraum sind Messungen nötig

Mit modernen Lasermessgeräten von verschiedenen Herstellern, lassen dich volumetrische Fehler feststellen. Dies kann zum Beispiel im Rahmen von Messdienstleistungen geschehen. Hierzu müssen alle Fehler der Maschinen im gesamten Zeitraum der Bearbeitung vermessen werden. Doch nur einzelne Maschinenfehler zu vermessen genügt nicht. Dabei werden immer ganze Messkurven aufgenommen, damit die einzelnen Fehlergrößen abhängig von den Positionen der jeweiligen Vorschubachsen und vom jeweiligen Messort sind. Dabei fallen zum Beispiel der X-Achse zugeordneten Fehler an ein und derselben X-Position jeweils anders aus. Wenn dazu die Y- und Z-Achse zusätzlich noch eine andere Position einnehmen. Dabei bleibt der Aufwand für die komplette Vermessung der Maschinen immer noch überschaubar, selbst bei der vergleichsweise hohen Zahl von 21 Fehlern, die erfasst werden müssen. Hierbei ermöglichen zum einen moderne Lasermesssysteme einen hohen Automationsgrad aller Messabläufe. Zum anderen unterstützt die moderne CNC-Steuerung wie die Sinumerik 840D sl von Siemens Industry, selbst absolut aktiv einen großen Teil beim Messvorgang.

Die CNC-seitige Kompensation an WZM

Im Bereich der CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen ist die axial wirkende Fehlerkompensation bei der Spindelleistungssteigerung. Die Steuerungen in der Reihe Sinumerik 840D bieten noch darüber hinaus noch die Cross-Error-Kompensation. Diese wirken achsübergreifend und sind individuell anwählbar. So lassen sich zum Beispiel Durchgangsfehler sicherer kompensieren. Allerdings leider nicht alle 21 Geometriefehler der Vorschubachsen im kompletten Arbeitsraum, wie Herr Häberer feststellte, der Leiter im Geschäftsfeld Werkzeugmaschinen bei Siemens ist.

Das Volumentric Compensation System

Diese Schwachstelle wird nun genau mit dieser neuen Funktionalität der Volumetric Error Compensation kurz VCS bei der CNC Sinumerik 840 sl beseitigt. Bei den Drei-Achsmaschinen korrigiert VCS den volumetrischen Fehler in der Position des Werkzeuges. Hingegen bei Fünf-Achsmaschinen kompensiert VCS wiederum in Interaktion mit der bisher bewährten Traorifunktionalität der Sinumerik noch zusätzlich den Orientierungsfehler des Werkzeuges, was bei Maschinen mit drei Achsen nicht möglich ist. Hier fehlen die Orientierungsachsen und daher ist dies nicht möglich. Siemens nennt dieses wertvolle Add-on für Fünf-Achsmaschinen VCS-Orientierungskompensation. Schon vor der Inbetriebnahme der Steuerungsoption werden durch VCS alle 21 Geometriefehler in den Linearachsen vermessen. Hierbei leisten zum Beispiel sogenannte Sinumerik Solution Partner bei der Kalibrierdienstleistung, die mit Hilfe von Lasermessgeräten erfolgen. Fehlerkurven, die hierbei erstellt wurden, werden in eine VCS-Datei konvertiert und dann auf der Sinumerik 840 sl hinterlegt. Hierbei können Anwender dieser Lasermesstechnik von Renishaw API und auch Etalon, auf Softwaretools des jeweiligen Herstellers zurückgreifen. Solche Tools übernehmen die schnelle, zuverlässige und komfortabel Konvertierung jeder einzelnen Messkurve in das VCS-Dateiformat der Sinumerik-CNCs. So werden die Fehler der Rundachsen mit Hilfe des Sinumerik-Zyklus 996 Kinematik vermessen und in wenigen Minuten ermittelt. Mit einem Knopfdruck können die Traori-Maschinendaten übernommen werden, was für eine Kompensation schon genügt. Nachdem die Aktivierung dieser beiden Funktionen VCS und Traori erfolgte, ist die Genauigkeit der Maschinen im kompletten Arbeitsraum gesteigert.

Performenceeinbuße ohne Fehlerreduktion

Hierbei hängt die erzielbare maximale Fehlerreduktion von den individuellen Begebenheiten der Maschinen und deren Einsatzbedingungen ab. Umso exakter die einzelnen Fehler reproduzierbar und je geringer die Umkehrspannen der jeweiligen Achsen oder Spiele in der Mechanik sind, umso größer ist der Erfolg bei der Kompensation. Genauso wichtig ist eine klimatisierte Fertigung eine Grundvoraussetzung, um eine dauerhaft gesteigerte Genauigkeit zu erlangen. Hierbei hat VCS bei dem Einsatz einer leistungsfähigen Steuerung Sinumerik 840 sl einen Einfluss auf die Produktionsleistung der Maschinen.

Einfacher und Praktischer Einsatz von VCS

Eingehend getestet wurde VCS beim italienischen Maschinenhersteller Breton an einer Fünf-achsigen Flymill Typ 1000/2T DD K20. Für den Development Manager bei Breton standen die Genauigkeitswerte und deren Einhaltung fest und außer Zweifel. Denn bei Breton werden alle Schritte in der Fertigung strengen Qualitätskontrollen unterzogen, damit die Maschinen von vorn Anfang an genau zu machen. Alle wesentlichen Maschinenkomponenten werden alle auf einer 3D-Koordinatenmessmaschine geprüft und dann gegebenenfalls korrigiert. Daher findet die Fertigung in klimatisierten Räumen mit einer maximalen Temperaturschwankung von nicht mehr als einem Grad statt. Dies garantiert die Genauigkeit der Maschinenkomponenten wie Z-Schieber, DDKopf oder Brücke. Besonders qualifizierte Facharbeiter stellen alle vorgegebenen Fertigungs- und Montagetoleranzen sicher, wobei dies durch händisches Schaben geschieht. Dabei finden auch die abschließende Maschinenmontage und Abnahmetests in einer klimatisierten Halle bei +/- 2 Grad statt. Die Abnahme der Maschine erfolgt streng nach den Genauigkeitsstandards nach ISO 230 und VDI 3441 DGQ. Dabei übernahm bei Brenton Flymill ein Expertenteam der Renishaw GmbH aus Pliezhausen, die Vermessung der geometrischen Fehler. Laut Dr. Krug dem technischen Leiter bei der Renishaw, wurde das Standard-Equipment, wie den neuen Laser-Interferometer XL 80 mit den Optiken für Rotation, Translation und Position, ebenso wie den bewährten Kreisformtest QC10 eingesetzt. Somit waren die geometrischen Fehler der Flymill in nur zwei Tagen komplett vermessen und die Datei für die VCS-Kompensation Sinumerik 840D sl erzeugt. Danach wurden die Funktionen VCS und Traori an der Sinumerik 840D sl aktiviert, womit die Maschine im nun kompensierten Zustand erneut komplett vermessen wurde. Hierdurch erzielte die VCS eine weitere Verbesserung von 80 Prozent. Wobei auch rotatorische Fehler deutlich reduziert wurden. Bisher konnten die Kunden mit dem Messequipment nur Fehler feststellen, ohne hier direkt eine Möglichkeit der Verbesserung zu haben. Nun können die Anwender die eine Sinumerik 840 sl bei der Maschinensteuerung einsetzen, können nun die so gemessenen Fehlerkurven direkt zur volumentrischen Kompensation nutzen. In enger Abstimmung mit Siemens hat Renishaw einen automatischen Konverter entwickelt. Dieser kann mit den XL-80 aufgenommenen Daten nun einfach und zuverlässig in das VCS-Format konvertieren.

Zusätzliche Verbesserungen erreicht

Bei weiteren Tests wurde VCS von Breton genau überprüft und mit den CEC-Tabellen, die standartmäßig eingesetzt werden, verglichen. Weitere Verbesserungen der Werte bei der Positioniergenauigkeit auf der Raumdiagonalen wurden auf die von Breton ohne VCS erreicht. Ebenso zeigten sich deutliche Verbesserungen der Renishaw-Kreisformtestes, wobei diese in allen drei Raumebenen ausgeführt wurden. Erzielt wurde eine Verringerung der Y-Z-Ebene des Rechtswinkligkeitsfehlers von 8,6 ?m/m auf 0,1 ?m/m. Die Folge, nun sieht ein Kreis aus wie ein Kreis. Somit verbesserte sich die Kreisformabweichung von 24 ?m auf 18 ?m. So zeigen sich bei Kreisformtests die Leistungsfähigkeit von VCS deutlich, so Herr Häberer vom Siemens Geschäftsgebiet Motion Control Systems. Eine gute Kreisform wird an den standardmäßig verwendeten Messposition immer erreicht, was die herkömmlichen Kompensationsfunktionen bewirken.

Geometriefehler kompensieren

Bei der neuen CNC-Funktionalität kurz VCS besser Volumetric Compensation System, können erstmals alle Geometriefehler einer Werkzeugmaschine zuverlässig, schnell, einfach und vor allem integriert kompensieren.

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