Sieben Arten von Positioniergenauigkeitsprüfungen an CNC-Werkzeugmaschinen
Die Positioniergenauigkeit einer CNC-Werkzeugmaschine bezeichnet die von jeder Koordinatenachse der Maschine unter der Steuerung des CNC-Systems erreichbare Positionsgenauigkeit. Sie kann auch als Bewegungsgenauigkeit der Maschine verstanden werden. Konventionelle Werkzeugmaschinen arbeiten mit manuellem Vorschub, und ihre Positioniergenauigkeit wird hauptsächlich durch Ablesefehler bestimmt. Die Bewegung einer CNC-Werkzeugmaschine hingegen wird durch digitale Programmbefehle gesteuert, daher hängt ihre Positioniergenauigkeit von Fehlern des CNC-Systems und der mechanischen Übertragung ab.
Eine CNC-Werkzeugmaschine (Digital Control Machine Tool) ist eine automatisierte Werkzeugmaschine mit einem programmgesteuerten Steuerungssystem. Dieses Steuerungssystem verarbeitet Programme mit Steuercodes oder anderen symbolischen Anweisungen, dekodiert sie und stellt sie in codierten Zahlen dar. Diese Informationen werden über einen Datenträger in die CNC-Maschine eingelesen. Nach der Verarbeitung gibt die CNC-Maschine verschiedene Steuersignale aus, um die Bewegungen der Werkzeugmaschine zu steuern und die Teile automatisch gemäß den in den Zeichnungen vorgegebenen Formen und Abmessungen zu bearbeiten.
Die Bewegung jedes einzelnen beweglichen Teils der Werkzeugmaschine erfolgt unter der Steuerung der CNC-Steuerung. Die durch die Programmvorgaben erzielbare Genauigkeit jedes beweglichen Teils spiegelt direkt die Genauigkeit der bearbeiteten Teile wider. Daher ist die Positioniergenauigkeit ein sehr wichtiges Prüfkriterium.
1. Prüfung der Positioniergenauigkeit linearer Bewegungen
Die Positioniergenauigkeit linearer Bewegungen wird üblicherweise im Leerlauf an Werkzeugmaschine und Werkstücktisch geprüft. Gemäß nationalen Normen und den Normen der Internationalen Organisation für Normung (ISO) sollte die Lasermessung der Standard für die Prüfung von CNC-Werkzeugmaschinen sein. Steht kein Laserinterferometer zur Verfügung, kann für Vergleichsmessungen durch Laien ein Standardlineal mit optischem Messmikroskop verwendet werden. Die Genauigkeit des Messgeräts muss jedoch 1–2 Genauigkeitsklassen höher sein als die zu messende Genauigkeit.
Um alle Fehler bei mehreren Positionierungsvorgängen zu berücksichtigen, legt die ISO-Norm fest, dass der Mittelwert und die Streuung von fünf Messungen für jeden Positionierungspunkt berechnet werden, woraus das Positionierungspunkt-Streuband entsteht.
2. Prüfung der Wiederholgenauigkeit und Positioniergenauigkeit linearer Bewegungen
Die für die Prüfung verwendeten Instrumente sind dieselben wie jene zur Prüfung der Positioniergenauigkeit. Das allgemeine Prüfverfahren umfasst die Messung an drei beliebigen Positionen nahe dem Mittelpunkt und den beiden Endpunkten des jeweiligen Koordinatenwegs. Jede Position wird mittels Eilgang positioniert, und die Positionierung wird unter gleichen Bedingungen siebenmal wiederholt. Die Werte an den Stopppositionen werden gemessen und die maximale Differenz der Messwerte berechnet. Die Hälfte der größten Differenz zwischen den drei Positionen, mit positivem oder negativem Vorzeichen, wird als Wiederholgenauigkeit der jeweiligen Koordinate verwendet. Sie ist der grundlegendste Indikator für die Stabilität der Achsenbewegungsgenauigkeit. 3. Überprüfung der Rückkehrgenauigkeit des linearen Bewegungsursprungs
Die Genauigkeit der Rückkehr zum Ursprung entspricht im Wesentlichen der Wiederholgenauigkeit eines bestimmten Punktes auf der Koordinatenachse. Daher ist die Messmethode exakt dieselbe wie die zur Bestimmung der Wiederholgenauigkeit.
4. Erkennung von Rückwärtsfehlern bei linearer Bewegung
Der Rücklauffehler linearer Bewegungen, auch Impulsverlust genannt, ist ein umfassendes Ergebnis verschiedener Fehler, darunter die Totzone der Antriebskomponenten (z. B. Servomotoren, hydraulische Servomotoren und Schrittmotoren) im Vorschubgetriebe der Koordinatenachse, das Spiel verschiedener mechanischer Übertragungspaare sowie elastische Verformungen. Je größer der Fehler, desto geringer die Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit.
Zur Erkennung von Rückwärtsfehlern wird die Koordinatenachse innerhalb ihres Hubs um eine bestimmte Strecke vorwärts oder rückwärts bewegt, wobei die Stoppposition als Referenz dient. Anschließend wird ein bestimmter Bewegungsbefehl in derselben Richtung gegeben, wodurch die Achse um eine bestimmte Strecke bewegt wird. Danach wird sie um dieselbe Strecke in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Die Differenz zwischen Stoppposition und Referenzposition wird gemessen. An drei Positionen nahe dem Mittelpunkt und an beiden Enden des Hubs werden mehrere Messungen (üblicherweise siebenmal) durchgeführt. Der Mittelwert an jeder Position wird berechnet, und der größte der erhaltenen Mittelwerte ist der Rückwärtsfehler.
5. Prüfung der Positioniergenauigkeit von Drehtischen
Zu den Messwerkzeugen gehören Standard-Drehtische, Winkelpolyeder, Kreisgitter und Kollimatoren, die je nach Anwendungsfall ausgewählt werden. Das Messverfahren beinhaltet das Drehen des Tisches um einen bestimmten Winkel vorwärts (oder rückwärts), Anhalten, Arretieren und Positionieren. Ausgehend von dieser Referenzposition wird der Tisch anschließend alle 30 Grad schnell in dieselbe Richtung gedreht, arretiert und positioniert, und die Messung wird durchgeführt. Eine vollständige Umdrehung wird sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung gemessen. Die maximale Abweichung zwischen dem tatsächlichen Drehwinkel an jeder Position und dem Sollwert (vorausgesetzter Wert) ist der Indexierungsfehler. Bei CNC-Drehtischen gilt jede 30-Grad-Position als Zielposition. Für jede Zielposition wird die Schnellpositionierung siebenmal in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durchgeführt. Die Differenz zwischen Ist- und Sollposition ist die Positionsabweichung. Die mittlere Positionsabweichung und die Standardabweichung werden anschließend gemäß der in GB10931-89 „Bewertungsverfahren für die Positionsgenauigkeit von numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen“ beschriebenen Methode berechnet. Die Differenz zwischen der maximalen Summe aller mittleren Positionsabweichungen und Standardabweichungen und der Summe aller minimalen Summen von mittleren Positionsabweichungen und Standardabweichungen ist der Positioniergenauigkeitsfehler des CNC-Drehtisches.
Im Hinblick auf die praktischen Anforderungen von Trockentransformatoren werden wichtige Messungen typischerweise an rechtwinkligen Teilungspunkten wie 0°, 90°, 180° und 270° durchgeführt. Die Genauigkeit dieser Punkte sollte eine Stufe höher sein als die anderer Winkelpositionen.
6. Wiederholgenauigkeitsprüfung des Drehtisches
Das Messverfahren beinhaltet die zufällige Auswahl von drei Positionen innerhalb einer Umdrehung des Drehtisches und die dreimalige Wiederholung der Positionierung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung. Die maximale Abweichung aller Messwerte vom Sollwert für die jeweilige Position entspricht der Wiederholgenauigkeit. Bei CNC-Drehtischen wird alle 30° ein Messpunkt als Sollposition festgelegt. Für jede Sollposition wird die Schnellpositionierung fünfmal in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung durchgeführt. Die Differenz zwischen der tatsächlich erreichten Position und der Sollposition, d. h. die Positionsabweichung, wird gemessen. Die Standardabweichung wird anschließend gemäß GB10931-89 berechnet. Das Sechsfache der maximalen Standardabweichung aller Messpunkte entspricht der Wiederholgenauigkeit des CNC-Drehtisches.
7. Prüfung der Rückkehrgenauigkeit des Drehtisches
Das Messverfahren beinhaltet die Durchführung eines Nullpunkt-Rücklauftests an sieben beliebigen Positionen, die Bestimmung der Stoppposition und die Verwendung der maximalen Differenz als Nullpunkt-Rücklaufgenauigkeit.
Es ist zu beachten, dass die aktuellen Positioniergenauigkeitsprüfungen unter Hochgeschwindigkeits-Positionierbedingungen durchgeführt werden. Bei einigen CNC-Werkzeugmaschinen mit weniger effizienten Vorschubsystemen ergeben sich bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten abweichende Positioniergenauigkeitswerte. Darüber hinaus hängen die Messergebnisse der Positioniergenauigkeit von der Umgebungstemperatur und dem Betriebszustand der Koordinatenachse ab. Die meisten CNC-Werkzeugmaschinen verwenden derzeit halbgeschlossene Regelkreise, wobei die Positionserfassungselemente meist am Antriebsmotor montiert sind. Ein Fehler von 0,01 bis 0,02 mm innerhalb eines Hubs von 1 m ist nicht ungewöhnlich. Dieser Fehler wird durch die Wärmeausdehnung verursacht; einige Werkzeugmaschinen verwenden Vorspannverfahren, um dessen Einfluss zu minimieren.
Die Wiederholgenauigkeit jeder Koordinatenachse ist der grundlegendste Genauigkeitsindikator für die Stabilität der Achsenbewegung. Eine Werkzeugmaschine mit geringer Genauigkeit kann nicht stabil in der Produktion eingesetzt werden. Dank der zunehmenden Funktionalität von CNC-Systemen lassen sich systematische Fehler in der Bewegungsgenauigkeit einzelner Komponenten, wie z. B. Teilungsfehler und Umkehrspiel, kompensieren. Zufällige Fehler hingegen können nicht kompensiert werden. Die Wiederholgenauigkeit spiegelt den gesamten zufälligen Fehler des Vorschubantriebs wider, der durch die CNC-Systemkompensation nicht behoben werden kann. Liegt dieser außerhalb der Toleranz, ist eine Feinjustierung der Vorschubkette erforderlich. Daher sollte, sofern die Maschinenauswahl möglich ist, eine Werkzeugmaschine mit hoher Wiederholgenauigkeit gewählt werden.