Modernste Methoden zur schnellen Überprüfung von Werkzeugmaschinen sind vollautomatisch und dauern nur wenige Minuten. Sie sind in der Lage, zuverlässig zu überprüfen, ob eine Werkzeugmaschine innerhalb des Toleranzbereichs arbeitet, bevor kritische Bearbeitungsaufgaben an hochwertigen Komponenten durchgeführt werden.
Herkömmliche Methoden zur Kalibrierung von Werkzeugmaschinen schließen erhebliche Ausfallzeiten ein und erfordern hochqualifizierte Arbeitskräfte. In der Vergangenheit bedeutete dies, dass Werkzeugmaschinen bei ihrer Herstellung minutiös kalibriert werden mussten. Eine vollständige Rekalibrierung wurde dann nur durchgeführt, wenn Fehler in den von ihnen gefertigten Teilen festgestellt wurden. Um die Qualität zu verbessern und Fehlerfreiheit zu gewährleisten, führen viele Hersteller heute regelmäßige Kontrollen und Rekalibrierungen durch. Verbesserte Methoden können die Zeit für allgemeine Funktionschecks auf etwa 20 Minuten und für vollständige Kalibrierungen auf wenige Stunden reduzieren. Das bedeutet, dass Kontrollen wöchentlich und Rekalibrierungen jährlich durchgeführt werden können. Dies ist ein großer Schritt nach vorn, obwohl ein erhebliches Risiko der Nichtkonformität besteht.
Ein Ansatz zur weiteren Reduzierung des Risikos von Abweichungen besteht darin, Lasersysteme so in Werkzeugmaschinen zu integrieren, dass sie sich vollständig selbst kalibrieren können. Ich habe kürzlich über das Etalon-Mehrliniensystem berichtet, das dieses Ziel für bestimmte Maschinentypen realisieren kann. Dadurch wird Labor-Messtechnik in die Maschine integriert, was die Frequenzdefinition des Messgerätes um die Eigenschaft direkter Rückverfolgbarkeit erweitert. In der Theorie ermöglicht dies eine vollständige Kalibrierung in nur wenigen Minuten und ganz ohne menschlichen Eingriff. In der Praxis ist ein solcher Ansatz nur für große Maschinen geeignet und sehr teuer.
Ein alternativer Ansatz ist die Durchführung eines schnellen Verifikationstests anstelle einer vollständigen Kalibrierung. Eine Kalibrierung quantifiziert unabhängig voneinander jede Fehlerquelle und ermöglicht die Kompensation dieser Fehler. Ein Verifikationstest hingegen kann auf alle Arten von Fehlerquellen anschlagen, ohne sie jedoch getrennt voneinander identifizieren zu können. Das bedeutet, dass der Verifikationstest unabhängig von der Fehlerquelle erkennt, wann ein Problem mit der Maschine vorliegt. Er wird jedoch keine Behebungsoption für diesen Fehler anbieten können. Stattdessen müsste dann, sobald das Problem erkannt wurde, eine Kalibrierung durchgeführt werden.
Schnelle Verifizierungsprüfungen ergänzen die Zustandsüberwachung von Werkzeugmaschinen, die sich zur Zeit in Entwicklung befinden. Es wird erwartet, dass die Industrie 4.0 die manuelle Zustandsüberwachung durch integrierte Sensoren ersetzen wird. Beispiele sind das Überwachungssystem für Schneidwerkzeuge, über das ich kürzlich geschrieben habe, oder die Cyber-physischen Systeme für Werkzeugmaschinen, die von Sandvik entwickelt werden, um Qualität und Effizienz zu verbessern. Ein solcher Ansatz kann die Notwendigkeit, eine Maschine anzuhalten, um Kontrollen durchzuführen und den Verschleiß zu überwachen, vollständig beseitigen. Es ist jedoch nicht möglich, alle Maschinenfehler mit eingebetteten Sensoren zu erkennen, so dass noch ein gewisses Maß an Stillstandzeit erforderlich ist, um die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen zu überprüfen. Dies ist besonders wichtig vor der Entfernung von Metallelementen von sehr hochwertigen Bauteilen. Einige Komponenten in der Luft- und Raumfahrt können bereits bei Anlieferung an der Bearbeitungsstation einen Wert von 100.000 US-Dollar haben. Wenn eine Werkzeugmaschine einen Fehlfunktion entwickelt hat, kann dies dazu führen, dass das Bauteil verschrottet werden muss. Es ist daher gerechtfertigt, die Maschine für einige Minuten offline zu nehmen, wenn dadurch das Risiko, dass das Bauteil verschrottet werden muss, signifikant reduziert wird. Daher wurden schnelle Verifikationstests entwickelt, die in der Lage sind, die Genauigkeit der Werkzeugmaschine innerhalb vorgegebener Grenzwerte zu überprüfen, bevor Metallschnittarbeiten an so hochwertigen Bauteilen vorgenommen werden.
Fehlerquellen bei Werkzeugmaschinen
Werkzeugmaschinen können aufgrund einer Reihe von Fehlerquellen ungenaue Teile produzieren. Die am häufigsten beobachtete Fehlerquelle sind kinematische Fehler. Die meisten Werkzeugmaschinen verfügen über einige in Reihen angeordnete Achsen. So hat beispielsweise eine dreiachsige Fräsmaschine die x-, y- und z-Achse. Für eine vorgegebene Position entlang einer dieser Achsen sind sechs Positionsfehler möglich, die den 6 Freiheitsgraden bei Starrkörperbewegungen entsprechen. So kann beispielsweise eine Bewegung entlang der x-Achse Übersetzungsfehler in x aufgrund des x-Achsencoders, und in y und z aufgrund der Geradheit der x-Achse aufweisen. Die Bewegung entlang der x-Achse kann auch Drehfehler aufweisen; die Drehung um die Achse wird oft als Rollen bezeichnet, während die beiden Drehungen um die senkrechten Achsen als Neigen und Gieren bezeichnet werden.
Jede Position innerhalb des Volumens der Maschine wird durch die Position der Achsen beschrieben. Bei einer dreiachsigen Maschine wird die Sollposition daher durch drei vorgegebene Koordinaten definiert. Da jede Achse sechs Freiheitsgrade hat, kann die Ist-Position 18 kinematische Fehler aufweisen. Typischerweise wird die Ausrichtung oder Geradheit zwischen den Achsen separat betrachtet. Es wird daher gesagt, dass es 21 mögliche kinematische Fehler bei einer dreiachsigen Maschine gibt. Die drei Geradheitsfehler weisen jedoch jeweils denselben Wert pro Maschine auf. Die anderen Fehler sind abhängig von der Position entlang der Achse und werden daher an einer Reihe von diskreten Positionen gemessen, zwischen denen Interpolationen vorgenommen werden. Für eine standardmäßige Maschine würden etwa 200 individuelle Korrekturwerte in einer Vollkalibrierung gemessen werden können.
Der konventionelle Ansatz für kinematische Fehler, wie vorstehend beschrieben, geht davon aus, dass jede Achse Fehler aufweist, die nur anhand der Position entlang dieser Achse variieren, unabhängig von den Positionen entlang anderer Achsen. Diese Annahme ergibt in der Regel ein ausreichend genaues Fehlerkorrekturmodell. Es gibt jedoch gewisse Zusammenhänge zwischen den Achsen, was bedeutet, dass ein anderer Ansatz, die volumetrische Kompensation, eine höhere Präzision bewirken kann.
Andere Fehler bei Werkzeugmaschinen beinhalten Hystereseeffekte wie Umkehrspiel, Lasten wie Schnittelemente und Werkstücke, thermo-mechanische Effekte, dynamische Kräfte, Schneidwerkzeugverschleiß, Bewegungssteuerung und Softwarefehler. Es ist wichtig, zu beachten, dass die meisten dieser zusätzlichen Fehlerquellen durch eine Werkzeugmaschinenkalibrierung nicht erkannt oder behoben werden können.
Physikalische Fehlertrennungsmethoden
Physikalische Fehlertrennungsmethoden versuchen, bestimmte Fehler einzeln zu isolieren und zu messen. Dieser Ansatz wird häufig bei Kinematikfehlern, Umkehrspiel, Spindelfehlern und Verschleiß der Schneidwerkzeuge angewendet. Herkömmliche Methoden verwenden Nivelliere, gerade Kanten, Messuhren und Endmaße. Der moderne Ansatz basiert auf einem Laserinterferometer. In beiden Fällen muss das Instrument sorgfältig auf die Achse ausgerichtet sein und für jeden Freiheitsgrad entlang der Achse müssen verschiedene Messungen durchgeführt werden. Dies ist eine zeitaufwändige und hochanspruchsvolle Aufgabe, die es jedoch ermöglicht, sämtliche kinematischen Fehler der Werkzeugmaschinen zu kalibrieren und zu korrigieren. Die neuesten Laserinterferometer-Systeme, wie das XM-60 von Renishaw, verwenden mehrere Laserstrahlen, so dass alle sechs Freiheitsgrade mit einem einzigen Setup gemessen werden können. Dies spart viel Zeit, erfordert aber dennoch eine geschickte manuelle Ausrichtung und erhebliche Maschinenstillstandszeiten. Die Laserkalibrierung kann nur Kinematikfehler und Umkehrspiel kalibrieren. Für Spindelfehler und Verschleiß der Schneidwerkzeuge sind separate Kalibrierungen erforderlich.
Abbildung 1: Renishaw XL-80 Laserinterferometer-Setup zur Messung von Positionsfehlern entlang der Achse.
Abbildung 2: Ein API-Spindelanalysator verwendet Näherungssensoren, um die Bewegung eines Präzisionsstahlzylinders zu messen, der von einer Spindel gedreht wird.
Simultane Schätzung von Fehlerparametern
Simultane Fehlerparameterschätzverfahren nutzen eine große Anzahl von Einzelmessungen gleichzeitig. Einzeln betrachtet wären die Messungen nicht in der Lage, anzuzeigen, welche Fehlerquellen für beobachtete Positionsfehler verantwortlich sind. Wenn jedoch alle Messungen zusammen mit einem Fehlermodell für die Maschine betrachtet werden, ist es möglich, alle Fehlerparameter im Modell simultan zu bestimmen. Dies beinhaltet typischerweise eine Minimierung der kleinsten Quadrate, um die Fehlerparameter zu finden, die bei der Eingabe in das Fehlermodell die beste Lösung für die beobachteten Positionsfehler darstellen. Das Etalon-Mehrliniensystem, über das ich kürzlich berichtet habe, ist ein gutes Beispiel für die simultane Schätzung von Fehlerparametern. Wie bei der Laserkalibrierung kalibrieren diese Verfahren in der Regel nur kinematische Fehler und Umkehrspiel. Für Spindelfehler und Verschleiß der Schneidwerkzeuge sind separate Kalibrierungen erforderlich.
Methoden zur Bestimmung kombinierter Fehlereffekte
Verfahren, die die kombinierte Wirkung mehrerer Fehlerquellen bestimmen, sind für eine Kalibrierung nicht geeignet. Sie quantifizieren nicht die einzelnen Fehlerparameter, die zur Fehlerbehebung benötigt werden. Sie können jedoch sehr effiziente Methoden sein, um die Gesamtgenauigkeit einer Werkzeugmaschine zu bewerten. Die vielleicht robusteste Methode ist ein Schneidtest, bei dem ein Standardprüfkörper bearbeitet und anschließend gemessen wird, typischerweise mit einer Koordinatenmessmaschine (CMM). Ein Schneidtest ist empfindlich gegenüber allen Fehlerquellen, aber auch sehr zeitaufwendig, sowohl an der Werkzeugmaschine als auch am KMG.
Andere Methoden, die kombinierte Fehlereffekte bestimmen können, sind Kugelbalken und verschiedene Formen der Artefaktsondierung. Ein Kreisformtest ist im Wesentlichen ein Linearwandler mit einem Kugellager an jedem Ende. Jede Kugel ist in einem magnetischen Übergangselement gelagert, von dem eines am Maschinenbett und das andere an der Maschinenspindel befestigt ist. Die Werkzeugmaschine bewegt dann ihre Spindel in einer nominell kreisförmigen Bahn, zentriert auf der am Maschinenbett montierten Kugel. Jede Abweichung von der Kreisbahn wird als Änderung des Abstandes zwischen den Kugeln gemessen. Durch die Darstellung dieser Verschiebung gegen die beiden Achsen, in denen die Kreisbewegung stattfindet, ist es möglich, viele Arten von Fehlern zu identifizieren. Ein Kreisformtest ist daher ein ausgezeichneter Funktionscheck, obwohl er immer noch etwa 20 Minuten mit manuellem Aufbau und Interpretation der Ergebnisse benötigt.
Abbildung 3: Renishaw QC20 Kugelbalken montiert auf dem Bett einer 3-achsigen Fräsmaschine.
Anwendbarkeit von Methoden zur schnellen Überprüfung von Werkzeugmaschinen
Physikalische Fehlertrennmethoden, wie z.B. die Laserkalibrierung, erfordern zu viel Maschinenstillstandszeit und manuelle Eingriffe, um für eine schnelle Verifizierung genutzt zu werden. Sie reagieren auch nicht auf alle Maschinenfehler und erfordern daher zusätzliche Tests. Kreisformtests bieten eine ausgezeichnete sowie schnelle Funktionskontrolle, die wiederum nicht schnell oder automatisiert genug für Verifikationstests während des Bearbeitungsprozesses selbst ist.
Die Artefaktsondierung kann eine ideale Lösung für die schnelle Überprüfung von Werkzeugmaschinen bieten. Die meisten modernen CNC-Werkzeugmaschinen sind inzwischen mit Sondensystemen ausgestattet, die über den Werkzeugwechsler automatisch geladen werden können. Das Abtasten eines vorkalibrierten Artefakts kann bestätigen, dass die kinematischen Fehlerparameter innerhalb der Toleranz liegen, und ermöglicht Rückverfolgbarkeit für nachfolgende Sondierungsvorgänge. Das anschließende Sondieren von Roh- oder Opferschnitten zu Testzwecken kann dann als Überprüfung der gesamten Systemleistung der Werkzeugmaschine mit Sensitivität gegenüber sämtlichen Fehlerquellen dienen, einschließlich Spindelfehlern, Werkzeugverschleiß und Steuerungsfehlern.
Strategien zur schnellen Überprüfung von Werkzeugmaschinen
Die schnelle Verifikation mittels Artefaktsondierung erfolgt in drei Phasen:
- Die Basissondierung wird kurz nach der Kalibrierung der Maschine durchgeführt, wenn bekannt ist, dass die kinematischen Fehler weit innerhalb der Toleranz liegen. Das Artefakt und die Sondierungsroutine sind die gleichen, die auch in Stufe zwei verwendet werden. Die Koordinaten der sondierten Oberflächen des Artefakts werden im Steuerungssystem der Werkzeugmaschine als R-Variablen gespeichert.
- Sondieren Sie das Artefakt vor dem Schneiden, um sicherzustellen, dass die kinematischen Fehler innerhalb der Toleranz liegen und die Rückverfolgbarkeit für nachfolgende Sondierungsvorgänge gewährleistet ist. Die Position und die Richtung der sondierten Oberfläche garantieren die Sensibilität gegenüber allen möglichen kinematischen Fehlern der Werkzeugmaschine bei ausreichender räumlicher Reichweite und Auflösung. Das tatsächlich erforderliche Design des Artefakts und die Berücksichtigung der Sondenpositionen hängen von der Größe und Konfiguration der zu verifizierenden Werkzeugmaschine ab.
- Testen Sie die Schnittflächen, um die Genauigkeit der Werkzeugmaschine vollständig zu überprüfen. Diese Oberflächen können Rohschnitte oder speziell vorgenommene Opferschnitte sein. Wie bei den sondierten Punkten müssen sie das ganze Spektrum an Positionen und Richtungen abdecken, damit die Maschine ordnungsgemäß überprüft werden kann. Es kann auch wichtig sein, repräsentative Merkmale wie interpolierte Radien einzubeziehen, um die Leistung der Maschine unter Umständen zu überprüfen, bei denen Dynamik- und Steuerungsfehler signifikant werden können.
Für kleinere Maschinen kann ein monolithisches Artefakt verwendet werden, typischerweise mit einem automatisierten Palettenladesystem, das sowohl zum Laden von Werkstücken als auch des Artefakts verwendet wird. Für größere Maschinen kann es sinnvoller sein, ein modulares Artefakt mit einer Reihe von Segmenten zu verwenden, die an der Werkzeugmaschinenstruktur befestigt sind; in diesem Fall ist es wichtig, dass Effekte wie thermische Verformung oder Stöße nicht dazu führen, dass Fehler in der Werkzeugmaschinenstruktur im Artefakt gespiegelt werden. Ich habe diese Methoden in einer Forschungskooperation zwischen der University of Bath und Rolls-Royce mitentwickelt. Ein Artefakt, das in diesem Projekt verwendet wurde, ist unten mit Pfeilen dargestellt, welche die Sondierungsstellen und -richtungen anzeigen, die die Sensibilität für bestimmte kinematische Fehler erhöhen. Es ist zu beachten, dass viele Sondierungspunkte eine Sensibilität für mehr als eine Fehlerquelle aufweisen; dies ist der Grund, warum eine Fehlertrennung mit dieser Methode nicht möglich ist.
Abbildung 4:Sensibilität gegenüber kinematischen Fehlern für monolithische Artefakte
Wenn Sie mehr über diese Methode erfahren möchten, können Sie hier die vollständige Forschungsarbeit der University of Bath and Rolls-Royce lesen.
