In der Werkzeugmaschinen-Industrie und insbesondere im Formenbau sind oft makellose Oberflächen das Ziel. Wenn bereits die Fräsbearbeitung eine hohe Oberflächengüte liefert, können Folgekosten durch manuelles Polieren vermieden werden. Ein wesentlicher Faktor für ein gutes Fräsergebnis ist die verwendete Messtechnik. Neben Längen- und Winkelmessgeräten haben die in den Servomotoren der Vorschubachsen einer Werkzeugmaschine eingesetzten Drehgeber deutlichen Einfluss auf die erreichbare Güte der gefrästen Oberflächen.
Nach Informationen der Dr. Johannes Heidenhain GmbH
Untersuchungen bei Heidenhain zeigen, dass unter anderem die Interpolationsfehler der verwendeten Achsmessgeräte für störende, periodisch wiederkehrende Formabweichungen auf der Werkstück-Oberfläche verantwortlich sein können. Das menschliche Auge reagiert auf solche periodischen Formabweichungen besonders empfindsam. Abweichungen mit einer Wellenlänge von 0,5 mm bis 5 mm erkennt es besonders deutlich. Sie sind als Schatten oder Kontrastschwankungen sichtbar und müssen gerade im Formenbau aufwendig nachbearbeitet werden.
Auswirkungen der kurzperiodischen Abweichungen
Der Formenbau benötigt Werkstücke mit immer komplexeren Geometrien, deren Herstellung alle Kombinationen an Achsbewegungen bei der 5-Achs-Bearbeitung erfordert. Wird beispielsweise eine schräge oder gekrümmte Bearbeitungsfläche durch die Interpolation mehrerer NC-Achsen gefertigt, können die Interpolationsfehler direkt am Werkstück sichtbar werden.
Bei der Bearbeitung einer Schräge mit einem kleinen Winkel ist dieser Zusammenhang besonders gut erkennbar. Der Interpolationsfehler innerhalb einer Signalperiode des Messgeräts in Z-Richtung kann durch Projektion auf die schräge Werkstück-Oberfläche sichtbar gemacht werden. Aufgrund der Schräge entsteht eine n-fache Streckung der Signalperiode in der Bahn des Werkzeugs. Während die Achse in Z-Richtung nur eine Signalperiode verfährt, bewegt sich die X-Achse um n Signalperioden. Auf der Werkstückschräge entsteht dadurch ein Wellenbild mit einer Wellenlänge, die der n-fachen Signalperiode des Messgeräts an der Z-Achse entspricht.
Versuchsanordnung mit Kreuzgitter-Messgerät
Der Aufbau einer geregelten linearen Vorschubachse umfasst üblicherweise einen Servomotor, den Kugelgewindetrieb, die Achsstruktur und die Achsmesstechnik. Die Position der Achsstruktur erfasst ein Längenmessgerät. Das für die Geschwindigkeitsregelung der Achse relevante Istwertsignal liefert der Drehgeber des Servomotors. Sowohl Längenmessgeräte als auch Drehgeber haben Interpolationsfehler. Die im Folgenden vorgestellten Untersuchungsergebnisse resultieren aus der Variation des Drehgebers im Servomotor der Z-Achse, wobei Drehgeber mit unterschiedlich großen Interpolationsfehlern eingesetzt werden. Für die Untersuchungen kommt eine hochwertige Werkzeug- und Formenbaumaschine zum Einsatz. Sie verfügt an allen linearen Achsen über Heidenhain-Längenmessgeräte, um dauerhaft eine hohe Positioniergenauigkeit zu erreichen und die Auswirkungen thermisch bedingter Längenänderungen des Kugelgewindetriebs zu minimieren. Die Längenmessgeräte weisen einen Interpolationsfehler deutlich kleiner als ±100 nm auf und verursachen keine sichtbaren Oberflächenwellen. Die im Versuch gemessenen Formabweichungen sind daher auf den Einfluss der Interpolationsfehler der beiden variierten Drehgeber zurückzuführen.
Um die Effekte des Zerspanprozesses und der Bewegung des Tool Center Point trennen zu können, erfolgt vor der spanenden Bearbeitung die Ermittlung der am Tool Center Point auftretenden Bahnabweichungen mittels eines Heidenhain-Kreuzgitter-Messgeräts. Das Kreuzgitter-Messgerät ermöglicht die berührungslose Erfassung der Bahnabweichungen zwischen Tool Center Point und Maschinentisch in der Ebene der beiden bewegten Vorschubachsen. Für die Betrachtung relevant ist die Z-Achse der Maschine. An ihr wird der Drehgeber des Servomotors variiert. Zum Einsatz kommen dabei zwei anbaukompatible Drehgeber mit jeweils 2048 Strichen auf der Teilscheibe. Drehgeber 1 weist jedoch einen 3-fach höheren Interpolationsfehler als Drehgeber 2 auf.
Versuch lässt Formabweichungen erwarten
Ein sich periodisch über die gesamte Messlänge wiederholender Fehler weist bei zunehmender Überfahrgeschwindigkeit des Abtastkopfes eine ansteigende Frequenz auf. Das bedeutet, die Frequenz des Interpolationsfehlers ist von der Vorschubgeschwindigkeit abhängig. Überschreitet die Frequenz des Drehgeber-Interpolationsfehlers die Grenzfrequenz des Lageregelkreises (höhere Vorschubgeschwindigkeit), so ist mit einem verstärkten Erscheinen dieses Interpolationsfehlers am Tool Center Point zu rechnen.
Versuche zeigen, dass sich die Interpolationsfehler an Drehgeber 1 bei zwei unterschiedlichen Bahnvorschubgeschwindigkeiten deutlich unterscheiden. Die Messkurven zeigen auch, dass bei einer eingestellten Vorschubgeschwindigkeit von 4000 mm/min wellenförmige Bahnabweichungen in Z-Richtung auftreten. Bei Vergrößerung eines Ausschnitts der Kurve ist eine Wellenlänge von ca. 1,5 mm abzulesen. Dies entspricht einer Bahnabweichung am Tool Center Point, die auf einer Werkstückoberfläche als regelmäßige Welle abgebildet wird und damit im für das menschliche Auge gut sichtbaren Bereich liegt. Die Messergebnisse für Drehgeber 2 bei ansonsten unveränderten Randbedingungen zeigen, dass aufgrund des um Faktor 3 geringeren Interpolationsfehlers keine überlagerten Wellen auftreten. Die Abweichungen des Drehgebers im Servomotor der Z-Achse sind so gering, dass keine periodische Bahnabweichung zwischen Tool Center Point und Maschinentisch verursacht wird.
Praxistest untermauert Versuchsergebnisse
Dass diese theoretischen Betrachtungen auch für die Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück bzw. für die gefertigte Oberfläche gelten, zeigt ein gefrästes Werkstück aus Aluminium. Mit einem zweischneidigen PKD-Fräser von 6 mm Durchmesser wird eine Schräge mit 60 mm Breite und 0,4 mm Höhe unter Verwendung von Drehgeber 1 und Drehgeber 2 auf jeweils einem Werkstück eingebracht. Zur Erzeugung der Schräge wird das Werkstück in Y-Richtung im Gleichlauf abgezeilt. Die eingestellte Vorschubgeschwindigkeit beträgt 4000 mm/min.
Der Interpolationsfehler von Drehgeber 1 ruft Wellen mit einer Wellenlänge von ca. 1,5 mm hervor, erkennbar als störende Schattierungen. Die zuvor bei den Messungen mit dem Kreuzgitter-Messgerät ermittelten Bahnabweichungen führen zu einer sichtlich verminderten Oberflächenqualität am Werkstück. Der Wechsel zu Drehgeber 2 mit 3-fach kleinerem Interpolationsfehler hat – bei ansonsten gleichen Randbedingungen – eine deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität zur Folge. Aufgrund des geringen Interpolationsfehlers des Drehgebers sind keine regelmäßigen Oberflächenwellen sichtbar. Einen im Vergleich zu Drehgeber 2 nochmals kleineren Interpolationsfehler weist der Heidenhain-Drehgeber ERN 1387 auf, der unter anderem auch für die Drehzahlregelung elektrischer Vorschubantriebe zum Einsatz kommt.
Kontakt
info
Dr. Johannes Heidenhain GmbH
Traunreut
Tel. +49 8669 31-0
www.heidenhain.de
Über die Drehgeber des Herstellers:
http://t1p.de/ynr3
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