Fehlerkompensation einer CNC erhöht Bearbeitungsgenauigkeit

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

isel Germany GmbH

Urma AG Werkzeugfabrik

FANUC Europe Corporation SA

Eine hohe Messgenauigkeit wird durch ausgeklügelte Methoden erreicht: Weil nur die Längenunterschiede verwendet werden, können Unsicherheiten durch Winkelmessungen oder zusätzliche Hilfsmittel vermieden werden. Ein patentiertes Prinzip im Inneren des Gerätes eliminiert die unvermeidbaren mechanischen Abweichungen der Drehachsen.

Wesentliche Arbeit ist das Planen der Messung

Zur Bestimmung der Achsabweichungen wurde das Laserinterferometer freihändig anstelle des Werkstücks in die Maschine gestellt (Bild 3). Eine universelle Ausleger-Platte ermöglichte die Positionierung des Tracers im begrenzten Arbeitsraum der Maschine. Dort wurde auch der Lufttemperatur-Fühler angebracht, der für die Korrektur der Laserwellenlänge zuständig ist. Außerhalb der Maschine befanden sich zudem ein Luftdruck- und Luftfeuchte-Sensor. Anstelle des Werkzeugs wurde ein Reflektor an der Spindel befestigt.

Die wesentliche Arbeit besteht darin, die Messung zu planen. In der Software Trac-Cal wird unter anderem der Messpfad festgelegt, den die Maschine fahren kann. Die Messpfade umfassten beim Bohrzentrum für den gewählten Punktabstand von 40 mm insgesamt 998 Messpunkte. Für das gewünschte Fehlermodell der Maschine wurden vier unterschiedliche Positionen mit den entsprechenden Maschinenpfaden für das Messgerät geplant. Die Monte-Carlo-Simulation ergab für die parametrischen Abweichungen bei der geplanten Mess-Konfiguration eine Unsicherheit von maximal 1 µm beziehungsweise 1 µrad.

Gesamter Kalibriervorgang mit Umbauarbeiten dauerte 90 min

Zur Steuerung des Bohrzentrums erstellten die Messtechniker vier Maschinenprogramme im G-Code-Format, die sie anschließend per Datenträger auf die Steuerung kopierten. Vorhandene Kompensationen wurden ausgeschaltet. Anschließend starteten sie die vier Programme nacheinander und bauten das Laserinterferometer zwischen den Messungen um.

Schon während der Messungen konnte die spezifizierte Wiederholbarkeit der Maschine von < 2 µm bestätigt werden. Ein Programmablauf dauerte weniger als sieben Minuten. Der gesamte Kalibriervorgang einschließlich Auf- und Umbauarbeiten nahm 90 min in Anspruch.

Um die Ausdehnung der Achsmaßstäbe für die Kalibrierung zu berücksichtigen, setzten die Techniker ein bei Etalon erhältliches Temperaturmesssystem ein. Es liefert während der gesamten Kalibrierzeit genaue Informationen über die einzelnen Maßstabstemperaturen. Drei Sensoren an den einzelnen Maßstäben überwachten die Temperaturen, per Funk wurden diese zur Basisstation übertragen. Ein Auswerterechner ermittelte die entsprechenden Korrekturen. Die Auswertung ergab, dass die Temperaturen zwar relativ stabil waren, sich aber von Achse zu Achse unterschieden.

Vergleich der Restabweichungen ergab eine deutliche Verbesserung aller parametrischen Abweichungen

Aus den Messungen wurde ein reduziertes Fehlermodell berechnet, weil für diese Art von Maschine die rotatorischen Abweichungen der letzten Achse nicht von Bedeutung sind. So konnte man Positionierabweichungen, Geradheiten, die Rechtwinkligkeiten der Achsen zueinander und teilweise Nicken, Gieren und Rollen bestimmen. Anschließend wurden die Korrekturdaten in die CNC kopiert und die Kompensation aktiviert.

Um die Wirksamkeit der rechnerischen Korrektur der Fehlerkompensation auf die räumliche Genauigkeit aufzuzeigen, wurde die Maschine anschließend nochmals vermessen. Der Vergleich der Restabweichungen ohne und mit aktivierter Kompensation ergab eine deutliche Verbesserung aller parametrischen Abweichungen. Sie gingen durchschnittlich um 77% zurück, was einer Verbesserung der Genauigkeit um den Faktor 4 entspricht. In der anschließenden unabhängigen Prüfung gemäß ISO 230-2 und -6 mit der Software Trac-Check wurde diese Genauigkeitssteigerung bestätigt.

Fehlerkompensation hängt auch von den Möglichkeiten der Maschine ab

Die mit der Fehlerkompensation erreichbaren Ergebnisse sind natürlich abhängig von der Messung und den mechanischen Möglichkeiten der Maschine. Ein Zuwachs an Präzision wird sich aber immer einstellen. Gerade für Werkzeugmaschinenhersteller, die großen Wert auf die Genauigkeit ihrer Produkte legen, ist die 3D Error Compensation eine Erfolg versprechende Option mit geringem Aufwand und großem Nutzen.

Aber auch Endanwender können von den neuen Möglichkeiten profitieren: Denn jede Maschine – von drei- bis fünfachsig – die mit einer Fanuc-CNC der Serien 30i oder 31i-A5 ausgestattet ist, kann nachträglich vermessen und über die 3D-Fehlerkompensation verbessert werden.

Dipl.-Ing. Uwe Warnatz ist Anwendungsingenieur bei der Fanuc CNC Europe S.A. in 6468 Echternach (Luxemburg).

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