Werkzeugmaschinen Prüfwerkstück liefert objektives Maß für Qualität von Fünf-Achs-Fräsmaschinen

Autor / Redakteur: Karsten Schwarz und Hans Vogler / Frank Fladerer

Erst wenn alle Parameter bei der Fünfachs-Simultan-Fräsbearbeitung optimal abgestimmt sind, kann die Maschine perfekte Teile fertigen. Ein Standardtest hilft bei der Inbetriebnahme einer Fräsmaschine, die geeigneten Parameter zu finden.

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Durch die Abstimmung aller Parameter einer Fünfachs-Simultan-Fräsbearbeitung wird es möglich, perfekte Teile zu fertigen. Ein Standardtest kann dabei helfen, optimale Fertigungsergebnisse zu erzielen. Bild: Vogler CNC-Beratung
Durch die Abstimmung aller Parameter einer Fünfachs-Simultan-Fräsbearbeitung wird es möglich, perfekte Teile zu fertigen. Ein Standardtest kann dabei helfen, optimale Fertigungsergebnisse zu erzielen. Bild: Vogler CNC-Beratung
( Archiv: Vogel Business Media )

Um die Funktionalität einer Fünfachs-Simultan-Fräsmaschine zu verifizieren, bedarf es umfangreicher Tests sowohl für die statischen wie auch für die dynamischen Vorgänge, die bei der Inbetriebnahme einer Werkzeugmaschine einzeln überprüft werden müssen. Schwieriger wird es, wenn die Maschine bereits längere Zeit in Betrieb war oder gar nach einer Kollision überprüft werden muss, um eine Weiternutzung bei gleicher Qualität sicherzustellen.

Kleines Prüfwerkstück auch für Test von Großmaschinen

Mit der Empfehlung der NC Gesellschaft (NCG) von 2005 „Prüfwerkstück für die 5-Achs-Simultan-Fräsbearbeitung“, im weiteren Text kurz: Prüfwerkstück, kann ein integraler Test in sehr kurzer Zeit durchgeführt werden (Bild 1). Dieser ersetzt nicht die normale statische Vermessung der Maschine, sondern zielt fast ausschließlich auf die simultane Fünfachs-Fräsbearbeitung. Der Einwand, das Prüfwerkstück sei für Großmaschinen zu klein, kann durch zwei Argumente entkräftet werden:

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  • Es wird mit dem Prüfwerkstück nicht die Genauigkeit im kartesischen Arbeitsraum, sondern die statische und dynamische Genauigkeit der Fünfachs-Kinematik geprüft.
  • Die Alternative wäre, für eine Maschine mit 30 m³ Arbeitsraum ein entsprechend großes Prüfwerkstück zu verwenden. Das Gegenteil macht Sinn, für diese Art Test hätte auch und gerade auf Großmaschinen ein kleineres Prüfwerkstück eine noch höhere Aussagekraft. Natürlich kann das Prüfprogramm zusammen mit dem verwendeten Fräser beliebig skaliert werden.

Das Echo der Maschinenbauer und Anwender, die das Prüfwerkstück verwendet haben, ist fast ausschließlich positiv, nachdem man erkannt hat, welche einzelnen Unzulänglichkeiten der Werkzeugmaschine mit Hilfe des Prüfwerkstücks aufgedeckt werden können. Das gefertigte Prüfwerkstück kann mit einfachen Mitteln (LED-Lampe, Lupe und Schieblehre) bewertet werden und steht dann als Referenz für spätere Überprüfungen zur Verfügung.

Das Prüfwerkstück ermöglicht eine sehr hohe Fertigungssicherheit, weil die Maschine in bestimmten Zeitintervallen gegen dieses Referenz-Prüfwerkstück bewertet werden kann. Besonders nach Kollisionen im Arbeitsraum ist es hilfreich, den Zustand der Fräsmaschine ohne großen Aufwand und in kürzester Zeit zu überprüfen. Die Bewertung des Prüfwerkstücks wird durch eine ausführliche Dokumentation mit 48 Prüfelementen unterstützt.

Rückschluss auf Fehlerquellen erfordert viel Erfahrung

Weil sich das Thema in seinen mechatronischen Details sehr komplex darstellt, gehört zur Bewertung sehr viel Erfahrung. Rückschlüsse auf Fehlerquellen hängen von sehr vielen Bedingungen wie Kinematik der Werkzeugmaschine, Aufspannposition, Aufspannwinkel und maximale Achsgeschwindigkeiten ab. Auch die gewählte Antriebstechnik (Kugelrollspindel, Zahnstange oder Linearmotor für Linearachsen; Schneckentrieb, Getriebe oder Torque-Motor für die Rotationsachsen) erzeugt verschieden ausgeprägte Fehlerbilder.

Die Idee zur Entwicklung eines Prüfprogramms für die Simultanbearbeitung auf Fünfachs-Fräsmaschinen entstand im Jahr 2003. In den folgenden drei Jahren wurden Tests im Labor von Siemens und an Maschinen vor Ort durchgeführt. 2005 konnte schließlich ein für alle gängigen Fünfachs-Kinematiken einschließlich Hexapoden geeignetes Programm durch die NC-Gesellschaft vorgestellt werden, die es vertreibt.

Abgesehen von Anwendern, die ihre Maschine eigenständig überprüft haben, wurden durch die Applikations-Mitarbeiter von Siemens rund 50 Maschinen im In- und Ausland mittels des Prüfprogramms getestet und analysiert. Es handelte es sich um Prototypen und Serienmaschinen bei Maschinenbauern, Produktionsmaschinen bei Endanwendern und Maschinen in Applikations- und Forschungszentren. Dabei zeigte sich, dass nur ein geringer Prozentsatz der getesteten Maschinen wirklich perfekt arbeitete, bevor sie nochmals mittels Maschinen-Antriebsdaten optimiert und/oder mechanisch verbessert wurden. In manchen Fällen musste sogar die Konstruktion der Achse geändert werden, auf die das Prüfelement hinwies.

Naturgemäß fällt ein Prüfwerkstück, welches mit geringen Vorschüben ausgeführt wird, besser aus als ein mit hohen Vorschüben ausgeführtes. Aus diesem Grund erhält man anhand seiner Qualität und seiner Ausführungszeit eine Aussage über die Produktivität einer Maschine. Die hohen Bahnvorschübe von bis zu 10000 mm/min, mit denen das Prüfwerkstück laut Testvorgabe ausgeführt wird, werden durch viele Faktoren wie Beschleunigung, Ruckbegrenzung und hauptsächlich durch die maximale Umdrehungsgeschwindigkeit der Rotationsachsen begrenzt.

Größe des Arbeitsraums ist nur ein Bewertungsfaktor

Auch die Größe des Arbeitsraums und die Qualitätsklasse der Fräsmaschine spielt bei der Bewertung des Prüfwerkstücks eine Rolle. Die qualitativ besten und schnellsten Prüfwerkstücke sind eindeutig auf Werkzeugmaschinen mit Direktantrieben (Linearmotoren und Torque-Motoren) erzielt worden. Im Prinzip ist es aber für eine Fünfachs-Simultanbearbeitung am wichtigsten, dass die Antriebscharakteristiken aller Achsen exakt aufeinander abgestimmt sind.

Weil meist aber gerade Rotationsachsen aufgrund ihres begrenzten Volumens und der sich daraus ergebenden geringeren Dynamik die schwächsten Achsen in einer Maschine sind, müssen für den Fünfachs-Simultanbetrieb auch die Linearachsen in ihrer Dynamik begrenzt werden. Durch programmierbare Antriebs- und Regelungsparameter kann die Dynamik der Linearachsen wieder für den Dreiachs-Betrieb maximal ausgenutzt werden.

Die Vorbereitungen für die Fertigung eines Prüfwerkstückes benötigen wenig Zeit. Je nach Ausbaustufe der CNC müssen eventuell Maschinenparameter geändert werden und das Prüfprogramm an die Maschineneigenschaften wie mögliche Aufspannposition, Maximalvorschübe und Spindeldrehzahl angepasst werden. Auch der richtige vierschneidige 6-mm-Schaftfräser mit leicht konkaver Stirn ist eine wichtige Voraussetzung.

Materialauswahl für den Prüfstückrohling ist entscheidend

Besonderes Augenmerk ist auf das ideale Material für den Prüfstückrohling zu legen. Einerseits muss die problemlose Zerspanbarkeit bis zu einem Vorschub von 10000 mm/min gewährleistet sein, andererseits soll die Materialdichte eine glatte Werkstückoberfläche ermöglichen. Für die Auswertbarkeit ist es wichtig, eine möglichst helle Farbe zu wählen. In der Praxis hat sich der Modellbauwerkstoff Necuron 1007 am besten bewährt.

Je nach Maschinenkinematik sollen die Werkstückposition und der Aufspannwinkel so gewählt werden, dass in jedem Fall zwei Rotationsachsen miteinander interpolieren. Außerdem verlangt das Prüfprogramm an zwei Prüfelementen einen Rotationsachsenbereich von > 360°. Diesen Fahrbereich bieten die meisten Maschinen mit Werkzeugkinematiken (CA/CB-Gabelkopf) in der waagerechten Werkstückausrichtung nicht an.

Aus diesem Grund wird das Prüfwerkstück in diesem Fall in einer 30° um die X-Achse geneigten Position aufgespannt. Dadurch müssen sich die Rotationsachsen eines Gabelkopfes innerhalb des Programmlaufs um maximal ± 20° bewegen.

Die meisten suboptimalen Prüfelemente werden durch die verwendeten Konstruktionselemente (Getriebe, Zahnstangen und so weiter) und durch ungenügende Anpassung der Steuerungs- und Antriebsparameter hervorgerufen. So kam es vor, dass eine Maschine mit Direktantrieben durch Fehloptimierung der Regelung beim ersten Test ein völlig ungenügendes Prüfwerkstück erzeugte, die Nachoptimierung erzielte ein fast perfektes Prüfwerkstück. In diesem Fall waren es die Hängekräfte einer Rotationsachse, die in den Regelungsparametern nicht berücksichtigt waren.

Konstruktionselemente und Steuerung sind Fehlerquellen

Eine Fünfachs-Fräsmaschine besitzt je nach Arbeitsraum eine mehr oder weniger große Distanz zwischen dem Drehpunkt der Achse und der Werkzeugspitze. Das führt dazu, dass sich je nach verwendetem Getriebe dessen Gleichlaufschwankungen über den großen Hebel als Wellen auf dem Prüfwerkstück abbilden (Bild 2); das Prüfelement soll jedoch wie in Bild 3 aussehen.

Eine Maschine, die für den statischen Fünfachs-Betrieb gebaut wurde, kann normalerweise nicht ohne Optimierungen für die Fünfachs-Simultanbearbeitung verwendet werden. Die meisten Prüfelemente werden, soweit sinnvoll, zur Unterscheidung zwischen statischen und dynamischen Fehlerursachen doppelt und mit unterschiedlichen Vorschüben von 1000 und 10000 mm/min ausgeführt. Dadurch lässt sich erkennen, ob es sich um eine Geometrie- oder Dynamik-Fehlerursache handelt.

Auch bei einfachem 3D-Fräsen konnten mehrere Werkzeugmaschinen Anforderungen wie die 45°-Bewegung der drei Linearachsen nicht ausreichend bewältigen (Bilder 4 und 5). Bild 5 zeigt, dass die mittlere Fräsbahn den nichtlinearen Kv-Faktor einer der beteiligten Achsen erkennen lässt. Bild 4 zeigt die Schwingungen einer der beteiligten Linearachsen auf den beiden äußeren Fräsbahnen.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass ganz wenige Maschinen beim ersten Test wirklich perfekt gearbeitet haben. Diese Probleme waren nicht abhängig von dem verwendeten CNC-Fabrikat oder -Typ, sondern hatten durchweg ihre Ursachen in mechatronischen Fehlkonstruktionen und Einstellungen. Durch die Tests konnte die Qualität der späteren Werkstücke entscheidend verbessert werden.

Dipl.-Ing. Karsten Schwarz ist Leiter Sinumerik bei der Siemens AG in 91050 Erlangen; Hans Vogler ist Inhaber der Vogler CNC-Beratung in 70825 Korntal-Münchingen.

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