Messtechnik Tracking-Interferometer reduziert Stillstandszeiten

Autor / Redakteur: Jutta Thiel / Udo Schnell

Zum Kalibrieren von Werkzeugmaschinen wollte ein Dienstleister ein Laserinterferometer anschaffen. Eine Marktrecherche brachte das Unternehmen zu einem selbstnachführenden Laserinterferometer, speziell zur Kalibrierung und volumetrischen Kompensation.

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Eine Kugel mit Formabweichungen von 50 nm dient als optische Referenz für das Interferometer. Die mechanischen Ungenauigkeiten der Dreh- und der Schwenk- achse werden dadurch kompensiert.
Eine Kugel mit Formabweichungen von 50 nm dient als optische Referenz für das Interferometer. Die mechanischen Ungenauigkeiten der Dreh- und der Schwenk- achse werden dadurch kompensiert.
(Bild: Konecranes)

Konecranes Machine Tool Service (MTS) mit Hauptsitz in Finnland ist einer der weltweit größten Dienstleister für Werkzeugmaschinen. Dank mehrerer Hundert Servicespezialisten in diversen Ländern wie China, Estland, Finnland, Norwegen, Schweden, Großbritannien und den USA ist das Unternehmen in der Lage, die ganze Bandbreite an Serviceleistungen anzubieten: von vorbeugender Wartung und Instandsetzung bis hin zu Umbauten, Modernisierungen und sonstigen Vor-Ort-Reparaturen von Werkzeugmaschinen aller Typen und Marken.

Proaktiver Wartungsansatz verkürzt Stillstandszeiten

„Wir ermutigen unsere Kunden dazu, die Wartungsarbeiten proaktiv durchführen zu lassen, denn auf diese Weise kann die Stillstandszeit minimiert und die Produktivität gesteigert werden“, erklärt Jukka Penttinen, Manager bei MTS in Finnland. „Die Werkzeugmaschinen müssen sich, was die Positionierung und Geometrie angeht, unbedingt innerhalb der Spezifikationen befinden – insbesondere in wettbewerbsstarken Industrien. Abweichungen können zu massiven Ungenauigkeiten in der Produktion führen und damit zu Werkstücken, die nicht den Toleranzvorgaben entsprechen.“

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Noch vor einigen Jahren vergab die finnische Konecranes-Niederlassung die Messdienstleistungen an ein hoch qualifiziertes, externes Unternehmen. Im Laufe der Zeit stiegen jedoch die Anforderungen an die Maschinengenauigkeit branchenübergreifend und die präzise Messung der Maschinengenauigkeiten nahm im Rahmen der Maschinenwartung eine immer größere Bedeutung ein. Konecranes reagierte prompt auf diesen Trend: Man entschied sich, eigene Kompetenzen im Bereich der 3D-Messtechnik aufzubauen.

Kompensationsdaten fließen direkt in Steuerungssoftware ein

„Unser Messdienstleister nutzte ein herkömmliches Laserinterferometer, um die Positionierabweichungen der Linearachsen einer Werkzeugmaschine zu ermitteln. Auf den ersten Blick erschien uns diese Vorgehensweise als optimal. Doch als wir auf der Suche nach einem passenden Laserinterferometer waren, stießen wir bei unserer Marktanalyse plötzlich auf Etalons Laser-Tracer, ein zukunftsweisendes selbstnachführendes Laserinterferometer mit Nanometerauflösung“, berichtet Juhana Moisio, MTS Support Manager bei Konecranes.

„Der Leistungsumfang dieses innovativen Systems beeindruckte uns sehr. Mithilfe dieses Messsystem können wir die Geometrieabweichungen von Werkzeugmaschinen nicht nur besonders schnell feststellen. Konecranes ist auch der erste Werkzeugmaschinen-Dienstleister, der volumetrische Messungen durchführen und die ermittelten Kompensationsdaten direkt in die Steuerungssoftware der Werkzeugmaschine einlesen kann. Das ist ein echtes Plus für unsere Kunden.“

Räumliches Messen mit Nanometerauflösung

Etalon hat den Laser-Tracer speziell zur Kalibrierung, Überwachung und Genauigkeitssteigerung von Koordinatenmessgeräten und Werkzeugmaschinen entwickelt. Die Grundkomponente des Systems ist ein Laserinterferometer, das automatisch einem Reflektor folgt und so geometrische Abweichungen mit höchster Präzision bestimmen kann. Im Gegensatz zu konventionellen Messmitteln verfügt der Laser-Tracer durch ein patentiertes Verfahren über eine beispiellose Genauigkeit des Drehpunktes: Eine Kugel mit Formabweichungen von 50 nm dient als optische Referenz für das Interferometer. Die mechanischen Ungenauigkeiten der Dreh- und der Schwenkachse werden dadurch vollständig kompensiert.

Schnelle Fehlersuche in den Linear- und Drehachsen

Das System vereinfacht die Erfassung der Geometriefehler von Werkzeugmaschinen immens: Mit konventionellen Messmitteln wie Kugelstäben oder herkömmlichen Laserinterferometern können die Geometrieabweichungen einer Werkzeugmaschine nur mit extrem hohem Aufwand ermittelt werden – der gesamte Prozess kann bei einer Fünf-Achs-Maschine mehrere Tage in Anspruch nehmen. Durch den Einsatz des Laser-Tracers lässt sich die Stillstandszeit hingegen erheblich reduzieren. „Die Geometrieüberprüfung dauert, je nach Komplexität der Werkzeugmaschine, normalerweise nicht länger als einen Tag“, bestätigt Juhana Moisio.

Kombiniert mit einer ausgeklügelten Software analysiert das Messsystem den gesamten Arbeitsraum der Werkzeugmaschine. Es liefert eine Messunsicherheit für die räumliche Versatzmessung (95 %) von 0,2 µm + 0,3 µm/m und ermittelt dabei Positionsabweichungen, Geradheitsabweichungen, rotatorische Abweichungen (Nicken, Gieren, Rollen) und die Rechtwinkligkeit der Achsen zueinander. Auch die Winkelpositionierabweichungen, die Axial- und Radialbewegung und das Taumeln der Rotationsachsen werden vollständig erfasst.

Zum Messen wird das Messgerät im Maschinenraum mehrfach ortsfest platziert. Anstelle eines Werkzeugs spannt der Anwendungstechniker eine Reflektorhalterung ein. Im darauf folgenden automatisierten Messprozess erfasst das Messgerät den Verfahrweg der Maschine in ihrem gesamten Arbeitsraum. Die notwendigen NC-Programme werden von der Etalon-Software automatisch generiert und die jeweiligen Distanzen zum Tool Center Point werden interferometrisch ermittelt. Die aufgenommenen Messwerte überträgt das Etalon-System an die angeschlossene Messsoftware Trac-Cal, die die Messdaten automatisiert auswertet.

Anwender brauchen gutes technisches Hintergrundwissen

Die so gewonnen Kompensationsdaten können visualisiert und anschließend direkt in die Steuerungssoftware der Werkzeugmaschine eingelesen werden. „Bei modernen Steuerungen von Fanuc, Siemens und Heidenhain lässt sich die Kompensation ganz einfach bewerkstelligen“, meint Sami Lehvonen, Laser-Tracer-Spezialist bei Konecranes. „Unserer Erfahrung nach klappt die Übertragung der Korrekturdaten aber auch bei Steuerungen anderer Hersteller.“ Eine manuelle Aufbereitung der Daten durch den Anwendungstechniker ist nicht notwendig, weil Etalon eng mit den Steuerungsherstellern zusammenarbeitet, um den nahtlosen Datentransfer zu gewährleisten.

„Zwei unserer Techniker wurden für den Umgang mit dem Laser-Tracer geschult“, erklärt Juhana Moisio. „Beide sind erfahrene Servicetechniker für Werkzeugmaschinen und kennen sich zudem mit Geometriemessungen aus. Unserer Meinung nach sollte der Anwender des Laser-Tracers einen guten technischen Background besitzen, um das System mühelos bedienen zu können. Ohne spezielles Fachwissen und Erfahrung lässt sich das Messgerät nicht effizient einsetzen. Etalon hat uns beim zielorientierten und kontinuierlichen Training der Servicetechniker sehr gut unterstützt.“

Konecranes hat seine 3D-Messdienstleistungen mit dem Messsystem in vier Module unterteilt, sodass der Umfang der Messungen bedarfsgerecht definiert werden kann: Von einer „simplen“ Geometrieprüfung mit axialen und diagonalen Messungen nach ISO 230-2 und ISO 230-6 bis hin zur umfassenden geometrischen Kalibrierung der Maschine, ob schnelle Kalibrierung der Rotationsaxe oder Kreisformtest – jeder Kundenwunsch ist erfüllbar.

Inzwischen ist Etalons System seit 24 Monaten bei Konecranes im Einsatz und Support Manager Juhana Moisio zieht eine positive Bilanz: „Wenn man eine Werkzeugmaschine zum allerersten Mal mit dem Laser-Tracer vermisst, braucht man ein bisschen länger, weil man die Messung planen und viele Details klären muss. Aber ab der zweiten Messung beschleunigt sich der Messprozess beträchtlich, da alle notwendigen Informationen bereits vorliegen. Darum legen wir großen Wert darauf, mit unseren Kunden langfristige Verträge für periodische Maschineninspektionen und -rekalibrierungen abzuschließen. Im Gespräch mit unseren Kunden zeigen wir die Vorteile der systematischen, proaktiven Wartungsarbeiten auf, zum Beispiel die Minimierung der Ausfallzeit und die bestmögliche Einhaltung der Werkstückgeometrien. Die meisten Kunden erkennen das Potenzial unseres Ansatzes und lassen sich diese ‚bequeme‘ Möglichkeit zur Produktivitätssteigerung nicht entgehen.“

Zusammengefasst lässt sich, so führt Moisio weiter aus, folgendes festhalten: Wenn die Umgebungsbedingungen stimmen, wenn die Werkzeugmaschine messbar sei und wenn man sich gut mit dem System auskenne, erweise sich das Messsystem als sehr präzise, sehr schnell, zuverlässig und einfach in der Anwendung – selbst bei anspruchsvollen und immer neuen Messaufgaben. Moisio: „Ich würde sogar sagen: Der Laser-Tracer ist momentan das beste – und einzige – Messgerät zur volumetrischen Kompensation, das der Markt zu bieten hat.“

Beim Redesign stand Industrietauglichkeit im Fokus

Im September 2014 wurde auf der Messe AMB das Nachfolgemodell Laser-Tracer-NG präsentiert. Beim Redesign des Messsystems, das Etalons Erfahrungen aus zehn Jahren Maschinenkalibrierung integriert, stand unter anderem die Industrietauglichkeit im Fokus. Damit das System auch in rauen Umgebungsbedingungen betrieben werden kann, wurde das Gehäuse noch besser gekapselt, die Anzahl der Steckverbinder reduziert und das Kabel flexibler gestaltet.

Zulässige Beschleunigungen der Maschine haben sich verdoppelt

Darüber hinaus ist es um 40 % kleiner, leichter und erlaubt Messungen in einem größeren Winkelbereich. Dadurch können Messungen in beengten Maschinenräumen einfacher durchgeführt werden. Außerdem kommt der Laser-Tracer-NG mit hochdynamischen Maschinenbewegungen zurecht: Die zulässigen Beschleunigungen der Maschine während der Messung haben sich nahezu verdoppelt. MM

* Jutta Thiel ist Inhaberin des Textbüros Frische Denke Marketing, Text & PR; weitere Informationen: Etalon AG, Tel. (05 31) 70 22 28-00, info@etalon-ag.com

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