Katalogfiktionen und Fakten

Ultragenaue Lehrenbohrwerke sind für gewisse Anwendungen im Präzisionsmaschinenbau auch heute unverzichtbar. In letzter Zeit finden sich in ‚Datenblättern’ immer wieder Positionsauflösungen von 10 Nanometern, Wiederholbarkeiten von 100 Nanometern, Positioniergenauigkeiten kleiner einen Mikrometer. Zu beachten ist hierbei, dass die Angaben in den Werbematerialien in den seltensten Fällen auf Praxiserfahrungen beruhen, sondern unter Laborbedingungen gemäß weicher regionaler Normen ermittelt wurden.

Aber was nützen solche Angaben in der täglichen Praxis? Letztendlich kommt es nur darauf an, dass mit einer Präzisions-Werkzeugmaschine geometrische Toleranzen am Werkstück mit ausreichender Prozesssicherheit eingehalten werden. Dies setzt voraus, dass die zu erreichenden Toleranzfelder und Cpk Werte im Voraus bekannt sind. Damit ergibt sich die Spezifikation für die Investition in ein neues Bearbeitungszentrum, die in vielen Fällen von Serienmaschinen europäischer oder japanischer Bauart abgedeckt werden kann. Daneben gibt es aber eine Vielzahl von Fällen, in denen das Toleranzspektrum nicht durch Seriengrößen/Fehlerraten im Betrieb oder anderer Praxiserfahrungen erprüfbar ist. In diesem Fall kommen Lehrenbohrwerke oder super präzise horizontale Bearbeitungszentren zum Einsatz um der Forderung ‚so genau wie möglich’ Rechnung zu tragen. Ein Beispiel aus dem Luftfahrtbereich sind die Hauptgetriebe für Helikopter oder superpräzise Bauteile aus schwer zu bearbeitenden Materialien für Jets. Aber auch im Präzisions-Maschinenbau finden Lehrenbohrwerke/Superpräzisionszentren zunehmend Anwendung z.B. bei in der Fertigung von Vorrichtungen, Spindeln, Drehtischen oder Dreh- /Schwenkeinheiten.

Eine Werkzeugmaschine ist dann für eine Bearbeitungsaufgabe geeignet, wenn die am Werkstück geforderten Form-, Maß- und Lagetoleranzen inklusive der Oberflächenqualität mit einer geforderten Prozesssicherheit eingehalten werden können. Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen die Kosten pro Werkstück dabei so niedrig wie möglich sein – was zu stetig steigenden Ansprüchen an die Produktivität der Maschine führt.

41 mögliche geometrische Abweichungen

Normalerweise wird eine bestimmte geometrische Abweichung am Werkstück primär durch einen oder zwei einzelne Effekte verursacht. zum Beispiel kann die thermische Ausdehnung der Spindel eines Bearbeitungszentrums, die Aufspannung des Werkstücks oder die Reaktion einer Maschine bei Achsbeschleunigungen dazu führen, dass eine Toleranz nicht mehr prozesssicher erreicht werden kann. Zur Verbesserung muss konkret diese Schwachstelle angegangen werden. Aufgrund dieser Überlegungen wird rasch klar, dass eine Beschränkung der Genauigkeitsangaben auf Aussagen wie ‚Positioniergenauigkeit X-Achse 2 µm’ kaum einen sinnvollen Zusammenhang zu erwartenden Abweichungen am Werkstück liefern kann. Das Gesamtsystem muss betrachtet werden, denn einzelne Schwachstellen bestimmen die Gesamtperformance der Maschine.

Wie im vorigen Abschnitt gezeigt, hängt die Genauigkeit am Werkstück selbst nur zum Teil von der Grundgenauigkeit der Werkzeugmaschine ab. Wenn man die Genauigkeit von Werkzeugmaschinen in Gruppen beschreiben will, so bietet sich an, das geometrische, das thermische und das dynamische Verhalten getrennt zu betrachten.

Jede seriellkinematische Werkzeugmaschine besteht aus einer gewissen Anzahl Einzelachsen, die aufeinander aufbauen. Jede dieser Achsen soll eine gewisse Bewegung in genau einem Freiheitsgrad ausführen, das heißt eine genau definierte Translation oder Rotation. Tatsächlich jedoch hat jede ausgeführte Bewegung Abweichungen in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden. So hat zum Beispiel eine Linearachse eine Positionierabweichung in ihrer nominellen Bewegungsrichtung (Bewegung von 100.002 mm statt 100.000 mm), es gibt Querbewegungen (Geradheitsabweichungen) in den beiden Koordinatenrichtungen quer zur Bewegungsrichtung, und die Achse bewegt sich rotatorisch um die Bewegungsrichtung (Rollen) und verkippt um die Richtungen quer dazu (Nicken und Gieren).

Neben der Qualität der Bewegungen selbst ist auch die Lage der Achsen zueinander nicht perfekt. So haben zum Beispiel Linearachsen eine Abweichung in der Rechtwinkligkeit zueinander oder Rotationsachsen haben eine Abweichung in Position und Orientierung. Bei genauer Betrachtung hat ein typisches 5-Achs-Bearbeitungszentrum 41 geometrische Abweichungen (ohne Spindel), die sich in einer bestimmten Form auf das Bearbeitungsergebnis bemerkbar machen.

Die typische Angabe der Positioniergenauigkeit gemäß VDI/DGQ 3441 oder gemäß ISO 230-2 liefert nur Information zu einer Abweichung pro Achse, die anderen werden außer Acht gelassen. Zudem werden Werte nach numerischer Kompensation angegeben, was die Aussagekraft weiter einschränkt.

Geometrie, Thermik und Dynamik

Ein gutes Beispiel für die Verbesserung des geometrischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen ist die Einführung von direkten Messsystemen. Damit haben Abweichungen in den Übersetzungsstufen (zum Beispiel Getriebefehler oder Steigungsfehler bei Kugelgewindetrieben) keinen Einfluss mehr. Außerdem werden Fehler bei Achsumkehr durch Änderung der Bewegungsrichtung direkt erfasst und können ausgeregelt werden.

Allerdings ist die Positionierung wie gesagt nur eine Abweichung einer Achse. Um Geradheitsabweichungen sowie Roll- und Kippbewegungen zu minimieren, muss eine Führung mechanisch gut ausgeführt werden. Bei SIP zum Beispiel, wird eine definierte Kurve in die Führung geschabt, so dass sich bei Belastung durch Ständer und Tisch eine gerade Führungsbahn ergibt.

Einflüsse durch die unterschiedliche quasi-statische Belastung der Führung sollen dabei minimiert werden. Maschinenbaulich braucht es eine äußerst steife Maschine mit definierter Aufstellung, zum Beispiel 3-Punkt-Auflage, die auch bei sich ändernden Werkstückgewichten und über die Lebensdauer der Maschine hinweg die Genauigkeit beibehält.

Das thermische Verhalten ist für Werkzeugmaschinen heute in den meisten Fällen am wichtigsten, bestimmte Toleranzen am Werkstück einzuhalten. Durch interne und externe Wärmequellen dehnt sich eine Maschine aus. Ein Teil dieser Erwärmung ist homogen, das heißt gleichförmig über die gesamte Maschinenstruktur. Stahl etwa dehnt sich mit zirka 12 µm pro Meter Länge und °C Temperaturerhöhung aus, Glas (Messsysteme der Linearachsen) dehnt sich mit Zirka 8 µm pro Meter Länge und °C aus. Ein Teil der Ausdehnung ist inhomogen, das heißt bestimmte Teile der Maschine erwärmen stärker als andere. Wenn sich zum Beispiel das Maschinenbett auf der Oberseite stärker erwärmt als auf der Unterseite wird es sich nach oben durchbiegen.

Relevante Wärmequellen sind etwa die Antriebe, Kühlschmiermittel, Kühlmittel-, Hydraulik- und Pneumatikversorgung, der Prozess selbst und die Umgebung. Anzustreben ist ein homogenes Ausdehnungsverhalten der Maschine zu erreichen, das möglichst gut dem des Werkstücks entspricht.

Dies resultiert in den wohlbekannten Konstruktionsrichtlinien, thermosymmetrisch zu bauen (gleiche Materialien, gleich Wandstärken, symmetrische Konstruktionen). Wärmequellen sollen so klein wie möglich sein und möglichst gut von der Struktur der Maschine getrennt werden.

Ein Beispiel, möglichst wenig Wärme in die Maschinenstruktur einzubringen, zeigt die Konstruktion der Spindel des Lehrenbohrwerks SIP 5000. Bei der SIP 5000 sind die Spindel und ihr Hauptantrieb thermisch getrennt. Der Antrieb ist über eine Riemenstufe mit der Spindel verbunden.

Eine einfachere Lösung wurde bei dem Bearbeitungszentrum SPC 7120 SIP gewählt. Die Maschine verfügt über eine thermosymmetrische Grundkonstruktion. Sie ist allerdings mit konventionellen Getriebe- beziehungsweise Motorspindeln ausgestattet. Hauptantrieb und Lagerreibung führen primär zu einer Relativverlagerung zwischen Spindelrotor und Spindelstator. Diese Ausdehnung wird direkt mit einem Verlagerungssensor erfasst und in der Steuerung kompensiert. Andere thermische Massnahmen, wie man sie von den bewährten SIP Lehrenbohrwerken kennt, wurden übernommen. Durch das Verwenden von Stahlmassstäben wird ein thermisches System mit einem homogenen Ausdehnungsverhalten erzeugt. Dadurch haben Änderungen in der Umgebungstemperatur einen kleineren Einfluss auf die Werkstückgenauigkeit.

Eine Werkzeugmaschine führt eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück aus. Um eine möglichst hohe Produktivität zu erreichen, soll diese Bewegung in möglichst kurzer Zeit durchgeführt werden. Bei Schlichtprozessen, bei denen die Endkontur der Werkstücke erzeugt wird, bedeutet das möglichst hohe Vorschubgeschwindigkeiten, möglichst hohe Achsbeschleunigungen und Ruckwerte.

Die dynamische Konturgenauigkeit dieser Bewegung hängt dann vom mechatronischen System ab, also von Bahnplanung, Achsregelung und mechanischem System.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, das Gesamtsystem zu betrachten, das heißt zu verstehen welchen Einfluss die Parameter des Gesamtsystems (Steuerungsparameter wie Verstärkungsfaktoren, Vorsteuerung, Filter, Beschleunigungs- und Ruckgrenzen, aber auch Konstruktionsmerkmale wie Führungsabstände und –steifigkeiten oder Koppelstellendämpfungen) auf das Systemverhalten haben. Dabei ist es wichtig, nicht nur die Einzelachsen zu betrachten, sondern auch Koppeleffekte. So kann es bei der Beschleunigung einer Achse zu Ausgleichsbewegungen einer anderen Achse kommen, oder eine Kraft auf einen Körper führt zu einem Verkippen und damit zu einer Ausgleichsbewegung quer zur Kraftrichtung.

Einen großen Einfluss auf die benötigte Zeit für Schlichtprozesse und damit auf die Produktivität haben oftmals die für die Bahnplanung zu setzenden Grenzen für Beschleunigung und Ruck der Einzelachsen. Die Maschine wird als Reaktion eine Schwingung in ihren Eigenfrequenzen ausführen.

Die Kraft, um eine bestimmte Beschleunigung zu erreichen, kann ebenfalls eine Konturabweichung verursachen. Wenn diese Kraft einen Hebelarm zum Schwerpunkt des zu beschleunigten Körpers besitzt, wird ein Moment erzeugt und der Körper verkippt. Diese dynamischen Bewegungen bilden sich auf dem Werkstück ab und führen zu Konturabweichungen beziehungsweise zu schlechten Oberflächen.

Unterschiedliche Beschleunigungsrampen

Um die Produktivität möglichst hoch zu halten, verfügt zum Beispiel die SPC 7120 SIP über eine sogenannte Parameterumschaltung. In der Bahnplanung werden die Maximalwerte für Ruck und Beschleunigung geändert, um abhängig von der geforderten Genauigkeit die höchste Produktivität zu erreichen. Die Parametersätze ‚Roughing’, ‚Pre-Finishing’, ‚Fast Finishing’, ‚Finishing’ und ‚Super Finishing’ stehen zur Verfügung. Eine Besonderheit stellt dar, dass die Grenzwerte nicht generell und für alle Achsen gleich festgelegt werden, sondern durch eine spezielle Messung achsindividuell. So werden zum Beispiel für den Parametersatz ‚Finishing’ die Grenzwerte für jede Achse so festgelegt, dass die dynamischen Abweichungen in Bewegungsrichtung und quer dazu 3.5 µm nicht überschreiten. Dadurch kann bei gewährleisteter Konturtreue die Dynamik der Einzelachsen voll ausgenutzt werden.

Kompensationen per NC Steuerung sind heute ein weitverbreitetes Mittel, die Genauigkeit zu verbessern. Bei jeder Art von Kompensation müssen zwei Faktoren in Betracht gezogen werden, um die Wirksamkeit der Kompensation abschätzen zu können. Eine Kompensation beruht auf Messergebnissen. Entweder wird eine zu kompensierende Verlagerung direkt gemessen, oder eine andere Größe um den Kompensationswert abzuleiten. Jede Messung hat natürlich eine gewisse Unsicherheit.

Ein Beispiel ist die Unsicherheit einer Längenmessung mit dem Laserinterferometer. Der Wert ist abhängig von der tatsächlichen Laserwellenlänge bei den momentanen Umgebungseinflüssen. Wenn eine Messung bei 20°C durchgeführt wird (Referenztemperatur nach ISO 1), muss die thermische Expansion der Maschine berücksichtigt werden. Dies erfolgt über die Messung der Maschinentemperatur über einen oder mehrere Sensoren. Die Temperatursensoren haben eine gewisse Unsicherheit. Außerdem ist die Erwärmung der Maschine zum Teil inhomogen, das heißt die Maschinentemperatur ist nicht überall gleich. Weiterhin ist die Größe des Ausdehnungskoeffizienten der Maschine unklar. Das Maschinenbett kann zum Beispiel einen Ausdehnungskoeffizient von zirka 12 µm/m/°C, die Glassmaßstäbe von 8 µm/m/°C haben.

Der Kompensationswert geht von einem gewissen Modell aus. Manche Modelle sind sehr einfach. Zum Beispiel wird, wie besprochen, bei der SPC 7120 SIP die Relativverlagerung zwischen Spindelrotor und -stator gemessen und direkt kompensiert, das heißt nur die Messunsicherheit führt zu einer Unsicherheit in der Kompensation. Bereits bei einer einfachen Längenmessung mit dem Laserinterferometer wird es schwieriger. Die Positierabweichung auf einer Messlinie wird erfasst und kompensiert. Das Modell geht davon aus, dass die auf dieser einen Linie erfasste Abweichung im ganzen Arbeitsraum – also auf allen anderen Linien im Arbeitsraum – die gleiche wäre. Das ist jedoch nicht korrekt, da etwa Roll- und Nickbewegungen unterschiedliche Auswirkung auf die Positionierung haben. Das heißt während auf der Messlinie gut kompensiert werden kann, ist die Kompensation auf anderen Linien im Arbeitsraum schlechter. Gleiches gilt auch zum Beispiel für Rechwinkligkeitsabweichungen.

Bei thermischen Messungen geht es oft soweit, dass aus einer Vielzahl von Temperatursensoren numerisch mittels eines komplexen Modells Verlagerungen im Arbeitsraum bestimmt werden. Aufgrund der Vielzahl der Modellparameter ist es relativ einfach, für einen bestimmten Messzyklus ein gutes Ergebnis zu erzielen, das heißt das Modell so zu definieren, dass es einen bestimmten Standardfall gut wiedergeben kann. Um einen Eindruck der Schwierigkeit einer komplexen thermischen Kompensation zu bekommen, muss man nur den großen Unterschied in den Wärmeübergangszahlen betrachten. Bei freier Konvektion beträgt der Wärmeübergang zwischen Stahl und Luft etwa 5 Watt pro Quadratmeter und Grad Celsius. Bei turbulenter Strömung kann der Wert auf zum Beispiel 100 Watt pro Quadratmeter und Grad Celsius ansteigen. Gegenüber Wasser (Kühlungen, Kühlschmiermittel der Maschine) beträgt die Wärmeübergangszahl etwa 500 Watt pro Quadratmeter und Grad Celsius bei lamellarer Strömung und etwa 5000 Watt pro Quadratmeter und Grad Celsius bei turbulenter Strömung.

Um numerische Kompensationen zu bewerten, muss die Unsicherheit von Messung und Modell miteinbezogen werden. Oft bringt eine Kompensation für diesen Standardzyklus eine Verbesserung von 90% oder mehr. Unter realen Betriebsbedingungen bleibt dann jedoch oft nur eine Verbesserung von 50% oder weniger, im Einzelfall kann es sogar zu Verschlechterungen kommen.

Aus diesen Überlegungen wird auch sofort klar, dass eine Kompensation kein Ersatz sein kann für das Einhalten grundsätzlicher Konstruktionsregeln um gutes geometrisches, thermisches und dynamisches Verhalten zu erreichen. Die Erfahrung zeigt, dass man gute Systeme durch den Einsatz von intelligenten und robusten Kompensationsmethoden weiter verbessern kann, dass man jedoch niemals ein schlechtes System ‚gutkompensieren’ kann.W

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