Technische Information

Anhaltende Genauigkeit in der Klein- undMittelserienfertigung
Die Genauigkeit einer Werkzeugmaschine hängt entscheidend von ihrer Fähigkeit ab, schnell wechselnde Einsatzbedingungen zu verkraften. Der Übergang von einer Schruppbearbeitung zum Schlichten ändert die mechanische und thermische Belastung der Maschine
erheblich, wodurch starke Veränderungen der Genauigkeit entstehen können. Ähnliche Wechsel der Belastungszustände treten bei derBearbeitung kleiner Losgrößen auf. Ständige Wechsel zwischen Rüstvorgängen und auftragsspezifischen Bearbeitungen sorgen fürschwankende Wärme-Einträge mit entsprechenden Auswirkungen auf die Genauigkeit. Gerade bei kleinen Losgrößen muss aber dieGenauigkeit vom ersten bis zum letzten Teil sichergestellt werden, um Fertigungsaufträge mit engen Toleranzen wirtschaftlich bearbeiten
zu können. In diesem Umfeld ist die thermische Genauigkeit einer Werkzeugmaschine ein wesentlicher Aspekt.
Insbesondere die Vorschubantriebe spielen hierbei eine wichtige Rolle. Sie werden durch hohe Verfahrgeschwindigkeiten und Beschleunigungen starkt beansprucht und erzeugen viel Wärme. Ohne geeignete Positionsmesstechnik kann diese Wärme innerhalb kurzer Zeit
Positionierfehler in unerwarteten Größenordnungen erzeugen. So kann die Erwärmung eines Kugelgewindetriebs aus Stahl mit 1 m Länge
von 20 °C auf durchaus übliche 45 °C zu einer Ausdehnung von 250 µm führen (thermischer Ausdehnungskoeffizient für Stahl: 10 µm pro
Meter Länge und Grad Temperaturunterschied).

Thermische Stabilität von
Werkzeugmaschinen
Lösungen zur Vermeidung thermisch bedingter Maßabweichungen an Werkstücken
rücken stärker denn je in den Fokus desWerkzeugmaschinenbaus. Aktive Kühlungen, symmetrisch aufgebaute Maschinenstrukturen und Temperaturmessungensind heute bereits gängige Maßnahmen.
Eine wesentliche Quelle thermischer Verlagerungen sind die Vorschubachsen auf Basis von Kugelgewindespindeln. Abhängig
von den Vorschubgeschwindigkeiten und-kräften können sich die Temperaturverteilungen auf den Kugelgewindespindeln sehrschnell ändern. Die dabei entstehenden
Längenänderungen können auf Werkzeugmaschinen ohne Längenmessgeräte zu signifikanten Fehlern am Werkstück führen.

Februar 2017Abbildung 1

Typische Bearbeitungssituation

Positionserfassung derVorschubantriebe
Die Position einer NC-Vorschubachse lässt
sich entweder über die Kugelgewindespindel in Verbindung mit einem Drehgeberoder über ein Längenmessgerät erfassen.
Wird die Antriebsposition anhand der Steigung des Kugelgewindetriebs in Verbindung
mit einem Drehgeber ermittelt (Abb. 2), soübt der Kugelgewindetrieb eine Doppelfunktion aus: Als Antriebssystem muss ergroße Kräfte übertragen, in der Eigenschaft
als positionsbestimmende Komponenteaber werden hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Spindelsteigung erwartet.
Die Positionsregelschleife umfasst jedoch
lediglich den Drehgeber. Da verschleiß- undtemperaturbedingte Veränderungen in der
Antriebsmechanik nicht kompensiert werden können, spricht man in diesem Fallvon einem Betrieb im Semi-Closed Loop.
Positionsfehler der Antriebe werden unausweichlich und können die Werkstückqualität erheblich beeinflussen.
Wird ein Längenmessgerät zur Erfassung
der Schlittenposition verwendet (Abb. 3),
so umfasst die Positionsregelschleife die
komplette Vorschubmechanik. Man spricht
von einem Betrieb im Closed Loop. Spielund Ungenauigkeiten in den Übertragungselementen der Maschine haben keinen
Einfluss auf die Positionserfassung. DieGenauigkeit der Messung hängt praktisch
nur von der Präzision und dem Einbauortdes Längenmessgeräts ab.

Nachweis der Antriebsgenauigkeit
Beispiel: Konturfräsen und Bohren
Am Beispiel einer durchschnittlich anspruchsvollen Bearbeitung ohne besonders hohe
Verfahrgeschwindigkeiten für den Maschinentisch lassen sich die Unterschiede derAntriebsgenauigkeit im Semi-Closed Loopund Closed Loop anschaulich zeigen. Der
maximale Vorschub bei dieser Bearbeitung
liegt bei 3,5 m/min. In 40 Teilen sollen jeweils zwei Bohrungen mit einem Abstandvon 350 mm gebohrt und die Kontur gefräst
werden. Die Bearbeitung dauert fünfeinhalb
Minuten, die Toleranz für den Abstand derBohrungen ist mit ±0,02 mm festgelegt.
Während der Bearbeitung erwärmt sich derKugelgewindetrieb kontinuierlich. Die abschließende Qualitätsprüfung ergibt, dassbei einer herkömmlichen Positionserfassung
im Semi-Closed Loop von den 40 zu fertigenden Teilen nur die ersten 25 innerhalb
der Toleranzen liegen. Nach dem 25. Teil hat
die Erwärmung den kritischen Punkt erreicht,
an dem die thermische Ausdehnung desKugelgewindetriebs den Toleranzrahmen
von ±0,02 mm überschreitet. Beim letzten
Teil beträgt die Abweichung sogar 70 µm.

Erfassung der Positionüber Drehwinkel undSteigung der Kugelumlaufspindel

Abbildung 2Positionsregelung im Semi-Closed Loop über Kugelgewindetrieb undDrehgeber

Erfassung der Position
direkt am MaschinentischAbbildung 3Positionsregelung im Closed Loop über Längenmessgerät

.02

350

mm

±0Nach 40 Bearbeitungenwird das erste Teil erneut
mit 10 mm Zustellung
gefräst.

Randbedingungen:
Bearbeitungszeit: 2 hmax. Vorschub: 3,5 m/min.
mittlerer Vorschub: 2,8 m/min.

Abbildung 4Entstehung des Anlenkhebels= Festlager der KugelgewindespindelDeutlich sichtbar macht diese Abweichungeine nochmalige Bearbeitung des ersten
Teils im Anschluss an das 40. Teil, bei derdie Zustellung in Z-Richtung halbiert wird.
Die auf diese Weise in das fertige Bauteil
gesetzten Zweitbohrungen hinterlasseneine deutlich sichtbare Kante in den bestehenden Bohrungen, ebenso die zweite Fräsbearbeitung auf der Kontur – das Ergebnis
von 70 µm thermischer Ausdehnung desKugelgewindetriebs.
Unabhängig von der thermischen Ausdehnung des Kugelgewindetriebs – und vonseinen sonstigen Einflüssen – ist dagegeneine Positionsmessung mit einem Längenmessgerät im Closed Loop. Das zeigt dieVergleichsbearbeitung zum vorher bereits
beschriebenen Beispiel. Auf einer Maschine mit Regelung im Closed Loop entsteht
kein Ausschuss, alle Teile liegen innerhalb
der vorgegebenen Toleranz. Eine nochmalige Bearbeitung des ersten Bauteils nachder Bearbeitung des 40. Bauteils mit halber
Zustellung in Z-Richtung hinterlässt keinesichtbaren Kanten.

Semi-Closed Loop:thermischeVerlagerungen(70 µm)Abbildung 5Hebelbauteil, zweifach auf einem Rohling bearbeitet

Zusammenfassung
Das flexible Bearbeiten von Fertigungsaufträgen setzt Werkzeugmaschinen mit hoherthermischer Stabilität voraus. Auch eine starkschwankende Auslastung der Maschinen
darf keinen signifikanten Einfluss auf dieMaschinengenauigkeit haben. Folglich
müssen Vorschubachsen die geforderten
Genauigkeiten über den gesamten Verfahrbereich auch bei stark wechselnden Geschwindigkeiten und Bearbeitungskräften
erreichen. Störend wirkt dabei die geschwindigkeits- und lastabhängige Wärmedehnung
in den Kugelgewindespindeln der linearen
Vorschubachsen. Während einer Bearbeitung
können Positionsfehler von 200 µm undmehr entstehen, sofern die Antriebspositionnur über die Spindelsteigung und einen
motorseitigen Drehgeber bestimmt wird.
Da wesentliche Antriebsfehler mit dieser

Closed Loop:keine thermischenVerlagerungen(3 µm)

Methode nicht im Regelkreis kompensiert
werden, spricht man vom Betrieb des Vorschubantriebs im Semi-Closed Loop. Mit
dem Einsatz von Längenmessgeräten kanndiese Fehlerquelle vollständig unterdrückt
werden. Vorschubantriebe mit Längenmessgeräten werden im Closed Loop betrieben,
da sich die Fehler im Kugelgewindetrieb inder Positionserfassung abbilden und somit
von der Steuerung kompensiert werden.
Ähnliche Vorteile ergeben sich auch überWinkelmessgeräte an den Rundachsen,
da auch hier thermische Dehnungen in den
mechanischen Antriebskomponenten auftreten. Längen- und Winkelmessgeräte
sichern daher auch bei stark wechselnden
Einsatzbedingungen von Werkzeugmaschinen eine hohe Präzision der zu fertigenden
Bauteile.

Längenmessgeräte für Werkzeugmaschinen

Für eine hohe Positioniergenauigkeit vonWerkzeugmaschinen sind Längenmessgeräte zur Lagerückmeldung unerlässlich. Sieerfassen den Verfahrweg der Vorschubachse direkt und unmittelbar. MechanischeÜbertragungselemente haben somit keinen Einfluss auf die Positionserfassung –sowohl kinematische als auch thermischeFehler oder Krafteinflüsse werden vom
Längenmessgerät erfasst und im Lageregelkreis berücksichtigt. Dadurch lässt sicheine Reihe von möglichen Fehlerquellenausschließen:• Positionierfehler aufgrund der Erwärmung
der Kugelumlaufspindel• Umkehrfehler• Fehler infolge Verformung der Antriebsmechanik durch Bearbeitungskräfte• kinematische Fehler durch Steigungsfehler der Kugelumlaufspindel

Für Maschinen mit hohen Anforderungen
an die Positioniergenauigkeit und an dieBearbeitungsgeschwindigkeit sind deshalb Längenmessgeräte unerlässlich.
Die HEIDENHAIN-Längenmessgeräte fürgesteuerte Werkzeugmaschinen sind universell einsetzbar. Sie eignen sich für Maschinen und Anlagen, an denen Vorschubachsen
geregelt verfahren werden – wie z.B. fürFräsmaschinen, Bearbeitungszentren, Bohrwerke, Dreh- und Schleifmaschinen.
Das günstige dynamische Verhalten derLängenmessgeräte, ihre hohe zulässige
Verfahrgeschwindigkeit und Beschleunigung in Messrichtung prädestinieren sie
sowohl für den Einsatz an hochdynamischen konventionellen Achsen als auch
für Direktantriebe.

LC 485 bis 2040 mm

LC 185 bis 4240 mm

LC 201 bis 28 040 mm

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH
Dr.-Johannes-Heidenhain-Straße 583301 Traunreut, Germany{ +49 8669 31-0
| +49 8669 32-5061
E-mail: info@heidenhain.dewww.heidenhain.de
1151723-11 · 2 · 2/2017 · H · Printed in Germany

Weitere Informationen:• Prospekt Längenmessgeräte fürgesteuerte Werkzeugmaschinen• Technische Information Genauigkeit
von Vorschubachsen• Prospekt Messgeräte zur Abnahme
und Kontrolle von Werkzeugmaschinen