Technische Information

Einfluss der Positionserfassung auf die Genauigkeit inder 5-Achs-Bearbeitung
Produktivität und Genauigkeit sind entscheidende Merkmale im Wettbewerb bei Werkzeugmaschinen. Die 5-achsige Bearbeitung bietet
erhebliche Potentiale zur Steigerung der Produktivität. Im Vergleich zu einer 3-achsigen Bearbeitung lassen sich in vielen Fällen höhere
Zeitspanvolumina erreichen. Fertigungszeiten können durch die Möglichkeit zur Reduktion von Umspannvorgängen bis hin zur Komplettbearbeitung in einer Aufspannung erheblich verkürzt werden. Mit zunehmender Komplexität der Geometrie von Werkstücken wird die
5-Achs-Bearbeitung ohnehin zum unersetzlichen Bestandteil eines Fertigungsprozesses.
Da für eine 5-achsige Bearbeitung meist deutlich größere Verfahrbereiche der Linearachsen erforderlich sind, werden Maschinen mit
einer hohen Genauigkeit im gesamten Arbeitsraum benötigt. Zudem können die beiden Rundachsen einer 5-achsigen Werkzeugmaschine die erreichbare Werkstückgenauigkeit entscheidend beeinflussen. Für eine Änderung der Orientierung des Fräsers zur Werkstückoberfläche müssen neben den Rundachsen in den meisten Fällen auch die Linearachsen bewegt werden. Dadurch können sich Fehler im
Verfahrbereich von bis zu fünf Achsen innerhalb eines kleinen Bereiches auf der Werkstückoberfläche bemerkbar machen. Genauigkeitsbegrenzende Effekte in den Antrieben, wie Steigungs- und Getriebefehler, Umkehrspiel oder thermisch bedingte Verlagerungen können
somit in der 5-achsigen Bearbeitung deutlich schneller zur Produktion von Auschussteilen führen. Die Positioniergenauigkeit der Linearund Rundachsen spielt hier eine entscheidende Rolle für die Performance einer 5-achsigen Werkzeugmaschine.

Die 5-Achs-Bearbeitung ist aus vielen Bereichen der spanenden Bearbeitung nicht
mehr wegzudenken. Klare wirtschaftliche
Vorteile ergeben sich durch die Möglichkeit,
Bauteile in einer Aufspannung fertig zu bearbeiten: Die Durchlaufzeiten eines Bauteils
lassen sich deutlich reduzieren. Gleichzeitig
kann die Genauigkeit eines Bauteils erheblich gesteigert werden.
Darüber hinaus erlauben die zusätzlichen
Rundachsen einen leichteren Zugang zu
komplexen Werkstückkonturen, wie z.B.
Kavitäten in Formen. Vielfach lassen sichauch kürzere Werkzeuge mit geringerer
Neigung zum Rattern einsetzen, so dassauch höhere Zeitspanvolumina erreichbarsind.
Mit der 5-Achs-Simultanbearbeitung können zudem die Schnittgeschwindigkeiten
an der Schneide auch bei komplexen Konturen innerhalb enger Grenzen gehalten
werden. Dadurch entstehen deutliche Vorteile in Bezug auf die erreichbare Oberflächengüte. Außerdem wird der Einsatz vonhochproduktiven Werkzeugen (z.B. Torusfräsern) beim Fräsen von Freiformkonturen
durch die 5-Achs-Simultanbearbeitungüberhaupt erst möglich.
September 2011

Anwendungsfelder der 5-Achs-Bearbeitung

Bauteile der Luft- und Raumfahrt
Hohe Festigkeiten und ein geringes Gewicht sind für Bauteile der Luft- und Raumfahrtindustrie zwingend notwendig. Zur Minimierung des Gewichts von „fliegenden“
Bauteilen hat sich die Integralbauweise
durchgesetzt: Bauteile mit komplexer
Struktur werden vollständig aus einem
Rohling herausgearbeitet. Dabei wird einhoher Zerspanungsgrad von bis zu 95 %erreicht. Diese hohe „Buy-to-Fly-Rate“ führt
zu erheblichen Kosten für das Rohmaterial
der Bauteile.
Im Bereich der Strukturbauteile ermöglicht
die 5-Achs-Bearbeitung neue Möglichkeiten
zur Gewichtsreduktion ohne Einbußen inder Bauteilfestigkeit. Dazu wird zunächst
eine rechnergestützte Topologie-Optimierung durchgeführt, welche die Geometrieeines Bauteils auf die jeweiligen Belastungsfälle anpasst. Die Konsequenz: Das
Material wird im Bauteil besonders dort
eingebracht, wo hohe mechanische Beanspruchungen entstehen können. In den
restlichen Bereichen wird gezielt Material
eingespart. Zum Beispiel kann die Dicke
von versteifenden Stegen auf einfache Art
an die Verteilung der Belastung im Bauteil
angepasst werden. Die Stegdicke kannzum Beispiel mit zunehmender Höhe abnehmen. Diese Werkstückgeometrie lässt
sich auf einfache Art über das 5-achsige Taschenfräsen realisieren.

Für Bauteile von Strahltriebwerken ist die
5-Achs-Bearbeitung längst ein Standard.
Hohe Effizienzanforderungen zwingen zu
einer stetigen Verbesserung der Strömungseigenschaften aller Komponenten
eines Triebwerks. Die entstehenden Bauteilgeometrien sind sehr komplex und daher ausschließlich über 5-achsig simultane
Fräsbewegungen zu fertigen.

25-Achs-Bearbeitung im Automobilbau
Im Automobilbau werden zahlreiche Formwerkzeuge für die Blech- und Kunststoffverarbeitung benötigt. Die bis zu 6 m langen Werkzeuge für die Blechumformung
müssen mit sehr hoher Genauigkeit von± 0,02 mm gefräst werden, damit Oberund Unterwerkzeug mit korrektem Spaltmaß zusammenarbeiten können. Zudem
ist eine sehr hohe Oberflächengüte aller
Funktionsflächen erforderlich, um eine lange Standzeit der Umformwerkzeuge zu gewährleisten.

Beim Fertigen der Werkzeugkontur muss
ein sehr kleiner Abstand der Fräsbahnen
eingehalten werden, um den Anforderungen an die hohe Oberflächengüte gerecht
zu werden. Damit ergeben sich automatisch lange Durchlaufzeiten der NC Programme. Die geforderte Genauigkeit der
Umformwerkzeuge stellt die Fräsmaschinen vor eine große Herausforderung: Hohe
Genauigkeit bei langen Programmlaufzeiten und großen Bauteilen erfordern einehohe thermische Stabilität der Maschinenstruktur und der Vorschubantriebe.
Die 5-Achs-Bearbeitung eröffnet neue Perspektiven zur Verkürzung der Bearbeitungszeit, da auch stark gekrümmte Konturen
der Umformwerkzeuge besser zugänglichwerden. Darüber hinaus können Spezialwerkzeuge, wie zum Beispiel Torus- oder
Radiusfräser, eingesetzt werden, welche
deutlich größere Bahnabstände und damit
kürzere Programmlaufzeiten ermöglichen.

5-Achs-Bearbeitung im Bereichder Medizintechnik
Im medizintechnischen Bereich entsteht ein
hoher Bedarf an Geräten, die speziellen Untersuchungen oder Therapien angepasst
sind. Auf diese Weise können Behandlungen deutlich präziser und mit weniger Nachwirkungen für den Patienten durchgeführt
werden. Die Geräte weisen oft eine sehr
komplexe Geometrie auf, so dass sich eine
5-achsige Bearbeitung der Einzelteile auf
Fräsmaschinen anbietet.
Mit der steigenden Lebenserwartung zeichnet sich auch ein höherer Bedarf an Zahnund Gelenkimplantaten ab. Schon heute bietet der Ersatz von Hüft- oder Kniegelenken
für viele Menschen die Chance auf eine
deutlich höhere Lebensqualität. Sowohl
Zahn- als auch Gelenkimplantate müssen
sich bezüglich Ihrer äußeren Form perfekt an
die Gegebenheiten des menschlichen Körpers anpassen. Die Fertigung der Implantate erfolgt meist auf Fräsmaschinen, da das
Fräsen eine wirtschaftliche Fertigung auch
bei kleinen Losgrößen ermöglicht. Aufgrund
der komplexen Formgebung der Implantate
gehört die Medizintechnik zu den großen
Anwendungsfeldern der 5-Achs-Bearbeitung. Für eine wirtschaftliche Fertigung deranspruchsvollen Bauteile werden Maschinen mit hochgenauer Positionserfassung für
genaue und präzise Vorschubbewegungenvorausgesetzt.

Anforderungen an die Positionserfassung

Beim 3-achsigen Fräsen bewegen sich die
Vorschubachsen innerhalb der Abmessungen des Werkstücks zuzüglich des Werkzeugdurchmessers. Im Unterschied zur
3-achsigen Bearbeitung kann die Anstellungdes Fräsers zur Werkstückoberfläche bei der
5-achsigen Bearbeitung eingestellt werden.
Bei unveränderter Position des Werkzeugmittelpunkts (TCP) erfordert eine Änderung
der Fräserorientierung meist zusätzliche Bewegungen der Linearachsen. Diese Ausgleichsbewegungen vergrößern zwangsläufig den benötigten Verfahrbereich derLinearachsen. Da mit zunehmendem Verfahrbereich auch größere Positionierfehler
auftreten können, müssen Vorschubachsen
5-achsiger Maschinen eine deutlich höhere
Genauigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen.
Die Ausgleichsbewegungen der Linearachsen überlagern sich mit den vom
NC-Programm vorgegeben Bewegungendes Werkzeugmittelpunktes in X, Y und Z.
Durch diese Überlagerung können die Achsvorschübe den für den Werkzeugmittelpunkt
programmierten Vorschub deutlich überschreiten. Der Anstieg der Vorschubgeschwindigkeit führt zur erhöhten Wärmeentwicklung in den Motoren, Getrieben undKugelgewindetrieben. Abhängig von der Positionserfassung können durch die Wärmeentwicklung erhebliche Positionsfehler entstehen. Um fehlerhafte Werkstücke zu
vermeiden, ist eine präzise Positionserfassung in den Vorschubachsen direkt an den
bewegten Maschinenkomponenten unumgänglich.

BA

A: Verfahrbereich bei 3-Achs-Bearbeitung
B: Verfahrbereich bei 5-Achs-Bearbeitung
inkl. Ausgleichsbewegung3Positionserfassung an Linearachsen
Die Position einer Linearachse lässt sichentweder über die Kugelgewindespindel in
Verbindung mit einem Drehgeber oderüber ein Längenmessgerät erfassen. Wird
die Achsposition anhand der Steigung desKugelgewindetriebs in Verbindung mit einem Drehgeber ermittelt (Abbildung oben),so übt der Kugelgewindetrieb eine Doppelfunktion aus: Als Antriebssystem muss er
große Kräfte übertragen, in der Eigenschaft
als positionsbestimmende Komponenteaber wird eine hohe Genauigkeit der Spindelsteigung erwartet. Die Positionsregelschleife umfasst jedoch lediglich den Drehgeber. Da verschleiß- undtemperaturbedingte Veränderungen in der
Antriebsmechanik auf diese Weise nicht
kompensiert werden können, spricht man
von 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 (Abbildung
Mitte), so umfasst die Positionsregelschleife die komplette Vorschubmechanik. Man
spricht von einem Betrieb im Closed Loop.
Spiel und Ungenauigkeiten in den Übertragungselementen der Maschine haben keinen Einfluss auf die Positionserfassung.
Die Genauigkeit der Messung hängt praktisch nur von der Präzision und dem Einbauort des Längenmessgerätes ab.
Unterschiedliche Einsatzbedingungen sowie wechselnde Vorschubgeschwindigkeiten und -kräfte führen zu ständigen Änderungen des thermischen Zustands vonKugelgewindespindeln. Es entstehen lokale Temperaturüberhöhungen auf einer Kugelgewindespindel, welche sich mit jeder
Veränderung der Position verlagern und die
Genauigkeit im Semi-Closed Loop entscheidend verringern.

Lineare Vorschubachsen können alternativ
zu einem Kugelgewindetrieb über einen Linearmotor direkt angetrieben werden. In
diesem Fall wird die Position der Maschinenachse über ein Längenmessgerät ebenfalls direkt am Achsschlitten erfasst. Linearmotoren sind für einen hochdynamischen

und gleichzeitig geräuscharmen Betrieb ohnehin auf hochauflösende und genaue Längenmessgeräte angewiesen. Für diese Antriebsart gelten die Vorteile eines Closed
Loop Betriebs somit uneingeschränkt.

Semi-Closed Loop: Positionserfassung der Linearachse über Drehgeber im Vorschubmotor

Closed Loop: Positionserfassung der Linearachse über ein Längenmessgerät

Hohe Reproduzierbarkeiten und Genauigkeiten über den gesamten Verfahrbereichvon Linearachsen können daher ausschließlich durch den Betrieb im Closed
Loop erreicht werden. Präzise Werkstücke
und eine drastisch reduzierte Ausschussrate sind die Folge.

Thermographieaufnahme eines erwärmten Kugelgewindetriebes

4Positionserfassung an Rundachsen
Die grundlegende Betrachtung für Linearachsen gilt gleichermaßen für Rundachsen. Auch hier lässt sich die Position übereinen Drehgeber am Motor oder über ein
hochgenaues Winkelmessgerät an der Maschinenachse erfassen.

Eine Sonderstellung nehmen die Rundachsen ein, die über einen Torque-Motor direkt angetrieben werden. Die spezielle Bauweise von Torque-Motoren ermöglicht sehrhohe Drehmomente ohne zusätzliches mechanisches Getriebe. Rundachsen mit

Torque-Motoren benötigen ein hochauflösendes Winkelmessgerät direkt an der Maschinenachse. Sie werden deshalb generell
im Closed Loop betrieben.

Wird die Achsposition über einen Drehgeber am Vorschubmotor erfasst, so spricht
man ebenfalls vom Semi-Closed Loop, dadie Übertragungsfehler der Getriebemechanismen nicht über den geschlossenen
Positionsregelkreis kompensiert werden.
Übertragungsfehler von Getrieben in Rundachsen werden durch• Exzentrizitäten der Zahnräder,• Spiel oder
• Reibung und elastische Verformungen inden Zahnkontakten und in den Lagern
der Getriebewellen
hervorgerufen. Darüber hinaus entsteht inden meist vorgespannten Getrieben erhebliche Reibung, die zur Erwärmung der
Rundachsen und dadurch – abhängig vonder mechanischen Ausführung – auch zu
Positionierfehlern führen kann.
Die Übertragungsfehler der Getriebe vonRundachsen führen im Semi-Closed Loopzu erheblichen Positionierfehlern und zu einer deutlich reduzierten Wiederholgenauigkeit. Die Fehler der Rundachsen übertragensich auf die Geometrie der zu fertigenden
Werkstücke, so dass die Anzahl der Ausschussteile deutlich zunehmen kann.
Positionier- und Wiederholgenauigkeit vonRundachsen lassen sich durch den Einsatz
von präzisen Winkelmessgeräten erheblich steigern. Da die Achspositionen dannnicht mehr am Motor sondern direkt an
den Rundachsen der Maschine gemessen
werden, spricht man auch vom Closed
Loop Betrieb. Übertragungsfehler der Getriebe von Rundachsen haben hier keinen
Einfluss auf die Positioniergenauigkeit. Die
Genauigkeit, mit der eine Rundachse einebestimmte Achsposition über einen längeren Zeitraum wiederholt anfahren kann,wird ebenfalls erheblich gesteigert. Eine
wirtschaftliche Fertigung bei minimalem
Ausschuss ist die Konsequenz.

Semi-Closed Loop: Positionsbestimmung über Drehgeber am Vorschubmotor, Fehler inder Antriebsmechanik werden nicht erkannt.

Closed Loop: Positionserfassung über ein Winkelmessgerät an der Maschinenachse,
Fehler der Antriebsmechanik werden kompensiert.

Torque-Motor: Rundachsen mit Torque-Motor werden im Closed Loop betrieben.

5Bearbeitungsbeispiele
5-Achs-Simultanbearbeitung mit höchster Präzision

Telstar-Fußball
Der Fußball der FIFA WM von 1970 und
1974 wurde nach dem ersten zivilen Kommunikationssatelliten Telstar benannt, welcher 1963 von der Nasa und AT&T ins All
geschossen wurde. Der Telstar-Ball verfügtüber 20 weiße hexagonale und 12 schwarze pentagonale Formstücke, die miteinander vernäht wurden.
Dieser Ball dient als Vorlage für ein Werkstück, welches auf einer 5-achsigen Werkzeugmaschine gefräst werden kann. Das
entstandene Werkstück findet als Testwerkstück zum Nachweis der Bearbeitungsgenauigkeit beim 5-achsigen Fräsen
Verwendung.
Das Telstar-Werkstück wurde in drei Bearbeitungsschritten auf der Basis vorgedrehter Rohlinge hergestellt:• 3-achsige Fräsbearbeitung der Fünfecke
mit vertikalen Bahnen und angestelltem
Fräser,• 3-achsige Fräsbearbeitung der Sechsecke
mit horizontalen Bahnen und angestelltem Fräser,• 5-achsige Fräsbearbeitung der Nähte
Ein optisch einwandfreies Erscheinungsbild
des Telstar-Werkstücks setzt voraus, dassdie „Nähte“ zwischen Fünfecken undSechsecken trotz einer Dauer der Bearbeitung von über zwei Stunden mit gleichbleibend hoher Präzision gefräst werden.

5-Achs-Fertigung des WM-Balls „Telstar“ von 1970 und 1974

Bearbeitungsreihenfolge der 5-Achs-Bearbeitung am Telstar-Werkstücks

Fünfecke fräsen:3-achsig angestellt
Gleichlauffräsen
Bearbeitungszeit: 22 min
Vorschub:
6 m/minFräser:Ø = 16 mm
Zeilenabstand:
1,5 mmAnstellwinkel:
40°

6

Sechsecke fräsen:3-achsig angestellt
Gleichlauffräsen
Bearbeitungszeit: 2 h 17 min
Vorschub:
6 m/minFräser:Ø = 16 mm
Zeilenabstand:
0,2 mmAnstellwinkel:
40°

Naht fräsen:5-achsig simultan
Bearbeitungszeit: 11 min
Vorschub:
0,4 m/minFräser:Ø = 25 mm
Anstellwinkel:
55°

In den Schnittpunkten treffen sich jeweils
drei Nähte, die mit unterschiedlichen Werkzeuganstellungen gefräst werden. Ein
Schnittpunkt kann somit nur dann genau
gefertigt werden, wenn der Werkzeugmittelpunkt (TCP) des Fräsers mit drei unterschiedlichen Anstellungen exakt an den
gleichen Punkt positioniert wird.
Die drei Anstellwinkel des Fräsers erfordern jedoch große Ausgleichsbewegungender Linearachsen. Für jede Naht ergibt sichsomit eine stark unterschiedliche Stellung
der Linear- und der Rundachsen in der
TCP-Position eines Schnittpunktes.
Positionierfehler einer oder mehrerer Vorschubachsen führen zwangsläufig dazu,
dass die TCP-Position beim Fräsen der drei
Nähte im Schnittpunkt nicht übereinstimmt. Für eine präzise Bearbeitung derNähte einschließlich der Schnittpunkte ist
daher eine hohe Genauigkeit der Positionierung aller Vorschubantriebe unumgänglich.

Semi-Closed Loop: Einflüsse aus der Antriebsmechanik beeinträchtigen die Bearbeitungsgenauigkeit. Die Nahtbreite variiert. Die
Schnittpunkte der Nähte sind sichtbar unsauber.

Für eine einfache visuelle Bewertung derGenauigkeit vom Telstar-Werkstück wird die
0,15 mm tiefe Naht durchgehend mit einem Fräser gefertigt, der einen Durchmesser von 25 mm aufweist. Damit ergibt sichein sehr flacher Nahtquerschnitt, so dasssich bereits kleinste Fehler in der Tiefe derNaht (±10 µm und weniger) in deutlichen
Schwankungen der Nahtbreite auswirken.
Wird das Telstar-Werkstück auf einer Maschine im Semi-Closed Loop gefertigt, so
ist die Positionier- und Wiederholgenauigkeit durch die Übertragungsfehler der Kugelgewindetriebe in den Linearachsen und
der Getriebe in den Rundachsen eingeschränkt. Die Folge: Das Telstar-Werkstück
weist eine schwankende Nahtbreite auf.
Die Schnittpunkte können nicht mit jeder
Naht exakt getroffen werden, so dass ein
deutlicher Versatz des Mittelpunktes derNähte entsteht.

Closed Loop: Durch die präzisen Längen- und Winkelmessgeräte
von HEIDENHAIN haben Fehler der Antriebsmechanik keinen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis. Die Naht wird in der richtigen
Breite mit exaktem Verhalten an den Nahtübergängen gefräst.

Im Closed Loop erreichen die Vorschubachsen über dem gesamten Verfahrbereicheine sehr hohe Positionier- und Wiederholgenauigkeit. Damit können benachbarte
Bereiche auf dem Werkstück auch mit großen Änderungen der Fräseranstellung und
mit erheblichem Zeitabstand zwischen deneinzelnen Bearbeitungsschritten präzise gefertigt werden. Die erreichbare Präzisionwird in den Schnittpunkten der Nahtbahnen
deutlich. Jeder Schnittpunkt wird über alledrei angrenzenden Nähte exakt angefahren. Zudem bleibt die Nahtbreite über dem
gesamten Umfang des Telstar-Werkstücks
konstant.

7

5-achsig simultanes Wälzfräsen

Polygonwerkstück
Die 5-Achs-Bearbeitung bietet erhebliche
Potentiale zur Reduktion von Bearbeitungszeiten. Die Mantelfläche eines Polygonwerkstücks wird mit einem Wälzfräser
5-achsig simultan in einer Umdrehung desWerkstücks geschlichtet. Im Vergleich zur
3-achsigen Bearbeitung der Mantelfläche
mit einem Kugelfräser reduziert die 5-AchsBearbeitung die Fertigungsszeit auf 30%.
Eine präzise Bearbeitung mit fünf simultan
bewegten Vorschubachsen stellt hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Vorschubantriebe. Abhängig von der Art der
Positionserfassung können die Fehler derzusätzlich benötigten Rund- und Schwenkachsen erhebliche Einschränkungen der
Werkstückqualität hervorrufen. Auf die
Wahl des richtigen Messgeräts und seine
Einbindung in den Regelkreis ist daher besonderes Augenmerk zu legen.
Das Polygonwerkstück wird in einer Umdrehung der C–Achse bei gleichzeitig interpolierter Schwenkbewegung der B-Achse
umfangsbearbeitet. Während der Bearbeitung der Mantelfläche wird die B-Achse
fünfmal in einem Schwenkbereich zwischen 1° und 19° ein- und ausgeschwenkt.

Um die Wirkung der Positionserfassung auf
das Bearbeitungsergebnis zu untersuchen,wurden Werkstücke im Closed Loop Betrieb und im Semi-Closed Loop Betrieb der
B-Achse gefertigt. Alle anderen Achsen befinden sich permanent im Closed Loop.
Mechanische Fehler von Rundachsen können im Semi-Closed Loop zu Positionsabweichungen und somit zu Ungenauigkeiten
am Werkstück führen. Schwenkachsen
weisen häufig einen Antrieb mit mehrstufigem Getriebe auf. Für eine gleichförmige
Bewegung einer Schwenkachse müssen
alle Getriebekomponenten eine hohe Fertigungsgenauigkeit aufweisen und präzise
montiert sein. Bereits durch geringe Exzentrizitätsfehler eines Zahnrades können
deutliche Gleichlaufschwankungen der
Schwenkachse entstehen.

Die Wirkung einer Exzentrizität in einer Getriebestufe wird in den Abbildungen verdeutlicht. Ein Getriebe mit exakt montierten Zahnrädern überträgt die Bewegungdes Antriebsmotors fehlerfrei auf die
Schwenkachse. Weist ein Getriebezahnradeine Exzentrizität auf, so zeigt sich in derBewegung der Schwenkachse eine sinusförmige Abweichung.
Das dargestellte Polygonwerkstück wurde
auf einer Fräsmaschine gefertigt, deren
Schwenkachse eine Getriebeuntersetzung
von i = 120 aufweist. Das Motorritzel weist
einen Durchmesser von 40 mm auf. Der
Rundlauffehler des Ritzels beträgt± 0,058 mm.

i=1
Bewegung der
Schwenkachse

AntriebsBewegung

tatsächliche
Bewegung

fehlerfreies Getriebe
Getriebe mit einem
Exzentrizitätsfehler

ideale Bewegung

360°

Positionsabweichungen an Rundachsen durch eine Exzentrizität
im Getriebe, Untersetzung i = 1

i = 120
AntriebsBewegung

Bewegung der
Schwenkachse

10”
tatsächliche
Bewegung

fehlerfreies Getriebe
Getriebe mit einem
Exzentrizitätsfehler
3°
ideale Bewegung

Positionsabweichungen an Rundachsen durch eine Exzentrizität
im Getriebe, Untersetzung i = 120

8In einem zweiten Versuch wurde die
Schwenkachse im Closed Loop betrieben.
Dabei kam ein HEIDENHAIN-Winkelmessgerät mit optischer Abtastung zum Einsatz.
Das Winkelmessgerät erfasst die Achsposition direkt an der Schwenkachse. Auf diese
Weise wird die Wirkung des Übertragungsfehlers vom Getriebe unmittelbar erkannt.
Die Antriebsregelung reagiert sofort auf
kleinste gemessene Abweichungen underzeugt eine entsprechende Gegenbewegung des Vorschubmotors. Die Getriebefehler bleiben somit ohne Wirkung auf das
Bearbeitungsergebnis.

Wird die Schwenkachse im Semi-Closed
Loop betrieben, so können die vom Getriebe generierten, sinusförmigen Positionsabweichungen nicht von der Antriebsregelung
erkannt werden. Eine Umdrehung des Antriebsmotors mit exzentrischem Ritzel verursacht Abweichungen im Bereich von ± 10
Winkelsekunden in der Bewegung der
Schwenkachse. Diese Abweichungen wiederholen sich alle 3° bezogen auf den
Schwenkwinkel.
In einem ersten Versuch wird das Polygonwerkstück im Semi-Closed Loop gefertigt.
Die vom Getriebe generierten Positionsabweichungen bilden sich deutlich an der
Mantelfläche des Polygonwerkstückes als
Oberflächenwelligkeit ab. Die resultierende
Formabweichung beträgt ± 0,015 mm. Der
Getriebefehler wird nur in den Teilflächen
des Werkstückes sichtbar, in denen sich die
Schwenkachse bewegt.

Dank der HEIDENHAIN-Winkelmessgeräte
in den Rundachsen lässt sich die Mantelfläche somit 5-achsig simultan mit kurzer Bearbeitungszeit bei gleichzeitig hoher Oberflächengüte und Genauigkeit fräsen.

Semi-Closed Loop: Polygonwerkstück mit Oberflächenabweichung.

Closed Loop: Polygonwerkstück mit höchster Oberflächengüte.

B-Achseschwenkt

B-Achsesteht

Bearbeitung eines Polygonwerkstücks im Wälzfräsen mit Rundund Schwenkachse

9

Umschlagbearbeitung

Anforderungen an die Genauigkeit vonRundtischen
Die Seitenflächen von prismatischen Bauteilen werden häufig auf Umschlag bearbeitet. Dabei wird – gegebenenfalls durch
Anstellen des Werkstücks zum Werkzeug
mit einer Schwenkachse – zunächst eine
Seitenfläche bearbeitet. Anschließend wird
das Werkstück über einen Rundtisch um
180° gedreht, um die gegenüberliegende
Seitenfläche zu bearbeiten.
Die Umschlagbearbeitung stellt hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit
des Rundtisches. Bereits geringe Winkelfehler in der Umschlagbewegung führen zu
Parallelitätsfehlern von gegenüberliegenden Seitenflächen des Werkstücks. Ein Positionierfehler von nur 2 Milligrad erzeugt
bei einem mittig auf dem Rundtisch aufgespannten Werkstück mit 500 mm Kantenlänge einen Fehler von 0,01 mm normal zur
Seitenfläche.

Positionierfehler können bei Rundachsen
entstehen, wenn die Position an der Welle
des Antriebsmotors gemessen wird (SemiClosed Loop), da die Fehler im Getriebe
der Rundachse (Spiel, Elastizität, Rundlauffehler der Getriebewellen) nicht von der Positionsregelung erfasst und kompensiert
werden können. Je nach Ausführung derAntriebsmechanik können im Semi-Closed
Loop Positionierfehler in der Umschlagbewegung von ± 10 Milligrad und mehr entstehen.
Die Genauigkeit eines Rundtisches lässt
sich durch den Einsatz präziser Winkelmessgeräte, welche die Tischbewegung direkt erfassen, erheblich steigern. Die Übertragungsfehler in den Getrieben vonRundtischen werden über das Winkelmessgerät erfasst und somit von der Positionsregelung kompensiert (Closed Loop).
Im Closed Loop Betrieb bestimmt die Präzision des Winkelmessgeräts weitgehend
die Genauigkeit der Umschlagbewegung.
Winkelmessgeräte mit optischer Abtastung
können dabei Werte kleiner 0,3 Milligrad ermöglichen.

Zur Veranschaulichung des Einflusses der
Positioniergenauigkeit von Rundtischen auf
die Umschlagbearbeitung wurde ein
Schriftzug aus den Seitenflächen eines quaderförmigen Bauteils herausgearbeitet.
Dazu wird das Bauteil auf einer 5-achsigen
Fräsmaschine zunächst in der geschwenkten Ebene an einer der Seitenflächen angetastet. Dann wird im 3-achsig interpolierten
Gleich- und Gegenlauffräsen ein Schriftzug
mit einem Kugelfräser herausgearbeitet.
Die Buchstaben haben dabei eine Höhevon 0,025 mm. Anschließend wird das
Bauteil mit dem Rundtisch um 180° gedreht, um auf der gegenüberliegenden Seite einen zweiten Schriftzug mit gleicher
Buchstabenhöhe herauszuarbeiten.

180°

180°
Fräsernicht im
Eingriff

GravurTiefe

GravurTiefe

gleichvariabel

Closed Loop
Präzise Positionierung,
Kontur wird exakt gefertigt

10

Semi-Closed Loop
Positionierabweichung führt zur
Konturverletzung am WerkstückZunächst wurde ein Werkstück im Closed
Loop gefräst (siehe 9 auf dem Werkstück).
Anschließend wurde auf der gleichen Maschine ein zweites Werkstück im SemiClosed Loop gefertigt (sieheauf dem
Werkstück). Der Unterschied wird sehrschnell deutlich. Während die Schriftzüge
im Closed Loop Betrieb mit präzisen Längen und Winkelmessgeräten auf beiden
Seitenflächen fehlerfrei herausgearbeitet
werden, zeigen sich im Semi-Closed Loop
Bearbeitungsfehler: Auf der Rückseite desim Semi-Closed Loop gefrästen Bauteils ist
die Gravur links tiefer gefertigt, während
rechts der Fräser nicht mehr im Eingriff ist.
Positions- und richtungsabhängige Positionierfehler verursachen im Semi-Closed Loopeine Schiefstellung von Maschinentisch undWerkstück. Dies führt zur deutlich fehlerhaft
gefertigten Gravur und zum Ausschuss desWerkstücks.

Semi-Closed Loop: Einflüsse aus der Antriebsmechanik(z.B. Getriebefehler) können die Genauigkeit der Maschine und somit die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächengüte beeinträchtigen.

Closed Loop: Genauigkeitsbegrenzende Einflüsse aus der Antriebsmechanik haben keinen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis. Durch die präzisen Winkelmessgeräte von HEIDENHAIN werden eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit und eine hervorragende
Oberflächengüte erreicht

11Messgeräte

Die 5-Achs-Bearbeitung stellt besonders
hohe Anforderungen an die Genauigkeit
der Vorschubantriebe, da die Verfahrbereiche und die Achsvorschübe im Vergleich zur
3-Achs-Bearbeitung größer werden. Die
Wärmeentwicklung und die mechanischenÜbertragungsfehler in den Vorschubantrieben führen dazu, dass Positionserfassung
der Vorschubantriebe die Bearbeitungsgenauigkeit entscheidend bestimmt. Ausschuss und Kosten werden bei der richtigen Positionserfassung minimiert.
Für Maschinen mit hohen Anforderungen
an die Positioniergenauigkeit und an die
Bearbeitungsgeschwindigkeit sind Längenmessgeräte für Linearachsen sowie Winkelmessgeräte für Schwenk- und Rundachsen unerlässlich.
Denn Längen- bzw. Winkelmessgeräte von
HEIDENHAIN erfassen die Bewegung derAchse direkt und unmittelbar. MechanischeÜbertragungselemente haben somit keinen
Einfluss auf die Positionserfassung – sowohl
kinematische als auch thermische Fehleroder Krafteinflüsse werden vom Messgerät
erfasst und im Lageregelkreis berücksichtigt. Dadurch lässt sich eine Reihe von möglichen Fehlerquellen ausschließen:
bei Linearachsen:• Positionierfehler aufgrund der Erwärmung der Kugelumlaufspindel• Umkehrfehler• Fehler infolge Verformung der Antriebsmechanik durch Bearbeitungskräfte• kinematische Fehler durch Steigungsfehler der Kugelumlaufspindelbei Schwenk- und Rundachsen:• Getriebefehler• Umkehrfehler• Fehler infolge Verformung der Antriebsmechanik durch Bearbeitungskräfte

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E-mail: info@heidenhain.dewww.heidenhain.de895 283 · 00 · A · 01 · 9/2011 · PDF

Weitere Informationen:• Katalog Längenmessgeräte für gesteuerte Werkzeugmaschinen• Katalog Absolute Winkelmessgeräte• Katalog Winkelmessgeräte ohne Eigenlagerung