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Geometrische Fehler von Maschinen

Ursachen und Beschreibung von Geometrieabweichungen

Werkzeugmaschinen und Messmaschinen mit 3 bis 5 Achsen sind in großer Zahl in allen Bereichen der modernen Produktion zu finden, z.B. in der Automobil- oder Aerospace-Industrie, der Produktion von Konsumgütern oder der Medizintechnik. Genaue Teile können nur durch einen kontrollierten und deterministischen Herstellungsprozess erreicht werden.

Während die Reproduzierbarkeit der Maschine eine notwendige Voraussetzung für einen stabilen Prozess ist, kann die geometrische Genauigkeit des Teils entweder durch eine Rückkopplungsschleife durch externe Messung am Bauteil oder durch genau kalibrierte Werkzeugmaschinen gewährleistet werden. Aufgrund kürzerer Produktlebenszyklen und verstärkter Individualisierung der Produkte ist die absolute Genauigkeit von Werkzeugmaschinen von zunehmender Bedeutung.

Insbesondere bei 5-Achs-Bearbeitungen führt zudem das Vorhandensein von redundanten Achsen zu zusätzlichen Genauigkeitsanforderungen, da selbst bei der Bearbeitung kleiner Werkstücke oder Werkstückbereiche evtl. große Verfahrbewegungen aller beteiligten Achsen ausgeführt werden.

Ursachen von Geometrieabweichungen

Die Genauigkeit der Werkzeug- und Messmaschinen wird durch viele Fehlerquellen beeinflusst:

1. Kinematische Abweichungen

Sie entstehen durch mangelhafte Geometrie, Ausrichtung und Abmessungen der Maschinenkomponenten. Sie sind stabil oder ändern sich langsam über die Zeit z.B. durch Fundamentdrift, Verschleiß oder Materialalterung. Aber auch Kollisionen können sie verändern.

2. Thermomechanische Fehler

Interne und externe Wärmequellen können zur thermomechanischen Verformung von Maschinenkomponenten und damit einer Änderung der kinematischen Fehler führen. Die Zeitkonstante und die Größenordnung der geometrischen Änderungen sind nicht nur abhängig von der Zeitkonstante der Ursachen, sondern auch von der thermischen Masse und der Dämpfung der Maschinenstruktur.

3. Beladung

In einigen Fällen haben das Gewicht und die Position eines Werkstücks einen signifikanten Einfluss auf die Geometrie der Maschine. Reproduzierbare Verformungen durch die Werkstückmasse können durch die kinematische Beschreibung der Maschine abgedeckt werden, unter Umständen sind aber auch zusätzliche Modellierungen und Messungen notwendig.

4. Dynamische Kräfte

Der Verfahrweg einer Maschine wird auch durch die dynamische Steifigkeit der Maschine beeinflusst. Bearbeitungskräfte oder Kräfte, die durch Beschleunigung oder Verzögerung verursacht werden, können zu Abweichungen führen. Die Präzisionsbearbeitung wird aber meist bei kleinen Vorschubgeschwindigkeiten durchgeführt, mit kleinen Beschleunigungs- und Verzögerungswerten sowie kleinen Schnittkräften.

Kinematische Strukturen von Maschinen

Die kinematische Struktur wird durch die Anordnung der Maschinenkomponenten und ihre Achsen definiert. Die meisten Werkzeugmaschinen und Messmaschinen verfügen über eine serielle Struktur: Eine Bewegungsachse baut auf der vorherigen auf. Eine auf Schwerd basierende Notation kann verwendet werden, um die Serien kinematische Struktur vom Werkzeug auf das Werkstück [Abb. 1] zu beschreiben.

Beschreibung der Geometrieabweichungen

Relevanten Abweichungen einer Werkzeugmaschine betreffen die Bewegung zwischen Werkzeug und Werkstück. Jede Bewegung einer Maschinenachse wird durch sechs Freiheitsgrade beschrieben, drei Translationen und drei Rotationen. Die Notation der Achsenbewegungen ist in der ISO 841 genormt: X, Y und Z bezeichnen die linearen Bewegungen, A, B und C die Drehungen um X, Y und Z. Für eine nominell lineare Bewegung bestehen die sechs Komponentenabweichungen aus der Positionsabweichung, zwei Geradheitsabweichungen, einer Roll- und zwei Neigungsabweichungen. Bei horizontalen Achsen werden diese als Nick- und Gierabweichungen bezeichnet. Unter der Annahme starrer Körper sind diese Abweichungen ausschließlich Funktionen der Nennbewegung der jeweiligen Achse und hängen nicht von der Stellung der anderen Achsen ab (siehe Animationen).
Für eine nominelle Drehbewegung (A,B oder C-Achse) bestehen die sechs Komponentenfehler aus der Winkelpositionierabweichung, zwei Radialabweichungen, einer axialen Abweichung und zwei Taumelabweichungen. Abbildung 6 zeigt diese Komponentenabweichungen für eine C-Achse [Abb. 3].

Etalon bietet eine effektive Art und Weise, diese Abweichungen hochgenau zu messen und zu kompensieren.

BILDER
Abweichungen der X-Achse

Die folgenden Animationen zeigen die einzelnen Abweichungskomponenten. Die Komponenten sind mit den Abkürzungen nach VDI 2617 und ISO 230-1 aufgelistet.

Position deviation in X-direction (XTX, EXX) Straightness deviation in Y-direction (XTY, EYX) Straightness deviation in Z-direction (XTZ, EZX) Roll around X-axis (XRX, EAX) Pitch around Y-axis (XRY, EBX) Yaw around Z-axis (XRZ, ECX)
Abweichungen der Y-Achse
Position deviation in Y-direction (YTY, EYY) Straightness deviation in X-direction (YTX, EXY) Straightness deviation in Z-direction (YTZ, EZY) Roll around Y-axis (YRY, EBY) Pitch around X-axis (YRX, EAY) Yaw around Z-axis (YRZ, ECY)
Abweichungen der Z-Achse
Position deviation in Z-direction (ZTZ, EZZ) Straightness deviation in X-direction (ZTX, EXZ) Straightness deviation in Y-direction (ZTY, EYZ) Roll around Z-axis (ZRZ, ECZ) Pitch around X-axis (ZRX, EAZ) Yaw around Y-axis (ZRY, EBZ)
Abweichung einer Drehachse
Positionierabweichung / Positioning error Axialbewegung/Hub / axial motion Radialbewegung / radial motion Taumeln / tilt motion