Lehrenbohrwerke optimieren - Teil 1

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Forderung bei Helikoptergetriebe: So genau wie möglich

Daneben gibt es aber eine Vielzahl von Fällen, in denen das Toleranzspektrum nicht durch Seriengrössen/Fehlerraten im Betrieb oder anderen Praxiserfahrungen erprüfbar ist. In diesem Fall kommen Lehrenbohrwerke oder superpräzise 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. in der Fertigung von Vorrichtungen, Spindeln, Drehtischen oder Dreh-/Schwenk-einheiten.

Einflüsse auf die Werkstückgenauigkeit

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. Die Genauigkeitsanforderungen werden also vom Werkstück bzw. von dessen späterer Funktion festgelegt.

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. Generell wird die Genauigkeit am Teil von vielen Einzelfaktoren bestimmt, wie z.B.

- verwendetes Werkstückmaterial (thermisches Verhalten, Eigenspannungen ...)

- Bearbeitungsstrategie (Programmierung, Aufspannungen, Reihenfolge der Bearbeitungen, Prozessparameter ...)

- Umgebungsbedingungen (v. a. Temperatur und Temperaturänderungen)

- Werkzeugmaschine (Geometrie, Steifigkeit, thermisches Verhalten, dynamisches Verhalten)

Ursachen geometrischer Abweichungen

Normalerweise wird eine bestimmte geometrische Abweichung am Werkstück primär durch einen oder zwei einzelne Effekte verursacht. Z.B. 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.

Diese Effekte stellen dann einen «Bottleneck» für die erreichbare Genauigkeit dar. Zur Verbesserung muss konkret diese Schwachstelle angegangen werden. Eine Verbesserung an anderen Stellen der Maschine hätte kaum messbaren Einfluss auf die Gesamtperformance.

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, was eine genaue Evaluation von Kunden und Herstellern von Werkzeugmaschinen bedingt.

Werkzeugmaschinenkonzept muss ausgewogen sein

Die Kunst hierbei ist, dass eine Werkzeugmaschine ausgewogen sein muss. Das bedeutet in anderen Worten, dass keine Fehler passieren dürfen, denn einzelne Schwachstellen bestimmen die Gesamtperformance der Maschine.

Genauigkeit von Werkzeugmaschinen

Wie im vorigen Abschnitt gezeigt, hängt die Genauigkeit am Werkstück selbst nur zum Teil von der Grundgenauigkeit der Werkzeugmaschine ab.

Allerdings kann der Werkzeugmaschinenhersteller durch intelligentes Design auch dafür sorgen, dass die Maschine möglichst robust auf Störungen, etwa auf Änderungen in den Umgebungsbedingungen reagiert. So soll sich z.B. eine Änderung in der Umgebungstemperatur («Hallentor auf») möglichst wenig auf das zu fertigende Bauteil auswirken.

Geometrische, thermische und dynamische Verhalten

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.

In den folgenden Kapiteln werden diese Punkte durchleuchtet und intelligente Lösungen zur Verbesserung der Gesamtgenauigkeit dargestellt.

Das geometrische Verhalten

Jede seriellkinematische Werkzeugmaschine besteht aus einer gewissen Anzahl Einzelachsen, die aufeinander aufbauen. Jede dieser Achsen soll eine gewisse Bewegung in genau einem Freiheitsgrad ausführen, d.h. eine genau definierte Translation (Linearachse) oder Rotation (Drehachse).

Tatsächlich jedoch hat jede ausgeführte Bewegung Abweichungen in allen sechs räumlichen Freiheitsgraden. So hat z.B. 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 z. B. Linear-achsen eine Abweichung in der Rechtwinkligkeit zueinander oder Rotationsachsen haben eine Abweichung in Position und Orientierung.

Bei genauer Betrachtung (siehe [1]) 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 [2] oder gemäss ISO 230-2 [3] 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 (siehe unten).

Möglichkeiten zur Verbesserung des geometrischen Verhaltens

Ein gutes Beispiel für die Verbesserung des geometrischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen ist die Einführung von direkten Messsystemen. Anstelle die Position einer Achse indirekt über das Motormesssystem zu erfassen, wird die Lage direkt bestimmt, d.h. durch Linearmassstäbe bzw. Winkelmessgeräte für Rotationsachsen.

Damit haben Abweichungen in den Übersetzungsstufen (z.B. Getriebefehler oder Steigungsfehler bei Kugelgewindetrieben) keinen Einfluss mehr. Ausserdem werden Fehler bei Achsumkehr durch Änderung der Bewegungsrichtung direkt erfasst und können ausgeregelt werden.

Führung wird nicht gerade, sondern kurvig geschabt

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. Weiterhin besteht das beste Vorgehen aus dem manuellen Schaben der Führungsflächen (siehe Bild 1). Für beste Ergebnisse sind jahrelange Erfahrung und sorgsames Arbeiten der Mitarbeiter erforderlich. Bei SIP wird eine definierte Kurve in die Führung geschabt, so dass sich bei Belastung durch Ständer und Tisch eine gerade Führungsbahn ergibt.

Einfluss unterschiedlicher Werkstückgewichte minimieren

Einflüsse durch die unterschiedliche quasistatische Belastung der Führung (unterschiedlich schwere Werkstücke, Bewegen der Achsen, Umkehr der Reibungskräfte bei Umkehr der Bewegungsrichtung, statischer Anteil der Prozesslast) sollen dabei minimiert werden. Maschinenbaulich braucht es eine äusserst steife Maschine mit definierter Aufstellung (z.B. 3-Punkt-Auflage, d. h. keine Verspannung durch die Aufstellung), die auch bei sich ändernden Werkstückgewichten und über die Lebensdauer der Maschine hinweg die Genauigkeit beibehält. V

Thermisches Verhalten

Das thermische Verhalten ist für Werkzeugmaschinen heute in den meisten Fällen am wichtigsten, d.h. Probleme, bestimmte Toleranzen am Werkstück einzuhalten, haben oft ihre Ursache im thermischen Verhalten der Maschine.

Durch interne und externe Wärmequellen dehnt sich eine Maschine aus. Ein Teil dieser Erwärmung ist homogen, d.h. gleichförmig über die gesamte Maschinenstruktur. Stahl etwa dehnt sich mit ca. 12 µm pro Meter Länge und °C Temperaturerhöhung aus, Glas (Hauptmaterial für direkte Messsysteme der Linearachsen) dehnt sich mit ca. 8 µm pro Meter Länge und °C Temperaturerhöhung aus.

Möglichst vermeiden: inhomogene Wärme-Ausdehnungen

Ein Teil der Ausdehnung ist inhomogen, d.h. bestimmte Teile der Maschine erwärmen stärker als andere. Hierdurch ändern sich die Geometrieabweichungen der Maschine. Wenn sich z.B. das Maschinenbett auf der Oberseite stärker erwärmt als auf der Unterseite, wird es sich nach oben durchbiegen.

Relevante Wärmequellen sind etwa die Antriebe (Spindel, Achsantriebe), Kühlschmiermittel, Kühlmittel-, Hydraulik- und Pneumatikversorgung, der Prozess selbst und die Umgebung.

Als Verhalten anzustreben ist, inhomogene Temperaturerhöhungen so weit wie möglich zu vermeiden und ein homogenes Ausdehnungsverhalten der Maschine zu erreichen, das möglichst gut dem des Werkstücks entspricht (ähnliche Ausdehnungskoeffizienten, ähnliche Wärmekapazitäten).

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

Möglichkeiten zur Verbesserung des thermischen Verhaltens

Ein Beispiel, möglichst wenig Wärme in die Maschinenstruktur einzubringen, zeigt die Konstruktion der Spindel des Lehrenbohrwerks SIP 5000.

Egal ob Motor- oder Getriebespindel, der Hauptantrieb stellt immer eine beträchtliche Wärmequelle dar. Bei der SIP 5000 sind die Spindel und ihr Hauptantrieb thermisch getrennt. Der Antrieb ist über eine Riemenstufe mit der Spindel verbunden. Die erzeugte Wärme des Hauptantriebs kann an die Umgebung anstelle an die Maschinenstruktur abgegeben werden.

Verlagerung ermitteln und kompensieren

Eine einfachere Lösung wurde bei dem Bearbeitungszentrum SPC 7120 SIP gewählt. Die Maschine verfügt über eine thermosymmetrische Grundkonstruktion. Sie ist allerdings mit konventionellen Getriebe- bzw. 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.

Nachführung der Kühlmitteltemperatur

Andere thermische Massnahmen, wie man sie von den bewährten SIP Lehrenbohrwerken kennt, wurden übernommen. Durch Nachführung der Kühlschmiermitteltemperatur nach der Umgebungstemperatur und durch Entfernung von Wärmequellen von der Struktur werden inhomogene Temperaturerhöhungen so weit wie möglich vermieden.

Durch das Verwenden von Stahlmassstäben wird ein thermisches System mit einem homogenen Ausdehnungsverhalten erzeugt (Maschine und Werkstück verhalten sich thermisch sehr ähnlich). Dadurch haben Änderungen in der Umgebungstemperatur einen kleineren Einfluss auf die Werkstückgenauigkeit.

In Teil 2: Dynamische Verhalten und numerische Kompensation

Das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen hat einen erheblichen Einfluss auf die Präzision am Werkstück. Insofern wird in Teil 2 (SMM 19) dieses zweiteiligen Beitrages auf diese Thematik spezifisch eingegangen. Zudem werden auch die Möglichkeiten der numerischen Kompensation erörtert.

Literatur

[1] Bringmann, B., Besuchet, J. P., Rohr, L., Systematic evaluation of calibration methods, Annals of the CIRP, 57/1, 2008, 529?532.

[2] VDI/DGQ 3441:1977, Statistische Prüfung der Arbeits- und Positionsgenauigkeit von Werk-zeugmaschinen; Grundlagen, VDI.

[3] ISO 230-2:2006, Test code for machine tools ? Part 2: Determination of accuracy and repeat-ability of positioning numerically controlled axes.

[4] Bringmann, B., Maglie, P., A Method for Direct Evaluation of the Dynamic 3D Path Accuracy of NC Machine Tools, Annals of the CIRP, 58/1, 2009.

[5] ISO 1:2002, Geometrical Product Specifications (GPS), Standard reference temperature for geometrical product specification and verification.

[6] Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, International Organization of Standardization, Second edition, 1995. Hamburg, März 2005, S. 173, ISBN 3-930400-72-3.

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EMO 2009: Halle 4, Stand C14