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antriebstechnik 7/2016

antriebstechnik 7/2016

WERKZEUGMASCHINEN I

WERKZEUGMASCHINEN I SPECIAL Für makellose Oberflächen Hochwertige Drehgeber vermeiden periodische Formabweichungen Michael Roth Ein wesentlicher Faktor für ein gutes Fräsergebnis ist die verwendete Messtechnik. Neben Längen- und Winkelmessgeräten haben die in den Servomotoren der Vorschub achsen einer Werkzeugmaschine eingesetzten Drehgeber deutlichen Einfluss auf die erreichbare Güte der gefrästen Oberflächen. Dr. Michael Roth ist Leiter Applikationsentwicklung bei der Dr. Johannes Heidenhain GmbH in Traunreut Untersuchungen zeigen bei der Firma Heidenhain, dass unter anderem die Interpolationsfehler der verwendeten Achsmessgeräte für störende, periodisch wiederkehrende Formabweichungen auf der Werkstück-Oberfläche verantwortlich sein können. Das menschliche Auge reagiert auf solche periodischen Formabweichungen besonders empfindsam. Abweichungen mit einer Wellenlänge von 0,5 bis 5 mm erkennt es besonders deutlich. Sie sind als Schatten oder Kontrastschwankungen sichtbar und müssen gerade im Formenbau aufwendig nachbearbeitet werden. Auswirkungen der kurz periodischen Abweichungen Der Formenbau benötigt Werkstücke mit immer komplexeren Geometrien, deren Herstellung alle Kombinationen an Achsbewegungen bei der 5-Achs-Bearbeitung erfordert. Wird z. B. eine schräge oder gekrümmte Bearbeitungsfläche durch die Interpolation mehrerer NC-Achsen gefertigt, können die Interpolationsfehler direkt am Werkstück sichtbar werden. Bei der Bearbeitung einer Schräge mit einem kleinen Winkel ist dieser Zusammenhang besonders gut erkennbar. Der Interpolationsfehler innerhalb einer Signal periode des Messgeräts in Z-Richtung kann durch Projektion auf die schräge Werkstück-Ober­ λ = n · SP h Ideale Bahn Gefräste Bahn SP = Signalperiode A = Amplitude n = 1/Steigung = b/h λ = Wellenlänge Abweichung in Z [µm] 1 500 mm/min 4000 mm/min 0.5 0 -0.5 -1 0 10 20 30 40 02 50 60 X [mm] 0.3 1.5 mm 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 50 51 52 53 54 55 A b 01 01 Interpolationsfehler und daraus resultierendes Wellenbild auf einer Werkstückschräge 02 Messergebnisse für Drehgeber 1 mit 3-fach höherem Interpolationsfehler 03 Messergebnisse für Drehgeber 2 mit geringerem Interpolationsfehler Abweichung in Z [µm] 1 500 mm/min 4000 mm/min 0.5 0 -0.5 -1 03 0 10 20 30 40 50 60 X [mm] 0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 50 51 52 53 54 55 52 antriebstechnik 7/2016

SPECIAL I WERKZEUGMASCHINEN fläche sichtbar gemacht werden. Aufgrund der Schräge entsteht eine n-fache Streckung der Signalperiode in der Bahn des Werkzeugs. Während die Achse in Z-Richtung nur eine Signalperiode verfährt, bewegt sich die X-Achse um n Signalperioden. Auf der Werkstückschräge entsteht dadurch ein Wellenbild mit einer Wellenlänge, die der n-fachen Signalperiode des Messgeräts an der Z-Achse entspricht. Versuchsanordnung mit Kreuzgitter-Messgerät Der Aufbau einer geregelten linearen Vorschubachse umfasst üblicherweise einen Servomotor, den Kugelgewindetrieb, die Achsstruktur und die Achsmesstechnik. Die Position der Achsstruktur erfasst ein Längenmessgerät. Das für die Geschwindigkeitsregelung der Achse relevante Istwertsignal liefert der Drehgeber des Servomotors. Sowohl Längenmessgeräte als auch Drehgeber besitzen Interpolationsfehler. Die im Folgenden vorgestellten Untersuchungsergebnisse resultieren aus der Variation des Drehgebers im Servomotor der Z-Achse, wobei Drehgeber mit unterschiedlich großen Interpolationsfehlern eingesetzt werden. Für die Untersuchungen kommt eine hochwertige Werkzeug- und Formenbaumaschine zum Einsatz. Sie verfügt an allen linearen Achsen über Heidenhain-Längenmessgeräte, um dauerhaft eine hohe Positioniergenauigkeit zu erreichen und die Auswirkungen thermisch bedingter Längenänderungen des Kugelgewindetriebs zu minimieren. Die Längenmessgeräte weisen einen Interpolationsfehler deutlich kleiner als ± 100 nm auf und verursachen keine sichtbaren Oberflächenwellen. Die im Versuch gemessenen Formabweichungen sind daher auf den Einfluss der Interpolationsfehler der beiden variierten Drehgeber zurückzuführen. Um die Effekte des Zerspanprozesses und der Bewegung des Tool Center Point trennen zu können, erfolgt vor der spanenden Bearbeitung die Ermittlung der am Tool Center Point auftretenden Bahnabweichungen mittels eines Heidenhain-Kreuzgitter-Messgeräts. Das Kreuzgitter-Messgerät ermöglicht die berührungslose Erfassung der Bahn abweichungen zwischen Tool Center Point und Maschinentisch in der Ebene der beiden bewegten Vorschubachsen. Für die Betrachtung relevant ist die Z-Achse der Maschine. An ihr wird der Drehgeber des Servomotors variiert. Zum Einsatz kommen dabei zwei anbaukompatible Drehgeber mit jeweils 2 048 Strichen auf der Teilscheibe. Drehgeber 1 weist jedoch einen 3-fach höheren Interpolationsfehler als Drehgeber 2 auf. Sichtbare Formabweichungen Ein sich periodisch über die gesamte Messlänge wiederholender Fehler weist bei zunehmender Überfahrgeschwindigkeit des Abtastkopfes eine ansteigende Frequenz auf. Das bedeutet, die Frequenz des Interpolationsfehlers ist von der Vorschubgeschwindigkeit abhängig. Überschreitet die Frequenz des Drehgeber-Interpola tionsfehlers die Grenzfrequenz des Lageregelkreises (höhere Vorschubgeschwindigkeit), so ist mit einem verstärkten Erscheinen dieses Interpolationsfehlers am Tool Center Point zu rechnen. Bild 02 zeigt die Messergebnisse für Drehgeber 1 mit höherem Interpolationsfehler bei zwei unterschiedlichen Bahnvorschubgeschwindigkeiten. Die Messkurven zeigen, dass bei einer eingestellten Vorschub geschwindigkeit von 4 000 mm/ min wellenförmige Bahnabweichungen in Z-Richtung auftreten. Bei Vergrößerung eines Ausschnitts der Kurve ist eine Wellenlänge von ca. 1,5 mm abzulesen. Dies entspricht einer Bahnabweichung am Tool Center Point, die auf einer Werkstückoberfläche als regel mäßige Welle abgebildet wird und damit für das menschliche Auge im gut sichtbaren Bereich liegt. Die Messergebnisse für Drehgeber 2 bei ansonsten unveränderten Randbedingungen stellt Bild 03 dar. Aufgrund des um Faktor 3 geringeren Interpolationsfehlers treten keine überlagerten Wellen auf. Die Abweichungen des Drehgebers im Servomotor der Z-Achse sind so gering, dass keine erkennbare periodische Bahnabweichung 05 Oberfläche mit störenden Schattierungen durch Drehgeber 1 mit 3-fach größerem Interpolationsfehler (oben) und einwandfreie Oberfläche durch Drehgeber 2 (unten) 04 Messtechnischer Versuchsaufbau mit Kreuzgitter-Messgerät zwischen Tool Center Point und Maschinentisch verursacht wird. Praxistest untermauert Versuchsergebnisse Dass diese theoretischen Betrachtungen auch für die Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück bzw. für die gefertigte Oberfläche gelten, zeigt ein gefrästes Werkstück aus Aluminium. Mit einem zweischneidigen PKD-Fräser Ø 6 mm wird eine Schräge mit 60 mm Breite und 0,4 mm Höhe unter Verwendung von Drehgeber 1 und Drehgeber 2 auf jeweils einem Werkstück eingebracht. Zur Erzeugung der Schräge wird das Werkstück in Y-Richtung im Gleichlauf abgezielt. Die eingestellte Vorschubgeschwindigkeit beträgt 4 000 mm/min. Der Interpolationsfehler von Drehgeber 1 ruft Wellen mit einer Wellenlänge von ca. 1,5 mm hervor, erkennbar als störende Schattierungen. Die zuvor bei den Messungen mit dem Kreuzgitter-Messgerät ermittelten Bahnabweichungen führen zu einer sichtlich verminderten Oberflächenqualität am Werkstück. Der Wechsel zu Drehgeber 2 mit 3-fach kleinerem Interpolationsfehler hat – bei ansonsten gleichen Randbedingungen – eine deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität zur Folge. Aufgrund des geringen Interpolationsfehlers des Drehgebers sind keine regelmäßigen Oberflächenwellen sichtbar. Einen im Vergleich zu Drehgeber 2 nochmals kleineren Interpolationsfehler weist der Heidenhain-Drehgeber ERN 1387 auf, der unter anderem auch für die Drehzahlregelung elektrischer Vorschubantriebe zum Einsatz kommt. www.heidenhain.de antriebstechnik 7/2016 53

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