Voraussetzung für eine rationell geführte Fertigung ist u.a. eine genaue Kenntnis quantitativer Angaben über Genauigkeit und Grenzen der eingesetzten Werkzeugmaschinen und Fertigungsmittel. Dies gewinnt zunehmend unter dem Aspekt der Automatisierung und der sich dadurch ergebenden geringeren direkten Eingriffe des Menschen in den Fertigungsprozess an Bedeutung. Im Vordergrund des Interesses stehen dabei die optimale Anpassung an die Fertigungsaufgabe und die wirtschaftliche Nutzung. Infolgedessen werden die für Kontrollen und Messungen erforderlichen Aufwendungen ganz erheblich reduziert. Festgestellte Abweichungen lassen sich einfach korrigieren. Die Genauigkeit einer CNC-Maschine wird nach verschiedenen Gesichtspunkten beurteilt. Im Folgenden werden die eingesetzten Messmittel in ihren physikalischen Grundlagen beschrieben, die unter dem Aspekt der Versuchsdurchführung zugehörigen Spezifikationen - wie beispielsweise Genauigkeit, Fehlerquellen und Richtlinien zur Handhabung - diskutiert und ein Versuchsplan erstellt, der die signifikanten Kennwerte und Kenngrößen zur Charakterisierung der Dynamik enthält. Die Versuchsdurchführung umfasst Hinweise und Richtlinien zum konkreten Messaufbau, der Darstellung der Ergebnisse sowie deren Auswertung und Erläuterung.

Textprobe: Kapitel 2.1.2, Kreisformtester: Nahezu alle Maschinenbaufirmen arbeiten heutzutage mit modernen CNC-Maschinen mit Positioniereinrichtungen, um die Herstellung ihrer Produkte zu automatisieren. Diese Maschinen verfügen über ausgezeichnete Wiederholungseigenschaften und sind die wirtschaftlichste Lösung bei mittleren Losgrößen. Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dass Bearbeitungsqualität und - genauigkeit immer nur so gut sind wie die Anlage selbst [REN-92]. Ein weit verbreitetes Verfahren zur Untersuchung des geometrischen und kinematischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen ist der Kreisformtest, bei dem die absolute Genauigkeit einer von der CNC-Steuerung interpolierten Kreisbahn vermessen wird. Kreisformtests mit großen Radien geben Auskunft über die Maschinengeometrie, wohingegen bei kleinen Kreisradien der Einfluss der Dynamik der Vorschubantriebe beurteilt wird. 2.1.2.1, VORTEILE DES KREISFORMTESTS: Ein Verfahren zur Überprüfung des ordnungsgemäßen Betriebs einer Anlage besteht darin, ein Testwerkstück zu bearbeiten und anschließend die Genauigkeit des Teils mit einem Koordinatenmessgerät zu überprüfen (Richtlinien hierfür finden sich unter anderem in der VDI 2851). Dieser Vorgang nimmt natürlich viel Zeit in Anspruch, da für die Einstellung der Anlage mehrere Stunden und danach für den genauen Schnitt ebenfalls einige Stunden benötigt werden. Dieses Vorgehen ist außerdem unwirtschaftlich, da Rohmaterial verbraucht und Schneidwerkzeuge zusätzlichem, unproduktivem Verschleiß ausgesetzt werden. Eine Alternative ist die Überprüfung der Anlage durch einen Kreisformtest, der die gleichzeitige Bewegung von zwei linearen und nominell lotrechten Achsen umfasst, deren kombinierte Bewegungen einen Kreis beschreiben. Dieser Vorgang lässt sich auf den meisten CNC-Anlagen leicht programmieren und zeigt Fehler und Ungenauigkeiten in der numerischen Steuerung, in den Antrieben und den Achsen der Maschine auf. Insofern zeigt sich der Kreisformtest als werkstattorientiertes Verfahren, der unter anderem nach Kollisionen durch Programmierfehler (‘Crashs’) Anwendung findet, da sich durch Verwendung und Interpretation der Messergebnisse relativ schnell eine Aussage über eventuelle Beschädigungen treffen und formulieren lässt. 2.1.2.2, AUFBAU DES RENISHAW-BALLBAR-VERFAHRENS: Das Renishaw Ballbar-Verfahren basiert auf dem geschilderten Ablauf und bietet außerdem den Vorteil der Datenerfassung im Computer. Der wichtigste Faktor im Renishaw-Verfahren mit einem Kreistest ist ein Präzisionslinearwandler, der sich über den Bereich von etwa 2.5 mm mit einem Messbereich von etwa 1 mm zusammendrücken beziehungsweise expandieren lässt. Er liefert elektrische Signale, die elektronisch in ein für das Programm verständliches Format umgewandelt und damit speicherbar und analysierbar werden. Der Ballbar hat eine nominelle Länge von 100 mm und kann durch Verlängerungsstangen auch größere Bereiche abdecken. Geringere Längen decken den Effekt des Umkehrspiels am besten auf, besonders bei hoher Geschwindigkeit. Größere Längen lassen geometrische Probleme (Achsen aus dem Lot) und Klebeverrutschungen an den Führungen der Achsen sehr gut erkennen, besonders bei niedrigen Geschwindigkeiten [WEC-5/97]. Zur Entkopplung der Einflüsse einzelner Maschinenachsen wird die Kreisebene so angeordnet, dass die Bewegung nur in zwei Achsen interpoliert wird. Während Tisch- und Werkzeugaufnahme relativ zueinander eine vorprogrammierte Kreisbahn mit dem Radius R abfahren, erfasst das Messsystem die relativen Verlagerungen, das heißt die Abweichungen von der Sollkreisbahn der Bewegung, welche von der Auswertesoftware in einem Polardiagramm aufgetragen werden. 2.1.2.3, ABLAUF DER DATENERFASSUNG: Nach dem Aufbau des Kreisformtesters wird über die Steuerung eine Kreisbahn vorgegeben und von der Maschine abgefahren. Die Abweichungen zur Idealbahn werden vom Kreisformtester aufgenommen und mittels einer Auswerteeinheit bewertet. Abweichungen von der Idealbahn manifestieren sich bei einem Kreis als Radiusänderungen während des Abfahrens der programmierten Sollbahn. Diese Schwankungen werden fotoelektrisch über eine Beleuchtungsdiode und einen linearen Inkrementalmaßstab erfasst und zur Berechnung an den Computer weitergeleitet. Der Idealweg, den das Messsystem bei der dynamischen Datenerfassung an einem Vollkreis beschreiben sollte, lässt sich in fünf Schritte unterteilen: Starttrigger (1 mm), Einlaufwinkel, Datenerfassungsbogen, Auslaufwinkel und Endtrigger (1 mm). i) Starttrigger: Die Spitze des Messsystems beschreibt einen Weg von maximal 5 mm, der tatsächliche Arbeitsbereich des Messwertwandlers beträgt jedoch circa 2 mm im Zentrum des Maximalweges. Der Messbereich liegt im Arbeitsbereich im Umkreis von circa 1 mm vom Zentrum des Arbeitsbereiches. Bei der dynamischen Datenerfassung geht die Software davon aus, dass das Messsystem außerhalb des Messbereichs startet, bevor der Datenerfassungsprozess beginnt. Sobald der Ballbar in Messbereich bewegt worden ist, beginnt die Software mit der Aufzeichnung und nimmt die Werte auf. Bei der dynamischen Datenerfassung ist es daher wichtig, dass die Ballbarspitze beim Start des Teileprogramms außerhalb ihres Messbereichs liegt. Der erste Schritt, den das Teileprogramm zu vollziehen hat, ist die direkte Bewegung zum Mittelpunkt des Datenerfassungskreises hin, damit der Ballbar mitten in den Messbereich gelangt (Starttrigger). Die Software beginnt mit dem Sampling des Messwertwandlers, sobald die Ballbarspitze in diesen Bereich kommt. Die Bewegung für den Starttrigger beträgt normalerweise etwa 1 bis 1,5 mm. Die Vorschubrichtung verläuft entlang einer der beiden Achsen in der angewählten Ebene. Dies ist nicht obligatorisch, erleichtert aber das Schreiben des Teileprogramms [REN-92]. ii) Ein -und Auslaufbogen: Nach Abschluss des Vorschubs sollte das Teileprogramm damit beginnen, den Ballbar durch zwei Kreise laufen zu lassen, das heißt über 720°, wobei der Radius bei beiden gleich der Nennlänge des Ballbars ist. Wichtig ist hierbei, dass dieser Vorgang nicht unterbrochen wird. Über die vollen 720° werden Daten erfasst, jedoch werden die Daten, die im Ein- und Auslaufbogen erfasst werden, von der Software gelöscht. Sinn und Zweck der Winkelübersteuerungsbogen besteht darin, es der Anlage zu ermöglichen, eine konstante Winkelvorschubgeschwindigkeit zu erreichen, bevor der Durchlauf durch einen Datenerfassungsbogen von 360° gestartet wird, und sicherzustellen, dass diese Geschwindigkeit nicht wieder absinkt, bevor die Datenerfassung bei 360° abgeschlossen ist. Wenn mit Winkelübersteuerungsbogen gearbeitet wird, befindet sich immer ein Übersteuerungsbogen vor und einer hinter dem Datenerfassungsbogen, ein Übersteuerungsbogen allein ist nicht möglich. Außerdem müssen beide Übersteuerungsbogen gleich groß sein. Winkelübersteuerungsbogen von 180° sind ideal bei der Datenerfassung an einem Vollkreis das Teileprogramm wird dadurch vereinfacht. iii) Datenerfassungsbogen: Damit ist der Bogen von 360° zwischen den beiden Winkelübersteuerungsbogen gemeint, an dem die Software die Daten erfasst und speichert. Die Anlage bewegt die Ballbarspitze mit einer konstanten Winkelvorschubgeschwindigkeit (Bahngeschwindigkeit) um den Datenerfassungsbogen herum. iv) Endtrigger: Der Endtrigger ist der gegensätzliche Vorgang zum Starttrigger, das Messsystem wird in seine Ausgangsposition zurückgebracht. Dadurch werden Messwertwandler und dazugehörige Teile vor Beschädigungen geschützt. Würde der Ballbar nicht in die Ausgangsstellung gebracht und das Teileprogramm erneut gestartet, könnte die Maschine die Achsen so bewegen, dass der Messwertwandler so stark komprimiert würde, bis er oder die Kugelgelenke zerstört würden. Zusammenfassend müssen folgende Punkte bei der dynamischen Datenerfassung und der Entscheidung, wie die Maschine ihre Achsen bei der Steuerung durch ein Teileprogramm bewegen soll, berücksichtigt werden: Das Messsystem wird vor und nach dem Datenerfassungsablauf durch einen Bogen von 180° bewegt, damit die Winkelvorschubgeschwindigkeit stabilisiert werden kann. Die Anlage muss für eine konstante Vorschubgeschwindigkeit programmiert sein. Die Anlage muss den Ballbar gleichmäßig, das heißt ohne zu stoppen, durch die Winkelübersteuerungs - und Datenerfassungsbögen bewegen. Vorgehensweise bei der Datenerfassung auf einem Halbkreis: Zur Erfassung von dynamischen Messdaten auf einem 180°-Kreis bedarf es prinzipiell der gleichen Abschnitten und Schritte wie obig für die Vollkreis-Abtastung beschrieben und erläutert. Allerdings differieren einige Bezeichnungen zur Charakterisierung der Messparameter.

• Vorschubkonstanz

• Positionierzeit

• Schleppabstand

• Kreisformabweichung

• dynamisches Verhalten

Stefan Schwarzwälder, Dipl.-Ing. Maschinenbau, wurde 1977 in Karlsruhe geboren. Sein Studium an der Universität Karlsruhe (TH) schloss er mit Auszeichnung ab. Bereits während des Studiums war er u.a. für das Institut für Werkstoffkunde sowie das Institut für Experimentelle Kernphysik als Tutor tätig. Nach dem Studium lehrte er ein halbes Jahr an der Bildungsakademie Karlsruhe, bevor er das Referendariat für Lehramt an beruflichen Schulen antrat. Seit 2004 ist er Lehrer für Mechatronik und Physik an der Carl-Engler-Schule, der er auch als Bereichsleiter vorsteht. Zudem ist er weiterhin als Honorarreferent für die Bildungsakademie, das KIT sowie im Bereich von Firmenschulungen tätig und leitet Fortbildungen des Regierungspräsidiums Karlsruhe. Er verfasste bereits mehrere Bücher, u.a. zu den Bereichen Werkzeugmaschinen, Pädagogik und Physik.