Mastering für CMM-Präzision

Die meistenCMM-Maschinen (Koordinatenmessgeräte) werden hergestellt vonGranitkomponenten.

Koordinatenmessgeräte (KMG) sind flexible Messgeräte und haben in der Fertigung vielfältige Aufgaben übernommen, darunter den Einsatz im traditionellen Qualitätslabor und neuerdings auch die direkte Produktionsunterstützung in der Fertigung unter raueren Bedingungen. Das thermische Verhalten von KMG-Encodern spielt eine wichtige Rolle bei der Wahl ihrer Aufgaben und Anwendungen.

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel von Renishaw wird das Thema schwimmende und gemasterte Montagetechniken für Encoder-Skalen erörtert.

Encoder-Skalen sind entweder thermisch unabhängig von ihrem Montagesubstrat (schwimmend) oder thermisch abhängig vom Substrat (gemastert). Eine schwimmende Skala dehnt und zieht sich entsprechend den thermischen Eigenschaften des Skalenmaterials aus, während sich eine gemasterte Skala im gleichen Maße wie das darunterliegende Substrat ausdehnt und zusammenzieht. Die Montagetechniken für Messskalen bieten vielfältige Vorteile für verschiedene Messanwendungen: Der Artikel von Renishaw beschreibt einen Fall, in dem eine gemasterte Skala die bevorzugte Lösung für Laborgeräte sein könnte.

KMGs werden im Rahmen der Qualitätskontrolle zum Erfassen dreidimensionaler Messdaten von hochpräzisen, bearbeiteten Komponenten wie Motorblöcken und Schaufeln von Strahltriebwerken verwendet. Es gibt vier Grundtypen von Koordinatenmessgeräten: Brücken-, Ausleger-, Portal- und Horizontalarm-Koordinatenmessgeräte. Brücken-KMGs sind am gebräuchlichsten. Bei einer KMG-Brückenkonstruktion ist eine Pinole für die Z-Achse auf einem Schlitten montiert, der sich entlang der Brücke bewegt. Die Brücke wird auf zwei Führungen in Richtung der Y-Achse angetrieben. Ein Motor treibt eine Schulter der Brücke an, während die gegenüberliegende Schulter traditionell nicht angetrieben wird: Die Brückenstruktur wird normalerweise auf Luftlagern geführt/gelagert. Der Schlitten (X-Achse) und die Pinole (Z-Achse) können durch einen Riemen, eine Spindel oder einen Linearmotor angetrieben werden. KMGs sind darauf ausgelegt, nicht wiederholbare Fehler zu minimieren, da diese in der Steuerung nur schwer kompensiert werden können.

Hochleistungs-KMGs bestehen aus einem Granitbett mit hoher thermischer Masse und einer steifen Portal-/Brückenkonstruktion mit einer Pinole mit geringer Trägheit, an der ein Sensor zur Messung der Werkstückmerkmale angebracht ist. Die generierten Daten dienen dazu, sicherzustellen, dass die Teile die vorgegebenen Toleranzen einhalten. Hochpräzise Linearencoder sind an den separaten X-, Y- und Z-Achsen installiert, die bei größeren Maschinen mehrere Meter lang sein können.

Ein typisches Koordinatenmessgerät aus Granit in Brückenbauweise wird in einem klimatisierten Raum mit einer Durchschnittstemperatur von 20 ± 2 °C betrieben, wobei sich die Raumtemperatur dreimal pro Stunde ändert. Dadurch kann der Granit mit seiner hohen thermischen Masse eine konstante Durchschnittstemperatur von 20 °C aufrechterhalten. Ein auf jeder Koordinatenmessgerät-Achse installierter schwebender linearer Edelstahl-Encoder wäre weitgehend unabhängig vom Granitsubstrat und würde aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen thermischen Masse, die erheblich niedriger ist als die des Granittisches, schnell auf Änderungen der Lufttemperatur reagieren. Dies hätte eine maximale Ausdehnung oder Kontraktion des Maßstabs über eine typische 3-m-Achse von ca. 60 µm zur Folge. Diese Ausdehnung kann einen erheblichen Messfehler verursachen, der wegen seiner zeitlichen Schwankungen nur schwer kompensiert werden kann.

In diesem Fall ist ein auf das Substrat abgestimmter Maßstab die bevorzugte Wahl: Ein auf das Substrat abgestimmter Maßstab würde sich nur entsprechend dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) des Granitsubstrats ausdehnen und würde daher bei geringen Schwankungen der Lufttemperatur nur geringe Veränderungen zeigen. Längerfristige Temperaturschwankungen müssen dennoch berücksichtigt werden und beeinflussen die Durchschnittstemperatur eines Substrats mit hoher thermischer Masse. Die Temperaturkompensation ist unkompliziert, da die Steuerung lediglich das thermische Verhalten der Maschine kompensieren muss, ohne das thermische Verhalten des Encodermaßstabs zu berücksichtigen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Encodersysteme mit substratgemasterten Maßstäben eine hervorragende Lösung für Präzisions-KMGs mit Substraten mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und hoher thermischer Masse sowie für andere Anwendungen darstellen, die hohe Messleistung erfordern. Zu den Vorteilen gemasterter Maßstäbe gehören die Vereinfachung der thermischen Kompensation und die Möglichkeit zur Reduzierung nicht wiederholbarer Messfehler, die beispielsweise durch Lufttemperaturschwankungen in der lokalen Maschinenumgebung entstehen.