Mastering für CMM-Präzision

Die meisten davonCmm-Maschinen (Koordinatenmessgeräte) werden hergestellt vonGranitkomponenten.

Eine Koordinatenmessmaschine (CMM) ist ein flexibles Messgerät und hat in der Fertigungsumgebung eine Reihe von Rollen entwickelt, darunter den Einsatz im traditionellen Qualitätslabor und die neuere Rolle der direkten Unterstützung der Produktion in der Fertigungshalle in raueren Umgebungen.Das thermische Verhalten von CMM-Encoder-Maßstäben wird zu einem wichtigen Gesichtspunkt zwischen ihrer Rolle und Anwendung.

In einem kürzlich veröffentlichten Artikel von Renishaw werden die Themen der schwebenden und kontrollierten Montagetechniken für Encoder-Maßstäbe erörtert.

Encoder-Maßstäbe sind effektiv entweder thermisch unabhängig von ihrem Montagesubstrat (schwebend) oder thermisch vom Substrat abhängig (gemastert).Eine schwimmende Skala dehnt sich entsprechend den thermischen Eigenschaften des Skalenmaterials aus und zieht sich zusammen, während sich eine Master-Skala im gleichen Maße ausdehnt und zusammenzieht wie das darunter liegende Substrat.Die Montagetechniken für Messskalen bieten eine Vielzahl von Vorteilen für die verschiedenen Messanwendungen: Der Artikel von Renishaw stellt den Fall vor, bei dem eine Masterskala die bevorzugte Lösung für Labormaschinen sein könnte.

KMGs werden zur Erfassung dreidimensionaler Messdaten an hochpräzise bearbeiteten Komponenten wie Triebwerksblöcken und Triebwerksschaufeln im Rahmen eines Qualitätskontrollprozesses eingesetzt.Es gibt vier Grundtypen von Koordinatenmessgeräten: Brücken-, Ausleger-, Portal- und Horizontalarm-Koordinatenmessgeräte.Am weitesten verbreitet sind Brücken-KMGs.Bei einer KMG-Brückenkonstruktion ist eine Z-Achsen-Pinole auf einem Schlitten montiert, der sich entlang der Brücke bewegt.Der Antrieb der Brücke erfolgt entlang zweier Führungsbahnen in Y-Achsenrichtung.Ein Motor treibt eine Schulter der Brücke an, während die gegenüberliegende Schulter traditionell nicht angetrieben wird: Die Brückenstruktur wird typischerweise auf aerostatischen Lagern geführt/gestützt.Der Schlitten (X-Achse) und die Pinole (Z-Achse) können durch einen Riemen-, Schrauben- oder Linearmotor angetrieben werden.KMGs sind darauf ausgelegt, nicht wiederholbare Fehler zu minimieren, da diese in der Steuerung nur schwer zu kompensieren sind.

Hochleistungs-KMGs bestehen aus einem Granitbett mit hoher thermischer Masse und einer steifen Portal-/Brückenstruktur mit einer Pinole mit geringer Trägheit, an der ein Sensor zur Messung von Werkstückmerkmalen angebracht ist.Mithilfe der generierten Daten wird sichergestellt, dass Teile vorgegebene Toleranzen einhalten.Auf den separaten X-, Y- und Z-Achsen, die bei größeren Maschinen mehrere Meter lang sein können, sind hochpräzise Linear-Encoder installiert.

Ein typisches Granit-Brücken-KMG, das in einem klimatisierten Raum mit einer Durchschnittstemperatur von 20 ±2 °C betrieben wird, wobei die Raumtemperatur dreimal pro Stunde wechselt, ermöglicht es dem Granit mit hoher thermischer Masse, eine konstante Durchschnittstemperatur von zu halten 20 °C.Ein schwebender linearer Encoder aus Edelstahl, der auf jeder KMG-Achse installiert ist, wäre weitgehend unabhängig vom Granitsubstrat und würde aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und geringen thermischen Masse, die deutlich niedriger ist als die thermische Masse des Granittisches, schnell auf Änderungen der Lufttemperatur reagieren .Dies würde zu einer maximalen Ausdehnung oder Kontraktion der Skala über eine typische 3-m-Achse von etwa 60 µm führen.Diese Ausdehnung kann zu einem erheblichen Messfehler führen, der aufgrund seiner zeitlichen Schwankung schwer zu kompensieren ist.

In diesem Fall ist eine substratgesteuerte Skala die bevorzugte Wahl: Eine gemasterte Skala würde sich nur mit dem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) des Granitsubstrats ausdehnen und würde daher kaum Änderungen als Reaktion auf kleine Schwankungen der Lufttemperatur zeigen.Längerfristige Temperaturänderungen müssen dennoch berücksichtigt werden und diese wirken sich auf die Durchschnittstemperatur eines Substrats mit hoher thermischer Masse aus.Die Temperaturkompensation ist unkompliziert, da die Steuerung nur das thermische Verhalten der Maschine kompensieren muss, ohne auch das thermische Verhalten der Encoder-Skala zu berücksichtigen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Encodersysteme mit substratgesteuerten Maßstäben eine hervorragende Lösung für Präzisions-KMGs mit Substraten mit niedrigem CTE/hoher thermischer Masse und anderen Anwendungen sind, die ein hohes Maß an Messleistung erfordern.Zu den Vorteilen beherrschter Skalen gehören die Vereinfachung der thermischen Kompensationssysteme und die Möglichkeit zur Reduzierung nicht wiederholbarer Messfehler, die beispielsweise durch Lufttemperaturschwankungen in der lokalen Maschinenumgebung verursacht werden.