Maximierung der Genauigkeit von CNC-Maschinen: Was macht den Unterschied aus?

In der zerspanenden Industrie ist die "Bearbeitungsgenauigkeit" ein häufig verwendeter Begriff. Er wird im Laufe des Tages mehrfach erwähnt, und wenn man sich mit Personen aus der Branche unterhält, wird die Bearbeitungsgenauigkeit immer wieder ins Gespräch gebracht.

Es stellt sich also die Frage: Wie kann die CNC-Maschine die Bearbeitungsgenauigkeit garantieren?

Die Genauigkeit der CNC-Maschine Werkzeugmaschinen hängt letztlich von der Präzision der Werkzeugmaschine selbst ab. Diese Präzision umfasst verschiedene Faktoren wie geometrische Genauigkeit, Positioniergenauigkeit, Wiederholpositioniergenauigkeit und Schnittgenauigkeit.

Geometrische Genauigkeit:

Sie wird auch als statische Genauigkeit bezeichnet, die die geometrischen Fehler der wichtigsten Komponenten von CNC-Werkzeugmaschinen nach der Montage.

Positionierungsgenauigkeit:

Dies zeigt, wie genau die Bewegung der Werkzeugmaschine gemessen wird, während sie von der numerischen Steuerung gesteuert wird. Anhand des gemessenen Wertes der Positioniergenauigkeit kann die optimale Genauigkeit für die Bearbeitung des Werkstücks im automatisierten Bearbeitungsprozess der Werkzeugmaschine bestimmt werden.

Die Positioniergenauigkeit bezieht sich auf die Differenz zwischen der tatsächlichen Position des Teils oder Werkzeugs und der Standardposition (theoretische oder ideale Position). Je kleiner die Differenz ist, desto größer ist die Genauigkeit.

Um die Genauigkeit der Teilebearbeitung zu gewährleisten, ist eine hohe Positioniergenauigkeit eine entscheidende Voraussetzung.

RWiederholte Positionierungsgenauigkeit

Dies bezieht sich auf die Konsistenz der Positionsgenauigkeit, die durch wiederholte Ausführung desselben Programmcodes auf ein CNC Werkzeugmaschine. Dazu gehört auch die Konsistenz der Ergebnisse, die durch die Bearbeitung einer Charge von Teilen unter denselben Bedingungen erzielt werden, z. B. mit derselben CNC-Werkzeugmaschine und denselben Arbeitsmethoden sowie mit demselben Teileprogramm.

Schnittgenauigkeit:

Hierbei handelt es sich um eine umfassende Prüfung der Geometrie- und Positioniergenauigkeit der Werkzeugmaschine während der Zerspanungsvorgänge.

Wie oben beschrieben, wird die Genauigkeit von CNC-Werkzeugmaschinen in mechanische und elektrische Aspekte unterteilt. Die mechanischen Aspekte umfassen die Genauigkeit der Spindel, einschließlich Rundlauf und Stromschiene, die Genauigkeit der Leitspindel, die Genauigkeit der Spannvorrichtung während der Bearbeitung und die Steifigkeit der Werkzeugmaschine.

Die elektrischen Aspekte betreffen in erster Linie Regelungsmethoden wie den halbgeschlossenen und den vollständig geschlossenen Regelkreis, Rückkopplungs- und Kompensationsmethoden sowie die Interpolationsgenauigkeit bei der Verarbeitung.

Die Genauigkeit der Werkzeugmaschine hängt also nicht nur davon ab, ob sie vollständig geregelt ist oder nicht.

I. Grundsätzliche Einführung

Die Bewegungskette von CNC-Werkzeugmaschinen umfasst die folgenden Komponenten: CNC-Gerät → Servo-Encoder → Servoantrieb → Motor → Schraube → bewegte Teile.

Je nach Einbaulage der Positionserfassungseinrichtung kann die Steuerung in drei Typen eingeteilt werden: vollständig geschlossene Regelung, halbgeschlossene Regelung und ungeregelte Regelung.

Servosystem mit vollständig geschlossenem Regelkreis

Die Werkzeugmaschine ist mit Positionserfassungsgeräten, wie z. B. Rasterlinealen und linearen Induktionssynchronisierern, ausgestattet, die an den beweglichen Teilen, wie z. B. den Werkbänken, angebracht sind. Diese Geräte liefern Echtzeit-Rückmeldungen über die Position der beweglichen Teile.

Nachdem das CNC-System die Informationen verarbeitet hat, wird der Zustand der Werkzeugmaschine an den Servomotor weitergegeben. Der Servomotor kompensiert dann automatisch jeden Bewegungsfehler durch den Systembefehl.

Da es sich jedoch um eine Regelung der großen Trägheitsglieder der Leitspindel, des Mutterpaares und des Maschinentisches handelt, kann es schwieriger sein, das System in einem stabilen Zustand zu testen.

Darüber hinaus kann die Installation von Messgeräten wie Gitternetzlinealen und linearen Induktionssynchronisierern teuer und kompliziert sein, was zu Schwingungen führen kann.

Aus diesem Grund verwenden die meisten allgemeinen Werkzeugmaschinen keinen vollständigen geschlossenen Regelkreis.

Vorschub-Servosystem mit halbgeschlossenem Regelkreis

Am Ende des Antriebsmotors oder der Spindelstange ist eine Positionserfassungsvorrichtung installiert, die den Drehwinkel der Spindel oder des Servomotors erfasst. Auf diese Weise wird indirekt die tatsächliche Position der beweglichen Teile der Werkzeugmaschine gemessen, die dann über eine Rückmeldung an das Steuerungssystem zurückgegeben wird.

Mit den Fortschritten in der mechanischen Fertigung und der Verbesserung der Genauigkeit von Drehzahlerfassungselementen und Spindelsteigungen haben CNC-Werkzeugmaschinen mit halbgeschlossenem Regelkreis ein ziemlich hohes Maß an Vorschubgenauigkeit erreicht.

Infolgedessen haben die meisten Werkzeugmaschinenhersteller den halbgeschlossenen Regelkreis weitgehend übernommen. CNC-Systeme.

II. Praktische Anwendung

Vollständig Kontrollsystem mit geschlossenem Regelkreis

Geräte zur Positionserfassung, wie z. B. Gitternetzlineale und lineare Induktionssynchronisatoren, weisen unterschiedliche Genauigkeitsgrade auf, die von ±0,01 mm bis ±0,003 mm reichen. Das Genauigkeitsniveau wirkt sich auf die Positioniergenauigkeit aus, und selbst bei vollständiger Regelung können Fehler auftreten.

Die Positionsbestimmung wird auch durch thermische Eigenschaften beeinflusst, insbesondere durch thermische Verformung. Messgeräte bestehen in der Regel aus nichtmetallische Werkstoffeund der Wärmeausdehnungskoeffizient variiert zwischen den verschiedenen Komponenten der Werkzeugmaschine.

Dies ist ein kritischer Aspekt der Genauigkeit von Werkzeugmaschinen und muss durch die Verringerung der Wärmeentwicklung während der Bearbeitung angegangen werden, um die temperaturbedingte thermische Verformung zu überwinden. High-End-Werkzeugmaschinen nutzen verschiedene Methoden wie Spindelhohlraumkühlung, Führungsschienenschmierung und Kühlung der Schneidflüssigkeit bei konstanter Temperatur, um thermische Verformungen zu reduzieren.

Auch die Installation des Positionserfassungsgeräts ist entscheidend. Theoretisch ist die Messung umso genauer, je näher sie sich an der Antriebsachse (Spindelpaar) befindet. Aufgrund baulicher Platzbeschränkungen gibt es jedoch nur zwei Möglichkeiten, das Gitterlineal zu installieren: seitlich an der Leitspindel oder außen an der Führungsschiene.

Die erste Installationsmethode ist zwar empfehlenswert, kann aber für Inspektions- und Wartungszwecke unpraktisch sein. Andererseits wurde zwar ein hochpräzises Gitternetzlineal ausgewählt, das jedoch nicht die erforderliche Genauigkeit für CNC-Werkzeugmaschinen erreichte.

Im ersten Fall befindet sich die Einbauposition des Gitternetzlineals relativ nahe an der Antriebsachse, hat aber dennoch einen gewissen Abstand zu ihr. Dieser Abstand in Verbindung mit dem Schwingen des Objekts während der Fahrt führt zu Problemen bei der Erkennung und Steuerung des Gitternetzlineals.

Wenn das angetriebene Objekt in Richtung der Einbauseite des Gitternetzlineals schwenkt, hält es die Bewegungsgeschwindigkeit bei der Erfassung für zu gering, so dass das System ein Beschleunigungssignal ausgibt. Wenn das angetriebene Objekt auf die andere Seite schwenkt, hält das Gitternetzlineal die Bewegungsgeschwindigkeit bei der Erkennung für zu hoch und das System gibt ein Abbremssignal aus.

Solche wiederholten Vorgänge verbessern nicht die Kontrolle der linearen Koordinatenachsen der CNC-Werkzeugmaschine, sondern verstärken die Vibrationen des Antriebsobjekts. Dies führt zu einem eigentümlichen Phänomen, bei dem der vollständig geschlossene Regelkreis nicht so gut ist wie der halbgeschlossene Regelkreis.

Auswirkungen der Produktion auf die Umwelt:

In Bearbeitungsbetrieben herrschen in der Regel raue Umgebungsbedingungen, in denen Staub und Vibrationen häufig vorkommen. Gittermaßstäbe und lineare Induktionssynchronisatoren sind jedoch Präzisionskomponenten, die die relative Bewegungsposition durch die Reflexion von Licht messen.

Staub und Vibrationen sind die beiden größten Faktoren, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Darüber hinaus sind Schneidöl- und Wassernebel bei der Bearbeitung auf Werkzeugmaschinen schwerwiegender und beeinträchtigen das Gitterlineal und das Linearinduktionssynchronisiergerät erheblich.

Wenn ein vollständig geschlossenes Steuerungssystem verwendet wird, ist es daher wichtig, für eine ordnungsgemäße Installation und Abdichtung zu sorgen und die Produktionsumgebung zu verbessern. Andernfalls wird die Genauigkeit der neuen Werkzeugmaschine, die ursprünglich gut war, innerhalb eines Jahres abnehmen, und die Maschine wird häufig Alarm schlagen.

Semi-closed loop control system

Da das Messgerät in der Regel an der Oberseite des Motors oder der Leitspindel angebracht ist, lässt es sich leichter abdichten, so dass sich Umweltauflagen erübrigen.

Der Genauigkeitsfehler des halbgeschlossenen Regelkreises hängt hauptsächlich vom Vorwärts- und Rückwärtsspiel der Schnecke ab.

Dank der Fortschritte in der mechanischen Bearbeitungstechnik ist das derzeitige Fertigungsniveau importierter Gewindespindeln relativ hoch. Hochpräzise Gewindespindelpaare eliminieren praktisch Vorwärts- und Rückwärtsspiel.

Außerdem wird bei der Montage ein zweireihiges Kugelumkehrspindelpaar verwendet, das das Vorwärts- und Rückwärtsspiel vollständig eliminieren kann.

Viele Werkzeugmaschinenhersteller verwenden die Vorspannmethode bei der Montage von Werkzeugmaschinen, um die Auswirkungen der thermischen Verformung auf die Genauigkeit des Spindelantriebs zu eliminieren.

Daher kann das derzeitige Semi-Closed-Loop-Steuerungssystem eine hohe Genauigkeit der Werkzeugmaschine gewährleisten.

III. Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die vollständige Regelung theoretisch die grundlegende Positioniergenauigkeit im Vergleich zur halbgeschlossenen Regelung verbessern kann, wenn externe Faktoren nicht berücksichtigt werden. Werden jedoch Faktoren wie Maschinenwärme, Umweltverschmutzung, Temperaturanstieg, Vibrationen und Installation nicht berücksichtigt, kann dies zu einem Szenario führen, in dem die Regelung mit geschlossenem Regelkreis schlechter abschneidet als die Regelung mit halbgeschlossenem Regelkreis.

Auch wenn es kurzfristig gut funktioniert, können Staub- und Temperaturschwankungen die Messdaten des Gitternetzlineals langfristig erheblich beeinträchtigen und damit seine Wirksamkeit verringern.

Außerdem wird bei einem Problem mit dem Gitternetzlineal ein Alarm ausgelöst, der zu einer Störung der Werkzeugmaschine führen kann.

Aufgrund von Kostenerwägungen und Wettbewerb wurde die vollständige Regelung für Werkzeugmaschinen des mittleren und unteren Segments vereinfacht. Dies hat zur Folge, dass einige Aspekte, wie z. B. die Kontrolle der Abdichtung und des Temperaturanstiegs, möglicherweise nicht ausreichend gewährleistet sind.

In solchen Fällen kann eine einfache Konfiguration des Rasterlineals die Genauigkeit der Werkzeugmaschine nicht verbessern und kann erhebliche Kosten verursachen.