Wie man Genauigkeitsangaben von Werkzeugmaschinen liest

Was wird eigentlich gemessen oder kontrolliert?

Genauigkeitsangaben von CNC-Werkzeugmaschinen beschreiben, wie genau die Maschine eine definierte Position im Arbeitsraum erreicht und hält. Zwei Kernwerte dominieren diese Angaben: Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit.

Die Positioniergenauigkeit (auch Positionsgenauigkeit genannt) gibt an, wie groß die maximale Abweichung zwischen der vom Bediener programmierten Position und der tatsächlichen Position der Maschineneinheit (z. B. Werkzeugspitze, Werkstückaufnahme) ist. Sie beschreibt also die "absolute Genauigkeit" der Maschine: Wenn Sie eine Position X = 100 mm programmieren, darf die tatsächliche Position zum Beispiel maximal 0,003 mm von diesem Wert abweichen.

Die Wiederholgenauigkeit gibt an, wie genau die Maschine dieselbe Position wiederholt erreicht, wenn sie mehrmals nacheinander dorthin fährt. Sie beschreibt die Konsistenz der Positionierung: Wenn Sie eine Position 10 Mal anfahren, darf die Abweichung zwischen den einzelnen Messungen maximal 0,0024 mm betragen.

Wichtig: Beide Werte beziehen sich auf einzelne Achsen der Maschine. Bei Mehrachsenmaschinen (z. B. 5-Achs-Zentren) gibt es zudem Genauigkeitsangaben für die rotierenden Achsen, die aber nach dem gleichen Prinzip funktionieren.

Warum es wichtig ist

Die Genauigkeitswerte bestimmen direkt die Qualität Ihrer Teile, die Montierbarkeit von Baugruppen und die Kosten Ihrer Produktion.

Für die Teilfunktion: Wenn Sie ein Bauteil mit Passungen von 0,01 mm Toleranz herstellen, reicht eine Maschine mit einer Positioniergenauigkeit von 0,035 mm nicht aus – die Abweichung der Maschine würde die Toleranz des Teils überschreiten. Beispielsweise erfordert die Herstellung von Präzisionskomponenten für die Elektronikindustrie (z. B. Gehäuse für Halbleiter) Positioniergenauigkeiten von unter 0,005 mm, wie sie die GA-DV750 (0,003 mm) oder die GA-UHD500 (0,006 mm) bieten.

Für die Montierbarkeit: Wenn mehrere Teile zu einer Baugruppe zusammengefügt werden müssen, ist die Wiederholgenauigkeit besonders wichtig. Eine hohe Wiederholgenauigkeit sorgt dafür, dass jedes Teil der Serie die gleichen Abmessungen hat, sodass Passungen nicht zu eng oder zu locker ausfallen. Beispielsweise erfordert die Montage von Motorbaugruppen, bei denen mehrere Komponenten exakt aufeinander abgestimmt sein müssen, Wiederholgenauigkeiten von unter 0,01 mm.

Für die Kosten: Eine unzureichende Genauigkeit führt zu Ausschuss, Nacharbeit oder teuren Anpassungen an der Baugruppe. Andererseits bedeutet eine überdimensionierte Genauigkeit höhere Anschaffungs- und Wartungskosten: Eine Maschine mit 0,003 mm Positioniergenauigkeit kostet in der Regel mehr als eine Maschine mit 0,01 mm, auch wenn die höhere Genauigkeit für Ihre Anwendung nicht benötigt wird.

Wie es gemessen oder erreicht wird

Genauigkeitswerte werden nach standardisierten Verfahren gemessen, um Vergleichbarkeit zwischen verschiedenen Maschinen zu gewährleisten. Die gängigste Methode für Linearachsen ist die Messung mit einem Laserinterferometer – ein Gerät, das mit Laserlicht die Position der Maschineneinheit mit einer Genauigkeit von bis zu 0,0001 mm misst.

Messverfahren für Positioniergenauigkeit

1. Die Maschine wird auf Betriebstemperatur gebracht und stabilisiert (in der Regel nach 1–2 Stunden Laufzeit).
2. Der Messpunkt wird in regelmäßigen Abständen über den gesamten Arbeitsraum der Achse festgelegt (z. B. alle 50 mm bei einer X-Achse mit 700 mm Verfahrweg).
3. Die Maschine fährt mehrmals nacheinander zu jedem Messpunkt, zuerst in positiver Richtung (z. B. von 0 mm nach 700 mm) und dann in negativer Richtung (von 700 mm nach 0 mm).
4. Für jeden Messpunkt wird die maximale Abweichung zwischen der programmierten Position und der gemessenen Position ermittelt. Der größte Wert über alle Messpunkte hinweg ist die angegebene Positioniergenauigkeit.

Messverfahren für Wiederholgenauigkeit

1. Die Messung erfolgt unter den gleichen Bedingungen wie für die Positioniergenauigkeit.
2. Die Maschine fährt 5–7 Mal nacheinander zu jedem Messpunkt.
3. Für jeden Messpunkt wird die Differenz zwischen der größten und der kleinsten gemessenen Position ermittelt. Der größte Wert über alle Messpunkte hinweg ist die angegebene Wiederholgenauigkeit.

Praktische Grenzen der Messverfahren

Die Genauigkeit der Messung hängt von der Umgebung ab: Temperaturänderungen von nur 1 °C führen zu einer Längenänderung von Stahl um ca. 0,012 mm pro Meter Verfahrweg. Deshalb werden Messungen in klimatisierten Räumen durchgeführt, um diese Einflüsse zu minimieren.

Zudem gibt es Unterschiede zwischen den Messverfahren: Einige Hersteller messen nur in einer Richtung (nur positive oder nur negative), andere messen über den gesamten Arbeitsraum. Dies führt zu Unterschieden in den angegebenen Werten, auch wenn die Maschinen ähnlich gebaut sind.

Fehlerquellen: Wo die Zahlen herkommen und was sie verfälscht

Die angegebenen Genauigkeitswerte sind unter idealen Bedingungen gemessen. In der Praxis gibt es zahlreiche Fehlerquellen, die die tatsächliche Genauigkeit der Maschine reduzieren:

1. Temperaturänderungen: Wie bereits erwähnt, führen Temperaturunterschiede zu Längenänderungen von Maschinenteilen. Bei einer unklimatisierten Werkstatt kann die Temperatur um mehrere Grad pro Tag schwanken, was die Positioniergenauigkeit um bis zu 0,05 mm pro Meter Verfahrweg reduzieren kann.

2. Verschleiß: Mit der Zeit nutzen sich Führungen, Kugelumlaufspindeln und andere Maschinenteile ab. Dies führt zu einer Verringerung der Genauigkeit. Beispielsweise kann eine Maschine mit einer ursprünglichen Positioniergenauigkeit von 0,01 mm nach 5 Jahren Betrieb eine Genauigkeit von 0,02 mm haben, wenn sie nicht regelmäßig gewartet wird.

3. Last: Die Belastung der Maschine (z. B. durch das Gewicht des Werkstücks oder die Schnittkräfte) führt zu Verformungen. Bei einer Maschine mit einer maximalen Tischbelastung von 200 kg (z. B. GA-DV750) kann ein Werkstück von 180 kg die Positioniergenauigkeit um bis zu 0,005 mm reduzieren.

4. Messverfahren: Einige Hersteller messen nur in der Mitte des Arbeitsraums oder nur in einer Richtung, was zu zu niedrigen angegebenen Werten führt. Beispielsweise kann eine Maschine, die in der Mitte des Arbeitsraums eine Positioniergenauigkeit von 0,01 mm hat, an den Enden des Verfahrwegs eine Genauigkeit von 0,02 mm haben.

5. Kalibrierung: Die Genauigkeit der Maschine hängt von der regelmäßigen Kalibrierung ab. Wenn die Maschine nicht kalibriert wird, können die angegebenen Werte um bis zu 50 % abweichen.

Ehrliche Einschränkungen: Was diese Methode nicht sagt und häufige Überzeugungen

Genauigkeitsangaben sind wichtige Indikatoren, aber sie haben klare Grenzen:

1. Sie sagen nichts über die Genauigkeit der bearbeiteten Teile aus: Die Genauigkeit der Teile hängt nicht nur von der Maschine ab, sondern auch von der Werkzeugqualität, der Werkstückaufnahme, der Schnittgeschwindigkeit und der Kühlung. Beispielsweise kann eine Maschine mit einer Positioniergenauigkeit von 0,003 mm Teile mit einer Abweichung von 0,01 mm herstellen, wenn das Werkzeug nicht richtig geschärft ist.

2. Sie sagen nichts über die Langzeitstabilität aus: Die angegebenen Werte werden unter idealen Bedingungen gemessen und gelten für eine neue Maschine. Sie sagen nichts darüber aus, wie sich die Genauigkeit nach einem Jahr oder nach 10 Jahren Betrieb verändert.

3. Sie sagen nichts über die Genauigkeit bei hoher Geschwindigkeit aus: Die Messung der Genauigkeit erfolgt in der Regel bei niedriger Geschwindigkeit. Bei hohen Vorschüben (z. B. 48 m/min bei der GA-MV856) können Trägheitseffekte zu Abweichungen führen, die in den angegebenen Werten nicht berücksichtigt sind.

4. Häufige Überzeugung: "Niedrigere Werte sind immer besser": Dies ist nicht immer der Fall. Eine zu hohe Genauigkeit bedeutet höhere Kosten, sowohl bei der Anschaffung als auch bei der Wartung. Beispielsweise benötigt eine Maschine mit einer Positioniergenauigkeit von 0,003 mm eine regelmäßige Kalibrierung mit einem Laserinterferometer, was pro Kalibrierung mehrere hundert Euro kostet. Wenn Ihre Anwendung eine Genauigkeit von 0,01 mm ausreicht, ist eine Maschine mit 0,003 mm überdimensioniert.

5. Häufige Überzeugung: "Positioniergenauigkeit ist wichtiger als Wiederholgenauigkeit": Dies hängt von der Anwendung ab. Wenn Sie Teile herstellen, die einzeln bearbeitet werden und keine Passungen haben, ist die Positioniergenauigkeit wichtiger. Wenn Sie Serienteile herstellen, die zu Baugruppen zusammengefügt werden, ist die Wiederholgenauigkeit wichtiger. Beispielsweise erfordert die Herstellung von Serienteilen für die Automobilindustrie eine hohe Wiederholgenauigkeit, damit alle Teile der Serie die gleichen Abmessungen haben.

Zusammenfassende Tabelle

Praktische Checkliste für die richtige Anwendung

1. Bestimmen Sie die erforderliche Genauigkeit Ihrer Teile: Ermitteln Sie die maximale Toleranz Ihrer Teile und addieren Sie einen Sicherheitsfaktor von 50 %. Beispielsweise: Wenn Ihre Teile eine Toleranz von 0,01 mm haben, benötigen Sie eine Maschine mit einer Positioniergenauigkeit von maximal 0,0067 mm.
2. Vergleichen Sie die Genauigkeitswerte unter gleichen Bedingungen: Achten Sie darauf, dass die Genauigkeitswerte über den gesamten Arbeitsraum und in beiden Richtungen gemessen wurden.
3. Berücksichtigen Sie die Umgebung: Wenn Ihre Werkstatt nicht klimatisiert ist, wählen Sie eine Maschine mit einer höheren Genauigkeit, um Temperaturänderungen auszugleichen.
4. Berücksichtigen Sie die Last: Wenn Sie schwere Werkstücke bearbeiten, wählen Sie eine Maschine mit einer hohen maximalen Tischbelastung und einer stabilen Konstruktion.
5. Planen Sie regelmäßige Kalibrierung: Planen Sie eine Kalibrierung der Maschine alle 1–2 Jahre, um die Genauigkeit zu erhalten.
6. Berücksichtigen Sie die Kosten: Wählen Sie eine Maschine mit der erforderlichen Genauigkeit, aber nicht mehr. Eine überdimensionierte Genauigkeit führt zu unnötigen Kosten.

FAQ

1. Was ist der Unterschied zwischen Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit? Die Positioniergenauigkeit gibt die maximale Abweichung zwischen der programmierten Position und der tatsächlichen Position an (absolute Genauigkeit). Die Wiederholgenauigkeit gibt an, wie genau die Maschine dieselbe Position wiederholt erreicht (Konsistenz der Positionierung).

2. Warum haben verschiedene Maschinen unterschiedliche Genauigkeitswerte? Die Genauigkeitswerte hängen von der Konstruktion der Maschine, der Qualität der Komponenten, dem Messverfahren und den Messbedingungen ab. Beispielsweise hat die GA-DV750 (Vertikalbearbeitungszentrum mit Hochgeschwindigkeitsspindel) eine Positioniergenauigkeit von 0,003 mm, während die GA-MV856 (Vertikalbearbeitungszentrum mit mechanischer Spindel) eine Positioniergenauigkeit von 0,01 mm hat.

3. Kann ich die Genauigkeit einer Maschine verbessern? Ja, die Genauigkeit einer Maschine kann durch regelmäßige Kalibrierung, Wartung (z. B. Schmierung von Führungen und Kugelumlaufspindeln) und Anpassung an die Umgebung (z. B. Klimatisierung der Werkstatt) verbessert werden.

4. Wie oft sollte ich die Genauigkeit meiner Maschine messen? Die Genauigkeit sollte mindestens einmal pro Jahr gemessen werden, oder wenn Sie eine Änderung der Teilqualität feststellen. Bei hochpräzisen Anwendungen sollte die Genauigkeit alle 6 Monate gemessen werden.

5. Sind Genauigkeitswerte für Mehrachsenmaschinen vergleichbar mit denen für Einachsenmaschinen? Nein, Genauigkeitswerte für Mehrachsenmaschinen beziehen sich auf die einzelnen Achsen. Die Gesamtgenauigkeit der Maschine (z. B. die Genauigkeit der Position der Werkzeugspitze im 3D-Raum) hängt von der Genauigkeit aller Achsen und der Kalibrierung der Maschine ab. Beispielsweise hat die GA-MVD2560 (Vertikalbearbeitungszentrum mit zwei Spindeln) eine Positioniergenauigkeit von 0,015 mm für die X-Achse und 0,01 mm für die Y- und Z-Achse.

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