Spiel und seine Kompensation

Was wird eigentlich gemessen oder gesteuert?

Zuerst klären wir den Begriff, der im Deutschen oft als „Spiel“ bezeichnet wird – im Englischen „Backlash“. Spiel ist der ungewollte Bewegungsspielraum zwischen zwei mechanischen Komponenten einer CNC-Maschine, der entsteht, wenn die Bewegungsrichtung umgekehrt wird. Ein einfaches Beispiel: Wenn Sie eine Schraube in ein Gewinde drehen und dann versuchen, sie zurückzudrehen, gibt es einen kleinen Moment, in dem sich die Schraube bewegt, ohne dass das Gewinde sofort auf die Gegenkraft reagiert. Dieser Leerlauf ist Spiel.

Bei CNC-Maschinen tritt Spiel hauptsächlich in den Bewegungsachsen auf, also zwischen:

• Leitspindel und Mutter (bei Kugelgewindetrieben, die in fast allen modernen CNC-Maschinen zum Einsatz kommen)
• Zahnrädern und Zahnstangen (bei großen Portalmaschinen mit langen Verfahrwegen)
• Getrieben, Lagern oder Werkzeugaufnahmen.

Wichtig: Spiel ist nicht das gleiche wie Positionsgenauigkeit oder Wiederholgenauigkeit. Positionsgenauigkeit beschreibt, wie genau eine Maschine eine vorgegebene Position erreicht, Wiederholgenauigkeit, wie zuverlässig sie diese Position bei wiederholten Fahrten erreicht. Spiel ist ein spezifischer Fehler, der nur bei Richtungsumkehr auftritt.

Warum es wichtig ist

Spiel wirkt sich direkt auf die Qualität von Bauteilen, die Montage und die Kosten Ihrer Produktion aus:

1. Maßgenauigkeit von Bauteilen: Wenn Sie eine Tasche fräsen, die in alle Richtungen umfahren wird, führt Spiel dazu, dass die Kanten der Tasche nicht genau parallel oder senkrecht zueinander verlaufen. Bei Bohrungen, die in mehreren Richtungen positioniert werden, kann Spiel dazu führen, dass die Lochabmessungen oder die Position von Bohrungen außerhalb der Toleranz liegen. Beispiel: Bei einer Präzisionsteilefertigung für die Medizintechnik kann ein Spiel von 0,01 mm dazu führen, dass ein Implantat nicht passt und das gesamte Bauteil ausgeschieden werden muss.
2. Oberflächenqualität: Bei Richtungsumkehr während der Bearbeitung führt Spiel zu einem kleinen Ruck oder einer Verzögerung der Werkzeugbewegung. Das erzeugt Rillen, Markierungen oder ungleichmäßige Oberflächen, die bei sichtbaren Bauteilen oder Bauteilen mit hohen Gleitanforderungen nicht akzeptabel sind.
3. Montageprobleme: Wenn Spiel bei der Bearbeitung von Passungen (z. B. Passstiften, Lageraufnahmen) nicht berücksichtigt wird, können die Bauteile nicht mehr ohne Nacharbeit montiert werden. Nacharbeit bedeutet zusätzliche Zeit und Kosten.
4. Verschleiß und Lebensdauer: Unkompensiertes Spiel führt zu höheren Belastungen der mechanischen Komponenten. Bei Richtungsumkehr schlagen die Komponenten aufeinander, was den Verschleiß beschleunigt und die Lebensdauer der Maschine verkürzt.

Wie es gemessen oder erreicht wird

Um Spiel zu kompensieren, müssen Sie es zuerst genau messen. Es gibt praxisübliche Methoden auf der Werkbank, die sich nach Genauigkeit, Aufwand und Einsatzbereich unterscheiden:

1. Messuhr-Methode (manuell)

Dies ist die einfachste und am weitesten verbreitete Methode für kleine bis mittlere Maschinen. Sie benötigen eine Messuhr mit einem Messbereich von mindestens 0,1 mm und einer Auflösung von 0,001 mm, einen Halter und einen Referenzpunkt (z. B. die Tischoberfläche oder ein fest montierter Messblock).

Vorgehensweise:

1. Befestigen Sie die Messuhr so, dass der Messstift senkrecht auf die zu messende Achse drückt. Beispiel: Für die X-Achse drückt der Messstift auf die Stirnseite des Tisches.
2. Fahren Sie die Achse langsam in eine Richtung (z. B. nach rechts), bis der Messstift leicht vorgespannt ist (ca. 0,05 mm).
3. Setzen Sie die Messuhr auf Null.
4. Fahren Sie die Achse langsam in die entgegengesetzte Richtung (nach links). Beobachten Sie die Messuhr: Zuerst bewegt sich der Messstift nicht – das ist das Spiel. Sobald die Messuhr anzeigt, dass sich die Achse tatsächlich bewegt, stoppen Sie die Fahrt.
5. Der Wert, den die Messuhr anzeigt, ist das Spiel der Achse.

Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit hängt von der Qualität der Messuhr und der Geschwindigkeit der Richtungsumkehr ab. Bei langsamer Fahrt liegt die Genauigkeit bei ca. ±0,002 mm. Bei schneller Fahrt kann der Messwert um bis zu 0,005 mm abweichen, weil die Messuhr die schnelle Bewegung nicht genau erfassen kann.

2. Laserinterferometer-Methode

Für hochpräzise Messungen oder bei großen Maschinen wird ein Laserinterferometer verwendet. Dieses Gerät misst die Position der Achse mit einer Genauigkeit von bis zu 0,0001 mm und kann Spiel bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Lasten messen.

Vorgehensweise:

1. Montieren Sie den Laser und den Reflektor an der Maschine, sodass der Laserstrahl entlang der zu messenden Achse ausgerichtet ist.
2. Fahren Sie die Achse mehrmals in beide Richtungen und lassen Sie das Gerät die Positionsabweichungen bei Richtungsumkehr aufzeichnen.
3. Das Gerät berechnet automatisch das Spiel und erstellt ein Protokoll über die Messwerte.

Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit liegt bei ±0,0005 mm, aber die Messung ist empfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen wie Temperaturänderungen, Luftbewegungen oder Vibrationen. Bereits eine Temperaturänderung von 1 °C kann den Messwert um bis zu 0,01 mm pro Meter Verfahrweg verändern.

3. Automatische Messung durch die Maschine

Viele moderne CNC-Maschinen, wie die hochpräzise GA-UHD500 (Positioniergenauigkeit 0,006 mm, Wiederholgenauigkeit 0,004 mm) oder die GA-DV750 (Positioniergenauigkeit 0,003 mm), verfügen über eine integrierte Funktion zur automatischen Spielmessung. Die Maschine fährt die Achsen in einem festgelegten Muster, misst die Positionsabweichungen bei Richtungsumkehr und berechnet das Spiel selbst.

Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit hängt von der internen Messung der Maschine ab. Bei Maschinen mit hochauflösenden Wegmesssystemen liegt sie bei ca. ±0,001 mm. Bei Maschinen mit geringerer Positionsgenauigkeit, wie der GA-FMB3020D (Positioniergenauigkeit 0,035 mm in der X-Achse), kann die automatische Messung nur eine grobe Angabe des Spiels liefern.

Fehlerquellen

Die gemessenen Spielwerte sind nie absolut genau – es gibt mehrere Faktoren, die den Messwert verändern und zu Fehlern führen:

1. Geschwindigkeit der Richtungsumkehr: Spiel ist nicht konstant. Bei langsamer Fahrt ist das Spiel kleiner als bei schneller Fahrt, weil die mechanischen Komponenten bei langsamer Bewegung weniger Spiel haben. Wenn Sie das Spiel bei 1 m/min messen und dann bei 30 m/min bearbeiten, ist der gemessene Wert nicht mehr gültig.
2. Last auf der Achse: Wenn der Tisch mit einem schweren Werkstück beladen ist, verändert sich das Spiel. Beispiel: Bei der GA-MV856 (maximale Tischbelastung 500 kg) kann das Spiel bei einer Belastung von 400 kg um bis zu 0,003 mm höher sein als bei unbeladenem Tisch.
3. Temperatur: Die Temperatur der Maschine und der Umgebung beeinflusst die Ausdehnung der mechanischen Komponenten. Bei einer Temperaturänderung von 5 °C kann das Spiel um bis zu 0,005 mm verändern.
4. Verschleiß: Spiel nimmt mit der Zeit zu, weil Kugelgewindetriebe, Lager und andere Komponenten abnutzen. Ein Spiel, das bei der Inbetriebnahme 0,002 mm betrug, kann nach 5 Jahren Betrieb auf 0,01 mm ansteigen.
5. Messfehler: Bei der manuellen Messung mit der Messuhr kann eine falsche Ausrichtung des Messstifts, eine zu schnelle Fahrt oder eine ungenaue Messuhr den Messwert verfälschen.

Ehrliche Einschränkungen

Spielmessung und -kompensation haben klare Grenzen – Sie sollten sich nicht auf sie verlassen, um alle Probleme zu lösen:

1. Kompensation ist keine Reparatur: Spielkompensation korrigiert nur den gemessenen Spielwert bei Richtungsumkehr. Sie behebt nicht den Grund für das Spiel, also z. B. abgenutzte Kugelgewindetriebe oder lose Lager. Wenn das Spiel zu groß wird (z. B. mehr als 0,02 mm bei Präzisionsmaschinen), reicht die Kompensation nicht mehr aus – die Komponenten müssen ausgetauscht werden.
2. Kompensation funktioniert nur für den gemessenen Zustand: Wenn Sie das Spiel bei unbeladener Maschine messen und dann mit einem schweren Werkstück bearbeiten, ist die Kompensation nicht mehr genau. Auch bei Temperaturänderungen oder Geschwindigkeitsänderungen verliert die Kompensation an Genauigkeit.
3. Kompensation kann andere Fehler nicht ausgleichen: Spielkompensation behebt keine Positionsgenauigkeitsfehler, die nicht durch Richtungsumkehr verursacht werden, wie z. B. Ungenauigkeiten im Wegmesssystem, Verformungen der Maschine unter Last oder Fehler im Steuerungssystem.
4. Übermäßiges Vertrauen in die Messung: Viele Bediener gehen davon aus, dass der gemessene Spielwert konstant ist. In Wirklichkeit ändert sich das Spiel ständig durch Verschleiß, Temperatur und Last. Wenn Sie das Spiel nur einmal im Jahr messen, kann die Kompensation bereits nach wenigen Monaten ungenau sein.

Zusammenfassungstabelle

Praktische Checkliste für die korrekte Anwendung

1. Messung unter realen Bedingungen: Messen Sie das Spiel immer unter den Bedingungen, unter denen Sie bearbeiten werden: mit dem üblichen Werkstückgewicht, bei der üblichen Temperatur und der üblichen Geschwindigkeit der Richtungsumkehr.
2. Regelmäßige Messung: Messen Sie das Spiel bei Präzisionsmaschinen mindestens alle 3 Monate, bei Maschinen mit hoher Belastung oder hohem Verschleiß alle 1–2 Monate.
3. Kompensationswert eingeben: Geben Sie den gemessenen Spielwert in die Steuerung der Maschine ein. Achten Sie darauf, dass der Wert für die richtige Achse und die richtige Richtung eingegeben wird.
4. Überprüfung der Kompensation: Nach der Eingabe des Kompensationswerts überprüfen Sie die Genauigkeit mit einem Testbauteil. Messen Sie die Abmessungen des Testbauteils, um sicherzustellen, dass die Kompensation funktioniert.
5. Grenzen der Kompensation beachten: Wenn das Spiel mehr als 0,02 mm bei Präzisionsmaschinen oder mehr als 0,05 mm bei großen Maschinen beträgt, planen Sie eine Reparatur oder einen Austausch der abgenutzten Komponenten.

FAQ

1. Frage: Wie oft sollte ich das Spiel meiner CNC-Maschine messen? Antwort: Das hängt von der Nutzung der Maschine ab. Bei Präzisionsmaschinen wie der GA-UHD500 oder der GA-DV750, die für enge Toleranzen verwendet werden, sollten Sie das Spiel mindestens alle 3 Monate messen. Bei Maschinen mit hoher Belastung oder hohem Verschleiß, wie der GA-GF4028 (schwere Portalmaschine), alle 1–2 Monate. Bei Maschinen, die für weniger anspruchsvolle Arbeiten verwendet werden, reicht eine Messung alle 6 Monate.

2. Frage: Kann Spielkompensation alle Positionsfehler beheben? Antwort: Nein. Spielkompensation behebt nur Positionsfehler, die durch Richtungsumkehr verursacht werden. Sie kann keine Fehler ausgleichen, die durch Verformungen der Maschine unter Last, Ungenauigkeiten im Wegmesssystem, Temperaturänderungen oder Fehler im Steuerungssystem verursacht werden.

3. Frage: Ist Spiel bei neuen Maschinen normal? Antwort: Ja, ein geringes Spiel ist auch bei neuen Maschinen normal. Bei hochpräzisen Maschinen wie der GA-DV750 beträgt das Spiel bei der Inbetriebnahme normalerweise weniger als 0,003 mm. Bei großen Maschinen wie der GA-FMB3020D kann es bis zu 0,01 mm betragen. Ein Spiel von mehr als 0,02 mm bei neuen Maschinen ist ein Hinweis auf einen Produktionsfehler.

4. Frage: Beeinflusst die Werkzeuglänge das Spiel? Antwort: Nein, die Werkzeuglänge beeinflusst das Spiel nicht direkt. Spiel ist ein Fehler der Bewegungsachse, der unabhängig von der Werkzeuglänge ist. Allerdings kann eine lange Werkzeuglänge dazu führen, dass kleine Spielwerte stärker auf die Bauteilgenauigkeit wirken, weil der Werkzeugkopf weiter von der Achse entfernt ist.

5. Frage: Kann ich Spielkompensation bei allen CNC-Maschinen verwenden? Antwort: Fast alle modernen CNC-Maschinen verfügen über eine Funktion zur Spielkompensation. Auch ältere Maschinen können oft nachgerüstet werden. Die Genauigkeit der Kompensation hängt von der Qualität der Steuerung und der Messung des Spiels ab. Bei Maschinen mit geringer Positionsgenauigkeit, wie der GA-GF2517, ist die Kompensation nur für weniger anspruchsvolle Arbeiten ausreichend.

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