On-Machine-Probing und In-Process-Messung: Praktische Grundlagen für CNC-Anwendungen

Was wird eigentlich gemessen oder gesteuert?

On-Machine-Probing (Messung direkt auf der CNC-Maschine) und In-Process-Messung (Messung während der Bearbeitung) beschreiben Verfahren, bei denen Sie keine separaten Messgeräte wie Koordinatenmessmaschinen (KMM) oder Handmessmittel verwenden. Stattdessen nutzen Sie die vorhandene Maschinentechnik – insbesondere Spindelsonden – um drei Kernaufgaben zu erfüllen:

1. Werkzeugeinstellung: Ermitteln der genauen Abmessungen und Positionen von Schneidwerkzeugen (z. B. Länge, Durchmesser, Schneidkantenverschleiß) direkt auf der Maschine.
2. Teilverifikation: Prüfen der Abmessungen, Positionen und Toleranzen von Werkstücken vor, während oder nach der Bearbeitung, ohne sie von der Maschine zu nehmen.
3. Geschlossener Regelkreis (Closed Loop): Automatisches Anpassen der Bearbeitungsparameter (z. B. Werkzeugverschleißkompensation, Werkstückpositionskorrektur) anhand von Messdaten, um Abweichungen zu korrigieren.

Eine Spindelsonde ist dabei das zentrale Messwerkzeug: Sie wird wie ein Werkzeug in die Spindel der CNC-Maschine eingespannt und verfügt über einen empfindlichen Tastkopf, der bei Kontakt mit einem Werkzeug oder Werkzeug ein elektrisches Signal auslöst. Die Maschine erfasst die Position der Spindel zum Zeitpunkt des Signals und berechnet daraus die gemessene Größe.

Warum es wichtig ist

Die Bedeutung von On-Machine-Probing und In-Process-Messung ergibt sich aus drei zentralen Herausforderungen der CNC-Bearbeitung:

1. Teilfunktion und Passgenauigkeit: Viele Bauteile erfordern enge Toleranzen, um ihre Funktion zu erfüllen. Beispielsweise müssen Passbohrungen für Lager oder Dichtflächen für Hydrauliksysteme innerhalb von wenigen Tausendstel Millimetern liegen. Wenn Sie Abmessungen erst nach der Bearbeitung auf einer separaten KMM prüfen, riskieren Sie, dass ein Teil bereits außerhalb der Toleranz liegt und nicht mehr nachbearbeitet werden kann – insbesondere bei großen oder schweren Werkstücken, deren erneute Einspannung auf der Maschine ungenau ist.
2. Kosteneinsparung: Separate Messungen verursachen Zeit- und Kostenaufwand: Sie müssen das Werkstück von der Maschine nehmen, transportieren, auf der KMM einspannen und messen. Bei komplexen Teilen kann dieser Prozess mehrere Stunden dauern. On-Machine-Probing reduziert diese Zeiten um bis zu 90 %, wie Branchendaten zeigen. Zusätzlich vermeiden Sie Ausschuss, indem Sie Fehler frühzeitig erkennen und korrigieren.
3. Prozesssicherheit: Bei Serienfertigung können Abweichungen durch Werkzeugverschleiß, Temperaturschwankungen oder Einspannfehler entstehen. Ohne In-Process-Messung riskieren Sie, dass eine ganze Charge von Teilen außerhalb der Toleranz liegt. Der geschlossene Regelkreis gleicht diese Abweichungen automatisch aus und stabilisiert den Prozess.

Beispiel: Bei der Bearbeitung von Hochpräzisionsteilen auf der GA-DV750 (vertikales Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,003 mm) können Sie mit Spindelsonden die Werkstückposition vor der Bearbeitung prüfen und Einspannfehler von bis zu 0,1 mm automatisch korrigieren – ohne das Teil neu auszurichten.

Wie wird es gemessen oder erreicht? Praktische Methoden und Genauigkeitsgrenzen

Die Umsetzung von On-Machine-Probing und In-Process-Messung basiert auf standardisierten Verfahren, die an die jeweilige CNC-Maschine angepasst werden. Im Folgenden die wichtigsten Methoden und ihre Genauigkeitsgrenzen:

1. Werkzeugeinstellung mit Spindelsonden

Für die Werkzeugeinstellung gibt es zwei gängige Verfahren:

• Statische Werkzeugmessung: Die Sonde wird in die Spindel eingespannt, und das Werkzeug wird langsam gegen den Tastkopf gefahren. Bei Kontakt erfasst die Maschine die Spindelposition und berechnet die Werkzeuglänge oder den Durchmesser.
• Dynamische Werkzeugmessung: Das Werkzeug rotiert mit Bearbeitungsgeschwindigkeit, bevor es gegen den Tastkopf gefahren wird. Dieses Verfahren erfasst auch Abweichungen durch Werkzeugauswuchtung oder Spindelspiel.

Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit der Werkzeugeinstellung hängt von der Positioniergenauigkeit der Maschine ab. Bei der GA-UHD500 (hochpräzises 5-Achsen-Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm) liegt die Genauigkeit der statischen Werkzeugmessung bei etwa 0,005 mm. Bei weniger präzisen Maschinen wie der GA-GF4028 (schweres Portalbearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,02 mm) sinkt die Genauigkeit auf etwa 0,015 mm.

2. Teilverifikation mit Spindelsonden

Für die Teilverifikation werden drei Verfahren verwendet:

• Einzelpunktmessung: Die Sonde tastet einzelne Punkte auf dem Werkstück ab, um Abmessungen wie Bohrungsdurchmesser, Abstände zwischen Flächen oder Positionen von Merkmalen zu prüfen.
• Flächenabtastung: Die Sonde fährt entlang einer Fläche (z. B. einer Ebene oder eines Zylinders) und erfasst mehrere Punkte, um die Form oder Geradheit der Fläche zu prüfen.
• Kontinuierliche Messung: Die Sonde tastet das Werkstück während der Bewegung ab, um komplexe Geometrien wie Freiformflächen zu prüfen.

Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit der Teilverifikation liegt typischerweise zwischen 0,005 mm und 0,02 mm, abhängig von der Maschinengenauigkeit. Bei der GA-DV750 erreichen Sie eine Genauigkeit von etwa 0,004 mm für Einzelpunktmessungen. Bei großen Maschinen wie der GA-FMB3020D (5-Achsen-Portalbearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,035 mm) liegt die Genauigkeit bei etwa 0,02 mm.

3. Geschlossener Regelkreis (Closed Loop)

Der geschlossene Regelkreis nutzt Messdaten, um die Bearbeitung automatisch anzupassen:

• Werkzeugverschleißkompensation: Nach einer festgelegten Anzahl von Bearbeitungszyklen wird das Werkzeug gemessen, und die Abmessungen werden automatisch in die CNC-Steuerung eingetragen.
• Werkstückpositionskorrektur: Vor der Bearbeitung wird das Werkstück gemessen, und die Koordinaten des Bearbeitungsprogramms werden an die tatsächliche Position des Werkstücks angepasst.
• Temperaturkompensation: Bei langen Bearbeitungszeiten können Temperaturschwankungen die Maschinengenauigkeit beeinträchtigen. Mit regelmäßigen Messungen von Referenzmerkmalen auf dem Werkstück oder der Maschine können Sie diese Abweichungen korrigieren.

Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit des geschlossenen Regelkreises entspricht der Genauigkeit der zugrundeliegenden Messung. Bei der GA-UHD500 können Sie Abweichungen von bis zu 0,01 mm automatisch korrigieren.

Fehlerquellen: Woher kommen die Abweichungen?

Die Genauigkeit von On-Machine-Probing und In-Process-Messung wird durch mehrere Faktoren beeinflusst. Es ist wichtig, diese Fehlerquellen zu kennen, um Messergebnisse richtig zu interpretieren:

1. Maschinenfehler: Die Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit der Maschine bestimmen die Grundgenauigkeit der Messung. Beispielsweise hat die GA-MV856 eine Positioniergenauigkeit von 0,010 mm, also können Messungen auf dieser Maschine nie genauer als dieser Wert sein.
2. Sondenfehler: Die Genauigkeit der Sonde selbst liegt typischerweise zwischen 0,001 mm und 0,003 mm. Zusätzlich kann der Tastkopf durch Abnutzung oder Beschädigung ungenau werden.
3. Einspannfehler: Wenn das Werkstück nicht fest genug eingespannt ist, kann es während der Messung verrutschen. Bei schweren Werkstücken auf der GA-MVD2560 (vertikales Bearbeitungszentrum mit zwei Spindeln und einer maximalen Tischlast von 2000 kg) ist dies ein häufiger Fehler.
4. Temperaturschwankungen: Temperaturänderungen von nur 1 °C können bei einem 1 m langen Stahlwerkstück eine Längenänderung von 0,0116 mm verursachen. Bei langen Bearbeitungszeiten kann dies Messergebnisse stark beeinflussen.
5. Messverfahrenfehler: Falsche Messgeschwindigkeiten, unzureichende Abkühlung des Werkzeugs vor der Messung oder falsche Kalibrierung der Sonde führen zu ungenauen Ergebnissen.

Ehrliche Einschränkungen: Was kann dieses Verfahren nicht?

On-Machine-Probing und In-Process-Messung sind leistungsstarke Verfahren, aber sie haben klare Grenzen. Es ist wichtig, diese zu kennen, um Übervertrauen zu vermeiden:

1. Keine Ersatz für hochpräzise Messgeräte: Die Genauigkeit von On-Machine-Probing ist immer geringer als die einer hochpräzisen KMM. Für Messungen, die eine Genauigkeit von weniger als 0,003 mm erfordern, ist eine separate KMM notwendig.
2. Einschränkungen bei komplexen Geometrien: Freiformflächen oder Merkmale, die schwer zugänglich sind, können mit Spindelsonden nicht immer genau gemessen werden. Bei der GA-FA500 (5-Achsen-Bearbeitungszentrum) können Sie zwar komplexe Geometrien bearbeiten, aber die Messung von tiefen oder engen Merkmalen erfordert spezielle Sonden, die nicht immer verfügbar sind.
3. Keine Erkennung von Oberflächenfehlern: Spindelsonden messen Abmessungen und Positionen, aber sie können keine Oberflächenfehler wie Risse, Kratzer oder Porosität erkennen. Für diese Prüfungen sind separate Verfahren wie Ultraschallprüfung oder optische Inspektion notwendig.
4. Abhängigkeit von der Maschinenzustand: Die Genauigkeit der Messung hängt von der aktuellen Genauigkeit der Maschine ab. Wenn die Maschine nicht regelmäßig gewartet oder kalibriert wird, sind Messergebnisse unzuverlässig.
5. Kosten für Sonden und Kalibrierung: Hochpräzise Spindelsonden kosten mehrere tausend Euro. Zusätzlich müssen Sonden regelmäßig kalibriert werden, was Zeit und Kosten verursacht.

Zusammenfassungstabelle: Methode vs. Genauigkeit vs. Aufwand vs. Typische Anwendung

Praktische Checkliste für die korrekte Anwendung

Um On-Machine-Probing und In-Process-Messung erfolgreich einzusetzen, befolgen Sie diese Checkliste:

1. Maschinenvorbereitung:
   • Kalibrieren Sie die Maschine regelmäßig (mindestens einmal pro Monat für hochpräzise Anwendungen).
   • Prüfen Sie die Einspannung des Werkstücks vor der Messung, um Verrutschen zu vermeiden.
   • Lassen Sie die Maschine vor der Messung auf Betriebstemperatur aufwärmen (typischerweise 30 – 60 Minuten, abhängig von der Maschine).
2. Sondenvorbereitung:
   • Kalibrieren Sie die Sonde vor jeder Messung mit einem Referenzkörper (z. B. einem Kugelkalibrator).
   • Prüfen Sie den Tastkopf auf Beschädigungen oder Abnutzung.
   • Verwenden Sie die passende Sonde für die Anwendung (z. B. lange Sonden für schwer zugängliche Merkmale).
3. Messverfahren:
   • Wählen Sie die passende Messgeschwindigkeit (typischerweise 10 – 50 mm/s für statische Messungen, 5 – 20 mm/s für dynamische Messungen).
   • Wiederholen Sie Messungen mindestens zweimal, um Abweichungen zu erkennen.
   • Berücksichtigen Sie Temperaturschwankungen bei langen Messungen.
4. Datenauswertung:
   • Vergleichen Sie Messergebnisse mit der Positioniergenauigkeit der Maschine, um zu erkennen, ob Abweichungen durch die Maschine verursacht werden.
   • Nutzen Sie den geschlossenen Regelkreis nur für Abweichungen, die innerhalb der Genauigkeitsgrenzen der Maschine liegen.

FAQ

1. Kann ich On-Machine-Probing auf jeder CNC-Maschine verwenden? Grundsätzlich ja, aber es hängt von der Ausstattung der Maschine ab. Sie benötigen eine CNC-Steuerung, die Spindelsonden unterstützt, und die Möglichkeit, Sonden in die Spindel einzuspannen. Bei älteren Maschinen kann eine Nachrüstung erforderlich sein.

2. Wie oft muss eine Spindelsonde kalibriert werden? Die Kalibrierhäufigkeit hängt von der Nutzung ab. Für tägliche Anwendungen sollten Sie die Sonde vor jeder Messung kalibrieren. Bei Serienfertigung reicht eine Kalibrierung pro Schicht. Zusätzlich müssen Sonden nach jeder Beschädigung oder Abnutzung kalibriert werden.

3. Kann ich mit On-Machine-Probing die Genauigkeit meiner Maschine verbessern? Nein, On-Machine-Probing kann die Genauigkeit der Maschine nicht verbessern. Es kann nur Abweichungen messen und korrigieren, die innerhalb der Genauigkeitsgrenzen der Maschine liegen. Wenn die Maschine ungenau ist, müssen Sie sie zuerst kalibrieren oder reparieren.

4. Was ist der Unterschied zwischen On-Machine-Probing und In-Process-Messung? On-Machine-Probing beschreibt Messungen direkt auf der Maschine, unabhängig davon, wann sie stattfinden. In-Process-Messung ist ein Teilbereich von On-Machine-Probing, bei dem Messungen während der Bearbeitung stattfinden, um den Prozess automatisch anzupassen.

5. Kann ich On-Machine-Probing für die Prüfung von Toleranzen unter 0,01 mm verwenden? Ja, aber nur auf hochpräzisen Maschinen wie der GA-UHD500 (Positioniergenauigkeit 0,006 mm) oder der GA-DV750 (Positioniergenauigkeit 0,003 mm). Für Toleranzen unter 0,003 mm ist eine separate KMM erforderlich, da die Genauigkeit von On-Machine-Probing immer durch die Positioniergenauigkeit der Maschine begrenzt ist.

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