Kalibrierung und Verifizierung von Tastsystemen

Was wird eigentlich gemessen oder kontrolliert?

Ein Tastsystem (kurz: Taster) ist ein Werkzeug, das an der Spindel einer CNC-Maschine montiert wird, um Positionen, Abmessungen oder Geometrien von Werkstücken oder Maschinenteilen zu erfassen. Bei der Kalibrierung und Verifizierung von Tastsystemen geht es nicht um die Genauigkeit des Werkstücks selbst – es geht um die Genauigkeit des Tastersystems als Messwerkzeug.

Konkret werden zwei Kernparameter bestimmt:

1. Stylus-Radius: Der Radius des kugelförmigen Endes des Taststifts (Stylus, kurz: Stift), der das Werkstück berührt.
2. Stylus-Länge: Die Länge des Stifts von der Spindelaufnahme bis zum Mittelpunkt der Kugel.

Zusätzlich wird die gesamte Messkette (Spindelpositionierung, Taster-Signalübertragung, Stiftsteifigkeit) auf ihre Wiederholgenauigkeit überprüft. Vereinfacht gesagt: Kalibrierung legt fest, wie genau der Taster „weiß“, wo er sich befindet und wie groß seine Kugel ist; Verifizierung überprüft, ob diese Werte unter realen Bedingungen noch stimmen.

Warum es wichtig ist

Falsch kalibrierte oder nicht verifizierte Taster führen zu Messfehlern, die sich direkt auf die Qualität von Werkstücken, die Montagefähigkeit von Baugruppen und die Produktionskosten auswirken:

• Werkstückfunktion: Wenn ein Taster den Radius seines Stifts um 0,01 mm falsch misst, führt das bei einer Bohrungsmessung zu einem Fehler von 0,02 mm im Durchmesser. Bei Passbohrungen für Wellen kann das dazu führen, dass die Verbindung nicht passt oder vorzeitig verschleißt.
• Montagefähigkeit: Bei komplexen Baugruppen (z. B. Getriebegehäusen) werden mit Tastern Abstände zwischen Bohrungen oder Positionen von Flanschen gemessen. Ein Messfehler von 0,03 mm kann dazu führen, dass mehrere Bauteile nicht zusammenpassen und die gesamte Baugruppe nachgearbeitet oder ausgesondert werden muss.
• Kosten: Falsche Messwerte führen zu zwei Arten von Kosten: Entweder werden fehlerhafte Werkstücke als gut eingestuft und gelangen zum Kunden (Rückrufkosten, Schaden am Ruf), oder gute Werkstücke werden als schlecht eingestuft und ausgesondert (Material- und Arbeitskostenverlust). Bei Serienproduktionen können sich diese Kosten schnell auf mehrere Tausend Euro pro Monat summieren.

Ein Beispiel: Bei der Bearbeitung von Präzisionsteilen für die Luft- und Raumfahrt mit der GA-UHD500 (einem hochgenauen 5-Achsen-Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm) reicht ein Messfehler von 0,005 mm aus, um ein Werkstück auszusondern.

Wie es gemessen oder erreicht wird

Die Kalibrierung und Verifizierung von Tastern erfolgt direkt auf der CNC-Maschine, um die spezifischen Eigenschaften der Maschine (z. B. Spindelspiel, Positioniergenauigkeit) zu berücksichtigen. Die gängigsten Methoden basieren auf einer Kalibrierkugel – einer hochgenauen, kugelförmigen Referenz, deren Abmessungen und Position bekannt sind.

1. Kalibrierung mit einer festen Kalibrierkugel

Die Kugel wird fest auf dem Maschinentisch montiert und bleibt dort für mehrere Kalibrierungen. Der Taster wird an der Spindel montiert und berührt die Kugel an mindestens 6 Punkten (oben, unten, vorne, hinten, links, rechts). Die Maschine berechnet aus den gemessenen Positionen der Berührungspunkte den Mittelpunkt der Kugel sowie den Radius des Taststifts.

• Genauigkeit: Hängt von der Positioniergenauigkeit der Maschine ab. Bei der GA-DV750 (Vertikal-Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,003 mm) liegt die Genauigkeit der Kalibrierung typischerweise bei ±0,002 mm. Bei größeren Maschinen wie der GA-GF4028 (Schwerlast-Gantry-Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,02 mm) sinkt die Genauigkeit auf ±0,01 mm.
• Vorteile: Einfache Handhabung, keine zusätzliche Ausrüstung nach der ersten Montage der Kugel.
• Nachteile: Die Kugel kann durch Schmutz, Stöße oder Temperaturänderungen ihre Position verlieren.

2. Kalibrierung mit einer mobilen Kalibrierkugel

Die Kugel wird für jede Kalibrierung neu auf dem Tisch montiert und ausgerichtet. Dies ist erforderlich, wenn die feste Kugel nicht mehr verfügbar ist oder wenn die Kalibrierung unter realen Produktionsbedingungen (z. B. nach einem Werkzeugwechsel) erfolgen soll.

• Genauigkeit: Etwas geringer als bei der festen Kugel, da die Ausrichtung der Kugel selbst Fehler verursachen kann. Bei der GA-VT540 (Drill/Tap-Center mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm) liegt die Genauigkeit bei ±0,004 mm.
• Vorteile: Flexibel einsetzbar, keine Abhängigkeit von einer festen Referenz.
• Nachteile: Höherer Zeitaufwand, da die Kugel jedes Mal neu ausgerichtet werden muss.

3. Verifizierungsroutinen

Nach der Kalibrierung wird die Genauigkeit des Tasters mit einer Verifizierungsroutine überprüft. Die gängigste Methode ist die Messung der Kugel an mehreren Punkten und der Vergleich der gemessenen Abmessungen mit den bekannten Werten der Kugel.

• Einfache Verifizierung: Messung der Kugel an 3 Punkten zur Überprüfung des Radius.
• Erweiterte Verifizierung: Messung der Kugel an 20 oder mehr Punkten zur Überprüfung der Wiederholgenauigkeit und der Formtreue des Tasters. Bei der GA-UHD500 werden für hochpräzise Anwendungen bis zu 50 Messpunkte verwendet, um die Genauigkeit über den gesamten Messbereich des Tasters zu überprüfen.

Fehlerquellen

Die Genauigkeit der Kalibrierung und Verifizierung wird durch mehrere Faktoren beeinflusst:

1. Maschinenpositioniergenauigkeit: Die Genauigkeit der Kalibrierung kann nie höher sein als die Positioniergenauigkeit der Maschine. Bei der GA-MV856 (Vertikal-Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,01 mm) beträgt die maximale erreichbare Kalibriergenauigkeit ±0,008 mm.
2. Temperaturänderungen: Sowohl die Maschine als auch die Kalibrierkugel dehnen sich bei Temperaturänderungen aus. Eine Temperaturänderung von 1 °C führt bei einer Stahlkugel mit einem Durchmesser von 25 mm zu einer Längenänderung von ca. 0,003 mm.
3. Schmutz und Abnutzung: Staub, Späne oder Kühlmittelrückstände auf der Kugel oder dem Taststift führen zu Messfehlern. Abgenutzte Taststifte (z. B. durch häufige Berührungen mit harten Werkstücken) haben einen veränderten Radius und müssen ersetzt werden.
4. Stiftsteifigkeit: Lange oder dünne Taststifte biegen sich bei der Berührung mit der Kugel, was zu Messfehlern führt. Ein Stift mit einer Länge von 100 mm und einem Durchmesser von 3 mm kann sich bei einer Berührungskraft von 0,5 N um bis zu 0,01 mm biegen.
5. Signalübertragung: Drahtlose Taster können durch elektromagnetische Störungen (z. B. von der Spindel oder anderen Maschinen) Signalverzögerungen haben, die Messfehler verursachen.

Ehrliche Einschränkungen

Die Kalibrierung und Verifizierung von Tastern haben klare Grenzen, die oft unterschätzt werden:

1. Es misst nicht die Genauigkeit des Werkstücks: Ein korrekt kalibrierter Taster kann nur die Position oder Abmessung eines Werkstücks genau messen, wenn die Maschine selbst genau positioniert. Wenn die Maschine einen Positionierfehler von 0,01 mm hat, wird der Taster diesen Fehler mit messen.
2. Es gilt nur für den kalibrierten Stift und die kalibrierte Umgebung: Wenn der Stift gewechselt, die Kugel verschoben oder die Temperatur um mehr als 2 °C geändert wird, verliert die Kalibrierung ihre Gültigkeit. Viele Betreiber gehen fälschlicherweise davon aus, dass eine einmalige Kalibrierung für mehrere Wochen oder Monate ausreicht.
3. Es kann keine dynamischen Fehler messen: Die Kalibrierung erfolgt im Stillstand der Maschine. Bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten (z. B. bei der GA-GF2755 mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 80 m/min in X-Richtung) können dynamische Fehler (z. B. Vibrationen der Spindel) auftreten, die die Messgenauigkeit reduzieren.
4. Es hat eine maximale Messgenauigkeit: Selbst unter idealen Bedingungen kann die Kalibrierung nicht genauer als ±0,001 mm sein. Für Anwendungen, die eine höhere Genauigkeit erfordern, ist ein externes Messgerät (z. B. ein Koordinatenmessgerät) erforderlich.

Zusammenfassungstabelle

Praktische Checkliste

Um die Kalibrierung und Verifizierung von Tastern korrekt durchzuführen, folgen Sie dieser Checkliste:

1. Vorbereitung:
   • Reinigen Sie die Kalibrierkugel und den Taststift mit einem sauberen Tuch und Alkohol, um Schmutz und Kühlmittelrückstände zu entfernen.
   • Lassen Sie die Maschine mindestens 30 Minuten vor der Kalibrierung laufen, um sie auf Betriebstemperatur zu bringen.
   • Überprüfen Sie die Umgebungstemperatur: Sie sollte während der Kalibrierung um nicht mehr als ±1 °C schwanken.
2. Kalibrierung:
   • Verwenden Sie für die Kalibrierung einen Stift, der für die geplante Messaufgabe geeignet ist (nicht zu lang, nicht zu dünn).
   • Berühren Sie die Kugel langsam und mit gleichmäßiger Kraft, um Biegungen des Stifts zu vermeiden.
   • Wiederholen Sie die Kalibrierung zweimal und vergleichen Sie die Ergebnisse: Die Abweichung zwischen den beiden Messungen sollte weniger als 0,002 mm betragen.
3. Verifizierung:
   • Führen Sie die Verifizierung unmittelbar nach der Kalibrierung durch.
   • Messen Sie die Kugel an mindestens 6 Punkten, um die Genauigkeit über den gesamten Messbereich zu überprüfen.
   • Wenn die Abweichung zwischen gemessenen und bekannten Werten der Kugel mehr als 0,003 mm beträgt, wiederholen Sie die Kalibrierung.
4. Dokumentation:
   • Notieren Sie Datum, Uhrzeit, Temperatur, Tastertyp und Kalibrierergebnisse.
   • Wiederholen Sie die Kalibrierung mindestens einmal pro Woche oder nach jedem Stiftwechsel, jeder Kugelverschiebung oder jeder Temperaturänderung von mehr als 2 °C.

FAQ

1. Wie oft sollte ich meinen Taster kalibrieren? Das hängt von der Anwendung und den Umgebungsbedingungen ab. Für Serienproduktionen mit stabilen Temperaturen und sauberer Umgebung reicht eine Kalibrierung einmal pro Woche. Für hochpräzise Anwendungen oder bei schwankenden Temperaturen sollten Sie den Taster täglich kalibrieren. Nach jedem Stiftwechsel, jeder Kugelverschiebung oder jeder Temperaturänderung von mehr als 2 °C ist eine neue Kalibrierung erforderlich.

2. Kann ich einen abgenutzten Taststift noch verwenden? Abgenutzte Taststifte haben einen veränderten Radius und können Messfehler verursachen. Wenn die Kugel des Stifts Kratzer, Abnutzungsspuren oder eine veränderte Form aufweist, sollten Sie den Stift ersetzen. Eine Kalibrierung kann die Abnutzung nicht ausgleichen.

3. Warum unterscheiden sich die Kalibrierergebnisse zwischen verschiedenen Maschinen? Die Kalibriergenauigkeit hängt direkt von der Positioniergenauigkeit der Maschine ab. Bei der GA-DV750 (Positioniergenauigkeit 0,003 mm) erreichen Sie eine höhere Kalibriergenauigkeit als bei der GA-GF4028 (Positioniergenauigkeit 0,02 mm). Zusätzlich beeinflussen Faktoren wie Temperatur, Schmutz und Stiftsteifigkeit die Ergebnisse.

4. Kann ich die Kalibrierung auch ohne eine Kalibrierkugel durchführen? Theoretisch ist es möglich, den Taster an einem hochgenauen Werkstück zu kalibrieren, dessen Abmessungen genau bekannt sind. Dies ist aber nicht empfehlenswert, da Werkstücke oft Toleranzen haben und ihre Position auf dem Tisch nicht so genau fixiert werden kann wie eine Kalibrierkugel. Für zuverlässige Ergebnisse sollten Sie immer eine spezielle Kalibrierkugel verwenden.

5. Was tun, wenn die Verifizierung fehlschlägt? Wenn die Verifizierung eine Abweichung von mehr als 0,003 mm ergibt, überprüfen Sie zuerst die folgenden Punkte: Ist die Kugel sauber und fest montiert? Ist der Taststift sauber und nicht abgenutzt? Hat sich die Temperatur seit der Kalibrierung geändert? Wenn keine dieser Ursachen zutrifft, wiederholen Sie die Kalibrierung. Wenn das Problem weiterhin besteht, lassen Sie die Maschine von einem Fachtechniker überprüfen.

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