Wiederholgenauigkeit vs. Genauigkeit erklärt

Was wird eigentlich gemessen oder gesteuert?

Um die beiden Begriffe zu verstehen, müssen Sie zunächst klar unterscheiden, was sie jeweils beschreiben – ohne technische Jargon übermäßig zu komplizieren:

• Genauigkeit (Positioniergenauigkeit): Dies ist der Unterschied zwischen der vom CNC-System gewünschten Position (Sollposition) und der tatsächlichen Position, die die Maschine erreicht (Istposition). Ein einfaches Beispiel: Wenn Sie eine Bohrung auf der X-Achse bei 100 mm programmieren, misst die Genauigkeit, wie weit die tatsächliche Bohrung von dieser 100 mm abweicht.
• Wiederholgenauigkeit: Dies ist die Fähigkeit der Maschine, bei wiederholten Fahrten zur gleichen Sollposition immer die gleiche Istposition zu erreichen. Anders ausgedrückt: Wenn Sie die Maschine 10 Mal zur 100 mm-Position fahren lassen, misst die Wiederholgenauigkeit, wie weit die 10 gemessenen Istpositionen voneinander abweichen.

Ein weiteres Beispiel zur Verdeutlichung: Stellen Sie sich vor, Sie schießen 10 Mal auf eine Zielscheibe. Die Genauigkeit beschreibt, wie weit der Mittelpunkt aller 10 Treffer vom Zentrum der Zielscheibe entfernt ist. Die Wiederholgenauigkeit beschreibt, wie eng die 10 Treffer um ihren eigenen Mittelpunkt gruppiert sind.

Warum es wichtig ist

Die Unterschiede zwischen Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit haben direkte Auswirkungen auf die Funktion von Teilen, deren Montage und die Produktionskosten:

Auswirkungen auf die Teilfunktion

Genauigkeit ist entscheidend für Teile, die in ein festes, nicht veränderbares System passen müssen. Ein Beispiel: Ein Motorblock, in dem Zylinder genau in einer festen Position zueinander liegen müssen. Wenn die Genauigkeit der Maschine zu gering ist, sitzen die Zylinder nicht korrekt, was zu ungleichmäßiger Kompression, erhöhtem Verschleiß oder Motorausfall führt.

Wiederholgenauigkeit ist dagegen wichtig für Teile, die in Serienproduktion hergestellt werden und innerhalb einer Toleranz liegen müssen. Wenn Sie 1000 Gleitlager herstellen, die jeweils einen Innendurchmesser von 20 mm ±0,01 mm haben, reicht es, wenn alle 1000 Lager einen Innendurchmesser von 20,005 mm haben – auch wenn der Mittelwert 0,005 mm von der Sollposition abweicht. Die Wiederholgenauigkeit sorgt dafür, dass alle Lager gleich sind und somit in das Gleitsystem passen.

Auswirkungen auf die Montage

Bei der Montage von Baugruppen ist Genauigkeit wichtig, wenn Teile direkt aufeinander abgestimmt sind. Beispiel: Bei der Montage eines Getriebes müssen die Wellen genau in einer festen Position zueinander liegen, damit die Zahnräder korrekt ineinandergreifen. Wenn die Genauigkeit der Maschine zu gering ist, müssen Teile nachbearbeitet werden, was Zeit und Kosten erhöht.

Wiederholgenauigkeit ist wichtig für die Montage von Serienbaugruppen. Wenn Sie 1000 Getriebe herstellen, reicht es, wenn alle Getriebe die gleichen Abweichungen haben. Sie können die Montageparameter (z. B. die Position der Wellen) an die Abweichung der Teile anpassen, ohne jedes einzelne Getriebe individuell zu bearbeiten.

Auswirkungen auf die Kosten

Geringe Genauigkeit führt zu höheren Kosten, weil Teile oft nachbearbeitet werden müssen oder sogar Ausschuss werden. Geringe Wiederholgenauigkeit führt ebenfalls zu höheren Kosten, weil Teile unterschiedlich sind und somit nicht austauschbar sind. Sie müssen jedes Teil individuell prüfen und sortieren, was Zeit und Kosten erhöht.

Ein Beispiel aus der Praxis: Bei der Herstellung von Gehäusen für Elektronikbauteile muss die Genauigkeit der Maschine so hoch sein, dass die Bauteile genau in das Gehäuse passen. Wenn die Genauigkeit zu gering ist, müssen die Gehäuse nachbearbeitet werden, was die Kosten pro Gehäuse um bis zu 30 % erhöhen kann. Die Wiederholgenauigkeit sorgt dafür, dass alle Gehäuse gleich sind, sodass die Montage automatisiert werden kann – was die Kosten pro Baugruppe um bis zu 50 % senken kann.

Wie wird es gemessen oder erreicht?

Die Messung von Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit erfolgt in der Praxis mit standardisierten Methoden, die von der ISO 230-2 festgelegt sind. Diese Methoden gelten für alle CNC-Maschinen, unabhängig von ihrem Typ oder Hersteller.

Messung der Genauigkeit

Um die Genauigkeit einer CNC-Maschine zu messen, gehen Sie wie folgt vor:

1. Wählen Sie mehrere Sollpositionen entlang der zu prüfenden Achse aus. Für eine X-Achse mit einem Verfahrweg von 700 mm können Sie beispielsweise Positionen bei 100 mm, 200 mm, 300 mm, 400 mm, 500 mm und 600 mm auswählen.
2. Fahren Sie die Maschine zu jeder Sollposition und messen Sie die tatsächliche Position mit einem Präzisionsmessgerät, z. B. einem Laserinterferometer oder einem Messuhr.
3. Berechnen Sie die Abweichung zwischen Sollposition und Istposition für jede Position.
4. Die Genauigkeit der Maschine ist die maximale Abweichung, die Sie bei allen gemessenen Positionen feststellen.

Beispiel: Die GA-DV750, ein Vertikal-Bearbeitungszentrum von Gree CNC, hat eine Positioniergenauigkeit von 0,003 mm. Das bedeutet, dass die maximale Abweichung zwischen Sollposition und Istposition bei allen gemessenen Positionen entlang der X-, Y- oder Z-Achse 0,003 mm beträgt.

Messung der Wiederholgenauigkeit

Um die Wiederholgenauigkeit einer CNC-Maschine zu messen, gehen Sie wie folgt vor:

1. Wählen Sie mehrere Sollpositionen entlang der zu prüfenden Achse aus, ähnlich wie bei der Messung der Genauigkeit.
2. Fahren Sie die Maschine 7 Mal zu jeder Sollposition und messen Sie die tatsächliche Position bei jeder Fahrt.
3. Berechnen Sie die Standardabweichung der 7 gemessenen Istpositionen für jede Sollposition.
4. Die Wiederholgenauigkeit der Maschine ist das 2-fache der maximalen Standardabweichung, die Sie bei allen gemessenen Positionen feststellen.

Beispiel: Die GA-DV750 hat eine Wiederholgenauigkeit von 0,0024 mm. Das bedeutet, dass 95 % der Fahrten zu einer beliebigen Sollposition innerhalb von 0,0024 mm um den Mittelwert der Istpositionen liegen.

Praktische Grenzen der Messmethoden

Die Messung mit einem Laserinterferometer ist sehr genau, aber auch sehr aufwändig und teuer. Sie erfordert eine spezielle Ausrüstung und geschultes Personal. In der Praxis wird diese Messung daher nur bei der Inbetriebnahme einer neuen Maschine oder bei der Kalibrierung nach einer Reparatur durchgeführt.

Für die regelmäßige Überprüfung der Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit in der Produktion werden einfachere Methoden verwendet, z. B. die Messung von Bohrungen oder Passungen mit einem Messmikroskop oder einer Messuhr. Diese Methoden sind weniger genau als die Messung mit einem Laserinterferometer, aber sie reichen für die meisten Anwendungen aus.

Fehlerquellen

Die Abweichungen bei Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit kommen aus verschiedenen Quellen, die sich auf die Maschine, das Werkstück oder die Umgebung beziehen:

Fehlerquellen für Genauigkeit

• Fehler im Messsystem: Das Messsystem der Maschine (z. B. Linearmaßstäbe oder Drehgeber) kann Fehler haben, die dazu führen, dass die Maschine die tatsächliche Position falsch erkennt.
• Verformungen der Maschine: Die Maschine verformt sich unter der Last des Werkstücks, des Werkzeugs oder der Kräfte, die beim Bearbeiten entstehen. Diese Verformungen führen dazu, dass die tatsächliche Position des Werkzeugs von der Sollposition abweicht.
• Temperaturänderungen: Temperaturänderungen führen dazu, dass sich die Maschine ausdehnt oder zusammenzieht. Da die Ausdehnung von Stahl etwa 11,5 µm pro Meter und Grad Celsius beträgt, kann eine Temperaturänderung von 1 °C bei einer Maschine mit einem Verfahrweg von 1 Meter zu einer Abweichung von 11,5 µm führen.
• Fehler in der Kinematik: Die Kinematik der Maschine (z. B. die Anordnung der Achsen) kann Fehler haben, die dazu führen, dass die Maschine die gewünschte Position nicht erreicht.

Beispiel: Die GA-FMB3020D, ein 5-Achsen-Portal-Bearbeitungszentrum von Gree CNC, hat eine Positioniergenauigkeit von 0,035 mm entlang der X-Achse. Dies liegt unter anderem daran, dass die Maschine einen großen Verfahrweg von 2700 mm entlang der X-Achse hat. Temperaturänderungen von nur 3 °C führen bereits zu einer Ausdehnung von etwa 93 µm, was die Genauigkeit der Maschine stark beeinflusst.

Fehlerquellen für Wiederholgenauigkeit

• Spiel in den Achsen: Spiel in den Führungen, den Kugelumlaufspindeln oder den Lagern der Achsen führt dazu, dass die Maschine bei wiederholten Fahrten zur gleichen Position nicht immer die gleiche Istposition erreicht.
• Reibung: Reibung in den Führungen oder den Kugelumlaufspindeln führt dazu, dass die Maschine die gewünschte Position nicht genau erreicht.
• Schwingungen: Schwingungen der Maschine während der Fahrt führen dazu, dass die tatsächliche Position des Werkzeugs von der Sollposition abweicht.
• Temperaturänderungen: Auch Temperaturänderungen beeinflussen die Wiederholgenauigkeit, wenn sie sich zwischen den Fahrten zur gleichen Position ändern.

Beispiel: Die GA-MV856, ein Vertikal-Bearbeitungszentrum von Gree CNC, hat eine Wiederholgenauigkeit von 0,006 mm. Dies liegt unter anderem daran, dass die Maschine einen mechanischen Hauptspindeltyp hat, der mehr Spiel und Reibung aufweist als ein Hochgeschwindigkeits-Elektrospindeltyp.

Ehrliche Einschränkungen

Sowohl Genauigkeit als auch Wiederholgenauigkeit haben Grenzen, die Sie bei der Auswahl einer CNC-Maschine berücksichtigen müssen. Viele Nutzer überschätzen die Bedeutung dieser Werte oder verstehen ihre Grenzen nicht.

Was die Werte nicht aussagen

• Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit beziehen sich nur auf die Position der Achsen, nicht auf die Bearbeitungsqualität: Die Werte werden bei Leerlauf gemessen, ohne Werkstück und ohne Werkzeug. Sie sagen nichts darüber aus, wie genau die Maschine ein Werkstück bearbeitet, wenn Kräfte beim Schneiden oder Bohren auftreten.
• Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit beziehen sich nur auf statische Positionen, nicht auf dynamische Bewegungen: Die Werte werden gemessen, wenn die Maschine stillsteht. Sie sagen nichts darüber aus, wie genau die Maschine während der Fahrt positioniert ist, z. B. beim Fräsen einer Kurve.
• Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit beziehen sich nur auf die Maschine, nicht auf das gesamte System: Die Werte berücksichtigen nicht Fehler durch das Werkzeug, das Spannsystem, das Werkstück oder die Umgebung.

Häufige Überzeugungen, die falsch sind

• "Eine Maschine mit hoher Genauigkeit hat auch eine hohe Wiederholgenauigkeit": Das ist nicht immer der Fall. Eine Maschine kann eine hohe Genauigkeit haben, aber eine geringe Wiederholgenauigkeit, wenn sie Spiel in den Achsen hat. Umgekehrt kann eine Maschine eine hohe Wiederholgenauigkeit haben, aber eine geringe Genauigkeit, wenn das Messsystem Fehler hat.
• "Eine Maschine mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,0024 mm kann Teile mit einer Toleranz von 0,0024 mm herstellen": Das ist nicht möglich. Die Wiederholgenauigkeit der Maschine ist nur ein Teil der Fehlerquelle bei der Bearbeitung. Hinzu kommen Fehler durch das Werkzeug, das Spannsystem, das Werkstück und die Umgebung. Um Teile mit einer Toleranz von 0,0024 mm herzustellen, benötigen Sie eine Maschine mit einer Wiederholgenauigkeit von mindestens 0,001 mm.
• "Genauigkeit ist immer wichtiger als Wiederholgenauigkeit": Das hängt von der Anwendung ab. Bei Serienproduktion ist Wiederholgenauigkeit oft wichtiger als Genauigkeit, weil Sie die Abweichung der Genauigkeit durch Anpassung der Montageparameter ausgleichen können. Bei der Herstellung von Prototypen oder Einzelteilen ist Genauigkeit wichtiger, weil Sie keine Serienparameter anpassen können.

Zusammenfassungstabelle

Praktische Checkliste

Um Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit korrekt anzuwenden, folgen Sie dieser Checkliste:

1. Definieren Sie die Anforderungen an Ihre Teile: Bestimmen Sie zuerst, welche Toleranzen Ihre Teile haben müssen und ob die Teile in ein festes System passen oder in Serien hergestellt werden.
2. Wählen Sie die richtige Maschine:
   • Wenn Sie Teile mit festen Positionen herstellen (z. B. Motorblöcke), wählen Sie eine Maschine mit hoher Genauigkeit.
   • Wenn Sie Teile in Serien herstellen (z. B. Gleitlager), wählen Sie eine Maschine mit hoher Wiederholgenauigkeit.
3. Berücksichtigen Sie die Fehlerquellen: Denken Sie daran, dass die Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit der Maschine nur ein Teil der Fehlerquelle bei der Bearbeitung sind. Berücksichtigen Sie Fehler durch das Werkzeug, das Spannsystem, das Werkstück und die Umgebung.
4. Kalibrieren Sie die Maschine regelmäßig: Lassen Sie die Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit der Maschine regelmäßig mit einem Laserinterferometer messen und kalibrieren.
5. Prüfen Sie die Teile regelmäßig: Prüfen Sie die Teile regelmäßig mit einem Präzisionsmessgerät, um sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Toleranzen einhalten.

FAQ

1. Frage: Kann ich die Genauigkeit einer Maschine verbessern, ohne sie auszutauschen?
   Antwort: Ja, Sie können die Genauigkeit einer Maschine durch Kalibrierung verbessern. Bei der Kalibrierung werden Fehler im Messsystem oder in der Kinematik der Maschine erkannt und korrigiert. Sie können auch die Umgebung der Maschine optimieren, z. B. durch Klimatisierung, um Temperaturänderungen zu reduzieren.

2. Frage: Warum ist die Wiederholgenauigkeit der GA-FMB3020D geringer als die der GA-DV750?
   Antwort: Die GA-FMB3020D ist ein Portal-Bearbeitungszentrum mit einem großen Verfahrweg von 2700 mm entlang der X-Achse. Große Verfahrwege führen zu größeren Verformungen der Maschine unter Last und größeren Ausdehnungen bei Temperaturänderungen. Die GA-DV750 ist ein kleineres Vertikal-Bearbeitungszentrum mit einem Verfahrweg von 700 mm entlang der X-Achse, sodass die Verformungen und Ausdehnungen geringer sind.

3. Frage: Welche Maschine von Gree CNC ist am besten für die Herstellung von Präzisionsteilen mit einer Toleranz von 0,005 mm geeignet?
   Antwort: Die GA-UHD500, ein hochpräzises 5-Achsen-Bearbeitungszentrum, hat eine Positioniergenauigkeit von 0,006 mm und eine Wiederholgenauigkeit von 0,004 mm. Diese Werte sind ausreichend für die Herstellung von Teilen mit einer Toleranz von 0,005 mm, vorausgesetzt, Sie berücksichtigen weitere Fehlerquellen wie Werkzeugverschleiß und Temperaturänderungen.

4. Frage: Beeinflusst die Spindelgeschwindigkeit die Genauigkeit oder Wiederholgenauigkeit?
   Antwort: Ja, hohe Spindelgeschwindigkeiten führen zu mehr Schwingungen der Maschine, die die Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit beeinträchtigen können. Bei hohen Spindelgeschwindigkeiten ist es daher wichtig, dass die Maschine eine hohe Steifigkeit hat, um Schwingungen zu reduzieren.

5. Frage: Warum haben CNC-Drehmaschinen keine angegebenen Genauigkeits- und Wiederholgenauigkeitswerte?
   Antwort: Die Genauigkeit und Wiederholgenauigkeit von CNC-Drehmaschinen hängen stark von der Art der Bearbeitung, dem Werkstückdurchmesser und der Schnittgeschwindigkeit ab. Daher werden diese Werte nicht allgemein angegeben, sondern müssen für jede spezifische Anwendung gemessen werden.

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