Überprüfung und Korrektur der Maschinenquadratur

Was wird eigentlich gemessen oder kontrolliert?

Zuerst klären wir die Begriffe, die in der Praxis oft verwechselt werden: Die Maschinenquadratur beschreibt die Genauigkeit, mit der die Bewegungsachsen einer CNC-Maschine zueinander senkrecht stehen. Das zentrale Maß hierfür ist die Achssenkrechtigkeit – also der Winkel zwischen zwei Achsen, der idealerweise genau 90 Grad beträgt. Abweichungen von diesem Winkel werden in Winkeleinheiten (z. B. Bogensekunden, ″) oder als lineare Abweichung pro Messlänge (z. B. 0,01 mm pro 1000 mm Messstrecke) angegeben.

Zwei gängige Methoden zur Überprüfung der Achssenkrechtigkeit sind:

1. Granitquadrate: Hochpräzise, aus einem einzigen Granitblock gefertigte Messkörper, deren Flächen auf eine Abweichung von weniger als 0,001 mm pro 1000 mm Länge kalibriert werden. Sie dienen als Referenz für 90-Grad-Winkel.
2. Tram: Ein Verfahren, bei dem ein Messwerkzeug (z. B. Messuhr, Lasermessgerät) an der Spindel der Maschine befestigt wird, um die Ausrichtung einer Komponente (z. B. Werkstück, Spannvorrichtung, Werkzeug) relativ zu den Achsen zu überprüfen. Im Kontext der Maschinenquadratur bezieht sich Tram auf die Überprüfung der Senkrechtigkeit der Spindel zur Werkstücktischoberfläche.

Warum ist das wichtig?

Abweichungen von der idealen Achssenkrechtigkeit haben direkte Auswirkungen auf die Qualität der gefertigten Teile und die Kosten der Produktion:

• Teilfunktion: Bei Präzisionsteilen, die in Baugruppen passen müssen, können Quadraturabweichungen zu Passproblemen führen. Beispielsweise erfordert ein Gehäuse für ein Getriebe, dass die Bohrungen für die Wellen exakt senkrecht zur Gehäuseoberfläche sind – eine Abweichung von 0,02 mm pro 1000 mm Messstrecke kann dazu führen, dass die Wellen nicht richtig laufen und das Getriebe vorzeitig ausfällt.
• Montageaufwand: Teile mit ungenauer Quadratur erfordern oft nachträgliche Bearbeitung oder Anpassung bei der Montage, was die Produktionszeit und Kosten erhöht.
• Werkzeugverschleiß: Ungenaue Achsen führen zu ungleichmäßigen Schnittkräften, die den Verschleiß von Werkzeugen erhöhen und deren Lebensdauer verkürzen.

Für Gree CNC-Maschinen gilt: Die spezifizierte Positioniergenauigkeit und Wiederholgenauigkeit basieren auf der Annahme, dass die Achsen korrekt ausgerichtet sind. Beispielsweise hat die GA-DV750 (Vertikalbearbeitungszentrum) eine Positioniergenauigkeit von 0,003 mm – diese Genauigkeit kann nur erreicht werden, wenn die Achssenkrechtigkeit innerhalb der zulässigen Grenzen liegt.

Wie wird es gemessen oder erreicht?

In der Werkstatt werden drei praktische Methoden zur Überprüfung und Korrektur der Maschinenquadratur verwendet. Jede hat spezifische Genauigkeitsgrenzen und Anwendungsbereiche:

1. Messung mit Granitquadrat

Vorgehensweise:

• Ein kalibriertes Granitquadrat wird auf dem Werkstücktisch der Maschine befestigt.
• Eine Messuhr wird an der Spindel befestigt, sodass ihre Messspitze an der vertikalen Fläche des Granitquadrats anliegt.
• Die Maschine wird entlang der X-Achse bewegt, während die Messuhr die Abweichung von der idealen 90-Grad-Position aufzeichnet.
• Der Vorgang wird für die Y-Achse wiederholt.

Genauigkeitsgrenzen: Die Genauigkeit hängt von der Kalibrierung des Granitquadrats und der Messuhr ab. Typischerweise beträgt die Messgenauigkeit 0,002 bis 0,005 mm pro 1000 mm Messstrecke.

2. Tram-Messung mit Messuhr

Vorgehensweise:

• Eine Messuhr wird an der Spindel befestigt, sodass ihre Messspitze auf der Oberfläche des Werkstücktisches aufliegt.
• Die Spindel wird um 360 Grad gedreht, während die Messuhr die Abweichung der Tischoberfläche von der idealen Senkrechten zur Spindelachse aufzeichnet.
• Abweichungen werden durch Anpassung der Maschineneinstellungen (z. B. Ausrichtung der Führungen) korrigiert.

Genauigkeitsgrenzen: Die Messgenauigkeit beträgt typischerweise 0,003 bis 0,01 mm pro 1000 mm Messstrecke.

3. Lasermessung

Vorgehensweise:

• Ein Lasermesssystem wird verwendet, um die Winkel zwischen den Achsen direkt zu messen. Das System sendet einen Laserstrahl entlang einer Achse und misst die Abweichung des Strahls relativ zu einer Referenzlinie.
• Die Messdaten werden zur Berechnung der Achssenkrechtigkeit verwendet, und Korrekturen werden in die Maschinensoftware eingegeben.

Genauigkeitsgrenzen: Lasermesssysteme erreichen eine Genauigkeit von bis zu 0,001 mm pro 1000 mm Messstrecke.

Für Gree CNC-Maschinen gilt: Die Werkseinstellung der Achssenkrechtigkeit wird bei der Herstellung mit Lasermesssystemen kalibriert. Beispielsweise wird die GA-UHD500 (Hochpräzisions-Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum) auf eine Achssenkrechtigkeit von weniger als 0,005 mm pro 1000 mm Messstrecke eingestellt.

Fehlerquellen

Die gemessene Quadraturabweichung setzt sich aus mehreren Faktoren zusammen:

1. Maschinenverschleiß: Abnutzung der Führungen, Lager oder Spindeln führt zu einer Veränderung der Achsenausrichtung über die Zeit. Beispielsweise kann die Abnutzung der Führungen der GA-MV856 (Vertikalbearbeitungszentrum) zu einer Erhöhung der Achssenkrechtigkeit um 0,01 mm pro 1000 mm Messstrecke führen.
2. Temperaturänderungen: Unterschiedliche Temperaturen in der Werkstatt führen zu unterschiedlichen Ausdehnungen der Maschinenteile, die die Achsenausrichtung verändern. Beispielsweise kann eine Temperaturänderung von 10 Grad Celsius die Achssenkrechtigkeit der GA-DV750 um bis zu 0,008 mm pro 1000 mm Messstrecke verändern.
3. Messfehler: Ungenaue Kalibrierung des Messwerkzeugs, unsachgemäße Befestigung des Granitquadrats oder Vibrationen während der Messung führen zu falschen Messergebnissen.
4. Spannvorrichtung: Ungenaue Ausrichtung der Spannvorrichtung auf dem Werkstücktisch kann zu einer falschen Messung der Achssenkrechtigkeit führen.

Ehrliche Einschränkungen

Die Überprüfung der Maschinenquadratur hat mehrere Grenzen, die oft übersehen werden:

1. Statische Messung: Die meisten Messmethoden (Granitquadrat, Tram) messen die Achssenkrechtigkeit im Stillstand der Maschine. Unter Belastung (z. B. während der Bearbeitung) können sich die Achsen aufgrund von Verformungen der Maschinenteile anders verhalten. Beispielsweise kann die GA-MVD2560 (Vertikalbearbeitungszentrum mit zwei Spindeln) unter einer Last von 2000 kg eine Verformung der Werkstücktischoberfläche von bis zu 0,02 mm aufweisen, die die Achssenkrechtigkeit verändert.
2. Lokale Messung: Die Messung wird nur an einer bestimmten Stelle auf dem Werkstücktisch durchgeführt. Die Achssenkrechtigkeit kann an anderen Stellen des Tisches abweichen. Beispielsweise kann die Achssenkrechtigkeit der GA-GF4028 (Schwerlast-Gantry-Bearbeitungszentrum) am Rand des Tisches um bis zu 0,03 mm pro 1000 mm Messstrecke abweichen von der Messung in der Mitte des Tisches.
3. Keine Aussage über andere Genauigkeitsmerkmale: Die Überprüfung der Achssenkrechtigkeit gibt keine Auskunft über die Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit oder Rundlaufgenauigkeit der Maschine. Beispielsweise kann eine Maschine mit korrekter Achssenkrechtigkeit trotzdem eine ungenaue Positioniergenauigkeit haben, wenn die Antriebe nicht richtig kalibriert sind.
4. Übermäßiges Vertrauen in die Werkseinstellung: Viele Betreiber gehen davon aus, dass die bei der Herstellung eingestellte Achssenkrechtigkeit über die gesamte Lebensdauer der Maschine erhalten bleibt. In Wirklichkeit kann sich die Achssenkrechtigkeit bereits nach einem Jahr Betrieb um bis zu 0,02 mm pro 1000 mm Messstrecke verändern.

Zusammenfassungstabelle

Praktische Checkliste

Um die Maschinenquadratur korrekt zu überprüfen und zu korrigieren, folgen Sie dieser Checkliste:

1. Vorbereitung:
   • Stellen Sie sicher, dass die Maschine mindestens 30 Minuten vor der Messung auf Betriebstemperatur aufgeheizt ist.
   • Reinigen Sie den Werkstücktisch und die Messwerkzeuge von Schmutz und Öl.
   • Kalibrieren Sie das Messwerkzeug (Granitquadrat, Messuhr) gemäß den Herstellerangaben.
2. Messung:
   • Befestigen Sie das Granitquadrat sicher auf dem Werkstücktisch.
   • Führen Sie die Messung an mehreren Stellen auf dem Werkstücktisch durch, um lokale Abweichungen zu erfassen.
   • Wiederholen Sie die Messung mehrmals, um Messfehler zu minimieren.
3. Korrektur:
   • Vergleichen Sie die gemessene Achssenkrechtigkeit mit der spezifizierten Genauigkeit der Maschine. Beispielsweise darf die Achssenkrechtigkeit der GA-DV750 0,005 mm pro 1000 mm Messstrecke nicht überschreiten.
   • Wenn die Abweichung innerhalb der zulässigen Grenzen liegt, führen Sie keine Korrektur durch.
   • Wenn die Abweichung außerhalb der zulässigen Grenzen liegt, führen Sie eine Korrektur durch (entweder durch Anpassung der Maschineneinstellungen oder durch Kalibrierung mit einem Lasermesssystem).
4. Dokumentation:
   • Dokumentieren Sie die Messergebnisse und Korrekturen für zukünftige Referenz.
   • Planen Sie regelmäßige Überprüfungen der Maschinenquadratur (mindestens einmal pro Jahr, bei hoher Belastung alle sechs Monate).

FAQ

1. Wie oft sollte ich die Maschinenquadratur überprüfen? Die Häufigkeit hängt von der Nutzung der Maschine ab. Bei normaler Nutzung (8 Stunden pro Tag) sollten Sie die Quadratur mindestens einmal pro Jahr überprüfen. Bei hoher Belastung (24 Stunden pro Tag, schwere Bearbeitung) sollten Sie die Quadratur alle sechs Monate überprüfen.

2. Kann ich die Quadraturabweichung selbst korrigieren oder brauche ich einen Techniker? Kleine Abweichungen (innerhalb von 0,01 mm pro 1000 mm Messstrecke) können Sie selbst korrigieren, indem Sie die Maschineneinstellungen anpassen. Größere Abweichungen erfordern eine Kalibrierung mit einem Lasermesssystem, die von einem qualifizierten Techniker durchgeführt werden sollte.

3. Welche Auswirkungen hat eine falsche Quadratur auf die Bearbeitung von Aluminium? Aluminium ist ein weiches Material, sodass kleine Quadraturabweichungen (bis 0,01 mm pro 1000 mm Messstrecke) in der Regel keine großen Auswirkungen haben. Bei Präzisionsteilen aus Aluminium können Abweichungen jedoch zu Passproblemen führen.

4. Kann die Quadratur einer Maschine durch den Transport verändert werden? Ja, der Transport kann die Achsenausrichtung verändern. Sie sollten die Quadratur einer Maschine nach dem Transport überprüfen, bevor Sie sie in Betrieb nehmen.

5. Wie kann ich die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf die Quadratur minimieren? Sie können die Auswirkungen von Temperaturänderungen minimieren, indem Sie die Maschine in einer klimatisierten Umgebung betreiben oder sie vor der Messung und Bearbeitung auf Betriebstemperatur aufheizen.

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