Mit mechanischer Kompensation zur perfekten Geometrie

Ein typisches Problem von Bewegungsachsen im Maschinenbau ist deren Streuung in der geometrischen Genauigkeit. Diese reicht von hochgenau bis zu kaum beherrschbar. Als Folge sind Positioniertreue und Maßhaltigkeit bearbeiteter Werkstücke nicht den in gewünschten Toleranzen, kosten- und oft zeitaufwendige Umkonstruktionen sind notwendig. Die Abnahme der Maschine ist gefährdet.

Wie erklärt sich die Krux – Hochpräzise Maschinenelemente und maßhaltige Gestellteile und trotzdem ist das Werkstück ungenau? Dies liegt zum einen an der Kinematik von Maschinenachsen, Toleranzketten und der begrenzten Steifigkeit von Führungselementen/Lagern sowie Einflüsse nachgiebiger Bauteile.

Was ist die Praxis – Aufwendige Vermessung des Prototyps und Korrektur unzulässiger Abweichungen über langjährige Erfahrung von Mitarbeitern -und Maschinenreihen. Zeit- und kostenintensiver Prozess der wenig Misserfolg zulässt, außerdem ist das Knowhow durch das Ausscheiden von Mitarbeitern gefährdet.

Was wäre effizient – Vorzeitige Kenntnis der Abweichungen an einem Werkstück und Erarbeitung gezielter Kompensationsmethoden zur Sicherung der Abnahme.

Benefit durch OPAL GmbH – Wir erstellen Ihnen eine praktische Anleitung, die bereits Ihren ersten Prototyp maßhaltig macht. Alle Eventualitäten werden berücksichtigt. Es gibt keine Überraschungen. Wir besitzen die Stärke in frühzeitiger Komplettsimulation aller Achsen einer Maschine und ihrer Fundamentierung unter Nutzung modernster Simulationstools wie NX Nastran oder Altair.

Ein Beispiel

Für die Neuentwicklung einer 20t Ständerfräsmaschine der Größe 7mx4mx2m mit einem 1000kg schweren Bearbeitungskopf (der das Werkzeug trägt)  soll die Maschinengenauigkeit im gesamten Arbeitsraum möglichst hoch sein. Unvermeidliche Form- und Lageabweichungen für ein zu fertigendes Werkstück sollen minimal bzw. im Rahmen definierter Toleranzen liegen.

Die Simulation des Ausgangszustandes ergab zunächst für die Längs- und Hochachse unter Eigengewichtslast ein relativ gutes, aber noch optimierbares Verhalten für den Kontrollpunkt der Werkzeugschneide (ToolCenterPoint=TCP), dem Ort der Genauigkeitsbildung. Mittels FEM-Strukturoptimierung von Ständer, Bett und Aufstellbedingungen konnte dieses Verhalten verbessert und homogenisierter gestaltet werden.

Jedoch zeigte das Ausfahren der lineargeführten Schieberachse Z unter Eigengewicht einen großen stetig wachsenden Durchhang des ToolCenterPoints nach unten mit Werten max. 0,22mm (Bild 1.1). Das zu fertigende Werkstück wäre damit über seine Bauteillänge um 0,4mm/m schief. Nun galt es mittels geeigneter Strategien die Form- und Lageabweichungen dieser Achse zu minimieren.

Schritt für Schritt zum Erfolg

OPAL hat einen Erfahrungsschatz an geometrischen Kompensationsmethoden von Maschinenachsen, die bereits erfolgreich bei der Abnahme von Prototypen validiert wurden. Technischer Standard sind z.Bsp. Vorhaltemaße an Passplatten der Linearführungswagen, die jedoch im fertigen Prototypenzustand aufwendig zu ermitteln sind. OPAL kann diese Vorhaltemaße, meist im Bereich 50..200µm, im Vorherein virtuell mit hoher Sicherheit bestimmen. Technologische Randbedingungen werden dabei beachtet. Der Durchhangfehler konnte im Beispiel um 80% damit reduziert werden. Dieser technische Vorgang ist auch als lineare Kompensation bekannt (Bild 1.2 blaue Kurve). Der verbleibende Fehler von 37µm war aber weiterhin nicht zufriedenstellend.

Komplexe Kompensation verhindert die Fehlerentstehung

In einem weiteren Schritt wurde deshalb eine komplexe mathematische Funktion durch spanende Bearbeitung in das Bauteil „Schieber“ eingebracht. Damit konnte der Verlauf des Durchhangs weiter begradigt und minimiert werden (Bild 1.2 rote Kurve). Bei anschließender virtueller Erprobung bestätigte sich die hohe Maßhaltigkeit der zu verfahrenden Z-Achse, der zu erwartenden Restfehler betrug max. 7µm, d.h. eine Reduktion auf nunmehr insgesamt 96%  (Bild 1.2 rote Kurve).

Bei der tatsächlichen Abnahme der Maschine bestätigten sich die berechneten Eigenschaften. Ein super Ergebnis für eine derartige Maschinengröße.