Geometriefehler über die Maschinensteuerung komplett kompensieren

Gerade bei der Bearbeitung von langen Werkstücken wie Tragflächen muss bislang hoher Aufwand betrieben werden, um die geometrischen Fehler und Abweichungen von Werkzeugmaschinen ausgleichen zu können.

Mit der CNC-Funktionalität Volumetric Compensation System (VCS) der Siemens-Steuerung Sinumerik 840D sl lassen sich erstmals sämtliche Geometriefehler einer Werkzeugmaschine nur über die Steuerung zuverlässig und schnell kompensieren. Für Maschinenhersteller und -betreiber bietet dies die Möglichkeit, allein über die Steuerungstechnik die Fertigungsgenauigkeit zu erhöhen. Dies spart mechanische Nachbearbeitung bei der Maschinenjustage, reduziert den Prüfaufwand und reduziert so Maschinenstillstandszeiten erheblich.

Jede Werkzeugmaschine weist geringfügige systembedingte Geometriefehler im Führungssystem der Vorschubachsen auf. Bei Linearachsen sind dies lineare Positionsfehler, horizontale und vertikale Geradheitsfehler sowie Rollen, Nicken und Gieren. Weitere Fehler treten in der Ausrichtung der Maschinenkomponenten zueinander auf. Auch Rundachsen weisen Fehler auf. Die einzelnen Abweichungen überlagern sich in einer Maschine zu einem Gesamtfehler, dem sogenannten volumetrischen Fehler. Durch die langen Hebel in Großmaschinen kann hier der Volumetrische Fehler bis zu mehrere 100 Mikrometer erreichen. Um diese Abweichungen zu vermeiden, waren bislang aufwändige und zeitraubende Qualitätssicherungsmaßnahmen erforderlich.

Gerade im Aerospace-Bereich bei der Bearbeitung von Tragflächen sind die Aufwände entsprechend hoch. Mit der CNCFunktionalität Volumetric Error Compensation System (VCS) kann die Korrektur der geometrischen Fehler zeitsparend und zuverlässig über die Steuerung erfolgen.

Über Lasermessverfahren lassen sich volumetrische Fehler quantifizieren, Voraussetzung ist allerdings das Vermessen nicht nur einzelner Achsen, sondern des Positionierverhaltens im gesamten Bearbeitungsraum. Die Steuerung Sinumerik 840D sl unterstützt den wesentlichen Teil des Messvorgangs für die 21 möglichen Fehler aktiv. Die Steuerung bietet neben der achsial wirkenden Spindelsteigungsfehlerkompensation auch die Cross-Error-Kompensation.

Sie wirkt achsübergreifend und ist individuell anwählbar. Mit VCS kann die Sinumerik 840D sl zusätzlich bei 3-Achsmaschinen den volumetrischen Positionsfehler des Werkzeugs kompensieren. Bei 5-Achsmaschinen gleicht VCS in Interaktion mit der Traori-Funktionalität zusätzlich den Orientierungsfehler des Werkzeugs aus.

Vor der Inbetriebnahme der Steuerungsoption VCS werden alle 21 Geometriefehler der Linearachsen vermessen. Dies leisten z. B. Kalibrier-Dienstleister mit Hilfe von Laser-Messgeräten. Die dabei erstellten Fehlerkurven werden in eine VCSDatei konvertiert und auf der Sinumerik 840D hinterlegt. Anwender bestimmter Messsysteme haben Tools zur Verfügung, die einzelne Messkurven in das VCS-Dateiformat der Sinumerik- CNCs konvertieren. Die Fehler der Rundachsen sind mit Hilfe des Sinumerik-Zyklus 996 „Kinematik vermessen“ in nur wenigen Minuten ermittelt. Für ihre Kompensation genügt es, sie auf Knopfdruck in die TRAORI- Maschinendaten zu übernehmen.

Nach Aktivierung beider Funktionen VCS und TRAORI ist die Genauigkeit der Maschine im gesamten Arbeitsraum erheblich gesteigert. Die maximal erzielbare Fehlerreduktion hängt dabei von individuellen Gegebenheiten der Maschine und ihren Einsatzbedingungen ab. Der Erfolg der Kompensation ist umso größer, je reproduzierbarer die einzelnen Fehler sind und je geringer die Umkehrspannen der Achsen oder anderes Spiel in der Mechanik. Grundvoraussetzung ist eine klimatisierte Fertigung mit weitgehend konstanter Temperatur, um eine dauerhaft gesteigerte Genauigkeit sicher zu stellen.

Der Einsatz der Funktion VCS hat keinen Einfluss auf die Performance der Steuerung. Die Verfahren zur volumetrischen Kompensation mit der Steuerung Sinumerik 840D sl hat Siemens zusammen mit der US-Weltraumbehörde NASA getestet.

Gerade auch für den Bau der neuen Generation von Großflugzeugen wie dem Airbus 380 bieten sich so erhebliche Potentiale, um die Qualität mit geringerem Zeit- und Kostenaufwand sicher zu stellen.