So präzise wie nötig

Geringe Stückkosten und eine hohe Produktivität sind zentrale Themen in der Fertigung. Beides lässt sich für das Gros der Teile mit Standardmaschinen wirtschaftlich erreichen. Nach wie vor gibt es aber auch Werkstücke, die eine deutlich höhere Präzision verlangen. Für sie sind die hochgenauen Maschinen konzipiert. Mancher Hersteller versucht hier, mit Positioniergenauigkeiten einzelner Achsen im Submikrometer-Bereich zu glänzen. Doch die erreichbare Präzision am Bauteil hängt von mehreren Faktoren ab:

Meist reicht eine einzelne Abweichung von den Sollwerten, und die Toleranzen lassen sich nur schwer oder gar nicht einhalten. Um den Prozesses zu verbessern, gilt es, die jeweilige Schwachstelle gezielt zu optimieren. Aber dazu muss der Gesamtprozess betrachtet werden.

Auch wenn die Genauigkeit des Werkstücks nur zum Teil von der Grundgenauigkeit der Maschine abhängt, kann der Hersteller sein Produkt so gestalten, dass es möglichst robust auf Störungen reagiert. Dabei gilt es, das geometrische, das thermische und das dynamische Verhalten der Maschine zu beachten. Jede Einzelachse einer Seriellkinematik soll eine definierte Translations- oder Rotationsbewegung ausführen. Tatsächlich jedoch hat jede Bewegung Abweichungen in allen Freiheitsgraden zur Folge. Direkte Messsysteme verbessern daher das geometrische Verhalten von Werkzeugmaschinen, und auch hochwertige Führungen tragen zu reduzierten Geradheitsabweichungen sowie Roll- und Kippbewegungen bei.

Das entscheidende Kriterium für Werkzeugmaschinen ist heute jedoch vielfach deren thermisches Verhalten. Durch interne und externe Wärmequellen dehnen sich ihre Komponenten ebenso aus, wie das Werkstück. Das Problem: Die einzelnen Elemente „wachsen“ nicht gleichmäßig. Dadurch ändern sich die Geometrieabweichungen des Systems. Die Konstrukteure versuchen diese Effekte zu reduzieren, indem sie inhomogene Temperaturerhöhungen vermeiden und durch einen thermosymmetrischen Aufbau ein möglichst homogenes Ausdehnungsverhalten anstreben. In diesem Sinn kombinieren sie bei hochgenauen Maschinen vorzugsweise Materialien mit gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Außerdem bauen sie die Komponenten möglichst symmetrisch auf und trennen Wärmequellen von der Struktur. Ein Beispiel aus der Praxis liefert hier die StarragHeckert AG. Die Schweizer mit Sitz in Rorschacherberg haben beim Lehrenbohrwerk SIP 5000 Spindel und Hauptantrieb thermisch getrennt. Die erzeugte Wärme wird nicht an die Maschinenstruktur abgegeben, sondern an die Umgebung.

Um eine hohe Produktivität zu erreichen, müssen die Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück möglichst schnell erfolgen. Das ist jedoch mit hohen Vorschüben, Achsbeschleunigungen und Ruckwerten verbunden. Die dynamische Genauigkeit der Bewegungen hängt vom mechatronischen System ab, also von der Bahnplanung, der Achsregelung und von der mechanischen Auslegung. Der beste Kompromiss zwischen Produktivität und Präzision lässt sich mit Hilfe einer so genannten Parameterumschaltung erreichten. Dabei werden in der Bahnplanung die Maximalwerte für Ruck und Beschleunigung abhängig von der geforderten Genauigkeit angepasst. Dadurch können sich die Prozesswerte immer an dem Limit bewegen, das die geforderte Präzision vorgibt. Eine Besonderheit der Lösung, die die StarragHeckert-Ingenieure in ihrem Bearbeitungszentrum SPC 7120 SIP verbaut haben: Die Grenzwerte werden nicht generell und für alle Achsen gleich festgelegt, sondern achsindividuell.

Ein weiteres, heute weit verbreitetes Mittel, die Genauigkeit einer Werkzeugmaschine zu verbessern, ist die Kompensationen per NC-Steuerung. Um diese zu bewerten, müssen jedoch die Unsicherheit von Messung und Modell miteinbezogen werden.

Will ein Hersteller eine Maschine genauer machen, muss er sein System sehr genau kennen und entlang der Fertigungskette in Optimierungsmaßnahmen investieren. In der Serienfertigung von Standardmaschinen rechnet sich das oft nicht. hw

StarragHeckert auf der EMO Halle 4, Stand C14