Hallo, Mechatroniker!

Willkommen zu einer neuen Ausgabe des SINADRIVES-Blogs mit dem Thema: dreidimensionale Genauigkeit

August 2022,

heute geht es um die dreidimensionale Genauigkeit. Es scheint, als wäre jeder bestens mit dem Begriff vertraut, aber wenn wir Anfragen unserer Kunden erhalten stellen wir fest, dass die Ermittlung bestimmter geometrischer Fehler oft nicht sauber definiert sind.

Grundlegende Fehler und ihre Definition

Insgesamt gibt es mehr als 20 grundlegende Genauigkeitsfehler, wobei wir in diesem Beispiel nur auf die häufigsten Fehler im Fall einer dreidimensionalen Präzision im Maschinenbau eingehen.

Ebenheit

Den Begriff Ebenheit können wir als einen Zustand einer Oberfläche beschreiben, deren Elemente alle in einer theoretischen Ebene mit 3 verbundenen Punkten auf dieser Ebene liegen. Jeder Fehler bzw. jede Abweichung von dieser Ebene wäre ein Ebenheitsfehler.

Geradheit

Den Begriff Geradheit können wir als einen Zustand beschreiben, bei dem alle Elemente einer Fläche auf einer geraden Linie liegen. Jeder Fehler bzw. jede Abweichung von dieser Ebene wäre ein Geradheitsfehler.

Parallelität

Unter dem Begriff Parallelität können wir einen Zustand verstehen, bei dem eine Fläche parallel zu einer anderen Fläche liegt (und folglich an allen Punkten den gleichen Abstand zu dieser hat). Jeder Fehler bzw. jede Abweichung wäre ein Parallelitätsfehler.

Rechtwinkligkeit

Den Begriff Rechtwinkligkeit können wir als einen Zustand beschreiben bei dem eine Fläche eine andere schneidet (zwischen beiden besteht ein Schnittpunkt) und dabei einen Winkel von 90º bildet. Jeder Fehler bzw. jede Abweichung davon wäre ein Rechtwinkligkeitsfehler.

Absolute Bewegungsgenauigkeit

Den Begriff absolute Bewegungsgenauigkeit können wir als den Grad der Annäherung des Messsystems an den tatsächlichen Wert dieser Position verstehen.

Winkelfehler eines beweglichen Objekts

Wenn sich ein Objekt im Raum bewegt, können seine wichtigsten Koordinatenachsen von denen des Raums abweichen, zu dem sich dieses Objekt bewegt. Ein Beispiel wäre die Position eines Flugzeugs im Verhältnis zur Kontrollfläche (oder Erdoberfläche), oder eines Schiffs im Verhältnis zur Meeresoberfläche. Die wichtigsten Winkelfehler sind Rollen, Nicken und Gieren (Pitch, Roll und Yaw auf Englisch). Die nachfolgende Abbildung verdeutlicht sie am Beispiel eines Flugzeugs:

Pitch axis

In unserem Fall sprechen wir von einem Linearmodul, das von einem Linearmotor mit einem Linearschlitten bewegt wird. In der folgenden Abbildung sind diese Fehler grafisch dargestellt:

Pitch error, Raw error and Yaw error

Das Nicken ist das Drehen des Wagens um die Querachse, das Rollen ist das Drehen um die Längsachse und das Gieren ist das Drehen um die Vertikalachse.

Warum werden diese Winkelfehler betrachtet und warum sind sie wichtig?

Bei Präzisionsanwendungen in Branchen wie der Halbleiter-, Optik-, Laser- oder Messtechnikindustrie werden diese Fehlerarten verwendet, um die Präzision einer Anlage, einer Maschine oder eines Systems zu ermitteln. Wenn die Abweichung über dem geforderten Wert liegt, würde in den meisten Fällen der Prozess nicht eingehalten oder das erzeugte Produkt würde die versprochene Qualitätsanforderung nicht erfüllen. Das wäre ein Debakel für Maschinen aus der der Messtechnik.
Vergessen wir nicht, dass Fehler dieser Art nur im Zusammenhang mit den Achsen oder bestimmten, bewegten Teilen der Maschine Sinn ergeben. Für statische Objekte werden Konzepte wie Geradheit, Parallelität oder Rechtwinkligkeit verwenden.

Wie kann eine hohe Genauigkeit erzielt werden?

Im Wesentlichen beruht die Genauigkeit auf 3 Grundpfeilern:
– Die Verwendung zertifizierter Präzisionskomponenten
– Das Arbeiten mit geeigneten Montage- und Einstellungsverfahren
– Die Verwendung elektronischer Mittel für die Fehlerkorrektur

Schauen wir uns jeden Pfeiler nun genauer an:

Präzisionskomponenten

Die Verwendung von Präzisionskomponenten ist der wichtigste Pfeiler. Wenn die Komponenten von vornherein das geforderte Präzisionsniveau nicht erfüllen, wird das Erreichen von Genauigkeit mit der Gesamtmaschine zur unlösbaren Aufgabe. So müssen beispielsweise die Längsführungen einer gewissen Genauigkeitsklasse entsprechen, die Geber müssen die geforderte absolute Genauigkeit erreichen und der Maschinensockel (die Struktur) muss aus einem geeigneten Material gefertigt und entsprechend behandelt sein. Wir können zum Beispiel eine Struktur aus Strukturaluminiumprofilen mit einer massiven Granitstruktur vergleichen, die eine hervorragende Formstabilität sicherstellt und von Temperaturschwankungen nicht beeinflusst wird.

Geeignete Montage- und Einstellungsverfahren

Nun können die für die Maschine verwendeten Komponenten zwar hochpräzise sein, aber wenn sie mit Hammerschlägen zusammengetrieben werden, dann wird natürlich keine Genauigkeit sichergestellt. Darüber hinaus muss dieser Prozess auch von qualifiziertem Personal durchgeführt werden, das sich nicht nur aufs Montieren geschult ist, sondern auch Sicherheit im Umgang mit den Mess- und Prüfelementen besitzt. Wir sprechen von Mikrometern, Präzisionswasserwaagen, Neigungsmessern, Laser-Interferometern usw. Mit Hilfe dieser Mess- und Prüfeinrichtungen kann ein geeigneter Montageprozess mit einer Einstellung und Ausrichtung aller Komponenten erfolgen, der die Präzision des Gesamtsystems gewährleistet. Im Laufe unserer langjährigen Erfahrung haben wir Firmen kennengelernt, in denen der Maschineneinrichter einer der entscheidenden Mitarbeiter für die Sicherstellung des Prozesses war und sogar deutlich mehr verdiente als der Durchschnitt, weil er über dieses spezielle Wissen verfügte. Natürlich gab es auch andere Einrichter, jedoch brauchten sie mehr Arbeitsstunden oder sogar Tage für die gleiche Aufgabe. Wenn Sie mehr über Messeinrichtungen erfahren möchten, lesen Sie diesen Artikel im Blog: Kalibrierung von Linearachsen. SINADRIVES Direct Drive Experts.

Elektronische Geräte für die Fehlerkorrektur

Es gibt eine Methode, die als Mapping bezeichnet wird und unter den Herstellern industrieller Präzisionsmaschinen im allgemeinen sehr beliebt ist. Sie beinhaltet das Messen der Fehler an bestimmten Punkten der Maschine, beispielsweise alle 100 mm Verfahrweg (oder alle 5 mm, je nach Länge einer gegebenen Achse) und dem Aufzeichnen dieser Fehler im Steuersystem. Danach führt die Steuerung, normalerweise eine CNC (rechnergestützte numerische Steuerung), eine Korrekturberechnung durch, um die Fehler zwischen den zuvor gemessenen Punkten zu minimieren. Dieser Prozess kann sogar mehrmals wiederholt werden, um eine maximale Annäherung des Fehlers an Null zu erreichen. Mit dieser Methode können sehr gute Ergebnisse bei der absoluten Genauigkeit einer Achse (Mapping eines Gebers) oder eines Gesamtsystems erzielt und die Fehler des Gesamtsystems können weitestgehend minimiert werden.

Es gibt auch andere Methoden zur Verbesserung der Genauigkeit. Bei Drehachsen beispielsweise wird durch den Einsatz eines doppelten Drehgebers (doppelter Lesekopf) eine Verbesserung der absoluten Präzision pro Umdrehung erreicht. Gleichzeitig werden Exzentrizitätfehler beseitigt, also mechanische Montagefehler oder Fehler an irgendeinem Lager.

Schlussfolgerung

Genauigkeit ist kein Thema, das im Handumdrehen zu erlernen ist. Sie erfordert Zeit, Übung und vor allem Geduld. Wenn Sie die Genauigkeit Ihrer Maschine verbessern müssen und nicht wissen wie, dann sprechen Sie unsere technischen Spezialisten an. Wir haben eine Lösung für Sie.

In den vergangenen 10 Jahren haben wir Anwendungen auf Granit Grundplatten und gerichtetem Stahl ausgeführt. Wir haben Luftlager und Kreuzrollenführungen eingesetzt. Wir kennen optische Geber mit hervorragender absoluter Genauigkeit und wissen wie diese zu mappen sind. Wir möchten Sie dazu einladen, unsere Erfahrung in diesem Anwendungsgebiet zu nutzen, mit der Sicherheit das die von SINADRIVES durchgeführte Anwendung allen Anforderungen hinsichtlich der Genauigkeit gerecht wird die Sie benötigen.

Lassen Sie uns gerne einen Kommentar über die unten aufgeführte Kommentar-Box zukommen. Und wenn es ein Thema gibt, das wir Ihrer Meinung nach ansprechen sollten, lassen Sie es uns bitte wissen.

Wir hoffen, dass die bereitgestellten Informationen hilfreich für Sie sind. Wir empfehlen außerdem, unseren Blog zu abonnieren, damit Sie immer über die neusten Nachrichten und technischen Neuheiten rund um Linearachsen und Co informiert sind.

Wir sehen uns im nächsten Kapitel!

Bis dahin, alles Gute!

Das SINADRIVES Team.

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