Dynamische Ausrichtung und Kalibrierung von Linearachsen
Kalibrier-Laserinterferometer SP 15000 C6 NG mit Kompakter Geradheitsmessung
Lineare Positionierachsen kommen als Basisbaugruppen in vielfältigen Anwendungen der Fertigungs-, Mess- und Gerätetechnik, wie z. B. in Werkzeugmaschinen und Koordinatenmessgeräten, zum Einsatz. Dabei ergibt sich anwendungsspezifisch ein breites Spektrum an Positionierbereichen und Genauigkeitsanforderungen.
Beim Einbau von Linearachsen in Maschinen und Geräten wird die Genauigkeit des Gesamtsystems durch sämtliche rotatorische und translatorische Abweichungen der einzelnen Achsen von der idealen linearen Bewegungsbahn begrenzt (siehe Abbildung 1). Diese Abweichungen sind Eigenschaften der Linearachsen an sich, werden jedoch zusätzlich durch ihre Einbaulage bestimmt. Für Hersteller von Maschinen und Geräten ist die Ausrichtung der Achsen bei der Montage des Systems zwingend erforderlich.
Die hochgenaue, dynamische Erfassung der Führungseigenschaften bei der Justage und Ausrichtung der Systemkomponenten ist folglich der Schlüssel zum Erreichen minimaler Positionierabweichungen des Systems.
Aufbau und Eigenschaften der Messsysteme
Das hier vorgestellte Messsystem für die Ausrichtung und Kalibrierung von Linearachsen basiert auf laserinterferometrischen Messverfahren. Es ermöglicht die hochgenaue simultane Erfassung der linearen Position, des Nick- und Gierwinkels sowie einer Geradheitskomponente in einem Messdurchlauf. Die Messung der zweiten Geradheitskomponente wird einfach und schnell durch die 90°-Drehung des Geradheitsspiegels und eines Prismas in der Reflektoreinheit realisiert.
Das Messsystem besteht aus einem fasergekoppelten Sensorkopf, einer Reflektoreinheit und einer räumlich getrennten Versorgungs- und Auswerteeinheit, die fasergekoppelten Laser und Elektronik enthält. Im Sensorkopf des Kalibrier-Laserinterferometers befinden sich die Interferometeroptiken für drei unabhängige Längenmesskanäle zur Bestimmung der linearen Position, des Nick- und Gierwinkels sowie ein weiterer Interferometerkanal zur Erfassung der horizontalen und vertikalen Geradheit.
Die Messauflösung der interferometrischen Längenmessung beträgt 1,5 nm über einen Messbereich bis 15 m (auf Anfrage bis 50 m). Der Messbereich der Geradheitsmessung beträgt ±4 mm, bei einer Messauflösung von 10 nm.
Die Reflektoreinheit ist eine Kombination aus drei Retroreflektoren zur Längen- und Winkelmessung und einem Wollaston-Prisma zur Geradheitsmessung. Der Einsatz von Retroreflektoren in Form von Tripelspiegeln ermöglicht einen maximalen Kippwinkel der Reflektoreinheit von über ± 5°. Die drei Retroreflektoren sind in einem Abstand von 50 mm angeordnet. Der große Basisabstand in Kombination mit der hohen interferometrischen Längenauflösung führt zu einer Winkelmessauflösung von 0,005 µrad.
Kalibrierung und Ausrichtung von Linearachsen
Ziel bei Abnahmemessungen und Kalibrierungen an Linearachsen ist eine Erfassung des Ist-Zustands mit den entsprechenden Abweichungen für Position, Nick-, Gier-, Rollwinkel und Geradheit. Bei Abnahmemessungen erfolgt deren Dokumentation (z. B. nach VDI/DGQ 3441,DIN ISO 230 oder VDI 2617 mit InfasAXIS). Bei Kalibrierungen werden die gewonnenen Daten zur Erstellung von Korrekturen verwendet. Die Messung erfolgt in beiden Fällen typischerweise, indem Positionen entlang des Verfahrbereichs angefahren und die Führungsabweichungen erfasst werden. Die Triggerung der Messung kann dabei über Signale der Maschinensteuerung, manuell oder durch eine Stillstandserkennung erfolgen. Mehrachssysteme sind hierbei vorteilhaft, da sie eine gegenseitige Zuordnung (auch zufälliger Anteile) der Führungsabweichungen ermöglichen und darüber hinaus die erforderlichen Messzeiten reduzieren.
Das Ausrichten von Linearachsen hingegen ist ein dynamischer Prozess, bei dem sich Messung und Eingriff am System (z. B. Änderung der Verschraubung am Lagerpunkt) abwechseln. Daher ist hier eine sekundenschnelle Erfassung der vorliegenden Führungsabweichungen erforderlich. Die Messdatenverarbeitung muss sofort eine für die Ausrichtung und Justage nutzbare Anzeige liefern. Darüber hinaus kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Linearachse zum Zeitpunkt der Justage über Positionierantriebe oder Positionsmesssysteme verfügt, so dass nicht an definierten Messpositionen gemessen werden kann.
Das hier vorgestellte Messsystem ist für solche Ausrichtaufgaben geeignet. Durch die simultane Weg- und Winkelmessung werden Winkel- und Geradheitswerte der Führung positionsabhängig gemessen. Die Führung kann dazu von Hand verschoben werden. Die Werte für die durchfahrene Führungsstrecke werden sofort dargestellt. Durch die großen Messbereiche ist das Messsystem selbst in seiner Ausrichtung robust gegenüber Eingriffen an der Linearachse.
Softwarelösungen für Kalibrierung und Auswertung
Für die Justage und präzise Kalibrierung von Linearachsen stehen leistungsstarke Softwarelösungen zur Verfügung:
InfasMTCAL – Kalibrierung mit 3D-Visualisierung und Fehlerkompensation
InfasMTCAL unterstützt bei der Kalibrierung, Fehlerabbildung und Überprüfung von Linearachsen und komplexen Messanordnungen wie Koordinatenmessgeräten oder Werkzeugmaschinen.
- Definition von Achsmessaufgaben mit intuitiver 3D-Visualisierung, inklusive Spiegelaufbauten und automatischem Vorzeichenhandling
- 2D- und 3D-Diagonalunterstützung für komplexe Kalibrierprozesse
- Messwertaufnahme mit Stillstandserkennung, Trigger- oder Online-Modus
- Temperaturkompensation durch kabelgebundene oder kabellose Sensoren
- Messung von Umkehrspiel, Steigungsfehler, Übersprechen, Gitter- und volumetrische Kompensation
- Abbe-Fehlerkorrektur, 3D-Fehlervisualisierung und Auswertung nach ISO 230, ISO 10360, DGQ 3441, ASME
- Integrierter Kalibrierbericht-Generator und Verwaltung von Maschinen und Messobjekten
InfasAXIS – Kalibrieren nach Norm
Die bewährte Software zur Kalibrierung von Linearachsen gemäß VDI- und ISO-Normen:
- Erfassung von Position, Nick-, Gier- und Rollwinkel sowie Geradheit
- Schnelle Stillstandserkennung und integrierte Signalüberwachung
- Verwaltung mehrerer Kalibriergeräte
- Frei konfigurierbare Kalibrierroutinen
- Auswertung nach ISO/VDI
- PDF-Berichtsgenerator und SQL-Datenbank-Anbindung
Zusammenfassung
Der Einsatz als Messsystem zur Justage und Ausrichtung von Linearachsen ist durch die dynamische, simultane Erfassung der Messgrößen möglich, wobei der Anwender durch die hochgenaue Erfassung und sofortige Darstellung der Führungsabweichungen unterstützt wird. Dabei kann ein und dasselbe System zur Ausrichtung, Kalibrierung und Abnahme eingesetzt werden.
Das Kalibrier-Laserinterferometer ermöglicht Positionsmessungen bis zu 50 m, wobei basierend auf den Kenngrößen der Umweltmessdatenerfassung Genauigkeiten von 1⋅10-7 erreicht werden können. Durch die simultane Messung von bis zu sechs Freiheitsgrade wird die erforderliche Messzeit für Abnahmen, Kalibrierungen und Systemanalysen gesenkt.
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