Wegmesssysteme

Bevor wir uns in diesem Kapitel dieses Lehrbriefes mit dem Wegmesssystem befassen, sollten wir die technischen Informationen, die wir bisher durchgenommen haben, noch einmal wiederholen. Wir werden feststellen, dass unser Wissen über den Aufbau einer CNC-gesteuerten Werkzeugmaschine fast komplett ist. Uns fehlt nur noch die Komponente der Positionsbestimmung und der Positionsüberwachung: das Wegmesssystem.

Lernziele

Nach dem Durcharbeiten des Kapitels kennen Sie

  • die unterschiedlichen Wegmesssysteme in CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen,
  • den Unterschied zwischen absolutem und inkrementalem Wegmess- systemen,
  • den Unterschied zwischen direktem und indirektem Wegmesssystemen.

Sie müssen sich vorstellen, dass das Werkzeug entsprechend der Anweisungen im Programm bewegt wird. Wie erfolgt diese Umsetzung nun in der Praxis?

Wir wissen bereits, dass CNC-Maschinen Einzelantriebe an den Achsen besitzen, damit durch die getrennte Ansteuerung in jeder Achse beliebige Bahnen gefahren werden können. Als Antriebsmaschinen werden verschieden Antriebsarten verwendet.

Die Verbindung zwischen den Vorschubmotoren und den Maschinenschlitten stellen z. B. Kugelgewindetriebe her. Mit dieser spielfreien und reibungsarmen Antriebseinheit kann sehr schnell und äußerst genau positioniert werden. Minimalste Vorschübe sowie Eilganggeschwindigkeiten bis zu 80 m/min kennzeichnen diese Antriebe. Linearmotoren sind neue Entwicklungen und finden zum Teil alternativ für solche Antriebe schon Anwendung.

Die Überwachung der Verfahrstrecken übernehmen Wegmesssysteme. Sie befinden sich in jeder Achse. Diese Messsysteme melden dem Lageregler der Steuerung die jeweilige Istposition des Schlittens.

Arten von Wegmesssystemen

In der CNC-Technik kommen direkte und indirekte Wegmesssysteme in absoluter und inkrementaler Form zum Einsatz.

Abb. 6.1: Wegmesssysteme

Es kommen hauptsächlich fotoelektrische Systeme zum Einsatz. Die Messsysteme sind entweder als Linearmaßstab oder als Drehgeber ausgeführt.

Abb. 6.2: Drehgeber

Abb. 6.3: Linearmaßstab Funktionsprinzip eines  inkrementalen  Wegmesssystems

Bei der direkten Wegmessung ist der Maßstab direkt an dem Maschinentisch bzw. am Schlitten angebracht. Dadurch wird der Messwert auch unmittelbar am Schlitten bzw. am Maschinentisch erfasst. Der Messkopf (Messwertgeber) erfasst optisch (hell – dunkel) die Rasterstellung auf der Messskala. Diese Information wird in elektrische Signale umgewandelt und der CNC-Steuerung weitergegeben. Da hier unmittelbar die Verfahrbewegung gemessen wird, hat die Ungenauigkeit der Antriebsspindel keinen Einfluss auf das erzielte Messergebnis.

Abb. 6.4: Prinzipieller Aufbau einer Vorschubeinheit mit direktem Messsystem

Bei der indirekten Wegmessung ist der Maßstab nicht direkt an den Maschinentisch bzw. an dem Schlitten angebracht. Bei dieser Art der Messwerterfassung muss die Längsbewegung in eine Drehbewegung umgesetzt werden.

Ein Drehgeber (Rotationsgeber) erfasst dabei die Rotationsbewegung einer Strichscheibe, die mit der Kugelrollspindel gekoppelt ist. Die Schlitten- bzw. Tischbewegung wird aus den Rotationsimpulsen in der Steuerung berechnet. Bei dieser Art von Wegmessung haben der Steigungsfehler der Kugelgewindespindel und das Spiel zwischen Kugelgewindemutter und Kugelgewindespindel als Fehlerquellen Einfluss auf das Messergebnis.

Moderne CNC-Steuerungen können diese Fehler aber über die Spindelsteigungskompensation ausgleichen. Die Fehlerquellen werden systematisch erfasst und die Steuerung über Korrekturwerte mitgeteilt.

Abb. 6.5: Prinzipieller Aufbau einer Vorschubeinheit mit indirektem Messsystem

Weit verbreitet sind digitale inkrementale Messsysteme, welche eine definierte Ausgangsstellung benötigen, weil ein inkrementeller Geber nur die durchfahrenen Wegeinheiten zählt (von Inkrement = Zuwachs). Die absolute Position muss dann erst noch ermittelt werden: aus Startposition plus Inkrement. Inkrementale Messsysteme können in direkter und indirekter Ausführung eingesetzt werden.

Nach dem Einschalten der Maschine muss deshalb in jeder Achse der sogenannte Referenzpunkt angefahren werden. Hier wird dann das Messsystem in jeder Achse in Bezug zum Maschinennullpunkt gesetzt.

Abb. 6.6: Inkrementale Messsysteme

Bei den absoluten Messsystemen wird die genaue Position des Schlittens bzw. des Maschinentisches über eine codierte Messskala erfasst. Die Messskala ist in binärer Form codiert. Durch diese Art und Weise der Messwerterfassung ist die Schlitten- bzw. die Maschinentischposition jederzeit eindeutig reproduzierbar. Die Codierung muss für den gesamten Arbeitsbereich ausgeführt sein.

Auch bei absoluten Messsystemen gibt es eine direkte und eine indirekte Ausführung. Das Referenzpunktanfahren ist bei den teuereren, aber Zeit sparenden, absoluten Messsystemen nicht mehr notwendig.

Abb. 6.7: Absolute Messsysteme

Übung

1. Nach welchem System werden in der CNC-Technik Daten codiert?

In der Datenverarbeitungstechnik kommt das Dualsystem zur Informationsverarbeitung in DV-Anlagen Anwendung, da der Rechner immer nur zwei Signalzustände interpretieren kann (Signalzustand 0 und Signalzustand 1). Diese Informationsverarbeitung findet durch Stromimpulse statt. Das duale Zahlensystem kennt nur diese beiden Zustände und ist somit Grundlage der Codierung der Daten in einer CNC-Steuerung.

2.1 Codieren Sie folgende Zahlen und Buchstaben im Dual-Code:

2.2 Wandeln Sie folgende Dualzahlen in Zahlen um:

3. Nach welchem Grundprinzip arbeitet die Steuerung an CNC-Maschinen? Erläutern Sie dies jeweils anhand eines Beispiels!

E = Dateneingabe: lesen und speichern der numerischen Informationen, die eine fortlaufende Beschreibung eines Fertigungsablaufes beschreibt.

V = Datenverarbeitung: hier verbirgt sich die Rechnerlogik. Es wird über sogenannte Vergleicher die Verstellrichtung und der Verfahrweg ermittelt (unter Berücksichtigung zusätzlicher Informationen wie: Werkzeuglänge, Nullpunktverschiebungen…).

A = Datenausgabe: hier werden die ermittelten Steuersignale, die durch die Datenverarbeitung ermittelt wurden, verstärkt und über die Anpasssteuerung an entsprechende Stellglieder und Antriebe der Maschine weitergeleitet.

4. Was ist die Anpasssteuerung und welche Aufgabe hat sie?

Die Anpasssteuerung übernimmt die Funktion, die Impulse aus der CNC-Steuerung für die Werkzeugmaschine umzuformen, zu verstärken und die Ausführung zu kontrollieren. Alle Informationen für die Ausführung von Schaltbefehlen oder die Lageregelung von Achsen laufen über die Anpasssteuerung.

5. Skizzieren Sie den Regelkreis der Achspositionierung!

Abb. 5.4: Schema Regelkreis der Achspositionierung

6. In welche Arten werden Wegmesssysteme unterteilt?

Direkt:

  • absolut
  • inkremental

Indirekt:

  • absolut
  • inkremental