Dynamische Ausrichtung und Kalibrierung von Linearachsen

Autoren: Dr. Ilko Rahneberg, Enrico Langlotz, Dr. Denis Dontsov, SIOS Meßtechnik GmbH

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.

Abbildung 1: Kalibrierinterferometer auf Linearachse

Aufbau und Eigenschaften der Messsysteme

Die hier vorgestellten Geräte für die Ausrichtung und Kalibrierung von Linearachsen basieren auf laserinterferometrischen Messverfahren [3,4]. Sie ermöglichen 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 Kalibrierinterferometers 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 0,00002 µm über einen Messbereich bis 50 m. Der Messbereich der Geradheitsmessung beträgt ±4 mm, bei einer Messauflösung von 0,01 µm.

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 0,0004 Winkelsekunden.

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- und Gierwinkel 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.

Abbildung 2: Messsystem bei der Ausrichtung einer Linearachse

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 das nicht an definierten Messpositionen gemessen werden kann.

Die hier vorgestellten Messsysteme sind 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.

Abbildung 3: Darstellung der Führungsabweichungen für Ausrichtung und Justage in InfasAlign

 

In Abbildung 3 ist die Anzeige der Messsoftware InfasALIGN während einer Maschinenausrichtung zu sehen. Das obere Fenster enthält den zeitlichen Verlauf der Position entlang der Führung. Der Führungsschlitten wurde mehrfach hin und her bewegt, wobei sowohl Teile als auch der gesamte Verfahrbereich der Führung abgedeckt wurden. Im unteren Fenster sind die gemessenen Führungsabweichungen gegenüber der Position auf der Führung dargestellt. Dabei können die Winkel, die Geradheit aus der Winkelmessung und die Geradheit mittels Wollaston wahlweise einzeln oder gemeinsam angezeigt werden.

 

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.

Die Kalibrierinterferometer ermöglichen Positionsmessungen bis zu 50 m, wobei basierend auf den Kenngrößen der Umweltmessdatenerfassung Genauigkeiten von 1⋅10-7 erreicht werden können. Durch die simultane Messung mehrerer Freiheitsgrade wird die erforderliche Messzeit für Abnahmen, Kalibrierungen und Systemanalysen gesenkt.

Literatur

[1]    W. Schott,, I.Rahneberg, D. Dontsov: Neuartige Kalibrierinterferometer mit 5 Freiheitsgraden. VDI-Berichte 2285, 2016, S.121-133

[2]    D. Dontsov, W. Pöschel, W. Schott: Mehrkanalige laserinterferometrische Messverfahren mit höchster Genauigkeit. Photonik 3/2008

[3]    H. Büchner, G. Jäger: Interferometrisches Messverfahren zur berührungslosen und quasi punktförmigen Antastung von Messoberflächen. Technisches Messen 59 (1992) 2. Pp. 43-47

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