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Genauigkeit der Maschine

Know-How > CNC-Technik

Immer wieder werde ich gefragt, wie genau eigentlich eine CNC-Maschine arbeiten kann. Um nicht jedesmal das Gleiche schreiben zu müssen, hier mal einige grundsätzliche Überlegungen zum Thema.

Wodurch wird die Genauigkeit der Maschine bestimmt? Zum einen sprechen wir über die absolute Positioniergenauigkeit, wenn z.B. der Fräser von der Koordinate X 0.00 auf die Koordinate X 200.00 gefahren werden soll. Andererseits sprechen wir über Wiederholgenauigkeit, wenn es darum geht, eine bestimmte Position mehrmals anzufahren.

Positioniergenauigkeit

Die Positioniergenauigkeit in Richtung der jeweiligen Achse hängt - stabile Konstruktion vorausgesetzt - bei einer Maschine mit direkt an die Spindeln gekuppelten Schrittmotoren lediglich von der Präzision des Schrittmotors, mehr aber noch von der Steigungsgenauigkeit der Vorschubspindel ab. Gerollte Trapezgewindespindeln haben nach DIN 103, Toleranzklasse 7e, einen maximalen Steigungsfehler von +/- 0,15 mm auf 300 mm Länge. Die Firma Mädler gibt eine Toleranz, abweichend von der Norm, von +/- 0,03 mm auf 300 mm Länge an.

Aber auch Kugelgewindespindeln sind nicht unbedingt besser. Gerollte Spindeln, die in den meisten preisgünstigen Maschinen verbaut, sind nach DIN 69051 Toleranzklasse 7 gefertigt. Das bedeutet, die Spindel kann eine Toleranz von +/- 0,052 mm auf einer Länge bis zu 315 mm haben. Eine 1.000 mm lange Spindel hätte nach der Norm eine maximale Toleranz von +/- 0,09 mm. Verbessern lässt sich die Situation durch geschliffene Kugelgewindespindeln, nur sind diese Teile leider unverschämt teuer.

Es gibt allerdings eine sehr elegante Lösung für das Spindelproblem. Die Steuerungssoftware "Mach3" erlaubt, eine so genannte "Screw Mapping Tabelle" zu erfassen. In dieser Tabelle werden die Soll-Position und die Ist-Position der Achse an verschiedenen Stellen des Verfahrweges gespeichert. Beim Positionieren schaut "Mach3" in dieser Tabelle nach und korrigiert den Vorschub entsprechend. Allerdings tritt damit das Problem der genauen Messung längerer Verfahrwege auf.
Messmittel mit dieser Länge, die wirklich genau sind (nicht chinesische Messschieber) sind extrem teuer, ein Messschieber von Preisser kostet bei 1.000 mm Länge rund 1.100,- €.

Sind zwischen Schrittmotor und Spindel noch Getriebeelemente, z.B. ein Zahnriemengetriebe, geschaltet, dann werden die Toleranzen der Spindel mit den Toleranzen des Getriebes multipliziert. Die gute Nachricht ist, dass der Fehler des Getriebes durch Abweichungen in den Dimensionen der Getrieberäder auftritt und deshalb konstant bleibt. Dieser Fehler lässt sich auch auf einem kurzen Weg ermitteln, hochrechnen und über "Mach3" kompensieren. Anders sieht es aus, wenn ein oder mehrere Getrieberäder "eiern". Durch die variierende Umfangsgeschwindigkeit in einem Umlauf ergeben sich Schwankungen in der Drehzahl der angetriebenen Spindel und damit wiederkehrende Abweichungen, die jeweils auf eine Umdrehung der Spindel begrenzt sind.

Ein weitere Fehlermöglichkeit sind die Schrittmotoren. Wenn Sie die Datenblätter aufmerksam lesen, finden Sie beim Schrittwinkel (meist 1,8% oder 200 Schritte) eine Toleranzangabe von +/- 5%. pro Schritt. Das klingt nach viel, ist es aber nicht. Angenommen, Sie haben eine Spindel mit 4 mm Steigung, direkt vom Motor angetrieben. Dann bewegt jeder Schritt den Tisch um 0,02 mm (4 / 200). Davon 5% bedeutet einen möglichen Fehler von 0,001 mm. Der Fehler wird natürlich mit höherer Spindelsteigung größer. Die gute Nachricht ist, dass der Fehler nicht akkumulativ ist, er wird also nicht mit jedem Schritt größer.

Wichtig ist natürlich auch die Geradheit und die genaue Justage der Führungen. Wenn diese, übertrieben gesprochen, in einem Bogen verlaufen, folgt natürlich die jeweilige Achse diesem Bogen und überträgt ihn auf das Werkstück. Dabei kann die Führung sowohl in der waagerechten, als auch in der senkrechten oder in beiden Ebenen abweichen. Diese Toleranzen bekommt man nur mit einer stabilen und durchdachten Konstruktion in den Griff

Wiederholgenauigkeit


Wird der Fräser mehrmals auf derselben Bahn gefahren, z.B. weil eine tiefe Tasche in ein Werkstück gefräst werden soll, die nur durch ansteigende Frästiefen herstellbar ist, dann müssen sich diese Bahnen natürlich genau decken. Anderenfalls wird die Genauigkeit des Endprodukts leiden. Diese Wiederholgenauigkeit ist meist wichtiger, als die absolute Positioniergenauigkeit.
Die Wiederholgenauigkeit wird einerseits von der Steifigkeit der gesamten Konstruktion und der Spindellagerungen bestimmt, andererseits durch das Umkehrspiel in den Achsantrieben.

Jede Art von Antriebsspindel für die Achsen einer Fräsmaschine hat ein gewisses Spiel in der Spindelmutter. Gäbe es kein Spiel, dann ließe sich die Spindel nicht drehen. Das gilt auch für Kugelumlaufspindeln, allerdings ist es bei richtiger Einstellung so gering, dass es im Bereich von 0,01 - 0,02 mm liegt.

Das Spiel der Spindel in der Mutter wirkt sich so aus, dass bei der Richtungsumkehr der Achse der Motor einige Schritte "leer" ausführen muss, bis sich die Achse wieder zu bewegen beginnt. Dieser "Backlash", wie ihn englischsprachige Leute nennen, äußert sich z.B. beim Fräsen eines Kreises, weil sich dabei die Bewegungsrichtung beider Achsen jeweils einmal umkehrt. Das Spiel wird im Fräsbild durch einen kleinen Absatz in den Umkehrpunkten sichtbar - die Wiederholgenauigkeit ist zu gering. Um dieses Problem zu lösen, erlaubt "Mach3", das Spindelspiel zu kompensieren. Sie können dazu für jede Achse die Anzahl Motorschritte angeben, die nötig sind, um die Flanken der Spindel an die Flanken der Spindelmutter anzulegen. Der nächste Schritt bewegt dann schon die Achse.

Die Genauigkeit der Führungen spielt bei der Wiederholgenauigkeit keine Rolle. Eine krumme Führung ist und bleibt krumm, stabile Konstruktion, wie bereits gesagt, vorausgesetzt.

Das Werkzeug

Die Genauigkeit kann natürlich auch unter dem verwendeten Werkzeug leiden. Zunächst muß sicher sein, dass der Fräser wirklich den Nenndurchmesser hat, messen Sie Ihre Fräser mal darauf hin nach (bei Dreischneidern leider nicht einfach). Dann muß ihr Spannfutter rund laufen, hier bedeuten z.B. 0,01 mm "Schlag" das Gleiche, wie ein 0,02 mm dickerer Fräser.

Noch kritischer ist die Art des Fräsers. Hier gilt: so dick und kurz wie möglich. Je dünner und länger ein Fräser ist, um so leichter biegt er sich. Das ist zwar mit dem bloßen Auge nicht zu sehen, zeigt sich aber darin, dass die Maßhaltigkeit leidet. Dazu kommt, dass sich der Fräser in das Material hineinzieht oder vom Material wegdrückt, je nachdem, ob Sie im Gegenlauf oder im Gleichlauf fräsen.

Deshalb muß zunächst mit Aufmaß geschruppt und anschließend mehrmals geschlichtet werden. Sie können eine Kontur mehrmals mal ohne Zustellung abfahren und werden immer noch etwas wegfräsen.

Schlussbetrachtung

Der größte Schwachpunkt bei preiswerten Fräsmaschinen für den Hobbybereich ist die Steifigkeit der Konstruktion. Da sich nur wenige Leute eine 1.000 kg Fräsmaschine für 10.000,- € in den Hobbykeller stellen können oder wollen, müssen hier Kompromisse gemacht werden. Wenn Sie beispielsweise den Fräskopf eine BF20 oder X3 nach oben fahren, eine Messuhr einspannen und diese gegen einen auf dem Tisch festgespannten Winkel halten (siehe Bild), dann können Sie den Kopf ohne Anstrengung um 0,1 mm hin und her bewegen.



Ähnliches gilt bei ganz herausgefahrenen Tischen, der der BF20L ist immerhin 700 mm lang!

Ganz schweigen wollen wir über Portalmaschinen, bei denen eine labbrige Konstruktion aus Alu-Profilen die Norm ist. Hier sprechen wir über Tolerenzen im Zehntelmillimeterbereich, was für die auf diesen Maschinen ausgeführten Arbeiten aber auch völlig OK ist.

Sehen wir den Tatsachen also ins Auge: CNC-Maschinen, die wir uns für das Hobby leisten können, sind nicht so genau wie die Maschinen, die in der Industrie eingesetzt werden. Müssen Sie aber auch nicht. Ich benutze eine CNC-Maschine für die Dinge, die ich von Hand aufgrund mangelnder Koordination nicht fräsen kann. Rundungen, Übergangsbögen, Lochkreise, Schrägen, etc., die auf der manuellen Fräsmaschine artistische Fähigkeiten erfordern würden, macht die CNC-Maschine mit links. Da, wo es auf absolute Präzision ankommt, meist Bohrungen und Lagerssitze, fertige ich halt mit Reibahlen und Ausdrehkopf.






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