Ein CNC-Programm kann zwar einwandfrei überprüft worden sein und dennoch fehlschlagen, wenn die tatsächliche Konfiguration nicht den zugrunde liegenden Annahmen entspricht. Die Spindelmessung liefert die Prüfwerte, die den programmierten Ablauf mit dem tatsächlichen Zustand im Inneren der Maschine verknüpfen.

Beispielsweise kann ein Werkzeugweg korrekt sein, die Strategie „ CAM “ kann optimiert werden, der G-Code kann anhand eines präzisen digitalen Zwillings überprüft werden und jedes Werkzeug kann anhand der programmierten Geometrie überprüft werden….

Und dann wird das falsche Rohteil geladen. Das Rohteil kann überdimensioniert sein, um 90 Grad gedreht sein oder auf einem Span liegen. Möglicherweise ist die falsche Werkstückspannung montiert. Eine Schraubbacke hat möglicherweise ein Gewindegang früher als vorgesehen erfasst. Möglicherweise wurde ein Werkstückversatz eingestellt, während noch eine alte Koordinatentransformation aktiv war.

Die Simulation kann davon nichts erkennen. Sie überprüft den ihr vorgegebenen Prozess unter der Annahme, dass die reale Konfiguration mit der digitalen übereinstimmt.

Ein Spindelsensor überprüft diese Annahme.

Bei CloudNC kommt die Abtastung in vier Hauptbereichen zum Einsatz:

1. Überprüfung der Einrichtung vor Beginn der Bearbeitung
2. Überwachung des Prozesses während der Teilefertigung
3. Festlegen von Bezugspunkten und Messen schwieriger Merkmale
4. Überprüfung der Maschinenkalibrierung, insbesondere bei fünfachsigen Maschinen

Zusammen verringern diese Kontrollen das Risiko von Kollisionen, Werkzeugbruch, Ausschuss und langen ungeplanten Stillstandszeiten.

Hier ist unser Prüfverfahren im Detail:

1. Überprüfen Sie die Einstellung vor dem Schneiden

Ein Einrichtungs-Prüfzyklus sollte feststellen, ob sich das Rohmaterial und die Werkstückspannvorrichtungen in der Maschine befinden.

Je nach Aufgabe kann dies folgende Überprüfungen umfassen:

• Höhe, Länge und Breite des Rohteils
• Aktienorientierung
• Körnungsrichtung des Materials
• Position im Schraubstock oder in der Halterung
• Höhe des Steigrohrs und der Armatur
• Standort der Zweigstelle
• Kieferausrichtung
• Verfügbares Material rund um das fertige Bauteil

Das sind zwar einfache Überprüfungen, doch sie decken eine Vielzahl praktischer Fehler auf.

Falsche Ware und falsche Ausrichtung

Ein Bediener kann einen für ein anderes Teil vorgesehenen Rohling auswählen oder einen rechteckigen Rohling in der falschen Ausrichtung einlegen. Das Material kann zudem überdimensioniert, unterdimensioniert oder nicht rechtwinklig zugeschnitten sein.

Bei Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt kann auch die Ausrichtung der Materialkörnung entscheidend sein. Eine Möglichkeit, dieses Risiko zu verringern, besteht darin, asymmetrische Rohteilabmessungen festzulegen, sodass das Rohteil nicht ohne Weiteres in der falschen Richtung eingelegt werden kann. Durch eine Messung wird anschließend überprüft, ob die erwarteten Abmessungen vorliegen.

Dadurch entsteht eine doppelte Sicherheitsvorkehrung: Das Werkstück ist so konstruiert, dass es die korrekte Bestückung gewährleistet, und die Maschine überprüft vor Beginn des Schneidvorgangs, ob die Bestückung korrekt ist.

Positions- und Spannfehler

Das richtige Rohteil kann sich immer noch an der falschen Stelle befinden.

Manche Teile werden aufgrund des Maschinenverfahrwegs, einer vorbereiteten Kante, eines überhängenden Abschnitts oder einer mehrteiligen Aufspannung bewusst außerhalb der Mitte des Schraubstocks positioniert. Die Antastroutine muss die beabsichtigte Position überprüfen, anstatt davon auszugehen, dass jeder Rohling in Bezug auf die Programmierung zentriert sein sollte.

Es gibt auch weniger offensichtliche Ursachen für Positionsfehler.

Selbstzentrierende Schraubstockbacken zentrieren sich nur dann selbst, wenn beide Backen korrekt ineinander greifen. Wenn eine Seite einen Gewindegang früher einrastet als die andere, kann der Schraubstock zwar fest klemmen, dabei jedoch das Werkstück um einen Millimeter oder mehr verschieben.

Ein Werkstück kann sich zudem an einer Backe hochschieben, in eine Stufe fallen oder auf Späne aufliegen. Wenn das Werkstück schräg geschnitten wurde, kann das Festziehen des Schraubstocks dazu führen, dass es sich neigt. Dadurch verändert sich die Position des Werkstücks sowohl in der Z-Achse als auch in der horizontalen Achse.

Bei einer Sichtprüfung mag das Teil noch in Ordnung aussehen. Die Messsonde wandelt diese unbemerkten Einstellungsfehler in messbare Abweichungen um.

Unerwartete Bestandsveränderungen beeinträchtigen die Bedingungen

Leistungsstarke Werkzeugwege hängen von einem kontrollierten Eingriff ab.

Für eine geringe, gleichbleibende radiale Schnitttiefe kann eine dynamische oder trochoidale Fräsbahn programmiert werden. Ist der Rohling größer als erwartet und zudem außermittig eingelegt, kann es vorkommen, dass beim ersten Durchgang weitaus mehr Material abgetragen wird, als ursprünglich vorgesehen war.

Das gleiche Problem tritt auch bei Z auf. Bei einer für einen Schnitt von 3 mm programmierten Planbearbeitung kann es vorkommen, dass 6 mm geschnitten werden, weil das Werkstück dicker als angegeben ist oder der falsche Aufsatz montiert wurde.

Mögliche Ergebnisse sind unter anderem:

• Gebrochene Schneideinsätze oder Fräskörper
• Kontakt des Halterungsteils mit dem Schaft
• Übermäßige Spindelbelastung
• Der Rohling wird aus dem Schraubstock gezogen
• Beschädigung der Spindel oder der Maschine

Ein praktischer Ansatz besteht darin, einen maximalen Lagerbestand und einen maximalen Positionsbereich festzulegen. Der Abtastzyklus stellt sicher, dass sich der eigentliche Rohling innerhalb dieses Bereichs befindet.

Der erste Bearbeitungsschritt kann dann die Außenseite des Rohteils in einen bekannten Zustand versetzen, bevor die berührungsempfindlichen Werkzeugwege beginnen. Sobald das Rohteil normalisiert wurde, trifft jeder Fräser auf genau die Materialmenge, die die Strategie „ CAM “ erwartet.

Überprüfe zuerst Z

Der erste Sondierungszug sollte in der Regel aus einer sicheren Position heraus die obere Grenze der Stellung prüfen.

Dadurch werden schwerwiegende Fehler wie beispielsweise folgende schnell erkannt:

• Eine falsche Rohlingdicke
• Der falsche Steigrohr
• Ein falsch eingestellter Arbeitsversatz
• Eine aktive Koordinatenverschiebung
• Ein Teil, dessen Beladung deutlich höher war als erwartet

Ein 100-mm-Steigrohr, das anstelle eines 60-mm-Steigrohrs eingebaut wurde, sollte durch eine geschützte Abtastbewegung erkannt werden und nicht durch einen Fräser oder eine Spindel, die mit Bearbeitungsgeschwindigkeit läuft.

2. Den Prozess während der Teilefertigung überwachen

Die Prüfung bei der Einrichtung schützt den Start des Auftrags. Die Prüfung während des Prozesses schützt den Rest der Charge.

Bei einem herkömmlichen Verfahren bearbeitet ein Bediener ein Bauteil, entnimmt es, misst es manuell und passt einen Versatz an. Dies funktioniert zwar während der Einlaufphase, bietet jedoch zwischen den Prüfungen nur begrenzten Schutz.

Werkzeugverschleiß, Kantenbeschädigungen, Temperaturschwankungen und Materialschwankungen können dazu führen, dass ein Merkmal nach und nach außerhalb der Toleranz gerät. Durch die Messung während des Fertigungsprozesses kann die Maschine diese Abweichung erkennen, bevor eine große Menge fehlerhafter Teile produziert wird.

Go- oder No-Go-Prüfungen

Die einfachste Strategie zur Prozessüberwachung ist eine Toleranzprüfung.

Die Maschine misst eine kritische Bohrung, Wand, einen Ansatz oder eine Oberfläche und vergleicht das Ergebnis mit festgelegten Grenzwerten. Die Produktion wird fortgesetzt, solange das Merkmal innerhalb der zulässigen Grenzen liegt. Liegt der Messwert außerhalb des zulässigen Bereichs, führt die Maschine eine vorab festgelegte Reaktion aus.

Je nach Ausstattung kann es sein, dass:

• Den Kreislauf durchbrechen
• Das Teil zur Prüfung kennzeichnen
• Die Palette aus der Produktion entfernen
• Einen anderen Auftrag laden
• Ein Werkzeug als nicht verfügbar kennzeichnen
• Ein Schwester-Tool aufrufen
• Einen Mitarbeiter benachrichtigen

Nehmen wir einen unbeaufsichtigten Fertigungslauf mit 200 Bauteilen an. Wenn bei Bauteil Nummer fünf ein Merkmal außerhalb der Toleranz liegt, schützt ein Stopp an dieser Stelle die verbleibenden 195 Rohlinge und die damit verbundenen Bearbeitungsstunden.

Lässt man die gesamte Charge durchlaufen, entsteht ein weitaus größeres Problem. Jedes Teil muss geprüft werden, das fehlerhafte Merkmal muss möglicherweise nachbearbeitet werden, und einige Komponenten haben möglicherweise bereits weitere Bearbeitungsschritte durchlaufen. In vielen Fällen lässt sich das Merkmal überhaupt nicht mehr beheben.

Automatischer Verschleißausgleich

Das Antasten kann auch dazu verwendet werden, die Werkzeugverschleißkorrekturen automatisch zu aktualisieren.

Ein typischer Regelkreis könnte wie folgt aussehen:

1. Das Merkmal bearbeiten
2. Reinigen Sie die Messfläche
3. Die Funktion erkunden
4. Berechne die Abweichung vom Nennwert
5. Eine geringfügige Verschleißkorrektur vornehmen
6. Weiterarbeiten, bis das Werkzeug eine festgelegte Verschleißgrenze erreicht
7. Beenden oder zu einem Schwester-Tool wechseln

Dadurch kann ein Merkmal über einen langen Produktionslauf hinweg nahe am Sollwert gehalten werden.

Dieser Vorteil zeigt sich besonders deutlich bei Werkstoffen, die die Schneidkanten schnell abnutzen, darunter Titan, Duplex-Edelstahl und siliziumreiches Aluminium. Ein Werkzeug kann noch für viele Werkstücke einsetzbar sein, obwohl sich seine Abmessungen um mehrere Mikrometer verändern. Durch die automatische Kompensation kann ein größerer Teil der nutzbaren Standzeit ausgeschöpft werden, ohne dass der Prozess außerhalb der Toleranzgrenzen gerät.

Die Korrekturlogik benötigt klare Grenzen. Die Maschine sollte nur kleine, plausible Anpassungen innerhalb eines definierten Gesamtverschleißbereichs vornehmen. Ein großes oder inkonsistentes Ergebnis sollte eher einen Stopp als eine automatische Offset-Änderung auslösen.

Vor dem Messen reinigen

Eine Sonde kann nur die Oberfläche messen, die sie berührt.

Späne, Grate und Kühlmittel können zu falschen Messwerten führen. Dies ist umso wichtiger, wenn die Messung zur Aktualisierung eines Werkzeugversatzes verwendet wird.

Die Reinigung sollte daher vor dem Antastzyklus erfolgen. Zur Reinigung des Merkmals können Luft, Kühlmittel, ein Reinigungswerkzeug oder eine wiederholte Messung durch die Spindel genutzt werden, bevor das Ergebnis akzeptiert wird.

Dadurch werden zwar nicht alle möglichen Kontaminationsquellen beseitigt, doch die Konsistenz der Messungen wird erheblich verbessert.

Die Prüfung unterstützt den Inspektionsprozess

Die maschinelle Messung liefert Rückmeldungen zum Prozess. Die formale Prüfung spielt nach wie vor eine wichtige Rolle.

Das Merkmal wird mit derselben Maschine gemessen, mit der es hergestellt wurde, wobei dasselbe kinematische und thermische System zum Einsatz kommt. Das Ergebnis hängt vom Zustand und der Kalibrierung der Maschine, der Sonde und des Taststifts ab.

Die Erstprüfung, die CMM-Messung und die kundenspezifischen Qualitätsanforderungen gelten weiterhin. Die prozessbegleitende Messung ermöglicht eine kontinuierliche Kontrolle zwischen diesen Prüfschritten und warnt das Produktionsteam frühzeitig, wenn der Prozess von der Norm abweicht.

3. Bezugspunkte festlegen und schwierige Merkmale vermessen

Die Einstellung des Arbeitsversatzes ist die bekannteste Anwendung eines Spindeltasters, doch dessen Nutzen geht weit über die Zeitersparnis von ein paar Minuten im Vergleich zur Verwendung einer Messuhr hinaus.

Durch das Antasten lässt sich das Koordinatensystem anhand der tatsächlichen Bezugspunkte des Bauteils festlegen.

Aus der Komponente festlegen

Ein Bauteil kann in einer grob ausgerichteten Position eingelegt und direkt vor Ort vermessen werden.

Zwei Berührungspunkte entlang einer Kante können die Winkelausrichtung festlegen. Eine Bohrung, ein Vorsprung, eine Ebene oder eine Ecke können die übrigen Bezugskoordinaten festlegen.

Dies ist bei der Arbeit mit modularen Spannvorrichtungen von Nutzen. Ein Programmierer kann unter Umständen eine vorhandene Matrixplatte, Spannbacken und Passstifte verwenden, anstatt eine spezielle Spannvorrichtung zu konstruieren und zu bearbeiten. Der Bediener legt das Werkstück innerhalb eines zulässigen Bereichs ein, und die Abtastroutine berechnet dessen genaue Position.

Dadurch verringert sich der Zeitaufwand:

• Entwurf von Vorrichtungen
• Material für Befestigungselemente finden
• Programmierung und Bearbeitung von Werkstückspannvorrichtungen
• Teile manuell takten
• Komponenten in die richtige Ausrichtung einklopfen
• Anpassung der Einstellungen zum Ausgleich geringfügiger Belastungsschwankungen

Außerdem vereinfacht es die Arbeit an der Maschine. Der Bediener kann das Werkstück einlegen und einen Standard-Ausgangsbezugspunkt festlegen, während das Programm die Feinausrichtung vornimmt.

Schutz vor Fehlern im Kontrollzustand

Fünf-Achsen-Maschinen nutzen häufig Koordinatenrotationen und -verschiebungen, um unterschiedliche Bearbeitungsausrichtungen zu steuern.

Wenn eine dieser Transformationen aktiv bleibt, während ein Bediener den Arbeitsversatz zurücksetzt, kann es zu einer erheblichen Verschiebung des neuen Bezugspunkts kommen. Eine Verschiebung von 200 mm im Hintergrund kann bei der nächsten Einrichtung zu einem Fehler von 200 mm führen.

Das Programm könnte dann versuchen, weit unterhalb der tatsächlichen Oberkante des Rohteils zu bearbeiten.

Ein frühzeitiger Z-Antastvorgang dient als direkte Überprüfung auf diese Art von Fehlern. Die Maschine vergleicht die erwartete Oberflächenposition mit der tatsächlichen, bevor das Schneidwerkzeug eingesetzt wird.

Messen Sie Merkmale, die manuell nur schwer zu prüfen sind

Manche geometrischen Formen lassen sich mit herkömmlichen Handwerkzeugen nur schwer oder gar nicht zuverlässig vermessen.

Ein Beispiel hierfür ist ein teilweise zylindrisches Merkmal, das aus zwei einander gegenüberliegenden kurzen Bögen besteht. Möglicherweise ist die zusammenhängende Oberfläche nicht groß genug, damit ein Bohrungsmikrometer einen stabilen Dreipunktkontakt herstellen kann. Eine lineare Zweipunktmessung liefert zwar einen Abstand, bestimmt jedoch weder den Durchmesser noch den Mittelpunkt des Merkmals vollständig.

Ein Spindeltaster kann mehrere Messpunkte entlang der verfügbaren Bögen erfassen. Die Steuerungs- oder Messsoftware kann dann anhand eines Ansatzes, der einer CMM-Prüfstrategie ähnelt, einen bestmöglichen Mittelpunkt und Radius berechnen.

Die Maschine verfügt bereits über ein System für wiederholbare Bewegungen um das Bauteil herum. Durch die Abtastung kann dieses System nicht nur zum Zerspanen, sondern auch zur Einrichtung und zur Prozessmessung genutzt werden.

4. Fünf-Achsen-Kinematik prüfen

Auch bei einer fünfachsigen Maschine ist das Antasten ein wichtiger Bestandteil der Aufrechterhaltung der Beziehung zwischen den Linear- und Drehachsen.

Die Positionen der Drehzentren und die kinematischen Parameter können sich durch Temperatur, den Betrieb, Kollisionen und das normale Maschinenverhalten verändern. Werden diese Veränderungen nicht erkannt, kann es vorkommen, dass die Maschine zwar einzelne Oberflächen präzise fertigt, diese jedoch nicht zusammenpassen, wenn sie aus unterschiedlichen Ausrichtungen bearbeitet werden.

Zu den häufigsten Symptomen gehören:

• Abstand zwischen den indexierten Flächen
• Positionsunterschiede nach einer Drehbewegung
• Merkmale, die in einer Ausrichtung übereinstimmen, in einer anderen jedoch nicht
• Teile, die bei der Kontrolle einwandfrei erscheinen, aber die Außenprüfung nicht bestehen

Moderne Steuerungen können mithilfe eines Spindeltasters und eines kalibrierten Prüfkörpers den kinematischen Zustand der Maschine überprüfen und aktualisieren. Der entsprechende manuelle Vorgang umfasst das Anbringen eines Referenzblocks, das Markieren mehrerer Flächen, die Berechnung von Fehlern und die manuelle Eingabe von Korrekturen.

Automatisierte Abläufe machen die Überprüfung schneller, reproduzierbarer und erleichtern die regelmäßige Durchführung.

Bei einer fünfachsigen Bearbeitung gehört der Spindelsensor zur Ausrüstung, die erforderlich ist, um die Zuverlässigkeit der Koordinatentransformationen der Maschine zu gewährleisten.

Die wirtschaftlichen Aspekte der Sondierung

Eine umfassende Prüfroutine verlängert die Zykluszeit. In einer stabilen Großserienfertigungslinie mit speziellen Spannvorrichtungen sollte diese Zeit überprüft und optimiert werden.

In einem Umfeld mit hoher Produktvielfalt sieht die Berechnung anders aus.

Eine Maschine kann in einer Schicht Dutzende von voneinander unabhängigen Aufträgen ausführen, wobei jeder Auftrag ein anderes Rohteil, eine andere Spannvorrichtung, einen anderen Steigkanal und eine andere Bezugsebene aufweist. Jede Einrichtung bietet eine weitere Gelegenheit, dass ein kleiner Fehler einschleust.

Schon ein paar Minuten der Untersuchung können Schutz bieten:

• Ein Fräskörper im Wert von Hunderten von Pfund
• Ein kompletter Satz Einsätze
• Ein hochwertiges Rohteil
• Bereits in das Bauteil investierte Bearbeitungsstunden
• Eine Spindel, die mehrere Zehntausend Pfund kostet
• Produktionskapazität einer Maschine im Wert von mehreren Hunderttausend
• Jeder Auftrag, der wegen einer defekten Maschine in der Warteschlange steht

Die Reparaturkosten sind nur ein Teil der Gesamtkosten. Maschinenstillstände wirken sich auf Liefertermine, Verpflichtungen gegenüber Kunden und die Auslastung des gesamten Werks aus.

Oder anders ausgedrückt: Je näher man der Spitze der Maschine kommt, desto teurer wird es, sie zu knacken.

Ein Taststift ist günstiger als ein Messkopf. Ein Messkopf ist günstiger als eine Spindel. Eine gute Prozessauslegung erkennt Fehler auf der kostengünstigsten Ebene.

Den digitalen Prozess mit der Maschine verbinden

CAM, Simulation und G-Code-Überprüfung ermöglichen die Erstellung eines äußerst präzisen Modells des geplanten Bearbeitungsprozesses. Durch Überprüfungen im Rahmen der Werkzeugverwaltung lässt sich sicherstellen, dass das erwartete Fräswerkzeug vorhanden ist und seine gemessene Länge mit dem Programm übereinstimmt.

Die verbleibende Ungewissheit betrifft den physikalischen Aufbau.

Die Maschine muss noch bestätigen, dass:

• Das richtige Rohteil wurde geladen
• Der Lagerbestand entspricht den Erwartungen.
• Die Werkstückspannung ist korrekt
• Das aktive Koordinatensystem stimmt mit dem Teil überein
• Kritische Merkmale liegen weiterhin innerhalb der Toleranzgrenzen
• Das Gerät selbst bleibt ordnungsgemäß kalibriert.

Die Spindelmessung ermöglicht diese Prüfungen.

Bei systematischem Einsatz wird es zu einem zentralen Bestandteil der Prozesssicherung. Es verhindert vermeidbare Ausfälle, unterstützt den unbeaufsichtigten Produktionsbetrieb, reduziert Ausschuss und gibt den Herstellern mehr Sicherheit, dass der tatsächliche Bearbeitungsprozess mit dem verifizierten übereinstimmt.

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