Absolutmesssystem – Positionsbestimmung in CNC-Maschinen

Ein Absolutmesssystem ist ein Weg- oder Winkelmesssystem, das jeder möglichen Position einer Maschinenachse einen eindeutigen Positionswert zuordnet. Dadurch kann die Steuerung die aktuelle Position einer Achse unmittelbar bestimmen.

Absolutmesssysteme werden unter anderem in CNC-Werkzeugmaschinen, Bearbeitungszentren, Robotern, Automatisierungsanlagen und Servoantrieben eingesetzt. Sie ermöglichen eine zuverlässige und präzise Erfassung von linearen oder rotatorischen Positionen.

Wie funktioniert ein Absolutmesssystem?

Bei einem Absolutmesssystem besitzt jede messbare Position eine eindeutige Information. Die Maschinensteuerung kann dadurch erkennen, an welcher Position sich die betreffende Achse befindet.

Je nach Ausführung erfolgt die Positionsbestimmung beispielsweise über:

• optische Messverfahren
• magnetische Messverfahren
• induktive Messverfahren
• absolute Drehgeber
• absolute Längenmessgeräte

Bei einer CNC-Maschine können damit beispielsweise die Positionen der X-, Y- und Z-Achse erfasst werden. Bei Rund- und Schwenkachsen können Absolutgeber entsprechend die jeweilige Winkelstellung bestimmen.

Unterschied zwischen absolutem und inkrementalem Messsystem

Der wesentliche Unterschied liegt in der Art der Positionsinformation.

Absolutmesssystem

Bei einem Absolutmesssystem wird jeder Position ein eindeutiger Wert zugeordnet.

Die Steuerung erhält damit eine absolute Positionsinformation.

Inkrementalmesssystem

Ein Inkrementalmesssystem erfasst dagegen zunächst Positionsänderungen. Bei einer Bewegung werden Impulse erzeugt, die von der Steuerung gezählt werden.

Damit die Steuerung daraus eine eindeutige Maschinenposition bestimmen kann, wird ein definierter Bezug benötigt. Deshalb verfügen inkrementale Systeme häufig über Referenzmarken und benötigen je nach Maschinenkonzept nach dem Einschalten eine Referenzfahrt.

Absolutmesssysteme und die Referenzfahrt

Ein wesentlicher Vorteil absoluter Messsysteme besteht darin, dass eine klassische Referenzfahrt nach dem Einschalten der Maschine je nach Maschinen- und Steuerungskonzept entfallen kann.

Die Steuerung kann die Position der Achse anhand der absoluten Positionsinformation bestimmen.

Das bietet insbesondere bei großen Werkzeugmaschinen Vorteile, da eine Referenzfahrt Zeit benötigt und ausreichend freier Verfahrweg vorhanden sein muss.

Auch nach einem kontrollierten Ausschalten kann die Maschine ihre Achspositionen beim erneuten Einschalten wieder eindeutig zuordnen, sofern das gesamte Mess- und Steuerungssystem entsprechend ausgelegt ist.

Lineare Absolutmesssysteme

Bei Linearachsen können absolute Längenmesssysteme eingesetzt werden.

Sie erfassen beispielsweise unmittelbar die Position eines Maschinentisches oder Schlittens.

Typische Anwendungen sind:

• X-Achsen
• Y-Achsen
• Z-Achsen
• Pinolen
• Positioniertische
• Linearachsen von Automatisierungsanlagen

Besonders hochwertige CNC-Werkzeugmaschinen können über direkte Längenmesssysteme verfügen, bei denen die tatsächliche Position der Maschinenachse erfasst wird.

Absolute Drehgeber

Bei rotierenden Achsen kommen absolute Drehgeber, auch Absolutwertgeber genannt, zum Einsatz.

Sie bestimmen die Winkelposition einer Welle beziehungsweise Drehachse.

Typische Einsatzbereiche sind:

• Servomotoren
• Rundtische
• A-Achsen
• B-Achsen
• C-Achsen
• Werkzeugwechsler
• Robotergelenke

Bei einer CNC-Rundachse kann damit beispielsweise die tatsächliche Winkelposition erfasst werden.

Singleturn- und Multiturn-Absolutgeber

Bei absoluten Drehgebern wird häufig zwischen Singleturn und Multiturn unterschieden.

Singleturn

Ein Singleturn-Absolutgeber bestimmt die eindeutige Winkelposition innerhalb einer Umdrehung.

Nach einer vollständigen Umdrehung wiederholt sich der Positionsbereich.

Multiturn

Ein Multiturn-Absolutgeber kann zusätzlich erfassen, wie viele vollständige Umdrehungen durchgeführt wurden.

Damit lässt sich beispielsweise unterscheiden, ob sich eine Achse bei 90° nach der ersten oder nach mehreren vollständigen Umdrehungen befindet.

Multiturn-Systeme sind deshalb besonders interessant für Antriebe, bei denen mehrere Motorumdrehungen für den gesamten Verfahrweg erforderlich sind.

Direktes und indirektes Messsystem

Bei CNC-Maschinen muss außerdem zwischen direkter und indirekter Positionsmessung unterschieden werden.

Direkte Positionsmessung

Bei einem direkten Messsystem wird die tatsächliche Position der Maschinenachse unmittelbar erfasst.

Ein Linearmaßstab kann beispielsweise direkt am Maschinentisch angebracht sein.

Dadurch können Einflüsse aus dem mechanischen Antriebsstrang besser erfasst beziehungsweise kompensiert werden.

Indirekte Positionsmessung

Bei einer indirekten Messung befindet sich der Positionsgeber beispielsweise am Servomotor.

Die Steuerung berechnet die Position des Maschinentisches anhand der Motordrehung und der bekannten mechanischen Übersetzung beziehungsweise Spindelsteigung.

Bei einer Kugelgewindespindel mit 5 mm Steigung entspricht beispielsweise eine vollständige Spindelumdrehung theoretisch einer linearen Bewegung von 5 mm.

Mechanische Einflüsse zwischen Motor und Maschinentisch können bei einer rein indirekten Messung jedoch eine Rolle spielen.

Absolutmesssystem bei Kugelgewindetrieben

Bei CNC-Fräsmaschinen werden Linearachsen häufig durch Servomotoren und Kugelgewindespindeln angetrieben.

Besitzt der Servomotor einen Absolutwertgeber, kann die Steuerung die Motorposition sehr genau bestimmen.

Für besonders hohe Anforderungen kann zusätzlich ein direktes Längenmesssystem eingesetzt werden.

Dadurch entsteht ein geschlossener Regelkreis, der die tatsächliche Position des Maschinentisches berücksichtigt.

Dies kann insbesondere bei hochpräzisen Werkzeugmaschinen Vorteile bieten.

Auflösung und Genauigkeit

Bei einem Messsystem müssen Auflösung und Genauigkeit voneinander unterschieden werden.

Die Auflösung beschreibt, wie fein unterschiedliche Positionen vom Messsystem unterschieden werden können.

Eine hohe Auflösung bedeutet jedoch nicht automatisch, dass die tatsächliche Maschinenposition mit derselben Genauigkeit bestimmt werden kann.

Die erreichbare Positioniergenauigkeit einer CNC-Maschine wird zusätzlich von zahlreichen Faktoren beeinflusst:

• Genauigkeit des Messsystems
• mechanische Steifigkeit
• Temperatur
• Kugelgewindetrieb
• Lagerung
• Führungen
• Regelungstechnik
• Umkehrspiel
• geometrische Maschinenfehler

Ein Messsystem mit sehr hoher Auflösung kann daher keine mechanisch ungenaue Maschine automatisch zu einer hochpräzisen Werkzeugmaschine machen.

Vorteile eines Absolutmesssystems

Absolute Messsysteme bieten in CNC-Maschinen mehrere Vorteile:

• eindeutige Positionsinformation
• je nach System keine klassische Referenzfahrt nach dem Einschalten erforderlich
• schnelle Betriebsbereitschaft
• hohe Prozesssicherheit
• zuverlässige Positionsüberwachung
• für lineare und rotatorische Achsen verfügbar
• geeignet für hochpräzise Positionieraufgaben
• komfortable Integration in moderne Servoantriebe

Besonders bei komplexen Maschinen mit vielen Achsen kann der Wegfall umfangreicher Referenzfahrten einen erheblichen praktischen Vorteil darstellen.

Absolutmesssystem und Maschinenkoordinatensystem

Ein Absolutmesssystem sollte nicht mit dem Absolutmaß bei der CNC-Programmierung verwechselt werden.

Beim Absolutmesssystem geht es um die technische Erfassung der tatsächlichen Achsposition.

Das Absolutmaß beschreibt dagegen die Art der Programmierung beziehungsweise Bemaßung.

Bei der CNC-Programmierung bedeutet beispielsweise:

G90

dass die programmierten Koordinaten als absolute Positionen innerhalb des verwendeten Koordinatensystems interpretiert werden.

Eine Maschine kann daher mit G90 programmiert werden, unabhängig davon, ob ihre Positionsmessung technisch mit einem absoluten oder inkrementalen Messsystem erfolgt.

Absolutmesssystem und Werkstücknullpunkt

Auch der Werkstücknullpunkt ist vom Absolutmesssystem zu unterscheiden.

Das Messsystem liefert zunächst die Information über die Position der Maschinenachsen. Die CNC-Steuerung verwaltet darauf aufbauend unterschiedliche Koordinatensysteme.

Über Nullpunktverschiebungen wie beispielsweise G54 kann ein Werkstückkoordinatensystem definiert werden.

Dadurch kann die Steuerung zwischen:

• Maschinenkoordinaten
• Werkstückkoordinaten
• Werkzeugkorrekturen
• programmierten Positionen

unterscheiden.

Das Messsystem bildet somit eine wesentliche technische Grundlage für die zuverlässige Positionsregelung der Maschine.

Typische Einsatzbereiche

Absolute Messsysteme finden sich unter anderem in:

• CNC-Fräsmaschinen
• CNC-Drehmaschinen
• Bearbeitungszentren
• 5-Achs-Maschinen
• Rund- und Schwenktischen
• Industrierobotern
• Servoantrieben
• Werkzeugwechslern
• Automatisierungsanlagen
• Messmaschinen

Je höher die Anforderungen an Positionierung, Automatisierung und Prozesssicherheit sind, desto wichtiger wird eine zuverlässige Positionsrückmeldung.

Fazit

Ein Absolutmesssystem ermöglicht die eindeutige Bestimmung einer linearen oder rotatorischen Position. Im Gegensatz zu einem rein inkrementalen Messprinzip steht eine absolute Positionsinformation zur Verfügung, wodurch abhängig von der Maschinenkonstruktion eine klassische Referenzfahrt nach dem Einschalten entfallen kann.

In modernen CNC-Maschinen werden Absolutmesssysteme sowohl in Servomotoren und Rundachsen als auch als direkte Längenmesssysteme an Linearachsen eingesetzt.

Für die tatsächliche Genauigkeit einer CNC-Maschine ist jedoch nicht allein die Auflösung des Messsystems entscheidend. Erst das Zusammenspiel aus Messsystem, Mechanik, Antrieb, Regelung und Maschinengeometrie bestimmt die erreichbare Positionier- und Bearbeitungsgenauigkeit.