Wiederholgenauigkeit – Bedeutung und Einfluss bei CNC-Maschinen
Die Wiederholgenauigkeit beschreibt, wie genau eine Maschine, Achse oder Positioniereinrichtung bei mehrfacher Anfahrt derselben Sollposition wieder dieselbe tatsächliche Position erreicht.
Sie ist eine wichtige Kenngröße für CNC-Fräsen, Werkzeugmaschinen, Industrieroboter und andere automatisierte Positioniersysteme.
Eine hohe Wiederholgenauigkeit bedeutet vereinfacht:
Die Maschine erreicht bei wiederholter Positionierung nahezu immer wieder denselben Punkt.
Dabei darf die Wiederholgenauigkeit nicht mit der absoluten Positioniergenauigkeit verwechselt werden. Eine Maschine kann eine sehr gute Wiederholgenauigkeit besitzen und trotzdem einen systematischen Positionsfehler aufweisen.
Was bedeutet Wiederholgenauigkeit?
Angenommen, eine CNC-Achse soll zehnmal hintereinander die Position X = 100,000 mm anfahren.
Die tatsächlich erreichten Positionen könnten beispielsweise geringfügig voneinander abweichen:
100,003 mm
100,002 mm
100,004 mm
100,003 mm
100,002 mm
Die Positionen liegen sehr dicht beieinander.
Die Achse besitzt damit eine hohe Wiederholgenauigkeit.
Würde die Maschine dagegen Werte wie 99,97 mm, 100,04 mm oder 99,95 mm erreichen, wäre die Streuung wesentlich größer und damit die Wiederholgenauigkeit schlechter.
Entscheidend ist also nicht nur, ob die Sollposition exakt getroffen wird, sondern wie stark die bei wiederholten Positionierungen erreichten Istpositionen voneinander abweichen.
Wiederholgenauigkeit und Positioniergenauigkeit
Wiederholgenauigkeit und Positioniergenauigkeit beschreiben unterschiedliche Eigenschaften eines Positioniersystems.
Ein einfaches Beispiel verdeutlicht den Unterschied.
Eine Achse soll immer die Position:
X = 100,000 mm
anfahren.
Sie erreicht bei mehreren Versuchen:
X = 100,020 mm
X = 100,021 mm
X = 100,019 mm
Die Maschine liegt jedes Mal ungefähr 0,020 mm neben der gewünschten Sollposition.
Trotzdem liegen die einzelnen Ergebnisse sehr dicht beieinander.
Die Maschine besitzt deshalb eine gute Wiederholgenauigkeit, aber eine schlechtere absolute Positioniergenauigkeit.
Der systematische Fehler könnte unter Umständen durch eine Maschinenkalibrierung oder eine entsprechende Korrektur kompensiert werden.
Warum ist eine hohe Wiederholgenauigkeit wichtig?
In der CNC-Bearbeitung werden Positionen während eines Bearbeitungsprogramms häufig mehrfach angefahren.
Beispielsweise fährt eine CNC-Fräse nach einem Werkzeugwechsel erneut an eine bereits bearbeitete Position.
Auch bei der Serienfertigung wird dasselbe CNC-Programm immer wieder ausgeführt.
Die Maschine sollte deshalb möglichst reproduzierbar dieselben Positionen erreichen.
Eine schlechte Wiederholgenauigkeit kann unter anderem zu folgenden Problemen führen:
- schwankenden Werkstückmaßen
- unterschiedlichen Bohrungspositionen
- sichtbaren Übergängen zwischen Bearbeitungsoperationen
- Maßabweichungen bei Serienbauteilen
- Problemen bei Werkzeugwechseln
- ungenauer Positionierung von Vorrichtungen
- schlechter reproduzierbaren Fertigungsergebnissen
Für eine zuverlässige Serienfertigung ist eine gute Wiederholgenauigkeit daher besonders wichtig.
Welche Bauteile beeinflussen die Wiederholgenauigkeit?
Die Wiederholgenauigkeit einer CNC-Maschine entsteht aus dem Zusammenspiel zahlreicher mechanischer, elektrischer und steuerungstechnischer Komponenten.
Zu den wichtigsten Einflussgrößen gehören:
- Linearführungen
- Kugelumlaufspindeln
- Spindelmuttern
- Lagerungen
- Kupplungen
- Schrittmotoren oder Servomotoren
- Motorendstufen
- Messsysteme
- Maschinensteuerung
- Maschinenrahmen
- Temperatur
Bereits kleine Abweichungen einzelner Komponenten können sich auf die Positionierung der gesamten Achse auswirken.
Einfluss des Umkehrspiels
Eine wichtige Fehlerquelle bei Positionierachsen ist das Umkehrspiel, häufig auch als Backlash bezeichnet.
Ändert eine Achse ihre Bewegungsrichtung, können mechanische Spiele innerhalb des Antriebsstrangs dazu führen, dass sich der Motor bereits bewegt, während der Maschinenschlitten zunächst noch nicht entsprechend folgt.
Das kann beispielsweise bei:
- Spindel und Mutter
- Getrieben
- Kupplungen
- Lagerungen
auftreten.
Besonders beim Anfahren einer Position aus unterschiedlichen Richtungen kann sich vorhandenes Umkehrspiel deutlich bemerkbar machen.
Eine spielfrei beziehungsweise möglichst spielarm vorgespannte Kugelumlaufspindel kann deshalb wesentlich zur guten Wiederholgenauigkeit einer CNC-Achse beitragen.
Einfluss der Linearführungen
Auch die Linearführungen einer Maschinenachse beeinflussen deren Positionierverhalten.
Zu hohe Reibung, Verschleiß, Verschmutzungen oder eine mechanische Verspannung können dazu führen, dass sich die Achse nicht unter allen Bedingungen identisch bewegt.
Bei einer gut aufgebauten Maschine sollten die Führungen möglichst:
- spielfrei
- leichtgängig
- ausreichend steif
- korrekt ausgerichtet
- sauber geschmiert
sein.
Insbesondere bei selbstgebauten CNC-Maschinen ist die korrekte Ausrichtung der Linearführungen von großer Bedeutung.
Schrittmotor und Wiederholgenauigkeit
Bei vielen kleineren CNC-Maschinen werden Schrittmotoren zur Achsbewegung eingesetzt.
Ein Schrittmotor bewegt sich entsprechend der von der Steuerung vorgegebenen Schrittimpulse.
Solange keine Schritte verloren gehen und die Mechanik ausreichend steif ist, können solche Systeme eine sehr gute Wiederholbarkeit erreichen.
Problematisch wird es, wenn der Motor beispielsweise durch:
- zu hohe Beschleunigung
- zu hohe Vorschubgeschwindigkeit
- mechanische Schwergängigkeit
- unzureichendes Motordrehmoment
- falsche Einstellung der Endstufe
Schritte verliert.
Die Steuerung kennt bei einem offenen Regelkreis den tatsächlich entstandenen Positionsfehler nicht automatisch.
Dadurch kann sich die reale Maschinenposition von der intern berechneten Position unterscheiden.
Servoantrieb und Wiederholgenauigkeit
Servoantriebe arbeiten üblicherweise mit einer Positionsrückmeldung.
Ein Encoder erfasst die Motor- oder Achsbewegung und ermöglicht einen geschlossenen Regelkreis.
Dadurch kann die Regelung Abweichungen zwischen Soll- und Istposition erkennen und entsprechend reagieren.
Das bedeutet allerdings nicht automatisch, dass jede Maschine mit Servoantrieb hochgenau ist.
Mechanisches Spiel, elastische Verformungen, thermische Einflüsse und die Position des Messsystems bleiben weiterhin wichtige Faktoren.
Einfluss des Messsystems
Ein Messsystem kann die tatsächliche Position einer Maschinenachse erfassen.
Dabei ist entscheidend, wo gemessen wird.
Ein Encoder unmittelbar am Motor erfasst zunächst die Motorbewegung. Mechanische Fehler zwischen Motor und Maschinentisch können dadurch nicht zwangsläufig vollständig erfasst werden.
Ein direkt an der Maschinenachse montiertes lineares Messsystem kann dagegen die tatsächliche Position des Schlittens erfassen.
Je nach Maschinenkonzept können beispielsweise inkrementelle oder absolute Messsysteme eingesetzt werden.
Wiederholgenauigkeit der Referenzfahrt
Auch die Referenzierung einer CNC-Maschine besitzt eine eigene Wiederholgenauigkeit.
Bei einer Referenzfahrt bewegt sich die Maschinenachse zu einem definierten Referenzpunkt.
Dieser wird beispielsweise über einen Referenzschalter erkannt.
Wird die Maschine ausgeschaltet und später erneut referenziert, sollte der ermittelte Maschinenreferenzpunkt möglichst exakt reproduziert werden.
Die Wiederholgenauigkeit des verwendeten Sensors beeinflusst deshalb unmittelbar die Reproduzierbarkeit der Maschinenkoordinaten nach einer erneuten Referenzfahrt.
Sensoren und Wiederholgenauigkeit
Nicht nur die Maschinenmechanik besitzt eine Wiederholgenauigkeit.
Auch Sensoren weisen eine bestimmte Schaltpunkt-Wiederholgenauigkeit auf.
Ein Initiator sollte beispielsweise bei wiederholter Annäherung eines identischen Metallobjektes möglichst immer an derselben Position schalten.
Dasselbe gilt grundsätzlich für andere Sensorprinzipien.
Die Wiederholgenauigkeit eines Sensors ist insbesondere dann wichtig, wenn sein Schaltpunkt unmittelbar zur Positionierung oder Referenzierung einer Maschine verwendet wird.
Wiederholgenauigkeit eines Referenzschalters
Ein mechanischer Schalter besitzt aufgrund seiner Mechanik eine gewisse Streuung des Schaltpunktes.
Bei jeder Betätigung können geringe Unterschiede auftreten.
Berührungslose Sensoren wie ein Initiator können für Referenzierungsaufgaben Vorteile bieten, weil kein mechanischer Betätigungsmechanismus verschleißt.
Aber auch bei berührungslosen Sensoren ist der Schaltpunkt nicht mathematisch vollkommen identisch.
Temperatur, Versorgungsspannung, Objektabstand und Sensoreigenschaften können geringe Abweichungen verursachen.
Wiederholgenauigkeit und Auflösung
Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht zwischen Auflösung und Wiederholgenauigkeit.
Die Auflösung beschreibt, wie fein ein System Positionen unterscheiden oder ansteuern kann.
Eine theoretische Achsauflösung von beispielsweise:
0,001 mm
bedeutet nicht automatisch, dass die Maschine Positionen tatsächlich mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,001 mm erreicht.
Mechanik, Antrieb, Steifigkeit und Messsystem bestimmen die praktisch erreichbare Genauigkeit.
Eine sehr hohe rechnerische Auflösung kann daher eine wesentlich geringere reale Maschinengenauigkeit nicht ersetzen.
Wiederholgenauigkeit und Maschinensteifigkeit
Während einer Bearbeitung wirken Kräfte auf Werkzeug, Werkstück und Maschinenstruktur.
Diese Kräfte können Bauteile elastisch verformen.
Eine Maschine kann deshalb im unbelasteten Zustand eine Position sehr genau wiederholen, während unter Bearbeitungskräften zusätzliche Abweichungen entstehen.
Die Steifigkeit von:
- Maschinenrahmen
- Portal
- Spindelaufnahme
- Führungen
- Werkzeug
- Werkstückspannung
hat daher großen Einfluss auf das tatsächliche Bearbeitungsergebnis.
Einfluss der Temperatur
Temperaturänderungen können bei präzisen Maschinen erhebliche Auswirkungen haben.
Metalle dehnen sich bei Erwärmung aus und ziehen sich beim Abkühlen wieder zusammen.
Während des Betriebs erwärmen sich beispielsweise:
- Spindelmotor
- Kugelumlaufspindeln
- Lager
- Servomotoren
- Maschinenrahmen
Dadurch können sich geometrische Abmessungen geringfügig verändern.
Bei hohen Genauigkeitsanforderungen müssen thermische Einflüsse deshalb berücksichtigt werden.
Wie wird die Wiederholgenauigkeit geprüft?
Eine einfache Prüfung besteht darin, dieselbe Position mehrfach anzufahren und die tatsächlich erreichte Position zu messen.
Dabei sollte die Messung nicht nur aus einer Bewegungsrichtung erfolgen.
Eine aussagekräftigere Prüfung umfasst beispielsweise:
- Position mehrfach aus positiver Richtung anfahren.
- Messwerte dokumentieren.
- Position mehrfach aus negativer Richtung anfahren.
- Messwerte dokumentieren.
- Streuung der Messwerte vergleichen.
Dadurch lassen sich unter anderem Einflüsse durch Umkehrspiel erkennen.
Für professionelle Werkzeugmaschinen existieren standardisierte Mess- und Auswerteverfahren, mit denen Positionierabweichung und Wiederholbarkeit systematisch bestimmt werden.
Beispiel einer Wiederholungsmessung
Eine CNC-Achse soll fünfmal dieselbe Position erreichen.
Gemessen werden:
1. Messung: 100,004 mm
2. Messung: 100,002 mm
3. Messung: 100,003 mm
4. Messung: 100,005 mm
5. Messung: 100,003 mm
Die Ergebnisse liegen zwischen:
100,002 mm und 100,005 mm
Die gesamte Spannweite beträgt damit:
0,003 mm
Dieses vereinfachte Beispiel zeigt, wie eng die tatsächlich erreichten Positionen beieinanderliegen.
Für eine normgerechte Angabe der Wiederholgenauigkeit reicht eine solche einfache Spannweitenbetrachtung allerdings nicht aus. Professionelle Bewertungen berücksichtigen definierte Messabläufe und statistische Auswertungen.
Wiederholgenauigkeit bei Serienfertigung
In der Serienfertigung ist nicht allein entscheidend, ob das erste Werkstück maßhaltig gefertigt wird.
Die Maschine sollte auch beim hundertsten oder tausendsten Werkstück möglichst dieselben Bedingungen reproduzieren.
Neben der Achspositionierung beeinflussen allerdings weitere Faktoren das Ergebnis:
- Werkzeugverschleiß
- Werkzeugtemperatur
- Spindelerwärmung
- Werkstücktemperatur
- Spannkraft
- Materialschwankungen
- Kühlschmierstoff
- Bearbeitungskräfte
Die Wiederholgenauigkeit der Achsen ist daher ein wichtiger, aber nicht der einzige Faktor für eine reproduzierbare Fertigungsqualität.
Wie lässt sich die Wiederholgenauigkeit verbessern?
Je nach Ursache können verschiedene Maßnahmen sinnvoll sein.
Dazu gehören beispielsweise:
- mechanisches Spiel reduzieren
- Kugelumlaufspindeln korrekt vorspannen
- Lagerungen überprüfen
- Linearführungen korrekt ausrichten
- Kupplungen kontrollieren
- Beschleunigungen anpassen
- Schrittverluste vermeiden
- geeignete Messsysteme einsetzen
- Referenzierung optimieren
- thermische Einflüsse reduzieren
- Maschinen regelmäßig warten
- Werkzeug- und Werkstückspannung verbessern
Vor einer Veränderung sollte jedoch zunächst festgestellt werden, welche Komponente tatsächlich für die Abweichung verantwortlich ist.
Wiederholgenauigkeit bei selbstgebauten CNC-Fräsen
Bei einer selbstgebauten CNC-Fräse ist die Wiederholgenauigkeit ein besonders hilfreicher Kennwert zur Beurteilung des Maschinenaufbaus.
Wenn eine Achse eine Position wiederholt sehr präzise erreicht, spricht dies unter anderem für ein reproduzierbares Zusammenspiel von Antrieb und Mechanik.
Treten dagegen größere Schwankungen auf, sollten insbesondere Spiel, Schwergängigkeit, Kupplungen, Motoransteuerung und mögliche Schrittverluste untersucht werden.
Dabei sollte jede Maschinenachse zunächst einzeln betrachtet werden.
Fazit
Die Wiederholgenauigkeit beschreibt, wie zuverlässig eine Maschine bei mehrfacher Anfahrt derselben Sollposition wieder dieselbe tatsächliche Position erreicht.
Sie darf nicht mit der absoluten Positioniergenauigkeit verwechselt werden. Eine Maschine kann denselben Punkt sehr reproduzierbar erreichen und trotzdem einen konstanten Positionsfehler besitzen.
Bei CNC-Maschinen wird die Wiederholgenauigkeit unter anderem durch Mechanik, Kugelumlaufspindeln, Linearführungen, Antriebssystem, Messsystem, Temperatur und Maschinensteifigkeit beeinflusst.
Auch die Wiederholgenauigkeit von Referenzschaltern und Initiatoren spielt bei der reproduzierbaren Referenzierung einer Maschine eine wichtige Rolle.
Eine hohe Wiederholgenauigkeit ist damit eine wesentliche Voraussetzung für reproduzierbare Positionierungen und eine gleichbleibende Fertigungsqualität.