naar top
Menu
Logo Print
22/05/2019 - PETER WEBER

MACHINEKALIBRATIE HOEFT GEEN DAGEN MEER TE KOSTEN

Nauwkeurigheidseisen én onbemande productie vergen regelmatige kalibratie

Machinekalibratie is lange tijd echt het werk van specialisten geweest, en deels is het dat nog steeds. Vandaag zijn er echter nog technologieën beschikbaar waarmee CNC-frezers de haaksheid en rechtheid van CNC-machines zelf kunnen controleren. Bovendien zijn ze ook in staat om afwijkingen in de besturing te corri­geren. Een regelmatige kalibratie levert op lange termijn dus méér op dan een nauwkeurige machine.

Renishaw XL-80
Deze laserinterferometrie biedt een volledig draadloze oplossing voor het kalibreren van CNC-machines.

NAUWKEURIGHEID VAN ONBEMANDE PRODUCTIE WAARBORGEN

Voor de nauwkeurigheidseisen aan mechanisch bewerkte componenten ligt de lat steeds hoger. Om kosten marktconform te houden, moeten ook bedrijven die in het µm-bereik werken, steeds meer van hun productie automatiseren, zodat het aantal spindeluren in de week toeneemt. Net in die onbemande productie is het essentieel om zicht te houden op de nauwkeurigheid van de machine. ’s Nachts staat er immers geen ervaren CNC-verspaner voor eventuele bijsturingen bij de machine. Onbemand produceren vereist een betrouwbaar proces en een stabiele en cor­rect uitgelijnde machine is hiervoor de basis.

Voordelen van machinekalibratie

Machinekalibratie is echter om nog meer redenen belangrijk. De resultaten, gemeten over langere termijn, geven inzicht in de onderhoudstoestand van de machine. Noodzakelijk onderhoud kan beter worden gepland omdat men op voorhand weet wanneer het fout dreigt te gaan. Op heel lange termijn helpen de meetresultaten een goed beeld te krijgen van de nauwkeurigheid en de onderhoudskosten van de machine in de loop van de tijd. Dat is een goede basis om de volgende investeringsbeslissing op te nemen. Tot slot is er nog een even simpele als nood­zakelijke reden voor een regelmatige kalibratie: ISO 9000 vereist een regelmatige kalibratie van de machines en het documenteren hiervan.

Lees verder onder de foto...

Renishaw XM-60
Nieuwe laserinterferomeetsystemen meten direct in alle zes de vrijheidsgraden van een lineaire as.

VAN KLASSIEKE TOT MODERNE MEETSYSTEMEN

Grofweg zijn er twee methoden waarmee een CNC-operator de nauwkeurigheid van de machine in kaart kan brengen. Naast het testen met een zogenaamde ballbar kan men ook een laserinterferomeetsysteem inzetten. Daarnaast zijn er nog relatief nieuwe systemen die het meten vergaand automatiseren en tevens versnellen. Net dit laatste is voor veel bedrijven belangrijk, omdat ze zo min mogelijk machinestilstand willen. Sommige bedrijven die actief zijn in de precisie-industrie, nemen elke week deze tijd voor lief, omdat ze weten dat een afgekeurd product vanwege een onnauwkeurige machine een veel grotere verliespost is.

Ballbartest

De ballbartest is eigenlijk de eenvoudigste test. Deze methodiek gaat ervan uit dat een machine die absoluut nauwkeurig is, bij het afleggen van een cirkel precies de geprogrammeerde cirkelvormige freesbaan volgt. Door de afwijking van de daadwerkelijke freesbaan te meten, ontstaat er inzicht in de nauwkeurigheid in de asrichtingen. Deze testen geven inzicht in de rechtheid van de afzonderlijke assen, wat eigenlijk weinig zegt over de volumetrische nauwkeurigheid. Met de nieuwste meetsystemen kan men ook een vlak loodrecht op het XY-vlak meten zonder dat het draaipunt waarlangs de spindel zich beweegt, wordt verplaatst. Veel van de mogelijkheden van deze nieuwe meetsystemen zijn te danken aan de software die speciaal hiervoor ontwikkeld werd. Hiermee kan men aan de hand van drie testen op orthogonale vlakken inzicht krijgen in de volumetrische nauwkeurigheid van de machine.

Interferometrie

Optische interferometrie is een al oude techniek, gebaseerd op het principe dat er zich een interferentiepatroon vormt. Een lichtbundel wordt gesplitst in twee stralen en naar verschillende spiegels gestuurd, die de stralen terugkaatsen. Door nu het faseverschil te meten als de lichtbundels teruggekaatst worden en weer samengaan, kan men de afwijking berekenen. Tegenwoordig gebruikt men lasers als bron voor de lichtstraal.

Meetafwijkingen opvangen

Het uitvoeren van een laserinterferometing is complexer dan de mechanische ballbar­meting. Dit komt doordat de golflengte van de laserstraal een cruciale factor is. Dat lijkt een eenvoudig gegeven, maar de brekingsindex van de lucht speelt een rol. Deze wordt weer beïnvloed door aspecten zoals de temperatuur, de luchtvochtigheid en de luchtdruk. De leveranciers van laserinterferometers leveren weliswaar compensatietabellen voor deze aspecten, ze moeten wel exact meegenomen worden. Anders zijn de meetafwijkingen te groot om nog een betrouwbaar beeld te schetsen van de nauwkeurigheid van de machine. De allernieuwste lasersystemen regis­treren zelf deze aspecten en corrigeren in de berekeningen al hiervoor. Nieuwe laserinter­feromeetsystemen meten direct in alle zes de vrijheidsgraden van een lineaire as en vermijden de noodzakelijke algoritmen om afwijkingen te berekenen.

Rotary Inspector
IBS Precision Engineering in Eindhoven heeft met de Rotary Inspector een tool ontwikkeld waarmee in heel korte tijd een 5-assige CNC-machine gecontroleerd wordt op de dynamische nauwkeurigheid. De meetgegevens kunnen direct gebruikt worden om in Sinmerik besturing te compenseren.

DYNAMISCHE DOORMETING:
BINNEN EEN MINUUT MEETRESULTATEN

Het uitvoeren van dit soort metingen op vijf­assige CNC-machines vergt tijd. Voor menig verspanend bedrijf te veel tijd om wekelijks uit te voeren, laat staan bij de start van elke nieuwe precisieklus. Daarom hebben fabrikanten nieuwe systemen ontwikkeld waarmee een 5-assige machine binnen een minuut (de echte meetcyclus) dynamisch wordt doorgemeten. Aan de hand van de meetresultaten berekent de software de fouten, zowel in de oppervlaktenauwkeurigheid als de geome­trische precisie. Ook wordt de volumetrische afwijking berekend.

Automatisch bijsturen

Behalve het feit dat deze meetgegevens in een databank worden opgeslagen, zodat de nauwkeurigheid over langere termijn in kaart wordt gebracht, kan men voor eventuele afwijkingen ook compenseren. Dat gebeurt rechtstreeks via de CNC-besturing. Met dit soort oplossingen kan men dus zelfs in een onbemande productie automatisch een machine kalibreren en daarna compenseren via de offset. De gereedschappen die voor de meting nodig zijn, staan deels vast op de tafel (de ballbar), deels zit dit in het gereedschapsmagazijn. Op vooraf geprogrammeerde momenten voert de machine quasi autonoom de meting uit.

Positiebepaling

Een dergelijke technologie is eveneens beschikbaar voor het bepalen van de positienauwkeurigheid van een CNC-machine, zowel in een 3-assig als een 5-assig concept. Ook hier zijn koppelingen met de besturing mogelijk. Deze stopt de machine automatisch als de meting een resultaat oplevert dat een vooraf ingestelde grenswaarde overschrijdt. Inclusief op de opbouw vergt een complete meting niet meer dan een halfuur. Deze tijd kan verkort worden door de meetpunten vast op de tafel te plaatsen.

Multitrace
Het gebruik van lasertrackers (Multitrace systeem) is ontwikkeld door het Fraunhofer IPT. Op deze foto ziet u het InLine systeem, dat bedoeld is  voor de machinebouwers.

LASERTRACKERS

Een vierde optie, naast de ballbartest, de interferometrie en de dynamische doormeting, is de inzet van lasertrackers, een oplossing die met name interessant is voor grote bewerkingscentra. Hiermee kunnen afwijkingen in de verschillende assen in enkele uren worden gedetecteerd met een nauwkeurigheid die beter is dan 10 µm (volumetrisch) over een meetlengte tot 10 meter. De werking van deze lasertrackers kan men het best vergelijken met het gps-systeem, waarbij minstens drie, maar eigenlijk liefst meerdere satellieten exact de positie van een voertuig bepalen. Deze technologie is gebaseerd op interferometrie, maar gebruikt de lasertrackers om over grotere afstanden een hogere meetnauwkeurigheid te bereiken. Dit systeem is ontwikkeld door het Fraunhofer IPT in Aken en onder andere getest bij Capaul SA in Eupen.

Nauwkeurig en snel

Het belangrijkste voordeel van dit systeem is de snelheid waarmee een groot bewerkingscentrum wordt gekalibreerd. Bij Capaul werd een DMC 100 H Duoblock in minder dan vier uur nauwkeurig gemeten, met een nauwkeurigheid van 2 µm (volumetrisch). Ter vergelijking: een klassieke meting voor een meet­expert met conventionele meetmiddelen zou bij een dergelijke machine minstens 1,5 dag hebben geduurd. Voor kleinere bewerkings­machines en CMM’s zijn er systemen waarmee volledig automatisch binnen een uur een machine kan worden gekalibreerd. Dit zijn specifieke systemen voor de machine­bouwers, die zoeken naar oplossingen om het tijdrovend kalibreren van elke CNC-machine die ze bouwen, te verkorten.