Laser Werkzeuglängenvermessung

Nachdem die Balluff Laserlichtschranke schon eine ganze Weile im Schrank lag, bewegt sich beim Thema Werkzeuglängenmessung endlich etwas. Hier der erste Artikel:

Konzept

Aktuell haben wir noch keine Spindel mit automatischem Werkzeugwechsel, d.h. wir müssen auch beim Werkzeugwechsel innerhalb des selben Programms jedes Mal manuell am Werkstück anreißen um die Höhe des Fräswerkzeugs zu setzen. Das ist auch Dauer mehr als nervig.

Wieso Lichtschranke

Bei den meisten Maschinen in Hobby/Semi-professionellen Segment kommen mechanische Werkzeuglängensensoren zum Einsatz. Auf gut Deutsch wird das Werkzeug (also der Fräser) langsam gegen einen mechanischen Taster verfahren. Löst der Taster aus, stoppt die Maschine und die Länge des Werkzeugs wird in der CNC Steuerung gespeichert.

Gerade kleiner Fräser können dadurch beschädigt werden, wenn der benötigte Druck zum Auslösen des Tasters zu hoch ist. Außerdem kann bei mechanischen Systemen je nach Aufbau die Wiederholgenauigkeit, d.h. Reproduzierbarkeit des Messergebnisses, schwanken. Ebenfalls muss zur mechanischen Messung die Spindel gestoppt werden, was die Bearbeitungszeit verlängert.

Mit einer Laserlichtschranke kann bei voller Spindeldrehzahl (Man spricht hier auch von Arbeitsdrehzahl) und z.B. auch  in radialer Richtung auch der Durchmesser (z.B. Verschleißkontrolle) gemessen werden. Möglich ist auch das CNC Programm um eine Kontrolle auf Werkzeugbruch zu erweitern… Die Möglichkeiten sind vielfältig.

Professionelle Systeme, etwa von Renishaw, setzen deshalb meistens auf eine Laserlichtschranke.

Wieso Laser

Im Vergleich zu IR Lichtschranken ist der Strahl bei einer Laserlichtschranke extrem stark gebündelt, was du einer höheren Genauigkeit führt. Außerdem ist der Laser besser gegen optische Störeinflüsse geschützt, da die erkannte Wellenlänge nur vom Laser selbst imitiert wird.

Professionelle Systeme setzen auf einen fokussiertem Laserstrahl. Damit lassen sich Messergebnisse im Bereich von ±0,1 μm (0,0001mm) und besser erreichen. Leider kosten so etwas ab 5.000 Euro aufwärts (z.B. Renishaw NC4) und ist für uns einfach nicht wirtschaftlich sinnvoll. Also muss ein Selbstbau her.

BGL000A

Wir verwenden eine gebrauchte BGL000A Laserlichtschranke vom Deutschen Hersteller Balluff. Der Neupreis liegt mit fast 280 Euro etwa 3x über dem Gebrauchtwert.

Merkmal, Wert
Funktionsprinzip, Einweg Gabellichtschranke
Lichtquelle, Roter Laser 650nm < 390 µW Lichtfleckgröße, Ø0.3 mm Schaltfrequenz, 5000 Hz Schaltfunktion, Schließer/Öffner (NO/NC) Gabelweite, 120mm Seitliche Wiederholgenauigkeit, 15 µm Erkennung, min. 0.15mm Hysterere (max), 0.050 mm [/table]  

Einbindung

Die Lichtschranke lässt sich einfach in PNP Schaltung, ähnlich wie bei einem induktiven Näherungsschalter, an die Steuerung einbinden. Exotischere Modelle besitzen eventuell noch einen weiteren Schaltausgang um den Betriebszustand zu überwachen.

Zyklus

Folgend der schematische Programmablauf zur Vermessung des Werkzeugs. Dieser wird über ein Macro in Mach3 realisiert.

  • Z auf sichere Höhe fahren
  • X/Y auf Koordinaten der Lichtschranke fahren (G00)
  • Z auf 100mm über den Maschinentisch verfahren (G00)
  • Z langsam auf 20mm über Maschinentisch verfahren (F100 G01)
  • Anhalten, sobald die Lichtschranke durchbrochen wurde
  • Setzen des Werkzeug Korrekturwerts
  • Fortfahren mit dem Programm

Montageblock

Um die Lichtschrank sauber und mit Anschlagkante montieren zu können, habe ich aus einem Alublock eine Montage hergestellt. Hier noch in der Mache.

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So lässt sich die Lichtschranke auch auf dem Nutentisch „aufgleisen“. Die endgültige Position auf der Maschine muss jedoch noch gefunden werden, damit so wenig Bearbeitungsraum wie möglich in Beschlag genommen wird.

Irgendwo habe ich im Internet eine Lösung gefunden bei der die Lichtschranke unter der Spindel eingeschwenkt wird… auf unnötige Mechanik will ich jedoch bewusst verzichten.

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Testlauf

Die ersten echten Tests mit Lichtschranke und Messuhr waren erfolgreich – jetzt geht es an die Feinarbeit.

Gut:
Auch winzige Werkzeuge, wie etwa Gravierstichel, werden zuverlässig erfasst. Laut Datenblatt geht das bis 0,15mm.

Nicht so gut:
Taste ich das gleiche Werkzeug an der gleichen Position an (d.h. stehendes Werkzeug), habe ich durchweg Ergebnisse von max. ±1/100mm. Da wir jedoch keine indizierbare Werkzeugspannung haben, wandert dieser Punkt jedoch.
Bei Werkzeugen mit Radius oder Schneiden die nicht bis ins Zentrum des Fräsers reichen, sind die Ergebnisse noch Verbesserungswürdig. Hier erreiche ich eine Wiederholgenauigkeit von ca. ±3/100mm. Flache Fräser kommen auf ±1-2/100mm.

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Messaufbau

Zum Überprüfen der Genauigkeit nutze ich eine normale Messuhr mit hydraulischer Klemmung. Diese ist unten an der Z Achse angebracht und misst parallel zur Spindelachse. Somit kann ich etwaige Positionierungsungenauigkeiten der Z Achse eliminieren.

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Aktuell experimentiere ich mit der benötigten Drehzahl und der stufenlosen Erkennungseinstellung an der Lichtschranke selbst. Tendenziell wurde das Ergebnis mit niedriger Empfindlichkeit der Lichtschranke und maximaler Drehzahl (24.000 U/min) besser.

 

Verbesserungen / Für die Zukunft

Freiblasfunktion für das Werkzeug

Späne und Kühlmitteltopfen können das Messergebnis maßgeblich verfälschen und im schlimmsten Fall Werkstück und/oder das Werkzeug zerstören. Über ein kleines Ventil möchte ich den Fräser vorher mit Druckluft von sämtlichen Anhaftungen befreien

Sperrluft für die Optik

Damit die Optik des Lasers nicht auf Dauer durch Staub, Späne oder Kühlschmierstoff zugesetzt wird, soll der Laser ein Gehäuse mit Sperrluft über die Austrittsöffnungen bekommen. Kommerzielle Systeme nutzen hierfür eine feine Membran, welche selbst im drucklosen Zustand für fast absolute Dichtigkeit sorgt.

Der Einfachheit halber werde ich mich aber wohl auf eine Dauerhafte Öffnung beschränken, aus der dann permanent Druckluft austritt.

4 Comments

    • André
    • André

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