Vermessung der Z-Achse

Die Vermessung der Z-Achse bzw. der Höhenabweichung Tisch zu Werkzeug lässt sich mit einer Messuhr und Excel einfach bewerkstelligen.

Den GCODE für die Vermessung (100x100mm Raster) habe ich ebenfalls in Excel erstellt.

Wie wurde gemessen

Eine digitale Messuhr mit einer Auflösung von 0,005 mm und einem Messweg von 5 mm wurde mit einem Messstativ unter der Frässpindel montiert. Die Z Achse wurde dann bis auf 2,5 mm Messuhr-Ausschlag verfahren und genullt – dadurch lassen sich positive sowie negative Abweichungen messen.

Im nächsten Schritt wurden X und Y genullt und im Raster von 100 x 100 mm verfahren. Damit kein Fehler durch das Umkehrspiel / die Ungenauigkeit des Z-Antriebs unsere Messung stört wurde die Z-Achse nicht mehr bewegt. Ein wenig Öl sorgt für eine verbesserte Reibung zwischen Messtasterspitze und Maschinentisch.

Durch zeilenweises ausführen der Befehle wird nach für nach jeder Messpunkt angefahren.

Nun wird es spannend und bunt! Die gewonnenen Koordinaten werden in Excel in einem sogenanntes Flächendiagramm dargestellt. Zu einer X/Y Kombination gibt es immer einen Z Wert. Insgesamt wurden 130 Messwerte erfasst. Natürlich kann man das noch genauer machen, mangels Schnittstelle / Übertragungsmöglichkeit musste ich die Werte jedoch händisch ablesen. Die gesamte Erfassung hat ca. 1 Std. gedauert.

Und hier das Ergebnis.

Wie ist das Diagramm zu lesen.

• Vom roten Punkt ausgehend (X0Y0) bewegen sich X und Y jeweils in positiver Richtung im Raster von 100 x 100 mm
• Zur besseren Ansicht ist das Diagramm 180° um Z gedreht
• Jedes Quadrat auf X und Y entspricht 100×100 mm
• Gemessen wurde jeweils an den Kreuzpunkten von X und Y
• Jede Farbschicht in Z entspricht 0,05 mm (5 Hundertstel)

Was bedeutet das jetzt?

• Minimum bis Maximum liegen auf der gesamten Fläche von 1.700 x 700 mm 3/10 Abweichung vor
• Im vorderen Teil der Maschine gibt es ein Gefälle von Links nach Rechts
• Die Abweichung in dem „hellblauen Tal“ (X800 bis X500 sowie Y700 bis Y400) liegt unter 0,005 mm.

Der 2. Punkt sollte sich relativ gut beheben lassen indem wir die Seitenwangen etwas anheben. Bei den Peaks aus Punkt 1 sind wir noch etwas unschlüssig – eventuell handelt es sich hierbei um einen Messfehler aufgrund der doch recht groben Rasterung. Diese Bereiche werden wir nochmal mit einem feineren Raster auswerten.

Diesmal mit folgenden Themen:

X-Achse einmessen und Umkehrspiel-Korrektur

Nach dem kürzlich abgeschlossenen Umbau des X-Antriebssystems ging es nun ans Feintuning. Als Messgerät diente der Glasmaßstab von unserer Drehbank sowie der alte Heidenhain Zweikanal-Zähler.

Mangels ausreichend langer Maßstäbe konnten wir nur auf knapp 1/3 des X-Verfahrwegs messen und entsprechend kein vollständiges Spindel-Mapping erstellen. Tja, wird wohl doch mal Zeit für ein eigenes Laser-Interferometer…

Was wir jedoch kompensieren konnten war der generelle Fehler des Antriebssystems sowie das Umkehrspiel. Die Steps / mm wurden in Mach 3 von 1.000 auf ermittelte 1.000,71 angepasst.

Im rechten Foto das Ergebnis: 100,000 mm in der Steuerung werden zu 100,005 mm Bewegung. Aufgrund der Variable „Steigungsfehler“, ist das jedoch noch kein Garant für Maßhaltigkeit über den gesamten Arbeitsbereic.

Frässpindel ausrichten

Bei den ersten Testfräsungen in Alu hat sich zwischen zwei Fräsbahnen ein kleiner Steg ergeben, was klar für einen Fehler in der Spindelausrichtung spricht.

Mit einem geschliffenen Zylinderstift und einer Messuhr lässt sich die Position der Spindel gut einrichten. Je weiter man vom Drehpunkt der Spindel entfernt ist, desto stärker der Ausschlag.

Das Ergebnis: Auf ca. 60 mm haben wir eine Abweichung von < 0,005 mm. Der finale Praxistest steht aber noch aus.

Maschinenleuchte für 17 Euro

Während dem Verfassen dieses Artikels haben wir uns doch spontan für einen eigenen Beitrag zur Leuchte entschieden. Das Ergebnis findet sich hier.

PNOZ Sicherheits-Kleinsteuerung

Mittlerweile ist die PILZ PNOZ Configurator Software eingetroffen, mit welcher wir die Kleinsteuerung programmieren können.

Folgende Funktionen wollen wir zunächst überwachen:

• Druckluftversorgung
• Sicherer Halt der HF Spindel
• Störung Frequenzumrichter
• Störung Motorendstufen
• Not-Aus/Halt über manuelle Schlagtaster
• Not-Aus/Halt über die Steuerung

Mehr dazu in einem ausführlichen Artikel.

Platz!

Wir wieder etwas Platz schaffen können. Hier soll demnächst noch eine kleine Werkbank für den vorderen Werkstattbereich entstehen.

PS: Was es mit den zwei großen Wellen auf dem Foto auf sich hat erklären wir bei Gelegenheit nochmal im Detail.

Doch zunächst etwas neues für die Werkstatt!

Laufrost

Was so ein Laufrost doch für Vorteile hat merkt man erst, wenn man mal ein genutzt hat. Nachdem ich länger unschlüssig war ob wir an der Drehbank ein Laufrost brauchen hat Fabian spontan Nägel mit Köpfen gemacht uns kurzerhand eines gebaut. Ausgangsmaterial sind Douglasien Terassendielen.

Die Vorteile:

• Die Späne sind keine Rutschgefahr mehr
• Öl / KSS landet nicht mehr direkt auf dem Boden
• Die Bretter federn ein wenig, was längeres arbeiten angenehmer macht
• Die Arbeitsposition vor der Maschine ist angenehmer

Umbau X-Antrieb auf KUS mit angetriebener Mutter

Der Lagersitzt für die beiden Schrägkugellager, welche gegeneinander verspannt werden, besteht aus Stahl. Ausgangsmaterial ist ein 80 x 100 x 100 mm Stahlklotz. Da unser Vierbackenfutter an der Drehbank noch nicht einsatzbereit ist (Thema Futterflansch… Leidige Sache) haben wir uns für eine Bearbeitung auf der Fräsmaschine entschieden.

Diesen Bohrer habe ich günstig in der Ukraine erworben. Echte UdSSR Qualität…

Damit der 50er MK4 Spiralbohrer passt, musste der Dreh/Schwenk-Tisch runter und das Werkstück direkt gespannt werden. Dank Getriebeuntersetzter 2,5 kW Antriebsleistung ist die Bearbeitung kein Problem.

Bevor es weiter zum planfräsen der Oberseiten geht muss der Stahlklotz erstmal noch Material verlieren. Mehr als 0,6 mm können wir mit dem Messerkopf nicht sinnvoll wegnehmen, die 10 mm Schlankheitskur sparen uns einiges an Zeit.

Vor dem nächsten Bearbeitungsschritt haben wir den Klotz nochmal plangefräst. Damit der Schraubstock das Werkstück dabei nicht schräg klemmt kommt an der losen Seite des Schraubstocks ein Stück Schweißdraht zwischen Backe und Werkstück.

Weiter geht es mit dem mechanischen Kantenfinder. Dieser besteht aus zwei Stahlzylindern, welche mit einer Spiralfeder zusammen gehalten werden. Fährt man mit laufender Spindel an das Werkstück heran fluchten die beiden Zylinder irgendwann. Somit lässt sich recht genau der Werkstücknullpunkt bestimmen.

Für den nächsten Bearbeitunsschritt musste erstmal „Spezialwerkzeug“ her. Diese 20er Bohrstange war zu lang und wurde kurzerhand abgesägt. Gut, dass der Schaft nicht gehärtet war…

Als nächstes folgt das Ausspindeln von 50 mm auf 80 bzw. 90 mm. Sicherlich: Auf der Drehbank wäre das komfortabler gewesen und mit einem größeren Bohrer zum vorbohren auch deutlich schneller. jedoch war beides nicht vorhanden, also wurde in 1mm Schritten ausgespindelt.

Zwischendurch immer wieder Kontrolle mit der Teleskoplehre. Mit diesem Messwerkzeug kann man seine Mikrometerschrauben recht kostengünstig um eine Innenmessfunktion erweitern. Leider ist der Umgang damit nicht immer ganz einfach – wie ich schmerzlich feststellen musste. Jetzt muss einer der Lagersitze erneut gefertigt werden. Immerhin habe ich jetzt Übung darin…

Besser wäre natürlich eine Dreipunktinnenmessschraube (Ein Wort?!), die Kosten in dieser Größenordnung aber selbst als Import immer noch 160 Euro aufwärts. Für 4 Passungen ist das zu viel.

Das Ergebnis ist ganz vernünftig geworden. Im inneren des Lagersitzes erkennt man den eingebrachten Distanzring, gegen welchen die beiden Lager gespannt werden. Auch die Oberflächen sind brauchbar geworden.

Jugendsünden..

Stück für Stück beseitigen wir auch die letzten „Jugendsünden“ an der Maschine. Im Bereich Elektronik haben diese meistens mit dem Wort „WAGOKLEMME“ zu tun, jene grau-orangen Helfer wenn es mal schnell und unbürokratisch gehen muss.

Das Anschlussfeld der Ventilinsel war so ein Fall. Jetzt ist alles korrekt im linken Portalbalken verkabelt und mit passenden Kabelverschraubungen versehen.e

Auch die Spannungsversorgung für Zusatzanwendungen (Z-Achse) wurde in ein Alugehäuse gepackt. Leider haben wir versäumt ein Foto davon zu machen.

Beim Anschlussfeld für die Sensorik haben wir den uralten Klemmblock mit Schraubanschluss gegen moderne Federzugklemmen getauscht. Diese haben einen deutlich geringeren Platzbedarf. Hier das Foto nach dem Ausbau… das Ergebnis wurde im Eifer des Gefechts noch nicht fotografiert.

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Digitalanzeige D80 Ditron Optic

Aus Preisgründen haben wir uns für ein chinesisches Fabrikat vom Hersteller Chengdu Ditron Optics & Electronics Equipment Ltd. entschieden. Die Digitalanzeige besitzt ein modernes Hochkantdesign sowie ein hochauflösendes LCD Display, was eine grafische Menüführung ermöglicht. Gerade für uns Gelegenheitszerspaner ist das deutlich komfortabler in der Bedienung.

Die Komponenten machen allesamt einen soliden Eindruck. Das Gehäuse der Anzeige ist aus Metall und die Tastatur fühlt sich wertig an.

Technische Daten

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Die Anzeige beherrscht die üblichen Funktionen wie Lochreihen, Lochkreise, Radien und besitzt einen eingebauten Taschenrechner

Bezugsquelle

In Europa werden die Ditron Produkte u.a. von folgenden Firmen importiert:

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Aktuell findet gerade ein Modellwechsel statt, weswegen die Digitalanzeige nochmal deutlich günstiger als Auslaufmodell beworben wird. Die neue Version besitzt deutlich weniger Hardwarebuttons und dafür einen Touchscreen… persönlich bin ich kein großer Fan davon. Kapazitative Touchscreens kommen bei öligen Fingern schnell an ihre Grenzen, optische Lösungen sind bei kleinen Schaltflächen zu ungenau und elektromechanische Varianten reagieren teils sehr träge.

Maßstäbe Ditron DC10

Für unsere Maschine benötigen wir dreierlei Größen, 320mm, 420mm und 520mm. Die Länge bezieht sich dabei immer auf den effektiv nutzbaren Verfahrweg und sollte immer etwas größer als der maximale Verfahrweg der Maschine sein.

Von außen machen die Maßstäbe einen guten Eindruck. Als Zubehör waren noch eine Abdeckhaube aus Aluminium sowie ein Satz Montagewinkel mit dabei.

Der wichtigste Lieferumfang neben den Maßstäben selbst ist jedoch das Messprotokoll, welches individuell für jeden Stab erstellt wird. Die Protokolle sind jedoch nicht sonderlich gut und wir werden um eine spätere Neuvermessung nicht herum kommen.

Technische Daten

Angaben nach Website des Herstellers.

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Scheinbar gibt es die Glasmaßstäbe in 3 verschiedenen Genauigkeitsklassen. Wir haben die Version in ±5μm (0,005mm) gewählt. Durch die nichtlineare Fehlerkompensation verbunden mit einer erneuten Vermessung und der eingebauten Messwertinterpolation sollte diese Lösung für uns ausreichend genau sein.

Signalgebung TTL vs. Sinus

Bei den Maßstäben gibt es grundsätzlich zwei Arten der Signalgebung. Das klassische TTL Signal (Rechtecksignal) sowie das Sinussignal. Letzteres wird von Herstellern wie Heidenhain eingesetzt und lässt sich sehr gut interpolieren um eine deutlich höhere Messgenauigkeit zu erreichen.

Leider sind solche Systeme auch um ein Vielfaches (!) teurer und für unsere Zwecke einfach nicht wirtschaftlich.

Anbau

Die Maßstäbe werden parallel zu den jeweiligen Maschinenachsen montiert. Da diese ziemlich empfindlich gegen mechanische Einflüsse sind muss dies sehr genau geschehen. Je nach Maschine ist der Anbau von Maßstäben dank vorbereiteten Montageflächen recht einfach. Sind diese nicht vorhanden müssen oftmals eigene  Vorrichtungen und Winkel speziell angefertigt werden.

X Achse

Auf unserer X Achse ist die Montageposition leider nicht besonders schmeichelhaft ausgefallen. Hier müssen wir auf jeden Fall mit einem Edelstahlblech arbeiten um einen ausreichenden Schutz gegen Späne und KSS zu erreichen.

Y Achse

Auf Y sieht die Montage erst einmal simpel aus. Nicht zu erkennen ist jedoch die in 2 Achsen verlaufende Formgebung des Maschinenkörpers – Was ästhetisch aussieht macht die Anfertigung eines Montageblocks für den Lesekopf zu einer kleinen Tortur.

Hilfreich waren hier unsere neuen Flachspanner.

Ein vorheriger Versuch mit dem hydraulischen Schraubstock war nicht so erfolgreich. Dumme Idee, hätte ich nicht so spannen dürfen…

Z Achse

Für Z nutzen wir die Position der manuellen Skala. Entgegen des Fotos haben wir uns jedoch entschieden den Maßstab zu drehen um ihn frei von Späne und KSS zu halten. Entsprechend kompliziert wird dann auch der Montageadapter für den Lesekopf. Näheres dazu in Kürze.

Digitalanzeige

Für die Digitalanzeige ist die Montage etwas einfacher. Hier haben wir die Wahl zwischen dem Stahlrahmen oder einer Anbringung an der Maschine selbst.

Umbau Hauptschalter

Der gebrauchte Schaltschrank hatte bereits einige Befehls- und Meldegeräte verbaut. Standardmäßig auch einen Hauptschalter in der Tür, welcher bei unserer Montagevariante nur schwer zu erreichen ist. Jetzt sitzt der Schalter vorne und ist gut erreichbar.

Antriebe Y

Hier hatten wir immer eine ziemlich große Abweichung zwischen den errechneten und effektiven Wegstrecken bei der Y Achse. Das ließ sich zwar in Mach3 softwareseitig korrigieren, führte jedoch auch zu einem unerklärlich hohen Backslash.

Jetzt kommen die Antriebsmodule nochmal zur Vermessung und Einstellung raus…

Kantentaster

Fabians Eigenbau-Kantentaster ist fertig und konnte zum ersten Mal an der Maschine getestet werden. Das Mach3 Plugin Probe-It! (Gibt’s hier) automatisiert den gesamten Antastzyklus und hat einen ganzen Sack voller Einstellungen, die wir erst Mal ausloten müssen.

Schalschrank #3

Auch der dritte Schaltschrank hat jetzt seinen finalen Platz am Rahmen gefunden. Für Wartungsarbeiten an der Verkabelung / unter der Maschine lässt sich der Schrank hinausschwenken.

Im Vergleich zur Messung über einen Microtaster kann die Spindel beim optischen Messen weiter auf voller Geschwindigkeit drehen.Damit lässt sich auch der Rundlauf eines Werkzeuges prüfen.

Nachteil ist die empfindlichkeit der Optik. Vor der Messung muss das Werkzeug sauber sein, weswegen ich noch eine Druckluftdüse zur Reinigung einplanen werde. Ansonsten verfälscht sich das Messergebnis durch eine Anhaftung.

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Laser Gabellichtschranke

Für unsere Zweck reicht eine Gabellichtschranke. Kommerzielle Systeme erreichen Genauigkeiten von 0,2µ (0,0002mm!), so genau arbeitet jedoch der Rest unserer Maschine nicht…

Als Sensor haben wir uns für eine Laser Gabellichtschranke entschieden. Der Laser ist im Vergleich zur deutlich günstigeren Infrarot Variante weniger anfällig gegen Störlicht (bis 10.000 Lux). In Sachen Präzision und Schaltgeschwindigkeit sind die beiden Optionen ähnlich.

• Wiederholgenauigkeit etwa 10µ
• 80mm Gabelweite
• Einstellbare Empfindlichkeit
• Schaltgeschwindigkeit 3.000 Hz

Regulär kosten solche Bauteile gerne mal 3-500 Euro. In der Bucht bieten diverse Industrieverwerter jedoch regelmäßig günstige Teile aus einem Rückbau an – für unter 100 Euro gab’s eine BGL 80A-003-S49 des Deutschen Herstellers Balluff.

Einbindung in Mach3

Ist genau wie bei einem mechanischem Taster. Zur Sicherheit ist die Lichtschranke als NC Kontakt ausgelegt – reißt das Kabel ab oder lockert sich der Stecker, stoppt die Maschine.

Unter Config > Ports & Pins wird „Probe Switch“ ausgewählt und der entsprechende Port eingestellt. Mit „Active Low“ ändert man das Verhalten des Schalters – bei einem NC Kontakt setzt man die Option auf inaktiv.

Im nächste Schritt muss noch ein maschinenspezifisches Macro für die Messroutine erstellt werden. Der Ablauf sieht dann (kurz) wie folgt aus:

• Anheben der Z Achse auf Maximum
• Verfahren an die Messposition
• Absenken von Z bis der Sensor positiv ist, dann stopp
• Anheben von Z bis der Sensor wieder negativ ist, dann stopp
• Langsames absenken von Z bis der Sensor positiv ist, dann stopp
• Anheben der Z Achse

Update 20.01.2015

Zur Montage des Sensors auf dem Maschinenbett gibt es mittlerweile einen ersten Entwurf.