CNC Präzisionsbearbeitung: Wie wird die Genauigkeit geprüft und kontrolliert?

Der Einsatz von Messtastern für Echtzeit-Messungen während des Bearbeitungsprozesses hat sich zu einem wichtigen Ansatz bei der Genauigkeitsprüfung von CNC-Werkzeugmaschinen entwickelt. Während der Einrichtung der CNC kann ein Messtaster das Werkstückkoordinatensystem schnell einrichten, wodurch manuelle Arbeit reduziert und bedienerbedingte Abweichungen vermieden werden, sodass die Genauigkeit des Koordinatensystems konstant bleibt. Während der Bearbeitung kann die CNC automatisch die geometrische Genauigkeit der fertiggestellten Merkmale prüfen, das Koordinatensystem oder den Werkzeugversatz korrigieren und durch Kompensation während des Bearbeitungsprozesses die Abnahmequote der fertigen Teile verbessern.

So funktioniert die Messung mit schaltendem Taster

Taster zur Überprüfung der Werkstückgenauigkeit lassen sich nach ihrem Messverfahren klassifizieren, darunter berührende Taster und Scanning-Taster. Berührende Taster sind der auf Werkzeugmaschinen am häufigsten verwendete Typ. Bei einem typischen berührungsauslösenden Messtaster bewirkt der Kontakt zwischen der Tastspitze und der zu messenden Oberfläche, dass sich die Tastspitze auslenkt und um einen internen Drehpunkt dreht. Dadurch ändert sich der elektrische Widerstand an den Kontaktpunkten zwischen der Tastspitze und ihrer Halterung. Sobald die Widerstandsänderung einen definierten Schwellenwert erreicht, erzeugt der Messtaster ein Auslösesignal.

Als Trigger dient in der Regel ein elektrisches Rechtecksignal mit einer sehr steilen Anstiegsflanke, deren Dauer typischerweise im Mikrosekundenbereich liegt. Die Verwendung dieser Flanke als Verriegelungssignal trägt dazu bei, dass die erfassten Maschinenkoordinaten die Kontaktposition genau wiedergeben. Hochpräzise Messtaster können eine Messgenauigkeit von 1 μm erreichen.

Bei der Messung an der Maschine besteht das Messsystem in der Regel aus einem Messtaster und einem Empfänger. Der Messtaster wird üblicherweise in einem zur Maschinenspindel passenden Werkzeughalter montiert, während der Empfänger an einer festen Stelle an der Maschine installiert ist. Vor dem Einsatz müssen der Tasterradius, die Gesamtlänge und andere relevante Parameter kalibriert werden. Wenn der Taststift das Werkstück berührt, wird das Auslösesignal per Kabel, Infrarot oder Funk an den CNC übertragen. Der CNC verarbeitet das Signal anschließend entsprechend der Prüf- oder Kompensationsroutine.

Prüfung mittels Bildverarbeitung

Ein Bildverarbeitungssystem nutzt einen CCD-Sensor (Charge-Coupled Device), ein Objektiv und eine Lichtquelle, um Bilder von Merkmalen auf einem bearbeiteten Werkstück aufzunehmen. Ein Bildprozessor, beispielsweise ein PC oder das CNC selbst, verarbeitet die erfassten Daten. Softwarealgorithmen extrahieren Bildmerkmale und kombinieren diese mit Kamerakalibrierungsparametern, um physikalische Positionen und Abmessungen für die Werkstücklokalisierung und -messung zu berechnen.

Zur Haupt-Hardware gehören eine Industriekamera, ein Objektiv, eine Lichtquelle, ein Schutzgehäuse, Zusatzhalterungen und Kabel. Die Lichtquelle sorgt für eine gleichmäßige Ausleuchtung, das Objektiv fokussiert das Bild und die Kamera nimmt es auf.

Im Gegensatz zu einem Tastsystem arbeitet die Bildverarbeitung berührungslos und kann komplexere Geometrien, darunter Bögen und Kurven, in einer einzigen Aufnahme prüfen. Dadurch lässt sich die Prüfeffizienz steigern. Die Bildverarbeitung bietet zudem klare Vorteile bei zweidimensionalen Merkmalen, die mit einem Taster nicht zuverlässig erfasst werden können, wie beispielsweise Bohrungen mit sehr kleinem Durchmesser.

Mit der Weiterentwicklung intelligenter CNC-Systeme wird die Bildverarbeitung immer enger in die Maschinensteuerung integriert. In neueren intelligenten Steuerungen wie dem i5 ist die Bildverarbeitungssoftware vollständig in das CNC-System integriert, was die Synchronisation und Flexibilität zwischen dem Prüfsystem und der CNC-Steuerung verbessert.

Schutz der Vision-Hardware an der Maschine

Um brauchbare Ansichten des Werkstücks zu erhalten, wird die Bildverarbeitungshardware an einer CNC-Maschine normalerweise in der Nähe der Spindel oder des Werkzeugrevolvers installiert. Späne, Schneidflüssigkeit und in der Luft schwebender Nebel können die Kamera und das Objektiv verschmutzen oder beschädigen. Ein wirksamer Schutz der Kamera, des Objektivs und der zugehörigen Komponenten ist daher unerlässlich, um zu verhindern, dass Wasser, Nebel und Späne die Messgenauigkeit beeinträchtigen oder die Lebensdauer der Kamera verkürzen.