Laserscanmikrometer

Kugelgewindespindeln stellen hierbei ein wesentliches Bindeglied dar, von dessen Genauigkeit die Qualität der Umsetzung von rotatorischer in translatorische Bewegung abhängt. Genau aus diesem Grunde werden immer stärkere Forderungen an die Qualitäten der einzusetzenden Kugelgewindespindeln gestellt. Diese hohen Qualitäten bzw. hohen Genauigkeiten der Kugelgewindespindeln werden nicht mehr allein nur durch moderne Fertigungstechniken und Fertigungsmaschinen gewährleistet.

Es besteht die Notwendigkeit, die gefertigten Qualitäten kontinuierlich zu prüfen, um sicher zu stellen, dass auch alle geforderten Parameter im Rahmen der genormten Spezifikation erreicht werden. Einige der wesentlichen Parameter sind die der geometrischen Merkmale der Kugelgewindespindeln.

Um diese gewissenhaft zu prüfen, bedarf es spezieller Präzisionsmesstechnik, die in der Lage ist, über den gesamten Bereich der Gewindespindeln die geometrischen Merkmale zu prüfen. Einer der Hersteller von Kugelgewinde- und Trapezgewindespindeln, Kammerer aus Triberg, setzt schon seit vielen Jahren auf das Konzept einer innovativen Fertigung gepaart mit moderner Messtechnik. So besitzt Kammerer schon seit vielen Jahren eine Messanlage, mit der man in der Lage ist, Kugelgewindespindeln bis zu einer Länge von 3500 mm und einem Durchmesser von 4 bis 120 mm in wesentlichen geometrischen Merkmalen zu messen. Obwohl das Maschinenbett mit seiner Führung trotz der vielen Jahre noch in einem sehr guten Zustand ist, wurde die eingesetzte Antriebstechnik und die verwendete Messtechnik bzw. Sensorik vom Zahn der Zeit überholt. Da Kammerer stets darauf bedacht ist, nicht nur ihre Fertigungstechnik auf dem neuesten Stand zu halten sondern auch die Messtechnik dem notwendigen Standard für innovativ gefertigte Kugelumlaufspindeln anzupassen, beauftragte sie microspace aus Chemnitz mit einer grundlegenden Erneuerung dieser Messanlage.

Konzeptionell wurde vereinbart, dass nur das intakte Maschinenbett der Messanlage noch Verwendung findet. Die gesamte Steuerungstechnik, Antriebstechnik als auch die Messtechnik sollten komplett erneuert werden. Darüber hinaus wurde festgelegt, dass die Maschine in der Weise aufgerüstet werden sollte, dass weitere Parameter, die mit der alten Maschine nicht gemessen werden konnten, in das messtechnische Angebot einbezogen werden sollten und damit auch vom Leistungsumfang der Messtechnik der Maschine ein wesentlicher Qualitätssprung erreicht wird.Die Schrittmotorantriebe wurden ersetzt durch wesentlich weichere und präzisere Servoantriebe, so dass auch in kleinen Bereichen Präzisionsscans der Kugelgewindespindeln durchgeführt werden können. Das betraf den Antrieb des Backenfutters für die Rotation der zu messenden Gewindespindeln als auch den Linearantrieb für den Messschlitten. Die Steuerung der Servomotoren erfolgt über ein gekoppeltes Absolutmesssystem, mit dem eine entsprechende Soll-Positionierung des Messschlittens erfolgen kann. Um eine entsprechende Präzision über die gesamte Länge von 3500 mm beim Scannen der Kugelgewindespindeln zu erreichen, wird die erreichte Ist-Position mittels eines laserinterferometrischen Wegmesssystems bestimmt. Somit ist gewährleistet, dass mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich über eine gesamte Verfahrstrecke von 3500 mm stets die korrekte Position des Messschlittens ermittelt werden kann. Das Herzstück der gesamten Messanlage stellen die zwei im Messschlitten integrierten Laserscanmikrometer dar, die die Oberflächengeometrie der zu messenden Gewindespindel abscannen. Beide Köpfe bestehen jeweils aus Sender und Empfänger und sind um jeweils 90 Grad versetzt angeordnet, so dass ein ungehindertes Durchlaufen der Messköpfe über die Auflagen der Gewindespindeln gewährleistet ist. Zudem besteht die Möglichkeit, diese Messköpfe entsprechend des Steigungswinkels der zu messenden Spindel rechts- bzw. linksgängig in Plus- oder Minusgraden gegeneinander zu neigen. Somit ist gewährleistet, dass die Oberflächen korrekt abgetastet werden und keine Verzerrungen der ensprechenden Geometrien erfolgen.

Des weiteren können die Messköpfe in einem bestimmten Bereich radial zur Spindel-achse verstellt werden, um die Anpassung an die verschiedenen Spindeldurchmesser zu realisieren. Die Zustellung der Messköpfe bzw. die Neigung der Messköpfe erfolgt über manuelle Bedienelemente am Messschlitten selbst. Die beiden Laserscanmikrometer besitzen eine Abtastrate von 1200 Scans pro Sekunde, so dass auch lange Spindeln in einer angemessenen Zeit berührungslos gemessen werden können.

Gesteuert wird das gesamte Messsystem über einen Mess- und Steuerrechner, der gleichzeitig die Auswertung der Messergebnisse übernimmt. Die Hardware befindet sich dabei in einem Steuerschrank gleich neben dem Terminal für den Bediener, der von dieser Stelle aus die Messanlage steuert und die Auswertung der Messergebnisse übernimmt.

Die Software für die Bedienung des Messsystems sowie für die Auswertung der umfangreichen Messdaten wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Kammerer unter Berücksichtigung der entsprechenden Normen entwickelt. Es entstand eine Bedien- und Auswertesoftware, die keine Wünsche mehr offen lässt.

Die Eingabe der zu prüfenden Spindelparameter wird datenbankmäßig durch eine ganze Reihe von Menüs unterstützt, u.a. die feste Vorgabe der standardisierten Kugeldurchmesser für die entsprechenden Kugelgewindespindeln. Aus den eingegebenen Standardvorgaben werden die notwendigen Steigungswinkel und Zustellmaße für den Messkopf berechnet und dem Bediener ausgegeben, so dass er die manuellen Einstellungen am Messkopf vornehmen kann.

Neben der Möglichkeit, eine Gewindespindel komplett abzuscannen, besteht die praktisch oft genutzte Variante des partiellen Abscannens in fest vorgegebenen Abständen.

Nach dem Scannen erhält man die Oberflächengeometrie der Gewindespindel, in die rechentechnisch eine idealgeometrische Kugel hineinsimuliert wird. Anhand der ermittelten Mittelpunktskoordinaten dieser idealgeometrischen Kugel können dann die Steigungsfehler, Wegschwankungen, Rollenmaße etc. ermittelt werden.

Durch Nutzung des drehbaren Backenfutters und des mehrmaligen Abscannens besteht darüber hinaus die Möglichkeit auch Taumelfehler zu ermitteln, die ebenfalls über eine simulierte idealgeometrische Kugel bestimmt werden.

Wie bereits am Anfang erwähnt, ist das System darüber hinaus qualifiziert worden, um auch feinere Scans an den Gewindespindeln durchzuführen. Diese haben zur Aufgabe, die Mikrogeometrie der Oberfläche in der Weise zu erfassen, dass die Flankengeometrien präzise ermittelt werden können. So können nicht nur die Berührungspunkte der idealgeometrischen Kugel an die Spindelflanken bestimmt werden sondern es wird außerdem der Schmiegungsfehler berechnet und graphisch dargestellt.

Alle Parameter, die innerhalb der Software zur Auswertung kommen, entsprechen der DIN 69051 bzw. weiterer Spezifikationen innerhalb des Hauses Kammerer.

Die ermittelten Werte werden sowohl graphisch dargestellt als auch zahlenmäßig ausgedruckt. Die Protokollierung erfolgt sowohl am Bildschirm als auch per Ausdruck am Farbdrucker.

Entsprechend der zu messenden Gewindespindeln als auch der definierten Aufgabenstellungen kann zwischen den einzelnen Messstrategien gewählt werden. So besteht darüber hinaus die Möglichkeit, neben den Kugelgewindespindeln auch Trapezgewindespindeln zu messen und diese entsprechend ihrer besonderen Spezifikation auszuwerten.

Wie das Beispiel zeigt, ist es möglich in einer Symbiose zwischen alter und neuer Technik kostenbewusst innovative Messsysteme zu realisieren, die den Anforderungen der Neuzeit in keinster Weise nachstehen. Die Kostenvorteile, die sich dadurch ergeben, werden letzten Endes auch dem Kunden zum Vorteil gereicht, der darüber hinaus auch noch eine höhere Sicherheit für die Qualität seiner zu erwerbenden Produkte erhält, da die Messsysteme trotz genutzter alter Komponenten den alten Messsystemen weit überlegen sind.

Durch die entsprechende Anpassung der Hardware und insbesondere der Software an die kundenspezifischen Anforderungen entsteht ein Messsystem, das in jeder Hinsicht der notwendigen Spezifikation entspricht. Aber auch für Kunden, die kein Altsystem besitzen oder dessen älteres System sich nicht lohnt weiter zu verwerten, besteht die Möglichkeit ein komplett neues System mit der entsprechenden Technologie und dem Know How aufzubauen.

Angefangen von der Erarbeitung einer gemeinsamen Konzeption über die Entwicklung des Systems bis hin zu einem umfangreichen After-Sales-Service erhält der Hersteller von Gewindespindeln ein Messsystem, das von Anfang bis Ende genau seiner Spezifikation entspricht.

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