Selbstkalibrierung von 5-Achs-Bearbeitungszentren mit Dreh-/Schwenktisch

Die numerische Kompensation von Werkzeugmaschinen ist heute ein etabliertes Mittel zur Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit. Zu diesem Zweck werden die geometrischen Abweichungen der Maschine messtechnisch erfasst (kalibriert) und in der Maschinensteuerung hinterlegt. Bei vielen Werkzeugmaschinen werden die Potentiale der numerischen Kompensation jedoch nicht voll ausgenutzt. Die Gründe hierfür sind vor allem wirtschaftlicher Natur: Der messtechnische Aufwand und damit die Kosten für die Kalibrierung sind schlichtweg zu hoch.
Ursache hierfür ist vor allem, dass die geometrischen Maschinenabweichungen (Geradheit, Rechtwinkligkeit etc.) üblicherweise sequentiell gegen kalibrierte Messnormale (z.B. Lineale und rechte Winkel) geprüft werden. Die Grundidee der Selbstkalibrierung ist dagegen, ein einfaches, unkalibriertes Artefakt in mehreren Positionen im Arbeitsraum durch die Maschine vermessen zu lassen und von den wiederholten Messungen auf die geometrischen Abweichungen der Maschine zu schließen.
Die Methode der Selbstkalibrierung bietet sich für Fünf-Achs-Bearbeitungszentren mit Dreh-/Schwenktisch besonders an, da die Rotationsachsen der Maschine dazu genutzt werden können, ein auf dem Tisch befestigte Artefakt in verschiedene Positionen, bzw. Orientierungen zu bringen. Mit Hilfe eines oft bereits integrierten Bauteil-Messtasters kann die Maschine so in die Lage versetzt werden, sich mehr oder weniger vollautomatisiert selbst zu vermessen. Die Kosten einer Kalibrierung können somit auf einen Bruchteil des heute üblichen Betrages gesenkt werden.
Das denkbar einfachste Artefakt für eine Selbstkalibrierung besteht in einer einzelnen, auf dem Maschinentisch befestigten Kugel. Es existieren bereits mehrere technische Lösungen, die auf diesem Grundprinzip aufbauen. Sie lassen sich hinsichtlich Messmittel, Messstrategie und Fehlermodell unterscheiden. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, einerseits die vorliegenden Verfahren zur Selbstkalibrierung von Fünf-Achs-Werkzeugmaschinen mit einfachen Kugelartefakten zu vergleichen sowie anderseits die Einsatzgrenzen dieser Verfahrensklasse mittels verschiedener Analysen und Experimente zu schärfen. Zu diesem Zweck erfolgt die Implementierung eigener Lösungen, mit deren Hilfe verschiedene theoretische und praktische Fragestellungen untersucht werden können.

In many machine tools, the potential of numerical compensation is not fully exploited. The reasons for this are primarily economic: The metrological effort and thus the costs for calibration are simply too high. The approach of self-calibration offers enormous potential for cost reductions, especially for five-axis machining centers with rotary/swivel tables. In this work, various approaches to this are investigated and evaluated.