Mechanik – Stabilität und Genauigkeit meiner High-Z S-400T

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CNC Step - Stabilität und GenauigkeitIn diesem Artikel versuche ich Licht ins Dunkel zur Stabilität und Genauigkeit der High-Z S-400T zu bringen. In diversen Diskussionportalen im Internet gibt es ja immer viele angeregte Diskussionen, bei denen bestimmt viel Wahres aber auch genauso viel Halbwissen verbreitet wird. Also was kann man jetzt zur Genauigkeit der Maschine sagen?

Positioniergenauigkeit der CNC Achsen

Ich habe mir lange überlegt, wie sich die Genauigkeit einer CNC Maschine darstellen lässt. Richtige Profis verwenden für die Messung der Maschinengenauigkeit z.B. den so genannten „Kreisformtest„. Hierfür benötigt man aber teures Equipment, das ich nicht habe.

Also habe ich mir überlegt, mit Hilfe eines vereinfachten Messaufbaus die Positioniergenauigkeit und das Umkehrspiel zu ermitteln. Mein Hilfsmittel ist dabei eine einfache Messuhr mit 0,01 mm Teilung. Selbstverständlich ist klar, dass auch meine Messung mit Fehlern behaftet sein wird. Für den interessierten Leser sollte das schon mal ein erstes Indiz geben von welchen Größenordnungen wir in der Genauigkeit in etwa sprechen.

Positioniergenauigkeit ohne Umkehrspiel

Der Messablauf zur Bestimmung der Positioniergenauigkeit ist dabei wie folgt:

  1. Anfahren einer Position mit der Maschine
  2. Messuhr mit Spitze an Bearbeitungswerkzeug setzen
  3. Maschinenposition in 0,1 mm Schritten verfahren
  4. Tatsächlich gefahrene Position an der Messuhr ablesen
  5. Die Positioniergenauigkeit der Maschine ist sehr hoch. Innerhalb des Verfahrbereichs von 2,0 mm weicht das Istmaß vielleicht ca. um 0,005 mm vom Sollmaß ab. Wirklich genau kann ich das leider mit meiner Messuhr nicht bestimmen da ist die Genauigkeit der Uhr einfach zu gering. Aber es ist ja mal ein Anhaltspunkt.

Schau dir einfach folgendes Video an, in diesem siehst du die Messuhr während ich die Maschine in 0,10 mm Schritten verfahre.

Bitte berücksichtige, wenn du die Genauigkeit deiner eigenen Maschine ermitteln möchtest, noch Folgendes:

Die Genauigkeit deiner physisch real angefahrenen Position hängt wesentlich vom Zusammenspiel aus Schrittmotoren, Schrittmotorsteuerung und verwendeter Spindel ab.

Berechnung Positioniergenauigkeit der CNC Step Maschine

Die Auflösung von Standard Schrittmotoren beträgt 200 Schritte pro Umdrehung. Die Zero 3 Steuerung hat eine Auflösung von 1/10 Schritten (Zehntelschritt). Damit lassen sich 2000 Schritte pro Spindelumdrehung realisieren. Wenn du jetzt eine Spindelsteigung von 10 mm hast, so kannst du eine theoretische Positioniergenauigkeit von 10 mm / 2000 = 0,005 mm erreichen (Berechnung ohne Umkehrspiel).

Berechnung Positioniergenauigkeit einer nachlässig ausgelegten DIY Maschine

Hast du jetzt eine Steuerung die z.B. nur 1/2 Schritt zulässt und verwendest du eine Spindel mit Steigung von 6 mm, so liegt deine theoretische Positioniergenauigkeit nur bei 6 mm / 400 = 0,015 mm.Wenn du jetzt Positionen mit 0,010 mm genau anfahren, wirst bekommst du Probleme mit deiner Positioniergenauigkeit, weil deine gewollte Positionierung eben kleiner als die kleinst mögliche Auflösung deiner Maschine ist.

In deiner Steuerungssoftware wird dir vielleicht eine Positioniergenauigkeit von 0,010 mm vorgegaukelt, aber eine solche Maschine kann rein physikalisch eine Auflösung von 0,010 mm nicht darstellen!

Umkehrspiel der Achsen

Der Messablauf zur Bestimmung des Umkehrspiels ist dabei wie folgt:

  1. Anfahren einer Position mit der Maschine
  2. Messuhr mit Spitze an Bearbeitungswerkzeug setzen
  3. Maschinenposition um 0,1 mm in eine Richtung verfahren
  4. Die Maschine um 0,1 mm zurückfahren
  5. Das Umkehrspiel kann jetzt an der Messuhr abgelesen werden. Bei mir war das Umkehrspiel genau im Bereich der von CNC Step angegeben Toleranz (+/- 0,15 µm)

Rundlauffehler der Bearbeitungsspindel

Damit die Konturen eines gefrästen Objekts auch wirklich gut werden, benötigt man nicht nur eine Maschine mit einer hohen Steifigkeit und einer guten Positioniergenauigkeit, sondern auch eine Bearbeitungsspindel mit einem geringen Rundlauffehler.

Jeder Rundlauffehler der Spindel führt am Ende zu einer etwas breiteren Fräsbahn (–> schlechtere Maßhaltigkeit) und im Extremfall zu ungleichmäßigen Oberflächen.

Für die Messung des Spindellrundlaufs habe ich einen Fräser in die Spindel möglichst gut eingespannt und die Spindel mit der Hand gedreht. Gleichzeit wird am Fräserschaft mit der Uhr der Rundlauffehler gemessen. Dabei habe ich bei mir einen Rundlauffehler der Spindel von etwa 0,01 mm festgestellt. Nun ja, das Preis-/Leistungsverhältnis der Kress Spindel finde ich damit schon recht gut.

Rundlauffehler Spindel

Messen des Rundlauffehlers

 

Stabilität der Führungen

Gegenüber freitragenden Rundführungen bei Werkzeugmaschinen bin ich eigentlich eher skeptisch eingestellt. Die Premium Variante bei Führungen sind sicherlich spielfrei vorgespannte Schwalbenschwanzführungen oder ähnlich stabile Führungen.

Im günstigeren Preissegment, wo sich sicherlich die CNC Step Maschine befindet, werden aber nun mal die freitragenden Rundführungen verwendet.

Das mit der Stabilität hat mich etwas beschäftigt. Also habe ich mir kurz mal die Mühe gemacht, die Wellendurchbiegung einer freitragenden Führungswelle nachzurechnen.

Randbedingungen meiner Rechnung:

  • Wellenlänge 400 mm
  • Wellendurchmesser 22 mm
  • Wellenmaterial: Stahl
  • Welle an beiden Enden fest eingespannt
  • Belastung in Wellenmitte (z-Richtung) mit 50 N.

 

fem-simulation-wellendurchbiegung

FEM Simulation freitragende Welle 22 mm (fest eingespannt and beiden Enden)

Das Ergebnis hat mich selber etwas überrascht, die Durchbiegung der freitragenden Welle bei einer Fräskraft von 50 N beträgt lediglich 0,003 mm (3,4 µm). Wenn du mal deine Schnittkräfte (abhängig von verwendetem Fräser, Vorschubgeschwindigkeit und Drehzahl) nachrenest wirst du feststellen, dass deine Fräskräfte in der Regel sogar darunter liegen. Somit lässt sich prinzipiell mit einer freitragenden Rundführung schon mal was anfangen.

Soviel zur Theorie. Lies gleich weiter und sieh dir meine Ergebnisse zur Stabilität und Genauigkeit aus der Praxis an!

Bohrungen Fräsen – Genauigkeit

Um schlussendlich die Maßhaltigkeit von Bauteilen zu ermitteln habe ich diverse Testbauteile angefertigt. Hier siehst du zum Beispiel eine Bohrung mit Durchmesser 10, die ich mit einem 3 mm Schaftfräser durch spiralförmiges Gegenlauffräsen in Aluminium erzeugt habe.

Der mit meiner Schieblehre gemessene Ist-Durchmesser ist gerade mal ca. 0,01 mm größer als der Solldurchmesser. Das finde ich schon sehr gut, da kann man durchaus die eine oder andere Passung fräsen. Der Versuch zeigt eben auch, dass die Stabilität der Maschine ausreicht um mit guter Genauigkeit in Aluminium zu fräsen.

 

Messen der Bohrung mit der Schieblehre

Bohrungsdurchmesser gemessen

 

gefräste Bohrung D10

Bohrung gefräst

Jetzt bist du dran! Welche Erfahrungen hast du mit der Genauigkeit von deiner CNC Fräsmaschine gemacht? Welche Methoden zur Messung der Genauigkeit empfiehlst du? Hinterlass‘ einfach einen kurzen Kommentar unten und sag mir deine Meinung!

Die Artikelreihe zur CNC Step High-Z S-400T

1. Die Artikelübersicht – Auswahlkriterien und Technische Daten der High-Z S-400T

2. Die Palette ist da! Die Anlieferung der CNC Fräse und der Inhalt meines Pakets.

3. Die Inbetriebnahme – So klappt der Aufbau und das Anschließen der S-400T!

4. Die Software – Was ist dabei und wie funktioniert’s?

5. Die Software – Teil 2: Schriftzug Fräsen mit ConstruCAM 3D

6. Der Usability Test – So funktioniert die Bedienung der Maschine.

7. Hilfreiche Tools – Mit diesem Zubehör machst du dir das Leben leichter!

8. Die Mechanik – Stabilität und Genauigkeit der High-Z S-400T unter die Lupe genommen.

9. Die Fräsleistung – Das leistet die Maschine im Betrieb.

10. Die ersten Fräsergebnisse – Fräsen verschiedener Materialien und Geometrien.

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