Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme: Messtechnische Untersuchung und Beurteilung

527 Pages·2001·20.584 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Manfred Weck (auth.)

Manfred Weck
Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 5
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Manfred Weck
Werkzeugmaschinen
Fertigungssysteme 5
Messtechnische Untersuchung
und Beurteilung
6., neu bearbeitete Auflage
Mit 341 Abbildungen
Springer
Prof. Dr.-Ing. DrAng. E. h. Manfred Weck
RWTHAachen
WZL Laboratorium fur Werkzeugmaschinen
und Betriebslehre
Steinbachstraße 53
52074 Aachen
ISBN 978-3-662-10927-4
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Weck, Manfred: Werkzeugmaschinen, Fertigungssysteme 1 Manfred Weck.
Bis 3. Aufl. u. d. T.: Weck, Manfred: Werkzeugmaschinen. Bd. 5. Messtechnische Untersuchung
und Beurteilung 1 Bearb von Klein. -6. neu bearb. Aufl. -200 I
(VDl-Buch)
ISBN 978-3-662-10927-4 ISBN 978-3-662-10926-7 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-10926-7
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2001
Softcover reprint of the hardcover 6th edition 2001
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Satz: Satzerstellung durch den Autor
Einband: Struve & Partner, Heidelberg
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10747353 68/3020 hu -5 4 3 2 1 0 -
Vorwort
zum Kompendium "Werkzeugmaschinen
Fertigungssysteme"
Werkzeugmaschinen zählen zu den bedeutendsten Produktionsmitteln der
metallverarbeitenden Industrie. Ohne die Entwicklung dieser Maschinen
gattung wäre der heutige hohe Lebensstandard der Industrienationen nicht
denkbar. Die Bundesrepublik Deutschland nimmt bei der Werkzeugma
schinenproduktion eine führende Stellung in der Welt ein. Innerhalb der
Bundesrepublik Deutschland entfallen auf den Werkzeugmaschinenbau
etwa 6,8% des Umsatzes des gesamten Maschinenbaus; 7,1% der Be
schäftigten des Maschinenbaus sind im Werkzeugmaschinenbau tätig.
So vielfältig wie das Einsatzgebiet der Werkzeugmaschinen ist auch
ihre konstruktive Gestalt und ihr Automatisierungsgrad. Entsprechend
den technologischen Verfahren reicht das weitgespannte Feld von den
urformenden und umformenden über die trennenden Werkzeugmaschinen
(wie spanende und abtragende Werkzeugmaschinen) bis hin zu den Fü
gemaschinen. In Abhängigkeit von den zu bearbeitenden Werkstücken
und Losgrößen haben diese Maschinen einen unterschiedlichen Automati
sierungsgrad mit einer mehr oder weniger großen Flexibilität. So werden
Einzweck- und Sonderwerkzeugmaschinen ebenso wie Universalmaschi
nen mit umfangreichen Einsatzmöglichkeiten auf dem Markt angeboten.
Aufgrund der gestiegenen Leistungs- und Genauigkeitsanforderungen
hat der Konstrukteur dieser Maschinen eine optimale Auslegung der ein
zelnen Maschinenkomponenten sicherzustellen. Hierzu benötigt er um
fassende Kenntnisse über die Zusammenhänge der physikalischen Eigen
schaften der Bauteile und der Maschinenelemente. Eine umfangreiche
Programmbibliothek versetzt den Konstrukteur heute in die Lage, die
Auslegungen rechnerunterstützt vorzunehmen. Messtechnische Analysen
und objektive Beurteilungsverfahren eröffnen die Möglichkeit, die
leistungs- und genauigkeitsbestimmenden Kriterien, wie die geometri
schen, kinematischen, statischen, dynamischen, thermischen und akus
tischen Eigenschaften der Maschine, zu erfassen und nötige Verbesse
rungen gezielt einzuleiten.
VI Vorwort zum Kompendium "Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme"
Die stetige Tendenz zur Automatisierung der Werkzeugmaschinen hat
zu einem breiten Fächer von Steuerungsaltemativen geführt. Nachdem
durch die Entwicklungen der Elektrotechnik/Elektronik und auf dem Ge
biet der Softwaretechnologie neue steuerungstechnische Lösungen er
möglicht worden sind, werden neue Trends durch die zunehmende Ver
netzung der Rechner gesetzt. Dabei werden in Mechanisierungs- und
Automatisierungsbestrebungen auch der Materialtransport und die Ma
schinenbeschickung mit einbezogen. Die Überlegungen auf diesem Ge
biet führten in der Massenproduktion zu Transferstraßen und in der
Klein- und Mittelserienfertigung zu flexiblen Fertigungszellen und -sys
temen.
Die in dieser Buchreihe erschienen fünf Bände zum Thema "Werk
zeugmaschinen Fertigungssysteme" wenden sich sowohl an die Studie
renden der Fachrichtung "Fertigungstechnik" als auch an alle Fachleute
aus der Praxis, die sich in die immer komplexer werdende Materie dieses
Maschinenbauzweiges einarbeiten müssen. Außerdem verfolgen diese
Bände das Ziel, dem Anwender bei der Auswahl der geeigneten Maschi
nen einschließlich der Steuerungen zu helfen. Dem Maschinenhersteller
werden Wege für eine optimale Auslegung der Maschinenbauteile, der
Antriebe und der Steuerungen sowie Möglichkeiten zur gezielten Verbes
serung aufg rund messtechnischer Analysen und objektiver Beurteilungs
verfahren aufgezeigt.
Der Inhalt des Gesamtwerkes lehnt sich eng an die Vorlesung "Werk
zeugmaschinen" an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hoch
schule Aachen an und ist wie folgt gegliedert:
Band 1: Maschinenarten, Bauformen und Anwendungsbereiche,
Band 2: Konstruktion und Berechnung,
Band 3: Mechatronische Antriebe und Prozessdiagnose,
Band 4: Steuerungstechnik von Maschinen und Anlagen,
Band 5: Messtechnische Untersuchung und Beurteilung.
Aachen, im Frühjahr 2001 Manfred Weck
Vorwort zum Band 5
Für die Qualitätskontrolle von Werkzeugmaschinen und für die Abnahme
von Maschinen bei der Übernahme durch den Maschinenanwender ist
man bestrebt, alle wichtigen Eigenschaften von Werkzeugmaschinen zu
beschreiben und zu bewerten. Dazu sind objektive Verfahren zur Erfas
sung und Darstellung entsprechender Messwerte erforderlich.
Die Problematik liegt darin, dass praktisch alle Maschineneigenschaf
ten von einer Vielzahl systematischer und zufälliger Größen beeinflusst
werden. Um zu einer gerechten Maschinenbeurteilung zu kommen, muss
man deshalb die Einzeleinflüsse erkennen und für die vergleichende Ma
schinenbeurteilung konstant halten.
Ausgehend von der Definition der Eigenschaften, die die Arbeitsge
nauigkeit, die Leistungsfähigkeit, das Umweltverhalten und die Zuverläs
sigkeit der Maschinen bestimmen, werden in diesem Band die grundle
genden Zusammenhänge dargestellt, die wesentlichen Einflussparameter
diskutiert und der heutige Stand der Messtechnik aufgezeigt.
Dabei wird jeweils darauf eingegangen, inwieweit die Prüfung der ent
sprechenden Eigenschaften in Richtlinien oder Normen festgelegt ist.
Darüber hinaus werden in Verbindung mit der zur Erfassung der Maschi
neneigenschaften benutzten Messtechnik Vorgehensweisen beschrieben,
die es erlauben, die Schwachstellen der Maschinen hinsichtlich der ein
zelnen Eigenschaften zu erkennen, um zielsicher Verbesserungsmaßnah
men ergreifen zu können.
Der Inhalt des vorliegenden Bandes gliedert sich wie folgt:
Nach einer kurzen Einleitung (Kapitell), die allgemein die Ziele und
Methoden zur Erfassung von Maschinenkenngrößen umreißt, wird in
Kapitel 2 ein Überblick über die zur Beurteilung von Werkzeugmaschi
nen erforderlichen Messgeräte gegeben. Die in den nachfolgenden Kapi
teln beschriebenen Vorgehensweisen bei der Durchführung der Messun
gen greifen auf diese Darstellung zurück.
Einen bedeutenden Einfluss auf die Maßhaltigkeit der auf Werkzeug
maschinen hergestellten Werkstücke haben die Abweichungen der Ist
Relativbewegung (bzw. der Ist-Position) zwischen Werkzeug und Werk-
VIII Vorwort zum Band 5
stück von der vorgegebenen Soll-Relativbewegung (bzw. Soll-Position).
Die Vorgehensweise zur messtechnischen Erfassung dieser geometri
schen und kinematischen Abweichungen wird in Kapitel 3 behandelt.
In Kapitel 4 wird auf die Messtechniken und Auswertemethoden zur
Untersuchung der Maschinenverformungen unter statischen Belastungen
(Werkstückgewichtskräfte und Prozesskräfte ) eingegangen.
Kapitel 5 beschäftigt sich mit der Messung der geometrischen und ki
nematischen Maschinenabweichungen auf Grund thermischer Verfor
mungseinflüsse. Das thermische Verhalten ist, insbesondere vor dem
Hintergrund ständig steigender Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten
und Achsbeschleunigungen und der damit verbundenen Wärmeein
bringung in die Maschinenstruktur, ein zunehmend wichtiger Faktor für
die erzielbaren Genauigkeiten von Werkzeugmaschinen. Dieser Ent
wicklung wird durch Einführung neuer Messverfahren zur einfachen Er
fassung thermoelastischer Strukturverformungen an modemen Werk
zeugmaschinen Rechnung getragen.
Schwingungserscheinungen an Werkzeugmaschinen hängen meist mit
dem dynamischen Nachgiebigkeitsverhalten der Maschinenstruktur zu
sammen. Kapitel 6 behandelt diese Thematik. Es wurde in wesentlichen
Punkten aktualisiert bzw. erweitert. Im Einzelnen wird auf die Untersu
chung des dynamischen Verhaltens, die theoretischen Grundlagen bei der
Messung, die Zusammenhänge bei der Entstehung von Ratterschwingun
gen und die Möglichkeiten zur Verbesserung des dynamischen Maschi
nenverhaltens durch geeignete Wahl der Prozessparameter eingegangen.
Die messtechnische Erfassung und Beurteilung des kinematischen und
dynamischen Verhaltens von Vorschubantrieben ist Gegenstand des Ka
pitels 7. Dieses Kapitel wurde hinsichtlich der Beurteilung moderner
Vorschubsysteme und insbesondere bezüglich des Verhaltens linearer
Direktantriebe ergänzt. Gegenüber der vorhergehenden Auflage werden
hier auch neue Möglichkeiten beleuchtet, die sich durch Verwendung
moderner Steuerungen ergeben.
Das Geräuschverhalten von Werkzeugmaschinen (Kapitel 8) stellt ein
sehr wichtiges Abnahmekriterium dar. Nach der Einführung in die
Grundbegriffe der Akustik werden Möglichkeiten zur Geräuschmessung,
-beurteilung und -analyse aufgezeigt und die aktuellen Messrichtlinien
dargestellt. In der vorliegenden Auflage wurde dieses Kapitel bezüglich
der Messverfahren aktualisiert und um das Thema "Gehörgerechte Ge
räuschbeurteilung" ergänzt.
Das Kapitel 9 zeigt indirekte Wege zur Erfassung der geometrischen
und kinematischen Maschinenmerkmale an Hand von Bearbeitungstests
auf. Hier wird die Güte der Maschine durch die maßliche Bewertung von
Werkstücken bestimmt. Es werden die Vorgehensweise bei und die Be-
Vorwort zum Band 5 IX
deutung von Fähigkeitsuntersuchungen zur Abnahme von Sondermaschi
nen erläutert sowie eine hierzu erarbeitete Richtlinie vorgestellt.
Kapitel 10 beschäftigt sich mit der indirekten Beurteilung des dynami
schen Maschinenverhaltens durch Rattertests für vorgegebene Bearbei
tungsaufgaben.
Die neu überarbeitete Ausführung dieses Buches wurde im Zuge der
teilweisen Neustrukturierung des Kompendiums Werkzeugmaschinen
Fertigungssysteme als neuer Band 5 (ehemals Band 4) in die Buchreihe
eingegliedert. Die nunmehr sechste Auflage entstand unter Mitwirkung
meiner Mitarbeiter, der Herren Dipl.-Ing. Markus Day, Dipl.-Ing. Uwe
Herbst, Dipl.-Ing. Reimund Keiser, Dipl.-Ing. Markus Krell, Dipl.-Ing.
Peter Krüger, Dipl.-Ing. Alexander Landvogt, Dipl.-Ing. Dietmar Mandt,
Dipl.-Ing. Marcus Queins, Dipl.-Ing. Andreas Schulz und Dipl.-Ing. Dirk
Staimer. Allen Beteiligten möchte ich für ihre große Einsatzbereitschaft
sehr herzlich danken. Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Ing. Helge
Klein, der für die Koordination und Organisation sowie für die EDV
technische Erfassung der Texte und Bilder bei der Erstellung dieses Bu
ches verantwortlich war, sowie Herrn Darko Pavic und insbesondere Frau
Andrea von Grabczewski für ihre wertvolle Unterstützung bei dieser Auf
gabe.
Den Firmen, die die bildlichen Darstellungen autbereitet und für diesen
Band zur Verfügung gestellt haben, möchte ich ebenso herzlich danken.
Aachen, im Frühjahr 2001 Manfred Weck
Inhaltsverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen ............................................ XVIII
1 Ziele und Methoden zur Erfassung
der Maschineneigenschaften ..................................................... 1
1.1 Bedeutung der Maschinenbeurteilung und -abnahme ........................ 1
1.2 Anforderungen an die Messverfahren und Vorgehensweise bei
der Durchführung ............................................................................... 2
1.3 Direkte Erfassung der Maschineneigenschaften ................................ 7
1.4 Indirekte Erfassung der Maschineneigenschaften ............................. 8
1.5 Normen, Normungsgremien .............................................................. 9
2 Messgeräte zur Erfassung
von Maschineneigenschaften .................................................. 12
2.1 Geräte zur Messung von Wegen ...................................................... 12
2.1.1 Mechanische Wegmessgeräte ............................................... 13
2.1.2 Potentiometer-Weggeber ...................................................... 15
2.1.3 Kapazitive Weggeber.. .......................................................... 17
2.1.4 Wirbelstrom-Weggeber.. ....................................................... 18
2.1.5 Induktive Weggeber. ............................................................. 19
2.1.6 Optische Wegmessgeräte ...................................................... 24
2.1.6.1 Laser-Interferometer.. ......................................................... 24
2.1.6.2 Positionsempfindliche Photodiode ..................................... 32
2.1.6.3 Laser-Distanz-Sensor ......................................................... 34
2.1.6.4 Inkrementaler Linearmaßstab ............................................. 35
2.2 Geräte zur Messung von Winkeln ................................................... 37
2.2.1 Seismischer Drehschwingungsaufnehmer ............................ 37
2.2.2 Elektronische Neigungswaage .............................................. 39
2.2.3 Optische Winkelgeber. .......................................................... 40