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Folie 1

Abnahme von Werkzeugmaschinen

SS 2012 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II - VL 10

10. Vorlesung


Folie 2



• Einleitung

• Grundlagen der Maschinenbeurteilung

• Verfahren zur Maschinenbeurteilung

• Durchführung von Abnahmeuntersuchungen

• Auswertung von Abnahmemessungen

• Trends

Gliederung

Einleitung Grundlagen Verfahren Durchführung Auswertung Trends

Folie 3



Entwicklung der Maschinengenauigkeiten

Quelle: Weck, M.: Werkzeugmaschinen – Fertigungssysteme Bd. 1


Folie 4



Zu beurteilende Eigenschaften von Werkzeugmaschinen



Folie 5



Methoden und Ziele der Maschinenabnahme

Meth

od

en

Direkte messtechnische Erfassung der Maschineneinzeleigenschaften,

bzw. von summarisch zu erfassenden

Eigenschaften mehrerer Maschinenbauteile.

Indirekte messtechnische Erfassung von meist mehreren Einzeleigenschaften über die

Vermessung und Auswertung von mehreren auf der zu

prüfenden Maschine gefertigten Werkstücken

(Bearbeitungstest).

messtechnische Erfassung der

Maschinenkenngrößen hinsichtlich einzelner

Kriterien wie Rundlauf-, Winkligkeits-,

Positionierabweichung u.a.

Bewertung der Maschineneinzeleigenschaften

im Hinblick auf fertigungsbezogene und

lastbedingte Abweichungen vom idealen,

fehlerfreien Verhalten der Maschine.

Abnahmekriterien: Feststellung, ob die

gemessenen Abweichungen in erlaubten

vorgegebenen Toleranzbändern liegen, bzw.

die Grenzwerte überschritten werden.

Nachbesserung der Maschine bzw.

konstruktive Verbesserungsmaßnahmen, wenn

Abnahmekriterien nicht erfüllt sind.

Zie

le

Anschaulicher, allgemeiner Funktionstest der Maschine

durch Beobachtung der Maschinenoperation während der

Bearbeitung der Probewerkstücke. Dient häufig als

Ergänzung zur direkten messtechnischen Erfassung.

Bewertung einzelner, jedoch meist einer Gruppe von

Maschineneigenschaften anhand der Maß-, bzw.

Formabweichungen und Oberflächengüte der gefertigten

Werkstücke.

Abnahmekriterien: Zufriedenstellender Funktionsablauf

der Maschine sowie Einhaltung der Maß-, bzw.

Formtoleranzen und Oberflächengüte der gefertigten

Werkstücke.

Bei Nichterfüllung der Abnahmekriterien ist oft eine

direkte messtechnische Untersuchung notwendig.


Folie 6



Erfassung der Maschineneigenschaften

Direkte messtechnische Erfassung. Indirekte messtechnische Erfassung

- im lastfreien Zustand

- meist nur am Prototyp mit anschließender

konstruktiver Verbesserung

- eindeutige Zuordnung von Maschinenfehlern

und deren Ursachen

- Kompensation der ermittelten systematischen

geometrischen Fehler durch die Steuerung

möglich

- sehr aufwendig

Ve

rfa

hre

n

- hauptsächlich unter Schlichtbedingungen

- an Serienmaschinen beim Anwender

- zur Ergänzung der direkten messtechnischen Erfassung

- anschauliches Verfahren, Messergebnis liegt in Form

des Werkstücks vor

- Verwendung definierter Standardwerkstückgeometrien

- keine gezielte Zuordnung von Werkstückabweichungen

zu den Maschineneigenschaften möglich

- Aussagen über Maschineneigenschaften werden durch

Einfluss des Schnittprozesses erschwert

- Fertigung von Probewerkstücken

- Ermittlung der Maschinenfähigkeit

- Ermittlung der Prozessfähigkeit

- Messung von Rundlauf, Geradlinigkeit,

Winkligkeit und Ebenheit von

Maschinenkomponenten

- Positionierabweichung, Kinematik

- Messung der Geräuschemission

- Messung thermischer Verformungen

- Modalanalyse zur Ermittlung dynamischer

Eigenschaften

An

we

n-

dung

V

ort

eile

N

ach

-

teile


Folie 7



Ergonomie

Umweltverhalten

• Vibrationen

• Lärm

Sicherheit

Prozess

statisches

Verhalten

Dynamik der

Antriebe,

Einfluss des

Mess-

systems

thermo-

elastisches

Verhalten

dynamisches

Verhalten

Qualität der

mechanischen Bauteile

und des Zusammenbaus

geometrisches und kinematisches Verhalten der belasteten Werkzeugmaschine

geometrisches und

kinematisches Verhalten

der Werkzeugmaschine

Verfügbarkeit

Hydraulik,

Pneumatik

Elektrik,

Elektronik Mechanik

Erfassung der Maschineneigenschaften

Bild: MAG Industrial Automation Systems


Folie 8



Vorgehensweise bei der Beurteilung des Maschinenverhaltens

Definition bzw. allgemeine Beschreibung des zu

beurteilenden Merkmals

Erfassung bzw. Messung des zu

beurteilenden Merkmals

Untersuchung der Reproduzierbarkeit,

u. U. statistische Absicherung

Diskussion der Ergebnisse unter Berücksichtigung der

Randbedingungen und Auswertung

Bewertung der Maschine hinsichtlich des erfassten Merkmals



Folie 9



Systematische und zufällige Fehler

Fehlerart Merkmale Beispiele

systematische Fehler

zufällige Fehler

- systembedingt

- bei gleichen Randbedingungen für

jeden Messpunkt reproduzierbar

- ausgleichbar, da gesetzmäßig

- auch bei konstanten

Randbedingungen nicht

reproduzierbar

- nicht gesetzmäßig, aber

weitgehend statistischer Natur

- Teilungsfehler der Messsysteme

- innere Wärmequellen

- geometrische Fehler der

Führungen

- Positionsabweichungen

- Umkehrspanne

- Nachgiebigkeiten

- Reibungsverhältnisse (Stick-Slip)

- Lagerluft

- Schwingungen

- Chargeneinflüsse

- Positionsstreubreite

- Werkzeugverschleiß



Folie 10



Anforderungen an Verfahren zur Maschinenbeurteilung

ausreichende

Genauigkeit und

Reproduzierbarkeit Bearbeitungsaufgaben

Aussagefähigkeit für

mögliche

Bearbeitungsaufgaben

angemessener

Testaufwand

Anforderungen Anforderungen

Verfahren zur Erfassung von Maschineneigenschaften

-

-

-

-

- geometrische Prüfung

- kinematische Prüfung

- Ermittlung des Last- /

Verformungsverhaltens

-…

Maschinen- und

Prozessfähigkeits-

untersuchung,

zumeist anhand von

Produktions-

werkstücken

Bearbeitungstest

anhand von

Standard-

prüfstücken

Indirekte

Erfassung

Indirekte

Erfassung

Direkte

Erfassung

Direkte

Erfassung



Folie 11



Messgeräte zur Abnahme von Werkzeugmaschinen

• Laser-Interferometer

(0,001 µm)

• positionsempfindliche

Fotodiode (PSD) (0,5 µm)

• Laser-Distanz-Sensor (0,5 µm)

• inkrementaler Linearmaßstab

(0,1 µm)

• Messuhr (1 µm)

• Feinzeiger (0,1 µm)

• Mikrokator (0,02 µm)

• Autokollimator

• Inkrementaler Winkelschritt-

geber

Wegmessung Winkelmessung Geschwindigkeitsmessung

Potentiometer-Weggeber (10 µm) Elektronische Neigungswaage

Temperaturmessung kapazitive Weggeber (0,002 µm)

Wirbelstrom-Weggeber (0,05 µm)

induktive Weggeber

Seismischer Drehschwingungs-

aufnehmer (0,02“) Thermoelement

Metallwiderstandsthermometer

Halbleiterwiderstandsthermometer

Dehnungsmessstreifen

piezoelektrische Aufnehmer

Verformungsanalyse

Geräuschmessung Holografie

Speckle-Interferometrie Schalldruckpegelmesser

Beschleunigungs- und

Kraftmessung

optische Messung optische Winkelgeber mechanische Wegmessgeräte

optische Wegmessgeräte

elektrodynamischer Geber

Quarzthermometer


• Laser-Interferometer

(Laservibrometer)

Folie 12



Einflussgrößen auf Abweichungen von WZM

Hers

tellu

ng

Ve

rschle

iß

geometrische Abweichungen der Einzelelemente

Fehler der Führungselemente Spindelsteigungsfehler d. Wegmesssysteme Winkligkeits-, Parallelitätsfehler Ebenheits-, Gradheits-, Rundheitsfehler u. ä.

Montagefehler

- Zusammenbau d. Maschine,

Ausrichten

- Aufstellen d. Maschine

Fehler der Steuerungs- und Antriebssysteme

geometrische und kinematische Abweichung der Maschine

geometrische Abweichung (Lage-, Maß- und Form-

abweichungen der Bauteile)

kinematische Abweichung (Abweichung funktional abhängiger

Bewegungen)

je Achse: Führungsabweichungen (Schlitten, Supporte,

Pinolen)

2 Geradheitsabweichungen

3 Drehungsabweichungen (Neigen, Kippen)

1 Positionierabweichung

Rundlaufabweichung

Teilungsabweichung

je Achspaar: Winkelabweichung für beliebige oder rechte

Winkel

Parallelitätsabweichung

Fluchtungsabweichung

Achskombinationen:

Rotation / Rotation (Getriebe, Verzahnmaschinen)

Rotation / Translation Drehmaschinenleitspindel)

Translation / Translation (Kopiersysteme, Strecken- und

Bahnsteuerungen bei NC-Maschinen)

Mehrachsenkombinationen Verzahnungsmaschinen

1. statisch: Lage und Gewicht des Werkstücks

sowie der bewegten

Maschinenbauteile, stat. Prozesskräfte

2. dynamisch: Beschleunigung, Verzögerung, dyn.

Prozesskräfte

3. thermisch: Maschinenbelastung, äußere und

innere Wärmequellen

4. Klemmung

5. Reibung / Schmierung

6. Maschineneinstelldaten

Belastungsparameter

+


Folie 13



Abnahmeuntersuchungen an Werkzeugmaschinen

geometrische + kinematische

Eigenschaften von WZM

kin. + dyn. Eigenschaften der

Vorschubantriebe

Tis

chgera

dheit b

zw

. -e

benheit

Tis

chgera

dheit b

zw

. -e

benheit

Gera

dlin

igkeit d

er

Bew

eg

un

g

Gera

dlin

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er

Bew

eg

un

g

Positio

nie

rge

na

uig

keit

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Win

kela

bw

eic

hung lin

ear

bew

egte

r A

chsen

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Win

klig

keit m

eh

rere

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chsen

zue

ina

nd

er

Win

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er

Para

llelit

ät von

Bew

eg

un

gsachsen

Para

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Bew

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un

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Abw

eic

hung r

ota

torischer

Achsen

(Pla

n-

un

d R

un

dla

uf)

Abw

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torischer

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grö

ßte

un

d k

lein

ste

Bah

ng

eschw

ind

igkeit

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Bah

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ind

igkeit

kle

inste

Schrittw

eite

kle

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eite

Beschle

unig

ungs-

un

d

Positio

nie

rverh

alten

Beschle

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un

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Positio

nie

rverh

alten

Kre

isfo

rmte

st

Kre

isfo

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st

Üb

ert

ragu

ng

sverh

alten

de

s

La

ge

rege

lkre

ises

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alten

de

s

La

ge

rege

lkre

ises


Folie 14



Allgemeine Messprinzipien



Folie 15



Geometrische Abnahmeuntersuchungen

Geradheit

Rechtwinkligkeit Rundlauf

Parallelität

Quelle: Weck; M: Werkzeugmaschinen – Fertigungssysteme Bd. 5


Folie 16



Geradheits- bzw. Ebenheitsmessung mit Laser und PSD

Elektrode 1

Photostrom I1

Substrat

Elektrode 2

Photostrom I2

Gegenelektrode Widerstandsschicht

21

21

II

II1

2

LX



Folie 17



Geradheitsmessung mit elektronischer Neigungswaage

Referenzrichtungdes Meßsystems

z

x

Neigungsmesser

Ausrichtefehler b

BxA

a a

A aL B

a’7a’1a’0

a4

a’4

a’1

dz

3

dz’ 3d

z(x

)

Abweichung von der Geradheit:

maxn

0i

i

max

ii

n

0i

n

1arctan

a)z(n

i

(a’)i

a’i

a’i

Prinzip derNeigungswaage



α

α

α

Folie 18



Geradheitsmessung bewegter Achsen



Folie 19



Rundlaufmessung (DIN 8605)

Messung desRundlaufes desZentrierkegelsder Arbeitsspindel

(DIN 8605)

Spindelkopf

Zentrierkegel

Wegauf-nehmer

Meßergebnis

Meß-ergebnis

Meßkurve

Referenzkreis

Lageabweichungder Referenzfläche (Zentrier-kegel) zur Spindelachse

Referenzkreis

e

der Referenzfläche(Zentrierkegel)

Formfehler

Form-fehler

Bewegungsfehlerder Spindelachse

Spindel-fehler

ReferenzkreisReferenzkreis



Folie 20



Messanordnungen zur Beurteilung von Drehachsen

a

b

c

dx dy dz dj xdj y dj z

ermittelbar nicht ermittelbar


dx dy dz djx djy djz

a

b

c


Folie 21



Ermittlung von Roll-, Gier- und Stampfbewegungen

Messungen mit Laserinterferometer



Folie 22



Kreisformtest

Meßaufbau mitTaster

Kreuzgitter-Meßsystem

Beschleunigungsabhängige Bahnabweichung


Abtast-

kopf

Trägerplatte

mit

Kreuzgitter

Sollbahn Taster

Taster -0,02mm +0,02mm

0,4m/min 0,6m/min D = 40mm

1,0m/min 1,2m/min

Ausschnitt A: 8μm


Folie 23



Ermittlung der Positioniergenauigkeit

Linearverfahren

Pilgerschrittverfahren

Pendelschrittverfahren

kurze Messweglänge und Messdauer

für den gesamten Messablauf

größter zeitlicher Versatz beim

Anfahren der ersten Messposition aus

unterschiedlicher Richtung

geringer zeitlicher Versatz beim

Anfahren aller Messpositionen aus


größte Messweglänge und

Messdauer für den gesamten

Messablauf

geringster zeitlicher Versatz beim

Anfahren aller Messpositionen aus


großer zeitlicher Versatz beim

Anfahren von n Messpositionen

+

+

+

-

-

-

1 2 3 4 5 Taster

Spur des

Tastkopfes

Messzyklen

Messpositionen

(Stillstand der

Verfahrachsen)

elektronischer

Messtaster

Stufenendmaß



Folie 24



Ermittlung der Positioniergenauigkeit mittels

Laserinterferometer



Funktionsprinzip der

Laserinterferometrie Quelle: Fa. Polytec

Folie 25



Bestimmung des kleinsten Schrittweite von

Vorschubantrieben

• treppenförmige Sollwertänderungen• Messung der Bewegungen mittels Laserinterferometer oder über Istwert- ausgang der Maschinensteuerung

• Weg-Zeit-Verhalten bei kleinsten Stellsignalen• verbleibende Wegfehler

• kleinste Schrittweite ist erreicht, wenn die verbleibende Wegab- weichung gleich oder größer als der Sollwert ist (Glättung erforderlich falls Istwert von Schwingungen überlagert)

Vorgehensweise:

Bestimmung von:

Ergebnis:

3

µm

2

1

0

0 2 4 6 8 10 s 14

Ve

rfa

hrw

eg

s

Meßzeit

Schrittweite 1,00 µm

0 2 4 6 8 10 s 14

1,25

µm 0,75

0,50

0,25

0

Ve

rfa

hrw

eg

s

Meßzeit

Schrittweite 0,25 µm

0 2 4 6 8 10 s 14

1,25

µm 0,75

0,50

0,25

0

Ve

rfa

hrw

eg

s

Meßzeit

geglättet

zi

zij

ji

m

m

n21

n2

s1z2

1s

s08,0f

2zT

10z

250Hzf

s;....;s;s

s;....;s;s1

ungeglättete Meßwerte

geglättete Meßwerte

Meßrate

Glättungsparameter

Glättungslänge

Glättungsfunktion



Folie 26



Prüfwerkstücke für Fräsmaschinen

Mikroproduktionssysteme (nach: NCG Empfehlung 2007)

- Form-, Lage-, Maßtoleranzen

- Oberflächengüte

- Bearbeitungszeit

HSC-Systeme (nach: NCG Empfehlung 2004)

- Form-, Lage-, Maßtoleranzen

- Oberflächengüte

- Bearbeitungszeit

Quelle: NC-Gesellschaft


Folie 27



Prüfwerkstück für HSC-Fräsmaschinen Zylinderstufen:

- Kreisform jedes Stufenabschnitts, Quadrantenübergang

- Durchmesserverkleinerung (Durchmessermaß im Vergleich, Differenzmaß)

Kugelelement:

- Formhaltigkeit

Freiformfläche:

- Formhaltigkeit

- Oberflächenrauheit

- Zeitmessung je Bahnbereich

Kegelstumpf:

- Geradheit der

Mantellinien an den

Quadrantenübergängen

- Kreisform auf mehreren

Ebenen

- Zeitmessung

Bohrbild:

- Mittenabstände

- Rundheit der Mittenbohrung

(bei ausgespindelter

Bohrung)

- Konzentrizität der

Mittenbohrung zum Zylinder

(bei nur zirkular gefrästen

Bohrungen, ohne

Ausspindeln)

Quader 45°:

- Geradheit

- Rechtwinkligkeit

- Parallelität

Kantenpaar und Schrägen 0,5° (optional):

- Geradheit

- Winkligkeit

Quader 90°:

- Geradheit bzw. Achsparallelität

- Parallelität

- Rechtwinkligkeit

Zylinder:

- Kreisform (vor allem an den

Quadrantenübergängen)

- Konzentrizität zur Mittenbohrung



Folie 28



Mikroprüfwerkstück für Fräsmaschinen Bohrbild:

- radiale Abweichung

Fräser-Spindel-System

bei Drehzahländerung

- Positioniergenauigkeit

Kugelelement:

- Formhaltigkeit (alle Achsen)

- Interpolationsgenauigkeit (alle

Achsen)

Kreise:

- Positioniergenauigkeit

- Rechtwinkligkeit

- Schleppfehler

- Umkehrspiel

- Kreisform

- Maschinendynamik

Freiformfläche 1:

- Genauigkeit bei

unterschiedlichen

Bearbeitungsstrategien

- Fräserabdrängung

Bahnen:

- Zusammenspiel von

Dreh- und Linearachse

Nutplattform:

- Spindellängung

- kleinste

Schrittweite

Kegel:

- Dynamik der beteiligten

Achsen

45°-Kanten:

- Zusammenspiel von 2

Achsen

- Interpolationsgenauigkeit

von 2 Achsen

Krater:

- Zusammenspiel

aller 5 Achsen

Trapeze:

- Zusammenspiel und

Interpolationsgenauigkeit von 3 Achsen

Fräserorientierung:

- Orientierungs-

genauigkeit des

Fräsers

Freiformfläche 2:

- Genauigkeit bei

der Bearbeitung

mit 5 Achsen

(Rauheit,

Rattermarken)

Flache Schrägen:

- Interpolationsfähig-

keit bei

unterschiedlichen

Geschwindigkeiten

- Umkehrspanne



Folie 29



Beurteilung von NC-Drehmaschinen durch

Einfachprüfwerkstücke

D4 D3

L3

D2 D1

L1

L2

Meißelweg

Neigung1:20

Neigung 1:20

R2

45° (90°)R1

a

Umkehrspanne

Maßabweichung

Bahnabweichung

MechanikSteuerung

SteuerungVorschubantriebeMeßsysteme

MechanikLinear-InterpolatorAntriebeMeßsysteme

MechanikZirkular-InterpolatorAntriebeMeßsysteme

Winkelab-weichungLangsamfahr-verhalten

Einfachprüfwerkstück für NC-Drehmaschinen(nach VDI 2851 Blatt 2)

KonturelementPrüfung Abw. Ursache



Folie 30



y

x

Sollbahn

Istbahn

Ermittlung der kleinsten Bahngeschwindigkeit vBmin

Verstärker Motor

Meßanordnung zur Bestimmung von VBmin

Vorschubeinheit WegaufnehmernumerischeSteuerung

undLage-

reglung

Lagemeßeinrichtung

x(t)

VB

xi

typische Bahnabweichungen bei VB < VBmin

x

t VB < VBmin

VB > VBmin

Grenzkurve

Auswertung des Auswertung des

Messschriebs

Messanordnung zur Bestimmung von VBmin

VB = VBmin



Folie 31



Statistische Auswertung der Positioniermesswerte



Folie 32



Maschinen- und Prozessfähigkeit


Maschinenfähigkeit

cm, cmk

Prozessfähigkeit

cp, cpk

Ziel

Rand-

bedingungen

Erfassung des kurzzeitigen Streuverhaltens

des Bearbeitungsergebnisses einer

Maschine unter möglichst gleichbleibenden

Randbedingungen

- betriebswarme Maschine

- ein Werkzeug

- eine Rohteilcharge

- keine äußeren Störeinflüsse

- Abnahme meist beim Maschinenhersteller

Erfassung des langfristigen Streuverhaltens des

Bearbeitungsergebnisses einer Maschine unter

realen Prozessbedingungen

reale Prozessbedingungen

reales Prozessumfeld

Abnahme meist beim Maschinenanwender

Vorgehens-

weise

- mind. 50 Teile hintereinander fertigen

- Merkmale messen und Ergebnis in

Urwertkarten festhalten

- Ergebnis auf Stabilität prüfen

- Standartabweichung und Mittelwert

berechnen

- Fähigkeitsindizes cm und cmk bestimmen

über eine oder mehrere Schichten mind. 20

Stichproben á 5 Teile aus der laufenden

Produktion entnehmen

Merkmale messen und Ergebnis in Regelkarte

eintragen

besondere Störeinflüsse vermerken

Standartabweichung und Mittelwert berechnen

Fähigkeitsindizes cp und cpk bestimmen

Folie 33



Charakteristische Messwertverläufe für Probewerkstücke

Chaotischer Verlauf(Maschine nicht fähig)

Normalverteilung mit Trend(Prozeß nicht beherrscht)

Normalverteilungc = 1,4

c = 1,17m

mk

T : obere Toleranzgrenze T : untere ToleranzgrenzeO U

1 10 20 30 40 Stück 50

1 10 20 30 40 Stück 50

1 10 20 30 40 Stück 50

T

T

o

U

T

T

o

U

T

T

o

U



Folie 34



Berechnung der Maschinenfähigkeitsindizes

n : Anzahl der Stichprobenelemente x: arithmetisches MittelT : obere Toleranzgrenze e: Exzentrizität der Verteilung

T : untere Toleranzgrenze s: StandardabweichungO

U

n

i

ixn

x1

1

1

2

n

xxs

i

T

xxe

'

UOkrit TxxTMin ; ses 21'

s

TTc UOm

6

sc kritmk

3

zentrierteVerteilung

Hä

ufig

ke

it

TU

s s’ TO

'xx

Toleranzbereich T

e T• krit

exzentrischeVerteilung

Merkmalswert

Toleranzeinengung

1,0 1,5 c 2,5mk

3

1

0

IT-E

inhe

iten

e = 0%

e = 10%e = 20%

99,9999998 %

99,99994 %

99,9937 %

99,73 %

95,44 %

68,26 %

AnteilIntervall

-s, +s

-2s, +2s

-3s, +3s

-4s, +4s

-5s, +5s

-6s, +6s

c -Wertmk

0,33

0,67

1,0

1,33

1,67

2,0

Anteil der Elementeinnerhalb der Toleranz (e=0)


Folie 35



Trends • aktuell erfolgt eine internationale Harmonisierung

der Normen zur Abnahme von Werkzeug-

maschinen

• Schwerpunkt hierbei sind 5-achsige

Werkzeugmaschinen

Motivation hierfür:

– grundsätzlicher Trend in Richtung 5-achsiger Maschinen,

insbesondere in Japan

– im Hinblick auf genauigkeitsmindernde Abweichungen

komplexe geometrische und kinematische Verhältnisse

– bislang keine genormten geometrischen und

kinematischen Tests zur Feststellung der Abweichungen

der Rundachsen zusätzlich zu den Linearachsen

- Lageabweichungen,

- Komponentenabweichungen,

- Bewegungsabweichungen.

Bilder: IWF/ETH Zürich

R-Test

R-Test


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