Fliegendes Messen: Signal, Messposition und Bremsweg unterscheiden

Der Ausdruck klingt nach einer Qualitätsprüfung, bei der die Maschine unverändert weiterproduziert. Für das in SINUMERIK-Messzyklen beschriebene Prinzip wäre diese Deutung zu pauschal: Ein schaltender Messtaster wird zum Werkstück bewegt, sein Signal wird unmittelbar in der NC verarbeitet. Der wichtige Punkt ist die schnelle Zuordnung von Signal und Position. Ein solcher Messablauf kann sehr wohl eine eigene Phase zwischen Bearbeitungsschritten sein. Dieser Artikel erläutert die Zeit- und Wegzusammenhänge, keine universell ausführbare Messprogrammierung.

Drei Ereignisse getrennt betrachten

In einer idealisierten Betrachtung lassen sich zuerst die Erfassung eines Messereignisses, danach die Reaktion der Steuerung und schließlich der Stillstand der Achse unterscheiden. Diese Ereignisse fallen nicht zwangsläufig auf denselben Zeitpunkt. Ein gespeicherter Positionswert kann bereits vorliegen, während der Antrieb noch abbremst. Wer stattdessen nach dem Stopp einfach die aktuelle Achsposition abliest, betrachtet daher unter Umständen eine andere Größe.

Die Siemens-Dokumentation zu den Messzyklen beschreibt die direkte Verarbeitung des Tastersignals in der NC und erläutert das Erfassen des Achs-Istwerts bei der Schaltposition. Im dargestellten Ablauf wird der verbleibende Verfahrweg anschließend gelöscht. Das dokumentiert eine konkrete Steuerungsfunktion, keine allgemeine Zusicherung für jede Maschine mit einem Taster. Eingang, Zyklus, Signalübertragung und anschließendes Bewegungsverhalten müssen zur jeweiligen Steuerung und Maschinenintegration passen.

Lehrrechnung: Verzögerung wird zu Weg

Nehmen wir für ein rein kinematisches Lehrmodell eine gleichförmige Bewegung von 600 mm/min an. Das sind 10 mm/s. Zusätzlich nehmen wir an, eine Position werde erst 2 ms nach dem betrachteten Signalereignis gelesen. Diese Verzögerung ist frei gewählt und keine Angabe zu einer realen Steuerung. Bei unveränderter Geschwindigkeit ergibt sich der zurückgelegte Weg aus Geschwindigkeit mal Zeit.

Δx = v · Δt = 10 mm/s · 0,002 s = 0,020 mm = 20 µm. Das Beispiel erklärt, weshalb eine zeitlich eindeutige Erfassung wichtig ist. Es behauptet weder, dass eine bestimmte Steuerung 20 µm Messabweichung besitzt, noch dass jeder spätere Lesezugriff den erfassten Wert verfälscht. Wenn ein System den Wert bereits zum Ereigniszeitpunkt gespeichert hat, darf das spätere Auslesen dieses gespeicherten Werts durchaus danach erfolgen.

Für dieselbe angenommene Verzögerung ergeben 300 mm/min einen Weg von 10 µm und 1.200 mm/min einen Weg von 40 µm. Die einfache Rechnung verdoppelt also den Wegeffekt, wenn die Geschwindigkeit verdoppelt wird. Sie setzt jedoch gleichförmige Bewegung voraus und beschreibt ausschließlich den angenommenen Zeitversatz. Mechanische Antasteigenschaften, Filter, Messsystem und Auswertung sind darin nicht enthalten.

Bremsweg und Messwert sind verschiedene Dinge

Ergänzen wir ein zweites idealisiertes Modell: Die Achse bewegt sich mit 10 mm/s und wird nach dem betrachteten Ereignis mit konstant 500 mm/s² abgebremst. Ohne zusätzliche Reaktionszeit dauert der Stopp t = v / a = 0,020 s. Der Bremsweg beträgt s = v² / (2a) = 100 / 1.000 = 0,100 mm. Auch diese Werte sind reine Lehrannahmen und keine Vorgaben für die eigene Maschine.

Kommt vor dem Beginn dieser gleichmäßigen Verzögerung noch eine angenommene Reaktionszeit von 2 ms hinzu, werden im Modell zunächst weitere 0,020 mm zurückgelegt. Insgesamt ergeben sich 0,120 mm Bewegung bis zum Stillstand. Daraus folgt nicht, dass der gespeicherte Messwert um 0,120 mm falsch wäre. Es folgt, dass die verbleibende mechanische Bewegungsmöglichkeit und die Positionserfassung getrennt beurteilt werden müssen. Reale Beschleunigungsverläufe und Schutzfunktionen sind komplexer als diese Rechnung.

Tasterdaten und Bezug gehören zur Auswertung

Ein Positionsereignis ergibt noch nicht automatisch eine Werkstückoberfläche. Die Geometrie des Taststifts und die Eigenschaften des installierten Messsystems gehen in die Auswertung ein. Renishaw beschreibt bei der Charakterisierung eines Spindeltasters unter anderem wirksame Länge, wirksamen Tastkugelradius und die Lage der Tastkugel zur Spindelachse. Diese Größen können sich von einer rein mechanischen Nennmaßbetrachtung unterscheiden, weil das Schaltverhalten mitberücksichtigt wird.

Nach einem Taststiftwechsel oder einem Zusammenstoß kann eine erneute Charakterisierung erforderlich sein; maßgeblich sind die Unterlagen des eingesetzten Systems. Der Begriff „Kalibrieren“ wird in Messzyklen zudem oft für das Ermitteln und Speichern solcher Systemparameter verwendet. Die allgemeinen Unterschiede zwischen Kalibrierung, Justierung und Prüfung sollten dabei erhalten bleiben. Ein erfolgreich durchlaufener Zyklus ersetzt nicht jede andere Bewertung des gesamten Messprozesses.

Wiederholung allein beweist keine Richtigkeit

Angenommen, fünf frei erfundene Messungen liefern 20,012, 20,013, 20,012, 20,011 und 20,012 mm. Die Spannweite beträgt 0,002 mm, der Mittelwert 20,012 mm. Das zeigt im Lehrbeispiel eine enge Gruppe. Ohne unabhängigen Referenzwert ist aber nicht entschieden, wie nahe die Gruppe am maßgeblichen Wert liegt. Eine konstant falsch berücksichtigte Tastergröße könnte sich in allen Ergebnissen ähnlich auswirken.

Wäre für das Beispiel ein geeigneter Referenzwert von 20,000 mm vorgegeben, betrüge die Differenz des Mittelwerts dazu +0,012 mm. Die Spannweite bliebe trotzdem 0,002 mm. Diese Zahlen dienen ausschließlich der Unterscheidung von Streuung und Lage der Ergebnisse. Wie eine reale Messabweichung zu bewerten ist, hängt zusätzlich von Referenz, Messunsicherheit und Aufgabe ab. Ein wiederholbares Signal macht nicht automatisch jede daraus abgeleitete Korrektur richtig.

Messablauf und Folgereaktion dokumentieren

Für einen nachvollziehbaren Ablauf werden Messmerkmal, Bezug, Messrichtung, Tasterkonfiguration und verwendeter Zyklus festgehalten. Ebenso wichtig ist, was nach einem gültigen oder ungültigen Ergebnis geschieht. Ein fehlendes Signal darf nicht unbemerkt als plausible Maßzahl weiterverwendet werden. Eine automatische Korrektur braucht eine überprüfte Zuordnung von Vorzeichen, Größe und zulässigem Bereich. Der vorliegende Artikel liefert dafür bewusst keinen kopierbaren Maschinenbefehl.

Ein Messprotokoll sollte den erfassten beziehungsweise ausgewerteten Wert eindeutig benennen. Die Formulierung „Position nach Stopp“ beschreibt etwas anderes als „vom Messereignis gespeicherte Position“. Auch Werkzeugkorrektur und Werkstücknullpunkt sind unterschiedliche Zielgrößen. Klare Bezeichnungen verhindern, dass ein technisch sauber erfasster Wert später für die falsche Entscheidung verwendet wird.

Was das Verfahren leisten kann

Der Nutzen einer ereignisbezogenen Positionserfassung liegt in der Zuordnung eines Bewegungszustands zu einem definierten Signal. Dadurch lässt sich eine Messaufgabe in einen CNC-Ablauf integrieren. Ob damit Zeit gespart, eine Lage bestimmt oder eine Bearbeitung überwacht wird, ergibt sich aus der Anwendung. „Fliegend“ ist keine pauschale Genauigkeitsklasse und kein Versprechen einer unterbrechungsfreien Zerspanung. Erst die vollständige Kette aus Taster, Erfassung, Bezug und Auswertung ergibt ein brauchbares Messergebnis.