Glasmaßstäbe beim CNC-Retrofit richtig einsetzen

Was ist ein Glasmaßstab

Ein Glasmaßstab ist ein hochgenaues, lineares Wegmesssystem für CNC-Maschinen, Fräsmaschinen, Drehmaschinen und digitale Positionsanzeigen.

Im Inneren befindet sich eine Glasleiste mit sehr feinen, regelmäßig angeordneten Teilungsstrichen. Ein beweglicher Lesekopf tastet diese Teilung optisch ab.

So funktioniert die Messung:

Der Glasmaßstab wird fest am Maschinenkörper montiert.
Der Lesekopf wird am beweglichen Maschinenschlitten befestigt.
Bewegt sich die Achse, verschiebt sich der Lesekopf entlang der Glasleiste.
Eine Lichtquelle beleuchtet die feine Strichstruktur.
Fotosensoren wandeln die Hell-Dunkel-Wechsel in elektrische Signale um.
Eine Positionsanzeige oder CNC-Steuerung berechnet daraus Weg und Bewegungsrichtung.

Typischerweise erzeugt der Glasmaßstab zwei um 90° phasenverschobene Signale:

Kanal A
Kanal B
teilweise zusätzlich ein Referenzsignal Z

Durch die Phasenlage von A und B erkennt die Elektronik die Bewegungsrichtung. Aus der Anzahl der Impulse wird die zurückgelegte Strecke berechnet. Der Referenzimpuls dient zur Festlegung einer reproduzierbaren Referenzposition.

Der entscheidende Vorteil: Der Glasmaßstab misst die tatsächliche Position des Maschinenschlittens. Dadurch werden Fehler aus Spindelspiel, Steigungsabweichungen, Kupplungen oder teilweise auch thermischer Ausdehnung sichtbar. Bei einer geschlossenen Lageregelung kann die CNC-Steuerung diese Abweichungen direkt korrigieren.

Glasmaßstäbe liefern je nach Ausführung beispielsweise:

TTL-Rechtecksignale
1-Vss-Sinussignale
Auflösungen von etwa 5 µm, 1 µm oder feiner
inkrementelle oder absolute Positionswerte

Hinweis: Die CSMIO IP-A benötigt TTL-Rechtecksignale zur Auswertung

Signale der Glasmaßstäbe

wir benötigen ein "echtes" TTL Signal mit folgenden Signalen
- A und A/
- B und B/
- Z und Z/
5 Volt und GND

Maßstäbe mit A - B und Z sind nicht geeignet, beziehungsweise benötigen einen Konverter.
Sprechen Sie mit unserem Support.

Ein Glasmaßstab kann das Umkehrspiel einer Kugelgewindespindel messen, aber mechanisch nicht beseitigen. Besonders bei einer geschlossenen Lageregelung entstehen dadurch mehrere Nachteile:

Beim Richtungswechsel dreht sich der Motor zunächst, während der Maschinenschlitten wegen des Umkehrspiels noch stillsteht.
Die Regelung erkennt keine Bewegung und erhöht die Stellgröße. Sobald das Spiel überwunden ist, kann die Achse ruckartig reagieren.
Es können Überschwingen, Schwingungen oder ein sogenannter „Hunting-Effekt“ entstehen.
Die Achse pendelt möglicherweise ständig um ihre Sollposition.
Kreisbahnen können an den Quadranten Übergangsmarken oder Konturfehler zeigen.
Oberflächen können beim Fräsen sichtbare Absätze oder Ratterspuren erhalten.
Bei wechselnden Schnittkräften kann das Werkzeug den Schlitten innerhalb des vorhandenen Spiels verschieben.
Die Lageregelung lässt sich schwieriger abstimmen. Eine hohe Verstärkung führt schnell zu Schwingungen, eine niedrige Verstärkung zu träger Positionierung.
Motor, Servoregler, Kupplung und Kugelgewindespindel werden durch häufige Korrekturbewegungen stärker belastet.
Die Position kann im Stillstand unruhig werden, obwohl der Glasmaßstab sehr genau misst.
Bei größerem Spiel kann der Regler Schleppfehler- oder Positionsfehleralarme auslösen.
Schnelle Richtungswechsel und hochdynamische Bearbeitungen werden problematisch.

Besonders kritisch ist der Unterschied zwischen Position und Steifigkeit: Der Glasmaßstab kann zwar bestätigen, dass der Schlitten an der richtigen Position angekommen ist. Er kann aber nicht verhindern, dass sich der Schlitten unter einer wechselnden Bearbeitungskraft innerhalb des mechanischen Spiels bewegt.

Eine reine Umkehrspielkompensation in der CNC-Software verbessert die Positionierung, löst aber ebenfalls nicht die fehlende mechanische Vorspannung.

Empfehlung: Vor dem Einsatz des Glasmaßstabs sollte das Umkehrspiel mechanisch reduziert werden – beispielsweise durch Nachstellen oder Ersetzen der Kugelgewindemutter, eine vorgespannte Doppelmutter sowie die Kontrolle von Festlager, Loslager und Kupplung. Für eine stabile geschlossene Lageregelung sollte nur ein sehr kleines und gleichmäßiges Restspiel vorhanden sein.

Bei CNC-Maschinen unterscheidet man grundsätzlich drei Kategorien der Lageregelung:

Offene Steuerkette (Open Loop)
Keine Positionsrückmeldung. Typisch bei Schrittmotoren – Schrittverluste werden nicht erkannt.
Halbgeschlossener Regelkreis (Closed Loop)
Der Encoder am Motor misst die Motorposition. Umkehrspiel, Spindelfehler und elastische Verformungen werden jedoch nicht vollständig erfasst.
Vollgeschlossener Regelkreis (Full Closed Loop)
Ein Glasmaßstab misst direkt die tatsächliche Position des Maschinentisches. Spindelfehler und Umkehrspiel werden dadurch von der Regelung erkannt und teilweise ausgeregelt.

Fazit

Die Kombination aus CSMIO/IP-A und Glasmaßstäben ermöglicht einen vollgeschlossenen Lageregelkreis. Dadurch wird die tatsächliche Position des Maschinentisches erfasst und nicht nur die Drehbewegung des Motors.

Voraussetzung für einen zuverlässigen und präzisen Betrieb ist jedoch eine mechanisch einwandfreie Maschine. Starkes Umkehrspiel in der Kugelgewindespindel, verschlissene Führungen oder eine zu geringe Maschinensteifigkeit können zu ständigem Nachregeln, Schwingungen und einer unruhigen Achsbewegung führen. Ein Glasmaßstab kann mechanischen Verschleiß erkennen und teilweise ausregeln, aber nicht vollständig beseitigen.

Unsere Empfehlung: Vor dem Einsatz der Glasmaßstäbe sollten Kugelgewindespindeln, Lagerungen und Führungen geprüft und vorhandenes Umkehrspiel auf ein Minimum reduziert werden. Bei guter Mechanik bietet die CSMIO/IP-A zusammen mit Glasmaßstäben eine sehr präzise und zuverlässige Lösung für anspruchsvolle CNC-Retrofit-Projekte.