CONSTRUCTIEVE KEUZES ZORGEN VOOR VERSCHILLEN TUSSEN CMM'S

Papieren overeenkomsten blijken in de praktijk toch realistische meetverschillen

De coördinatenmeetmachine is nog steeds hét meetinstrument voor de maakindustrie als het om nauwkeurigheid gaat. Het zijn doorgaans heel stabiele meetmachines, die gedurende een zeer lange periode nauwkeurig blijven. Op papier zijn er tegenwoordig weinig verschillen in de nauwkeurigheid te ontdekken tussen de verschillende merken. In de praktijk blijken de constructieve keuzes die de fabrikanten maken, wel degelijk tot een verschil te leiden.

 

KLASSIEKE CONSTRUCTIE

De klassieke constructie van een coördinatenmeetmachine is in de loop der jaren niet veranderd. Constructeurs bouwen nog altijd voort op de basisprincipes van een eeuw geleden, toen deze voor het eerst beschreven werden. Het is nog steeds de uitdaging om een slingerbeweging tijdens het versnellen te voorkomen, wat lukt door de beide x-aandrijvingen parallel te bewegen. Wat ook nog altijd geldt, is dat de stijfheid-massaverhouding een cruciale factor is. En de keuze van het materiaal van zowel de tafel als de portalen speelt een rol in de uiteindelijke nauwkeurigheid waarmee zo'n CMM in de praktijk kan meten.

 

DRIE TYPEN

Het brugtype, oftewel het portaaltype, blijft een van de meest voorkomende types van coördinatenmeetmachines. Op de tafel staat de brug, met daaraan de y- en z-as. Een variant is de gantrymachine. Hierbij beweegt de balk met de y- en z-as over opstaande kanten, die op de tafel staan of op de vloer als het om een meetmachine met een groot bereik gaat. De overspanning van een dergelijk type CMM is doorgaans groter. De machines met een horizontale arm zijn het derde type, dat vooral gebruikt wordt als je in het product moet meten. Bijvoorbeeld in de auto-industrie komt men dergelijke meetmachines regelmatig tegen omdat de toegankelijkheid van het product dat gemeten moet worden, beperkt is. Denk daarbij bijvoorbeeld aan de cabine van een vrachtauto. Ook als er zeer grote werkstukken gemeten moeten worden, is deze meetarm een optie.

Naast deze drie constructietypen zijn er nog nicheproducten. Een variant van de brugmachine is bijvoorbeeld de CMM met een vaste brug en een beweegbare tafel. Deze constructie onderscheidt zich door de zeer hoge stabiliteit. Maar dat vertaalt zich in het nadeel dat de versnellingen geringer zijn. Dit type is veel trager dan de standaardbrugmachine en is door de specifieke constructie bovendien duurder. Daarom blijft deze variant beperkt tot echte nichetoepassingen waarin er absoluut hoge meetnauwkeurigheden behaald moeten worden. Een andere variant is de monolithisch gebouwde gantrytype-CMM. De tafel en de opstaande kanten zijn uit één geheel gemaakt. In de brug die hierover loopt, kan er nog een actieve demping worden geplaatst.

 

BRUGTYPE VERSUS MEETARM

Qua afmetingen vormen de brugtype-CMM's de kleinste variant. Het grootste meetbereik hebben de gantryachtige machines, die soms tot wel zes meter in de y-as meetbereik hebben. Het bereik van een horizontale meetarm zit hiertussenin, maar kan soms nog groter zijn. De kolom met daaraan de meetarm kan namelijk op een rail worden geplaatst. Dit type heeft echter een belangrijk nadeel, namelijk dat de nauwkeurigheid geringer is dan die van een brug- of gantrytype-CMM. Dit heeft alles te maken met de constructie van de meetarm en de kolom waaraan deze bevestigd is.
Met een contragewicht kan men het afhangen van de arm tegengaan, maar men moet er constructief ook voor zorgen dat de kolom niet doorbuigt bij de maximale uitlading van de arm. In de praktijk is de nauwkeurigheid van zo'n meetarm een factor 6 tot 10 keer minder dan die van de beste brugtypecoördinatenmeetmachines. Daar staat tegenover dat een meetarm een geringere investering vergt. Een vuistregel qua nauwkeurigheid is dat bij het brug- en gantrytype de machines met een meetbereik dat in het midden zit van wat een productfamilie aanbiedt, doorgaans de hoogste nauwkeurigheid bieden. Qua constructie zijn deze het best gedimensioneerd en dus ook het gemakkelijkst in de nauwkeurigheidstolerantie te krijgen.

 

INVLOED VAN LUCHTLAGERING

Bij de brugtypemachines zijn er versies met een luchtlagering én met lineaire geleidingen. Deze keuze tussen beide hangt samen met de nauwkeurigheid die men zoekt. Een luchtlagering is eigenlijk standaard voor de machines die in de meetkamer worden gebruikt. De CMM's die recent op de markt zijn gekomen voor de productieomgeving, hebben doorgaans lineaire geleidingen. Die leveren op zichzelf een hoge nauwkeurigheid, maar de levensduur is beperkter en machines met dergelijke lineaire geleidingen hebben hierdoor de neiging om sneller hun nauwkeurigheid te verliezen. Hoewel veel machines met luchtlagers op papier dezelfde nauwkeurigheid beloven, zijn er in de praktijk toch verschillen merkbaar. Dit houdt verband met de hoogte van de luchtspleet en het materiaal dat voor de brug wordt gebruikt.

Keramische materialen

Sommige fabrikanten kiezen voor keramische materialen voor de brug. Keramisch materiaal heeft als voordeel dat de stijfheid groot is en de uitzettingscoëfficiënt zeer gering. De hoge stijfheid zorgt ervoor dat de luchtspleet waarover de componenten bewegen, minimaal kan zijn. Een enkele fabrikant slaagt erin om deze luchtspleet te beperken tot 3 à 5 µm. Bij een machine met een aluminium balk met een spindel is deze spleet vaak 10 tot 15 µm hoog. Dan is de kans op lokale vervormingen tijdens de beweging groter. Vergelijk de beide luchtspleten met een harde respectievelijk slappe veer.

Minder vervuiling

Een bijkomend voordeel van een dunne luchtspleet is dat er zich minder snel vervuiling in zal ophopen. Deeltjes worden door de luchtdruk als het ware weggeblazen. Gebeurt het toch een keer dat er partikels in de luchtspleet terechtkomen, dan levert dit bij een keramische brug doorgaans geen problemen op omdat het materiaal zeer krasvast is. De keramische componenten raken dan niet beschadigd. Bij aluminium balken zal dat wel het geval zijn. Hiermee is de lange periode waarin een luchtgelagerde keramische coördinatenmeetmachine haar nauwkeurigheid behoudt, deels verklaard.

 

POLYMEERBETON

In de machinebouw is sinds een aantal jaren het gebruik van polymeerbeton sterk in opmars. Machinebouwers verkiezen dit materiaal boven andere oplossingen, omdat het zeer goede dempende eigenschappen heeft. Omdat het polymeerbeton een gietproduct is, kan men tijdens de opbouw van de machine in het bed koelkanalen aanbrengen voor een actieve koeling van het bed.

Enkel in productieomgeving

De toepassing van dit materiaal in coördinatenmeetmachines is nog zeer beperkt. Dit materiaal komt nl. het best tot zijn recht in combinatie met mechanische lineaire geleidingen. In combinatie met luchtlagers heeft het materiaal zijn beperkingen, vooral doordat het polymeerbeton smeert wanneer het geslepen wordt. Het polymeer in het materiaal zorgt voor dit zelfsmerende proces. Dit verstoort het slijpproces. Daarom wordt het polymeerbeton niet toegepast in de CMM's voor de hoogste nauwkeurigheid. Er zijn wel fabrikanten die het gebruiken voor de meetmachines die voor de productieomgeving zijn bedoeld. Hier maakt men gebruik van de dempende eigenschappen, iets wat in zo'n omgeving meer nodig is dan in de meetkamer.

 

MEER VRAAG NAAR HOGE DYNAMIEK

Hoewel de constructie van een CMM dus amper veranderd is in al die jaren, tekent zich wel een verandering in het koopgedrag van de gebruikers af. Het accent verschuift van meetnauwkeurigheid naar kortere cyclustijden. Het compromis dat men altijd zoekt tussen nauwkeurigheid, versnelling én de kosten, verschuift, ten gunste van de snelheid en acceleratie. Constructeurs zoeken daarom naar mogelijkheden om de machines lichter te construeren en de aandrijfsystemen te tunen voor hogere versnellingen. Motion control wordt alsmaar een belangrijker aspect voor de fabrikanten van de CMM's, waarbij gebruik wordt gemaakt van de toegenomen rekenkracht van computers. De basis voor de uiteindelijke nauwkeurigheid ligt echter altijd in de mechanische constructie, hoeveel er softwarematig ook gecompenseerd kan worden. Deze mechanische constructie levert de herhaalnauwkeurigheid. En dat is een eerste vereiste om te kunnen compenseren.