Was ist ein Laser-Interferometer?
Ein Laser-Interferometer ist ein Messgerät, das das Prinzip der Lichtinterferenz nutzt, um Abstände oder Positionsänderungen mit extrem hoher Genauigkeit zu messen. Es handelt sich um eine spezielle Form des Interferometers, bei dem kohärentes Laserlicht als Maßstab dient. Laser-Interferometer zählen zu den präzisesten Längenmesssystemen in der Industrie und werden oft als Referenzmesssystem eingesetzt – etwa bei der Abnahme von Werkzeugmaschinen.
Mit einem Laser-Interferometer lassen sich selbst kleinste Längenänderungen im Nanometer- oder Sub-Mikrometerbereich zuverlässig erfassen, was in der Fertigungsmesstechnik und Qualitätskontrolle entscheidend ist. Neben klassischen Interferometersystemen wird zunehmend auch der Laser Tracer zur hochpräzisen Maschinenkalibrierung eingesetzt. Dieser bietet den Vorteil, dass er volumetrische Fehler umfassender und effizienter erfassen kann.
Funktionsweise und technische Grundlagen
Die Funktionsweise eines Laser-Interferometers basiert auf dem klassischen Michelson-Interferometer-Prinzip. Ein Laserstrahl wird mittels eines halbdurchlässigen Spiegels (Strahlteiler) in zwei Teilstrahlen aufgespalten. Einer dieser Strahlen dient als Referenz und der andere als Messstrahl, der z.B. auf ein bewegliches Objekt oder einen Reflektor (Spiegel oder Retroreflektor) gerichtet wird. Nachdem der Messstrahl vom Reflektor zurückgeworfen wird, werden beide Strahlen wieder zusammengeführt. Durch die unterschiedlichen optischen Weglängen entsteht eine Phasendifferenz, die ein Interferenzmuster erzeugt. Verschiebt sich der Reflektor (etwa durch Bewegung einer Maschinenachse), ändert sich die Weglängendifferenz und damit das Interferenzmuster. Aus diesen Änderungen können präzise Rückschlüsse auf die Wegstrecke bzw. Verschiebung gezogen werden. Als Maßverkörperung dient hierbei die Wellenlänge des Laserlichts – sie stellt den elementaren Längenmaßstab dar. Da Laserlicht (typischerweise eines stabilisierten Helium-Neon-Lasers) eine sehr konstante Wellenlänge besitzt, können Bewegungen im Bereich weniger Nanometer aufgelöst werden.
Um diese Genauigkeit zu gewährleisten, müssen Umwelteinflüsse kompensiert werden. Änderungen im Brechungsindex der Luft durch Temperatur-, Druck- oder Feuchtigkeitsschwankungen beeinflussen die effektive Wellenlänge im Messaufbau. Daher beinhalten Laser-Interferometer-Systeme häufig Umgebungskompensationseinheiten (Sensoren für Lufttemperatur, Druck etc.), oder es wird über die Edlen-Formel eine Korrektur berechnet, um die Messwerte auf Bedingungen im Vakuum zu normieren. Durch diese technischen Maßnahmen liefert das Laser-Interferometer eine absolut messgenaue Bestimmung von Distanzen und ist seit Jahrzehnten ein unverzichtbares Werkzeug in der Präzisionsmesstechnik.
Ein Laser Tracer funktioniert ähnlich, bietet aber eine noch höhere Präzision, da er aus einer festen Position mehrdimensionale Abweichungen einer Maschine erfassen kann. Damit eignet er sich ideal für volumetrische Messungen und die Korrektur von Positions-, Geradheits- und Winkelfehlern.
Anwendungen in der CNC- und Werkzeugmaschinenkalibrierung
In der CNC-Technik und beim Kalibrieren von Werkzeugmaschinen sind Laser-Interferometer heute Standard, um die geometrische Genauigkeit von Achsen zu überprüfen und zu justieren. Bei der Maschinenkalibrierung wird ein Laser-Interferometer typischerweise entlang der zu prüfenden Achse ausgerichtet. Die Maschine verfährt die Achse schrittweise oder kontinuierlich, während das Interferometer die tatsächliche Positionsänderung hochpräzise misst. Auf diese Weise lassen sich Positionierfehler erkennen: Abweichungen zwischen dem angeforderten Achsweg und der realen Bewegung. Moderne Systeme nutzen die Laserwellenlänge als Referenzmaß und überlagern Referenz- und Messstrahl parallel zur Achse, um den linearen Wegfehler zu bestimmen.
Darüber hinaus ermöglichen Laser-Interferometer eine umfassende Geometrieanalyse der Maschine. Mit entsprechenden optischen Aufbauten können neben dem reinen Längenfehler auch Geradheitsabweichungen, Parallelitäts- und Rechtwinkligkeitsfehler sowie Neigungswinkel der Achsbewegungen erfasst werden. So lässt sich z.B. prüfen, ob die Verfahrwege einer Maschine wirklich gerade und orthogonal sind, oder ob es Kippfehler (Pitch, Yaw, Roll) gibt. Diese Prüfungen erfolgen oft nach internationalen Normen (ISO 230-2, VDI/DGQ 3441 etc.), welche das Vorgehen und die Toleranzen für Positions- und Geometriegenauigkeit definieren. Die gewonnenen Messdaten können anschließend verwendet werden, um über die CNC-Steuerung Fehlerkompensationen einzuspielen – das heißt, die Steuerung korrigiert künftig gezielt die Sollwerte, um die zuvor gemessenen Abweichungen auszugleichen.
Laser-Interferometer kommen sowohl bei der Inbetriebnahme und Abnahme neuer Maschinen als auch in der regelmäßigen Wartung zum Einsatz. Aufgrund ihrer hohen Präzision dienen sie bei Maschinenherstellern als Messnormal, um die Einhaltung der garantierten Genauigkeiten nachzuweisen. In der vorbeugenden Instandhaltung erlauben regelmäßige Laser-Messungen zudem, Veränderungen im Maschinenverhalten frühzeitig zu erkennen. Moderne Geräte sind dank kompakter Bauweise und verbesserter Software mittlerweile mobil vor Ort einsetzbar und reduzieren den Zeitaufwand für eine komplette Maschinenvermessung erheblich. Wo früher die Überprüfung aller Achsen mehrere Arbeitstage in Anspruch nehmen konnte, lässt sich eine standardisierte Kalibrierung heute oft innerhalb weniger Stunden durchführen – mit minimaler Maschinenstillstandszeit und umfassender Dokumentation der Ergebnisse.
Vorteile der volumetrischen Vermessung
Traditionell wurden Maschinenachsen einzeln vermessen und kompensiert. Dabei misst man z. B. entlang jeder Achse nur den linearen Positionierfehler (und ggf. Geradheit) dieser einen Achse. Volumetrische Vermessung geht einen Schritt weiter: Hier wird der gesamte Arbeitsraum der Maschine in allen drei Dimensionen vermessen, um ein vollständiges Bild aller geometrischen Abweichungen zu erhalten.
Anstatt also nur einzelne Achsen linear zu prüfen, erfasst die volumetrische Kalibrierung alle sechs Freiheitsgrade jeder Achse (Positionsfehler, horizontale und vertikale Geradheit, sowie Drehfehler Nicken, Gieren, Rollen) und zusätzlich die Rechtwinkligkeitsabweichungen zwischen den Achsen. Das Ergebnis ist ein detaillierter „geometrischer Fingerabdruck“ der Maschine.
Der Vorteil dieser ganzheitlichen Methode liegt darin, dass alle Fehlerquellen im Verbund betrachtet werden. In einer dreiachsigen Maschine gibt es insgesamt 21 geometrische Fehlerkomponenten, die die Position des Werkzeugmittelpunkts beeinflussen. Misst man nur entlang einer Linie pro Achse, bleiben viele dieser Fehler (insbesondere Winkelfehler) unentdeckt. Diese können jedoch, abhängig von der Position im Arbeitsraum und in Kombination miteinander, zu erheblichen Abweichungen am Werkzeug führen. Bei großen Maschinen oder im 5-Achs-Betrieb potenzieren sich z. B. geringe Winkelfehler über lange Hebelarme deutlich.
Volumetrische Messung deckt solche Fehler auf, indem sie z. B. Messungen entlang von Raumdiagonalen durchführt, die empfindlich auf alle Achsfehler reagieren. So kann die Maschinenabweichung im gesamten Volumen bestimmt und anschließend umfassend korrigiert werden.
Ein weiterer Vorteil ist die Effizienz: Moderne volumetrische Kalibriersysteme nutzen ausgeklügelte Messverfahren (z. B. mehrdimensionale Lasertracker oder sequentielle Diagonalmessungen), um die Vollvermessung in kurzer Zeit durchzuführen. Damit reduziert sich der Kalibrieraufwand drastisch im Vergleich zur konventionellen Methode, die Achse für Achse abarbeitet. Zusätzlich entfallen zeitintensive mechanische Justagen, da die elektronische Kompensation in der Steuerung viele Ungenauigkeiten ausgleichen kann. Insgesamt führt die volumetrische Vermessung zu höherer Präzision im ganzen Arbeitsraum statt nur an einzelnen Punkten – die Maschine arbeitet danach über ihren gesamten Verfahrbereich genauer und reproduzierbarer.
Zusammengefasste Vorteile der volumetrischen Vermessung:
- Ganzheitliche Erfassung der Geometrie: Der komplette Arbeitsraum der Maschine wird vermessen, nicht nur einzelne Achsen – alle Positions- und Ausrichtungsfehler werden erkannt.
- Umfassende Fehlerkorrektur: Lineare Abweichungen, Geradheitsfehler und Winkelfehler (Pitch, Yaw, Roll) in jeder Achse sowie Achswinkel (Orthogonalität) fließen in die Kompensation ein.
- Steigerung der Genauigkeit: Durch die Korrektur aller Fehlerkomponenten kann eine drastische Verbesserung der Gesamtpräzision erreicht werden (in einem Praxisbeispiel ~78 % genauere Maschine nach volumetrischer Korrektur).
- Weniger Stillstand und Justageaufwand: Messung und Korrektur erfolgen softwaregestützt. Die Kalibrierung ist schneller abgeschlossen, und mechanische Nacharbeiten werden reduziert.
- Konstante Qualität im Volumen: Werkstücke können an jeder Position im Bearbeitungsraum mit gleicher Präzision gefertigt werden, was die Prozesssicherheit und Produktqualität erhöht.
Geometrische Perfektion auch bei Rundachsen
Darüber hinaus spielt die Kompensation von Rundachsen (Dreh- oder Schwenkachsen, z.B. die A-, B- oder C-Achse in 5-Achs-Maschinen) eine wichtige Rolle für die Gesamtgenauigkeit. Laser-Interferometer können indirekt auch hierzu beitragen: Einerseits, indem sie die Lagegenauigkeit der Drehachsen im Raum prüfen (etwa ob die Rotationsachse wirklich senkrecht zur Linearachse steht, etc.), und andererseits durch spezielle Winkeloptiken oder kombinierte Messverfahren zur Winkelmessung. Für die Kalibrierung von Rundachsen existieren separate Aufnehmer (z.B. Kreisformtestgeräte, Winkelinterferometer oder Drehachskalibriergeräte), die oft in Verbindung mit dem Laser-Interferometer genutzt werden. Ziel ist es, auch die letzten verbleibenden Abweichungen – etwa exzentrische Drehachsen oder Verkippungen – zu erfassen und zu korrigieren.
Ein praktisches Beispiel ist die Kombination aus volumetrischer Kompensation und sogenannter Head- oder Rotary-Axis Compensation. Nachdem die Linearachsen volumetrisch kompensiert wurden, kann eine zusätzliche Kalibrierung der Drehachsen erfolgen, um deren Fehler (wie Taumeln oder Versatz des Drehzentrums) zu kompensieren. In einem realen Anwendungsfall wurde bei einer großen Fräsmaschine zunächst die volumetrische Kalibrierung per Lasertracer durchgeführt und in der CNC-Steuerung (Option „Volumetric Axis Compensation“) aktiviert. Die so volumetrisch kompensierte Maschine diente dann als Grundlage, um mit einer weiteren Softwareoption (Head Error Compensation) auch die verbleibenden Drehachsen-Fehler auszugleichen. Das Resultat war der Idealzustand der Maschine – also eine weitgehend vollständige Kompensation aller Linear- und Rotationsfehler. In der Praxis bedeutet dies, dass die Werkzeugmaschine nun werkstückunabhängig und in jeder Achskonfiguration die bestmögliche geometrische Genauigkeit erreicht. Gerade bei komplexen 5-Achs-Bearbeitungszentren ist diese ganzheitliche Kompensation essentiell, um bspw. bei unterschiedlichen Schwenkwinkeln stets die gleiche Präzision am Tool Center Point (TCP) sicherzustellen.
Zusammengefasst ermöglicht der Einsatz von Laser-Interferometern also, sowohl lineare Bewegungen als auch rotative Achsen so fein abzustimmen, dass die Maschine nahezu wie eine „ideal gebaute“ Werkzeugmaschine arbeitet. Fertigungstoleranzen können enger eingehalten werden, und geometrisch bedingte Maßabweichungen oder Formfehler an Werkstücken werden auf ein Minimum reduziert.
Laser Tracer: Höchste Präzision für die Maschinenkalibrierung
Ein besonders präzises Verfahren zur Kalibrierung von Werkzeugmaschinen und CNC-Anlagen ist der Einsatz eines Laser Tracers. Dieses Messgerät basiert ebenfalls auf dem Prinzip der Laserinterferometrie, bietet jedoch zusätzliche Vorteile in der volumetrischen Vermessung.
Der Laser Tracer wird in einer definierten Position innerhalb des Maschinenraums platziert und misst aus dieser festen Position die Bewegung der Maschine über hochpräzise Reflektoren. Im Unterschied zu klassischen Laser-Interferometern kann der Laser Tracer mehrdimensionale Fehler direkt und ohne Umpositionierung erfassen, was eine noch genauere Analyse der Maschinengeometrie ermöglicht.
Dank seiner besonders hohen Präzision im Nanometerbereich eignet sich der Laser Tracer hervorragend zur volumetrischen Kompensation. Er misst nicht nur lineare Positionsfehler, sondern kann auch Winkelfehler und Neigungsfehler einer Maschine erfassen. Dadurch lassen sich selbst kleinste Abweichungen bestimmen und in der Maschinensteuerung korrigieren. Besonders bei großen CNC-Maschinen oder 5-Achs-Systemen bietet diese Technologie eine überlegene Lösung zur Optimierung der Bearbeitungsgenauigkeit.
Praxisbeispiele für den industriellen Einsatz
In der Industrie haben sich Laser-Interferometer und der Laser Tracer in vielen Bereichen bewährt:
- Automobilindustrie: Volumetrische Kalibrierung führt zu einer bis zu 78 % höheren Maschinenpräzision.
- Luft- und Raumfahrt: Maschinenkalibrierung ist entscheidend für die exakte Fertigung von Flugzeugkomponenten.
- Maschinenhersteller: Laser-Interferometer werden genutzt, um die Abnahmegenauigkeit von Werkzeugmaschinen zu prüfen.
- Schnelle Vor-Ort-Kalibrierung: Dank moderner mobiler Messsysteme können Kalibrierungen innerhalb weniger Stunden durchgeführt werden.
Fazit
Laser-Interferometer sind essenzielle Werkzeuge für die Kalibrierung und Fehlerkompensation von CNC- und Werkzeugmaschinen. Mit ihrer Hilfe lassen sich Maschinenbewegungen hochpräzise analysieren, systematische Fehler identifizieren und korrigieren.
Der Laser Tracer bietet zusätzliche Vorteile bei der volumetrischen Kalibrierung, da er mehrdimensionale Abweichungen aus einer einzigen Position heraus erfassen kann. Besonders für großformatige Maschinen oder komplexe 5-Achs-Bearbeitungszentren ist diese Technologie von entscheidender Bedeutung.
Durch den gezielten Einsatz von Laserinterferometrie und Laser Tracern können Unternehmen die Bearbeitungsgenauigkeit steigern, die Prozesssicherheit erhöhen und langfristig Produktionskosten senken.
