Was ist eine Koordinatenmessmaschine?

AKoordinatenmessgerätEin Koordinatenmessgerät (KMG) ist ein Gerät, das die Geometrie von Objekten durch Abtasten einzelner Punkte auf der Objektoberfläche mit einem Messtaster erfasst. Verschiedene Arten von Messtastern kommen in KMGs zum Einsatz, darunter mechanische, optische, Laser- und Weißlicht-Messtaster. Je nach Gerät kann die Position des Messtasters manuell durch einen Bediener oder computergesteuert erfolgen. KMGs geben die Position des Messtasters typischerweise als Verschiebung von einer Referenzposition in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (mit XYZ-Achsen) an. Zusätzlich zur Bewegung des Messtasters entlang der X-, Y- und Z-Achse ermöglichen viele Geräte auch die Steuerung des Messwinkels, um die Messung von Oberflächen zu ermöglichen, die sonst nicht erreichbar wären.

Das typische 3D-Brücken-Koordinatenmessgerät (KMG) ermöglicht die Bewegung des Messtasters entlang dreier Achsen – X, Y und Z –, die in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem orthogonal zueinander verlaufen. Jede Achse verfügt über einen Sensor, der die Position des Messtasters auf dieser Achse überwacht, typischerweise mit Mikrometergenauigkeit. Sobald der Messtaster eine bestimmte Stelle am Objekt berührt (oder anderweitig erfasst), tastet die Maschine die drei Positionssensoren ab und misst so die Position eines Punktes auf der Objektoberfläche sowie den dreidimensionalen Vektor der Messung. Dieser Vorgang wird bei Bedarf wiederholt, wobei der Messtaster jedes Mal neu positioniert wird, um eine Punktwolke zu erzeugen, die die relevanten Oberflächenbereiche beschreibt.

Koordinatenmessgeräte (KMG) werden häufig in Fertigungs- und Montageprozessen eingesetzt, um Bauteile oder Baugruppen mit den Konstruktionsvorgaben abzugleichen. Dabei entstehen Punktwolken, die mithilfe von Regressionsalgorithmen zur Merkmalsbestimmung analysiert werden. Die Punkte werden mit einem Messtaster erfasst, der entweder manuell vom Bediener oder automatisch per Direktsteuerung (DCC) positioniert wird. DCC-KMG können so programmiert werden, dass sie identische Bauteile wiederholt vermessen; daher stellt ein automatisiertes KMG eine spezielle Form des Industrieroboters dar.

Teile

Koordinatenmessgeräte bestehen aus drei Hauptkomponenten:

• Die Hauptstruktur umfasst drei Bewegungsachsen. Das Material des beweglichen Rahmens hat sich im Laufe der Jahre verändert. In den frühen Koordinatenmessgeräten (KMG) wurden Granit und Stahl verwendet. Heute fertigen alle führenden KMG-Hersteller Rahmen aus Aluminiumlegierungen oder deren Derivaten und verwenden zudem Keramik, um die Steifigkeit der Z-Achse für Scananwendungen zu erhöhen. Einige KMG-Hersteller produzieren aufgrund der Marktnachfrage nach verbesserter Messdynamik und des zunehmenden Trends, KMG außerhalb von Qualitätslaboren einzusetzen, weiterhin KMG mit Granitrahmen. Typischerweise fertigen nur noch Kleinserienhersteller und einheimische Produzenten in China und Indien KMG mit Granitrahmen, da der technologische Ansatz weniger anspruchsvoll ist und der Einstieg in die KMG-Rahmenfertigung einfacher. Der zunehmende Trend zum Scannen erfordert zudem eine steifere Z-Achse der KMG, weshalb neue Materialien wie Keramik und Siliziumkarbid eingeführt wurden.
• Sondierungssystem
• Datenerfassungs- und -auswertungssystem – umfasst typischerweise eine Maschinensteuerung, einen Desktop-Computer und Anwendungssoftware.

Verfügbarkeit

Diese Maschinen können freistehend, handlich und tragbar sein.

Genauigkeit

Die Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten wird üblicherweise als Unsicherheitsfaktor in Abhängigkeit vom Messabstand angegeben. Bei einem Koordinatenmessgerät mit Messtaster hängt dies von der Wiederholgenauigkeit des Tasttasters und der Genauigkeit der Längenskalen ab. Eine typische Tasttaster-Wiederholgenauigkeit ermöglicht Messungen innerhalb von 0,001 mm bzw. 0,00005 Zoll (ein halbes Zehntel Zoll) über das gesamte Messvolumen. Bei 3-, 3+2- und 5-Achs-Maschinen werden die Tasttaster routinemäßig mit rückführbaren Normalen kalibriert und die Maschinenbewegung mithilfe von Lehren überprüft, um die Genauigkeit sicherzustellen.

Bestimmte Teile

Maschinengehäuse

Die erste Koordinatenmessmaschine (KMM) wurde in den 1950er-Jahren von der schottischen Firma Ferranti entwickelt, um Präzisionsbauteile für ihre Militärprodukte zu vermessen. Diese Maschine besaß jedoch nur zwei Achsen. Die ersten Drei-Achsen-Modelle erschienen in den 1960er-Jahren (von DEA in Italien), und die Computersteuerung hielt Anfang der 1970er-Jahre Einzug. Die erste funktionsfähige KMM wurde jedoch von Browne & Sharpe in Melbourne, England, entwickelt und auf den Markt gebracht. (Leitz in Deutschland produzierte später eine Maschine mit festem Aufbau und beweglichem Tisch.)

Bei modernen Koordinatenmessgeräten (KMG) besteht der Portalrahmen aus zwei Beinen und wird oft als Brücke bezeichnet. Er bewegt sich frei auf dem Granittisch, wobei ein Bein (oft als inneres Bein bezeichnet) einer an einer Seite des Tisches befestigten Führungsschiene folgt. Das gegenüberliegende Bein (oft als äußeres Bein bezeichnet) liegt einfach auf dem Granittisch auf und folgt dessen vertikaler Kontur. Luftlager gewährleisten eine reibungslose Bewegung. Dabei wird Druckluft durch eine Reihe sehr kleiner Löcher in einer flachen Lagerfläche gepresst, um ein gleichmäßiges, aber kontrolliertes Luftkissen zu erzeugen, auf dem sich das KMG nahezu reibungsfrei bewegen kann. Reibung kann softwareseitig kompensiert werden. Die Bewegung der Brücke bzw. des Portals auf dem Granittisch bildet eine Achse der XY-Ebene. Die Brücke des Portals enthält einen Schlitten, der zwischen dem inneren und dem äußeren Bein quert und die andere horizontale X- bzw. Y-Achse bildet. Die dritte Bewegungsachse (Z-Achse) wird durch eine vertikale Spindel realisiert, die sich in der Mitte des Schlittens auf und ab bewegt. Der Messtaster am Ende der Spindel dient als Sensor. Die Bewegung der X-, Y- und Z-Achse beschreibt den gesamten Messbereich. Optionale Drehtische verbessern die Manövrierbarkeit des Messtasters auch bei komplexen Werkstücken. Der Drehtisch als vierte Antriebsachse erweitert zwar nicht die Messabmessungen (diese bleiben dreidimensional), bietet aber mehr Flexibilität. Einige Messtaster sind selbst angetriebene Drehvorrichtungen, deren Tastspitze sich vertikal um mehr als 180 Grad und um 360 Grad drehen lässt.

Koordinatenmessgeräte (KMG) sind heute in einer Vielzahl weiterer Ausführungen erhältlich. Dazu gehören KMG-Arme, die Winkelmessungen an den Gelenken des Arms nutzen, um die Position der Tastspitze zu berechnen. Sie können mit Messtastern für Laserscanning und optische Bildgebung ausgestattet werden. Solche Arm-KMG werden häufig dort eingesetzt, wo ihre Mobilität gegenüber herkömmlichen stationären KMG von Vorteil ist. Durch das Speichern von Messpositionen ermöglicht die Programmiersoftware zudem die Bewegung des Messarms und seines Messvolumens um das zu messende Werkstück während des Messvorgangs. Da KMG-Arme die Flexibilität eines menschlichen Arms nachahmen, können sie oft auch das Innere komplexer Bauteile erreichen, das mit einer Standard-Drei-Achs-Maschine nicht abgetastet werden kann.

Mechanische Sonde

In den Anfängen der Koordinatenmesstechnik (KMM) wurden mechanische Messtaster in einer speziellen Halterung am Ende der Messspindel befestigt. Ein gängiger Messtaster bestand aus einer an das Ende eines Schafts gelöteten Hartkugel. Dieser eignete sich ideal zur Messung einer Vielzahl von ebenen, zylindrischen oder sphärischen Oberflächen. Andere Messtaster wurden in spezifische Formen, beispielsweise einen Quadranten, geschliffen, um die Messung besonderer Merkmale zu ermöglichen. Diese Messtaster wurden physisch an das Werkstück angelegt, wobei die Position im Raum von einer 3-Achsen-Digitalanzeige (DRO) abgelesen oder, in fortschrittlicheren Systemen, mittels eines Fußschalters oder eines ähnlichen Geräts an einen Computer übertragen wurde. Messungen mit dieser Kontaktmethode waren oft unzuverlässig, da die Maschinen von Hand bewegt wurden und jeder Maschinenbediener unterschiedlichen Druck auf den Messtaster ausübte oder unterschiedliche Messtechniken anwandte.

Eine weitere Entwicklung war die Integration von Motoren für den Antrieb jeder Achse. Die Bediener mussten die Maschine nicht mehr berühren, sondern konnten jede Achse mithilfe einer Handsteuerung mit Joysticks steuern, ähnlich wie bei modernen ferngesteuerten Autos. Die Messgenauigkeit und -präzision verbesserten sich mit der Erfindung des elektronischen Messtasters dramatisch. Pionier dieses neuen Messtasters war David McMurtry, der später das heutige Unternehmen Renishaw plc gründete. Obwohl es sich weiterhin um ein Kontaktgerät handelte, besaß der Messtaster einen federbelasteten Stahlkugel- (später Rubinkugel-) Tastkopf. Beim Berühren der Werkstückoberfläche wurde der Tastkopf ausgelenkt und gleichzeitig die X-, Y- und Z-Koordinateninformationen an den Computer übermittelt. Messfehler durch einzelne Bediener traten seltener auf, und der Weg für die Einführung von CNC-Bearbeitungen und den Durchbruch der Koordinatenmessgeräte war geebnet.

Optische Sonden sind Linsen-CCD-Systeme, die wie mechanische Sonden bewegt und auf den Messpunkt ausgerichtet werden, anstatt das Material zu berühren. Das aufgenommene Oberflächenbild wird innerhalb eines Messfensters so lange verkleinert, bis der Kontrast zwischen schwarzen und weißen Bereichen ausreichend ist. Die Trennkurve kann bis zu einem Punkt berechnet werden, der dem gewünschten Messpunkt im Raum entspricht. Die horizontale Information auf dem CCD-Sensor ist zweidimensional (XY), die vertikale Position entspricht der Position des gesamten Messsystems auf dem Z-Antrieb des Stativs (oder einer anderen Gerätekomponente).

Rastersondensysteme

Neuere Modelle verfügen über Tastköpfe, die über die Oberfläche des Werkstücks gleiten und in festgelegten Abständen Messpunkte erfassen – sogenannte Scanning-Tastköpfe. Diese Methode der Koordinatenmessmaschine (KMM) ist oft genauer als die herkömmliche Tastmessung und meist auch schneller.

Die nächste Generation des Scannens, das sogenannte berührungslose Scannen, zu dem Hochgeschwindigkeits-Laser-Einzelpunkt-Triangulation, Laserlinien-Scanning und Weißlicht-Scanning gehören, entwickelt sich rasant. Bei diesem Verfahren werden Laserstrahlen oder Weißlicht auf die Oberfläche des Bauteils projiziert. Dabei werden Tausende von Punkten erfasst, die nicht nur zur Überprüfung von Größe und Position, sondern auch zur Erstellung eines 3D-Bildes des Bauteils verwendet werden. Diese Punktwolkendaten können anschließend in CAD-Software übertragen werden, um ein funktionsfähiges 3D-Modell des Bauteils zu erstellen. Optische Scanner werden häufig für weiche oder empfindliche Bauteile oder zur Unterstützung von Reverse Engineering eingesetzt.

Mikrometrologie-Sonden

Messsysteme für die Mikromesstechnik stellen ein weiteres aufstrebendes Forschungsgebiet dar. Es gibt mehrere kommerziell erhältliche Koordinatenmessgeräte (KMG) mit integrierter Mikrosonde, diverse Spezialsysteme in staatlichen Laboren sowie zahlreiche universitäre Messplattformen für die Mikromesstechnik. Obwohl diese Maschinen gute und in vielen Fällen exzellente Messplattformen für den Nanometerbereich darstellen, ist ihre größte Einschränkung der Mangel an einer zuverlässigen, robusten und leistungsfähigen Mikro-/Nanosonde.^{[Quellenangabe erforderlich]}Zu den Herausforderungen für die Mikrosonde-Technologie gehört der Bedarf an einer Sonde mit hohem Aspektverhältnis, die es ermöglicht, tiefe, schmale Strukturen mit geringen Kontaktkräften zu erreichen, um die Oberfläche nicht zu beschädigen, und die eine hohe Präzision (Nanometerbereich) erfordert.^{[Quellenangabe erforderlich]}Darüber hinaus sind Mikrosonden anfällig für Umwelteinflüsse wie Feuchtigkeit und Oberflächenwechselwirkungen wie Haftreibung (verursacht unter anderem durch Adhäsion, Meniskus und/oder Van-der-Waals-Kräfte).^{[Quellenangabe erforderlich]}

Technologien zur Mikromessung umfassen unter anderem verkleinerte Versionen klassischer Koordinatenmessgeräte, optische Sonden und Stehwellensonden. Aktuelle optische Technologien lassen sich jedoch nicht so weit verkleinern, dass tiefe, schmale Strukturen vermessen werden können, und die optische Auflösung ist durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt. Röntgenbildgebung liefert zwar ein Bild der Struktur, aber keine rückführbaren messtechnischen Informationen.

Physikalische Prinzipien

Optische und/oder Lasersonden (möglichst in Kombination) können eingesetzt werden, wodurch Koordinatenmessgeräte zu Messmikroskopen oder Multisensor-Messmaschinen werden. Streifenprojektionssysteme, Theodolit-Triangulationssysteme oder Laser-Distanz- und Triangulationssysteme werden zwar nicht als Messmaschinen bezeichnet, das Messergebnis ist jedoch dasselbe: ein Raumpunkt. Lasersonden dienen der Messung des Abstands zwischen der Oberfläche und dem Referenzpunkt am Ende der kinematischen Kette (d. h. am Ende der Z-Achse). Dies kann mithilfe einer interferometrischen Funktion, Fokusvariation, Lichtablenkung oder eines Strahlschattenprinzips erfolgen.

Tragbare Koordinatenmessgeräte

Während herkömmliche Koordinatenmessgeräte (KMG) einen Messtaster verwenden, der sich auf drei kartesischen Achsen bewegt, um die physikalischen Eigenschaften eines Objekts zu messen, verwenden tragbare KMG entweder Gelenkarme oder, im Falle optischer KMG, armfreie Abtastsysteme, die optische Triangulationsverfahren nutzen und eine völlige Bewegungsfreiheit um das Objekt herum ermöglichen.

Tragbare Koordinatenmessgeräte mit Gelenkarmen verfügen über sechs oder sieben Achsen, die anstelle von Linearachsen mit Drehgebern ausgestattet sind. Diese tragbaren Arme sind leicht (typischerweise unter 9 kg) und können nahezu überall eingesetzt werden. Optische Koordinatenmessgeräte finden jedoch zunehmend Anwendung in der Industrie. Ausgestattet mit kompakten Linear- oder Matrix-Array-Kameras (wie der Microsoft Kinect) sind optische Koordinatenmessgeräte kleiner als tragbare Koordinatenmessgeräte mit Gelenkarmen, kabellos und ermöglichen Anwendern die einfache Durchführung von 3D-Messungen an Objekten aller Art, nahezu überall.

Bestimmte nicht-repetitive Anwendungen wie Reverse Engineering, Rapid Prototyping und die großflächige Prüfung von Teilen aller Größen eignen sich ideal für mobile Koordinatenmessgeräte (KMG). Die Vorteile mobiler KMG sind vielfältig. Anwender können 3D-Messungen an allen Arten von Teilen flexibel und selbst an schwer zugänglichen Orten durchführen. Sie sind einfach zu bedienen und benötigen keine kontrollierte Umgebung für präzise Messungen. Darüber hinaus sind mobile KMG in der Regel kostengünstiger als herkömmliche KMG.

Die systembedingten Nachteile von tragbaren Koordinatenmessgeräten (KMG) liegen in der manuellen Bedienung (sie erfordern stets einen Bediener). Darüber hinaus ist ihre Gesamtgenauigkeit mitunter etwas geringer als die von Brücken-KMG und sie eignen sich daher weniger für bestimmte Anwendungen.

Multisensor-Messgeräte

Die traditionelle Koordinatenmesstechnik mit Messtastern wird heute häufig mit anderen Messtechnologien kombiniert. Dazu gehören Laser-, Video- oder Weißlichtsensoren, um die sogenannte Multisensormessung zu ermöglichen.