Was ist eine Koordinatenmessmaschine?

AKoordinatenmessgerätEin Koordinatenmessgerät (KMG) ist ein Gerät zur Messung der Geometrie physikalischer Objekte, indem es einzelne Punkte auf der Oberfläche des Objekts mit einem Messtaster erfasst. In KMGs kommen verschiedene Sondentypen zum Einsatz, darunter mechanische, optische, Laser- und Weißlichtsonden. Je nach Gerät kann die Sondenposition manuell oder computergesteuert gesteuert werden. KMGs geben die Position einer Sonde typischerweise als Abweichung von einer Referenzposition in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem (mit XYZ-Achsen) an. Neben der Sondenbewegung entlang der X-, Y- und Z-Achse ermöglichen viele Geräte auch die Steuerung des Sondenwinkels, um Messungen an Oberflächen zu ermöglichen, die sonst unerreichbar wären.

Das typische 3D-Brücken-KMG ermöglicht die Sondenbewegung entlang der drei Achsen X, Y und Z, die in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem orthogonal zueinander stehen. Jede Achse verfügt über einen Sensor, der die Position der Sonde auf dieser Achse typischerweise mikrometergenau überwacht. Wenn die Sonde 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 durchgeführten Messung. Dieser Vorgang wird bei Bedarf wiederholt, wobei die Sonde jedes Mal bewegt wird, um eine „Punktwolke“ zu erzeugen, die die relevanten Oberflächenbereiche beschreibt.

Koordinatenmessgeräte werden häufig in Fertigungs- und Montageprozessen eingesetzt, um Teile oder Baugruppen auf ihre Konstruktionsvorgaben zu prüfen. Dabei werden Punktwolken generiert, die mittels Regressionsalgorithmen zur Merkmalskonstruktion analysiert werden. Diese Punkte werden mithilfe einer Sonde erfasst, die manuell vom Bediener oder automatisch über Direct Computer Control (DCC) positioniert wird. DCC-Koordinatenmessgeräte können so programmiert werden, dass sie identische Teile wiederholt messen; ein automatisiertes Koordinatenmessgerät ist somit eine spezielle Form eines Industrieroboters.

Ersatzteile

Koordinatenmessgeräte bestehen aus drei Hauptkomponenten:

• Die Hauptstruktur umfasst drei Bewegungsachsen. Das für die Konstruktion des beweglichen Rahmens verwendete Material hat sich über die Jahre verändert. In den frühen KMGs wurden Granit und Stahl verwendet. Heute bauen alle großen KMG-Hersteller Rahmen aus Aluminiumlegierungen oder einem Derivat und verwenden auch Keramik, um die Steifigkeit der Z-Achse für Scan-Anwendungen zu erhöhen. Aufgrund der Marktnachfrage nach verbesserter Messdynamik und des zunehmenden Trends, KMG außerhalb von Qualitätslabors zu installieren, produzieren heute nur noch wenige KMG-Hersteller KMG mit Granitrahmen. Aufgrund des geringen Technologieansatzes und des einfachen Einstiegs in den KMG-Rahmenbau stellen in der Regel nur noch KMG-Hersteller mit kleinen Stückzahlen und inländische Hersteller in China und Indien noch KMG mit Granitrahmen her. Der zunehmende Trend zum Scannen erfordert auch eine steifere Z-Achse des KMG und führt neue Materialien wie Keramik und Siliziumkarbid ein.
• Tastsystem
• System zur Datenerfassung und -reduzierung – umfasst normalerweise eine Maschinensteuerung, einen Desktop-Computer und Anwendungssoftware.

Verfügbarkeit

Diese Maschinen können freistehend, handgehalten und tragbar sein.

Genauigkeit

Die Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten wird typischerweise als Unsicherheitsfaktor in Abhängigkeit von der Entfernung angegeben. Bei einem KMG mit Tastkopf bezieht sich dies auf die Wiederholgenauigkeit des Tastkopfs und die Genauigkeit der linearen Skalen. Die typische Wiederholgenauigkeit des Tastkopfs kann zu Messungen innerhalb von 0,001 mm oder 0,00005 Zoll (einem halben Zehntel) über das gesamte Messvolumen führen. Bei 3-, 3+2- und 5-Achs-Maschinen werden die Tastköpfe routinemäßig anhand rückführbarer Standards kalibriert, und die Maschinenbewegung wird mithilfe von Messuhren überprüft, um die Genauigkeit sicherzustellen.

Spezifische Teile

Maschinenkörper

Das erste Koordinatenmessgerät (KMG) wurde in den 1950er Jahren von der schottischen Ferranti Company entwickelt, da der Bedarf an der Messung von Präzisionskomponenten in ihren Militärprodukten bestand. Dieses Gerät verfügte allerdings nur über zwei Achsen. Die ersten dreiachsigen Modelle kamen in den 1960er Jahren (DEA, Italien) auf den Markt, und die Computersteuerung hielt Anfang der 1970er Jahre Einzug. Das erste funktionsfähige KMG wurde jedoch von Browne & Sharpe in Melbourne, England, entwickelt und auf den Markt gebracht. (Leitz Deutschland produzierte später eine feste Maschinenstruktur mit beweglichem Tisch.)

Bei modernen Maschinen verfügt der portalartige Aufbau über zwei Beine und wird oft als Brücke bezeichnet. Diese bewegt sich frei entlang des Granittisches, wobei ein Bein (oft als Innenbein bezeichnet) einer seitlich am Granittisch angebrachten Führungsschiene folgt. Das gegenüberliegende Bein (oft Außenbein) liegt einfach auf dem Granittisch auf und folgt der vertikalen Oberflächenkontur. Luftlager sind die bevorzugte Methode für einen reibungslosen Lauf. Dabei wird Druckluft durch eine Reihe sehr kleiner Löcher in einer flachen Lagerfläche gepresst, um ein gleichmäßiges, aber kontrolliertes Luftpolster zu erzeugen, auf dem sich das KMG nahezu reibungslos bewegen kann, was softwareseitig kompensiert werden kann. Die Bewegung der Brücke bzw. des Portals entlang des Granittisches bildet eine Achse der XY-Ebene. Die Brücke des Portals enthält einen Schlitten, der zwischen den Innen- und Außenbeinen verfährt und die andere horizontale X- bzw. Y-Achse bildet. Die dritte Bewegungsachse (Z-Achse) wird durch eine zusätzliche vertikale Pinole oder Spindel bereitgestellt, die sich durch die Mitte des Schlittens auf und ab bewegt. Der Tastkopf am Ende der Pinole bildet den Sensor. Die Bewegung der X-, Y- und Z-Achse beschreibt den gesamten Messbereich. Optionale Drehtische verbessern die Annäherung des Messtasters an komplexe Werkstücke. Der Drehtisch als vierte Antriebsachse erweitert zwar nicht die Messdimensionen, die weiterhin dreidimensional bleiben, bietet aber ein gewisses Maß an Flexibilität. Einige Tastsysteme sind selbst angetriebene Drehgeräte, deren Tasterspitze vertikal um mehr als 180 Grad schwenkbar und um 360 Grad drehbar ist.

Koordinatenmessgeräte sind mittlerweile auch in verschiedenen anderen Ausführungen erhältlich. Dazu gehören Koordinatenmessgerätearme, die Winkelmessungen an den Armgelenken nutzen, um die Position der Tastspitze zu berechnen, und mit Sonden für Laserscanning und optische Bildgebung ausgestattet werden können. Solche Arm-Koordinatenmessgeräte werden häufig dort eingesetzt, wo ihre Mobilität gegenüber herkömmlichen Festbett-Koordinatenmessgeräten von Vorteil ist. Durch die Speicherung gemessener Positionen ermöglicht die Programmiersoftware auch die Bewegung des Messarms selbst und seines Messvolumens um das zu messende Teil während eines Messvorgangs. Da Koordinatenmessgerätearme die Flexibilität eines menschlichen Arms nachahmen, können sie oft auch das Innere komplexer Teile erreichen, das mit einer herkömmlichen Drei-Achsen-Maschine nicht abgetastet werden könnte.

Mechanische Sonde

In den Anfängen der Koordinatenmessung (KMG) wurden mechanische Taster in spezielle Halter am Ende der Pinole eingesetzt. Ein sehr verbreiteter Taster wurde durch Auflöten einer harten Kugel auf ein Schaftende hergestellt. Dieser Taster war ideal für die Messung einer ganzen Reihe von ebenen, zylindrischen oder sphärischen Oberflächen. Andere Taster wurden in spezielle Formen geschliffen, beispielsweise einen Quadranten, um die Messung spezieller Merkmale zu ermöglichen. Diese Taster wurden physisch gegen das Werkstück gehalten und ihre Position im Raum von einer 3-Achsen-Digitalanzeige (DRO) abgelesen oder, bei moderneren Systemen, per Fußschalter oder einem ähnlichen Gerät in einen Computer eingegeben. Messungen mit dieser Kontaktmethode waren oft unzuverlässig, da die Maschinen von Hand bewegt wurden und jeder Maschinenbediener unterschiedlich viel Druck auf den Taster ausübte oder unterschiedliche Messtechniken anwandte.

Eine weitere Entwicklung war der Einbau von Motoren zum Antrieb jeder Achse. Die Bediener mussten die Maschine nicht mehr physisch berühren, sondern konnten jede Achse mithilfe einer Handsteuerung mit Joysticks steuern, ähnlich wie bei modernen ferngesteuerten Autos. Messgenauigkeit und Präzision verbesserten sich mit der Erfindung des elektronischen Tastkopfs mit taktiler Schaltung dramatisch. Der Pionier dieses neuen Tastkopfs war David McMurtry, der später das heutige Unternehmen Renishaw plc gründete. Obwohl der Tastkopf noch immer ein Kontaktgerät war, besaß er einen federbelasteten Stahlkugel- (später Rubinkugel-)Stabstift. Wenn der Tastkopf die Oberfläche des Werkstücks berührte, lenkte der Stabstift ab und übertrug gleichzeitig die X-, Y- und Z-Koordinatendaten an den Computer. Die Zahl der von einzelnen Bedienern verursachten Messfehler nahm ab, und der Weg war bereitet für die Einführung von CNC-Bearbeitungen und die Entwicklung von Koordinatenmessgeräten.

Optische Sonden sind Linsen-CCD-Systeme, die wie mechanische bewegt werden und auf den zu messenden Punkt gerichtet sind, anstatt das Material zu berühren. Das aufgenommene Bild der Oberfläche wird innerhalb der Grenzen eines Messfensters so weit eingefasst, dass ein ausreichender Kontrast zwischen schwarzen und weißen Bereichen besteht. Die Trennkurve kann zu einem Punkt berechnet werden, der den gewünschten Messpunkt im Raum darstellt. Die horizontale Information auf dem CCD ist zweidimensional (XY), die vertikale Position entspricht der Position des gesamten Tastsystems auf dem Z-Antrieb des Stativs (oder einer anderen Gerätekomponente).

Rastersondensysteme

Neuere Modelle verfügen über Sonden, die über die Oberfläche des Werkstücks gleiten und in festgelegten Abständen Punkte erfassen. Diese Methode der KMG-Prüfung ist oft genauer als die herkömmliche Tastmethode und meist auch schneller.

Die nächste Generation des Scannens, das sogenannte berührungslose Scannen, das Hochgeschwindigkeits-Laser-Einzelpunkttriangulation, Laserlinienscannen und Weißlichtscannen umfasst, entwickelt sich rasant weiter. Bei dieser Methode werden entweder Laserstrahlen oder Weißlicht auf die Oberfläche des Werkstücks projiziert. Tausende von Punkten können so erfasst und nicht nur zur Überprüfung von Größe und Position, sondern auch zur Erstellung eines 3D-Bildes des Werkstücks verwendet werden. Diese „Punktwolkendaten“ können anschließend in CAD-Software übertragen werden, um ein funktionierendes 3D-Modell des Werkstücks zu erstellen. Diese optischen Scanner werden häufig bei weichen oder empfindlichen Werkstücken oder zum Reverse Engineering eingesetzt.

Mikrometrologie-Sonden

Ein weiterer aufstrebender Bereich sind Messsysteme für mikrometergenaue Messanwendungen. Es gibt mehrere kommerziell erhältliche Koordinatenmessgeräte (KMG) mit integriertem Mikrotaster, mehrere Spezialsysteme in staatlichen Laboren und zahlreiche von Universitäten entwickelte Messplattformen für die Mikrometergenauigkeit. Obwohl diese Maschinen gute und in vielen Fällen hervorragende Messplattformen für nanometergenaue Messanwendungen sind, liegt ihre Hauptbeschränkung in der Zuverlässigkeit, Robustheit und Leistungsfähigkeit des Mikro-/Nanotasters.^{[Quellenangabe erforderlich]}Zu den Herausforderungen bei Mikromesstechnologien gehört die Notwendigkeit einer Sonde mit hohem Aspektverhältnis, die den Zugang zu tiefen, schmalen Merkmalen mit geringer Kontaktkraft ermöglicht, um die Oberfläche nicht zu beschädigen und eine hohe Präzision (auf Nanometerebene) zu gewährleisten.^{[Quellenangabe erforderlich]}Darüber hinaus sind Mikrosonden anfällig gegenüber Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit und Oberflächeninteraktionen wie Haftreibung (verursacht unter anderem durch Adhäsion, Meniskus und/oder Van-der-Waals-Kräfte).^{[Quellenangabe erforderlich]}

Technologien zur Mikroskalenmessung umfassen unter anderem verkleinerte Versionen klassischer CMM-Sonden, optische Sonden und eine Stehwellensonde. Aktuelle optische Technologien können jedoch nicht klein genug skaliert werden, um tiefe, schmale Merkmale zu messen, und die optische Auflösung ist durch die Wellenlänge des Lichts begrenzt. Röntgenaufnahmen liefern zwar ein Bild des Merkmals, jedoch keine messtechnischen Informationen.

Physikalische Grundlagen

Optische Sonden und/oder Lasersonden (ggf. kombiniert) können eingesetzt werden, wodurch Koordinatenmessgeräte zu Messmikroskopen oder Multisensor-Messgeräten werden. Streifenprojektionssysteme, Theodoliten-Triangulationssysteme oder Laser-Distanz- und Triangulationssysteme werden zwar nicht als Messgeräte bezeichnet, das Messergebnis ist jedoch dasselbe: ein Raumpunkt. Lasersonden dienen zur Abstandsmessung zwischen der Oberfläche und dem Referenzpunkt am Ende der kinematischen Kette (z. B. am Ende des Z-Antriebs). Dies kann durch interferometrische Funktionen, Fokusvariation, Lichtablenkung oder ein Strahlabschattungsverfahren erfolgen.

Tragbare Koordinatenmessgeräte

Während herkömmliche Koordinatenmessgeräte eine Sonde verwenden, die sich auf drei kartesischen Achsen bewegt, um die physikalischen Eigenschaften eines Objekts zu messen, verwenden tragbare Koordinatenmessgeräte entweder Gelenkarme oder, im Fall optischer Koordinatenmessgeräte, armlose Scansysteme, die optische Triangulationsmethoden verwenden und völlige Bewegungsfreiheit um das Objekt herum ermöglichen.

Tragbare Koordinatenmessgeräte mit Gelenkarmen verfügen über sechs oder sieben Achsen, die mit Drehgebern anstelle von Linearachsen ausgestattet sind. Tragbare Arme sind leicht (typischerweise weniger als 9 kg) und können praktisch überallhin mitgenommen und eingesetzt werden. Optische Koordinatenmessgeräte finden jedoch zunehmend Verwendung in der Industrie. Sie sind mit kompakten Linear- oder Matrix-Kameras (wie der Microsoft Kinect) ausgestattet, kleiner als tragbare Koordinatenmessgeräte mit Armen, kommen ohne Kabel aus und ermöglichen die einfache 3D-Messung von Objekten aller Art an nahezu jedem Ort.

Für bestimmte nicht wiederkehrende Anwendungen wie Reverse Engineering, Rapid Prototyping und die großflächige Prüfung von Teilen aller Größen eignen sich portable Koordinatenmessgeräte optimal. Die Vorteile portabler Koordinatenmessgeräte sind vielfältig. Anwender können flexibel 3D-Messungen an allen Arten von Teilen und an den entlegensten/schwierigsten Standorten durchführen. Sie sind einfach zu bedienen und benötigen keine kontrollierte Umgebung für präzise Messungen. Zudem sind portable Koordinatenmessgeräte in der Regel günstiger als herkömmliche Koordinatenmessgeräte.

Tragbare Koordinatenmessgeräte haben den Nachteil, dass sie manuell bedient werden müssen (sie müssen immer von einem Menschen bedient werden). Darüber hinaus kann ihre Gesamtgenauigkeit etwas ungenauer sein als die eines Brücken-Koordinatenmessgeräts und ist für manche Anwendungen weniger geeignet.

Multisensor-Messgeräte

Die traditionelle KMG-Technologie mit Tastsensoren wird heute häufig mit anderen Messtechnologien kombiniert. Dazu gehören Laser-, Video- oder Weißlichtsensoren, um eine sogenannte Multisensormessung zu ermöglichen.