Messsystem Messung auf Basis der Interferometrie mit scheinbar taktiler Antastsystematik

Ein auf Interferometrie basierendes Messsystem ermöglicht das Antasten und Auswerten der Messpunkte in gewohnter Manier. Die in ein Koordinatenmessgerät (KMG) integrierte Messtechnik verbindet hohe Genauigkeit mit geringen Abmessungen und hat sich im 24-Stunden-Betrieb beim Vermessen von Zylinderköpfen bewährt.

Anbieter zum Thema

Klinkhammer Intralogistics GmbH

Schages GmbH & Co.KG

Renishaw GmbH

Am Anfang stand bei IBTL die Herausforderung, eine funktionale, schnelle und robuste Messmethode für teil- und unbearbeitete Gussteile zu konzipieren. Bestehende taktile Methoden stossen bei rauen Gussoberflächen schnell an ihre Grenzen. Sowohl im Bezug auf Reproduzierbarkeit als auch bei Geschwindigkeit und Verschleiß.

Messsysteme mit Laser oder Kamera bieten nur begrenzte Möglichkeiten

Auf Laser oder Kamera basierende Messsysteme können zwar einzelne Messaufgaben an Gussteilen lösen, sind aber in der Regel alleine durch die Grösse der Sensoren auf außenliegende Merkmale limitiert, so dass etwa das Vermessen der Innengeometrien von Ein- oder Auslasskanälen die Grenzen der bisherigen optischen Messtechnik aufzeigt. Daher wurde schnell klar, dass ein neuer Ansatz gefunden werden musste, um mit einem KMG Gussteile universell, schnell und verschleißfrei messen zu können.

Erfahrungen mit auf Laufzeitmessung basierenden (holografischen) Lasersensoren, welche bereits seit einigen Jahren in der IBTL-Cono-Round-Koordinatenmessmaschine im Einsatz sind und sich dort zum Beispiel beim optischen Vermessen von Verzahnungen bewährt haben, haben schließlich zu einer Lösung geführt. Bei dieser Messmaschine wurde erstmals ein automatisches Wechseloptiksystem für nichtbildgebende Sensoren eingeführt, so dass mit dieser Systematik unterschiedlich abgewinkelter Optiken eine der taktilen Antastung ähnliche Durchführung von optischen Messungen möglich wurde.

Nachteil dieser Lasersensoren war allerdings die recht beschränkte Genauigkeit im Bereich von weniger als 2 µm sowie der benötigten verhältnismäßig großen Durchmesser der einzelnen Optiken. Diese ermöglichte einen minimalen Optikdurchmesser von lediglich 27 mm, limitierte also ebenfalls die Einsatzmöglichkeiten der Sensorik.

Neues Messsystem auf Basis von Interferometrie misst deutlich genauer

Ein neues, auf Interferometrie basierendes System, welches bereits in der Medizintechnik und im Halbleiterbereich erfolgreich eingeführt war, löste die noch offenen Fragen der möglichst hohen Genauigkeit und niedrigen Abmessungen.

Die teilweise wesentlichen Unterschiede zu bisherigen auf dem Markt verfügbaren interferometrischen Sensoren ermöglichen die Systematik der so genannten Virtu-Taktilen Messtechnik.

Die wichtigsten Daten des Sensorsystems sind:

• Messunsicherheiten < 0,3 µm,
• Autofokussystem für einen Messbereich zwischen 1 und 10 mm über Optik,
• 2-kanaliges System mit unterschiedlichen Frequenzen (800 und 1300 nm),
• Ausführungen mit integrierter luftgelagerter Rotationsachse und mit integrierten luftgelagerten Rotations- und Linearachsen,
• optische Rauheitsmessung,
• wechselbare optische Messnadeln in verschiedenen Ausführungen: Nadeln mit Durchmessern von 0,7 bis 10 mm, Nadeln mit L-förmiger Abwinkelung, ein- und zweikanalige Nadeln, Nadeln mit Längen zwischen 40 und 130 mm und Nadeln mit Hauptantastungsrichtungen 0, 45 und 90°,
• Abtastraten bis zu 10 kHz,
• spezielle Wechselaufnahmen für wiederholgenaue Nadel-Positionierung und in die Aufnahme integrierte Kollisionsschutzvorrichtung,
• Antastkraft 0,0 N, das heißt neue Möglichkeiten bei den zu messenden Bauteilen.

Auf Basis von hochgenauen Linearführungen, welche in X,Y, Z angeordnet wurden, sowie einer Drehachse entstanden flexible 4-Achs-Systeme. Diese wurden zu einer Multikoordinatenmessmaschine in einem massiven Stahlrahmen mehrfach angeordnet und mit einem interferometrischen Sensorsystem ausgestattet. Durch unterschiedliche Winkelstellungen der 4-Achs-Systeme ist es möglich Brennraumgeometrien sowie Ein- und Auslasskanäle/Seiten parallel zu vermessen.

Cono-Portal-Cast-Multikoordinatenmessmaschine nutzt Vorteile des Sensorsystems

Aufgrund dieser besonderen Eigenschaften des Sensorsystems, kombiniert mit der Wechseloptiksystematik, wurde von IBTL die Cono-Portal-Cast-Multikoordinatenmessmaschine mit optischer Virtu-Taktiler Messtechnik gebaut, welche mittlerweile mehrfach bei Nemak, ehemals Rautenbach in Wernigerode, im Einsatz ist.

IBTL hat für diese Messaufgabe eine eigenständige Softwarelösung auf Basis von Poly-Works von Innov-metric erstellt. Diese ermöglicht die Verarbeitung von 3D-Modellen als Grundlage für die Messprogrammerstellung. Gleichzeitig hält sie die Schnittstellen zur Anlagen-SPS und Datenablage (Q-Stat) bereit.

Messmaschinen für Gießerei in klimatisierten Kabinen

Die Messmaschinen arbeiten in diesem schwierigen Umfeld in klimatisierten Kabinen, damit sich die Kalibrier- und Reinigungszyklen in einem vertretbaren Rahmen bewegen. Die inzwischen gesammelten Erfahrungen mit den Messmaschinen sind überaus positiv.

Wie in großen Gießereien üblich, läuft die Produktion dort an sieben Tagen in der Woche, 24 Stunden am Tag. Auf jeder Messmaschine werden arbeitstäglich über 1000 Zylinderköpfe unterschiedlichster Typen flexibel vermessen. Die Toleranzen bei der Rohteilvermessung liegen bei wenigen Zehnteln, so dass die Maschine in dieser robusten Ausführung mit Stahlführungen eine Genauigkeit von 20 µ + L/400 aufweist.

Gemessen werden sämtliche dimensionellen Größen, wie Durchmesser, Kontur, Längen und Abstände, Zylinder, Positionen.

Virtuell-Taktile Messtechnik auch für Standard-Koordinatenmessgeräte

Die Erfahrungen mit dem neuen interferometrischen Sensor waren so gut, dass entschieden wurde die Virtuell-Taktile Messtechnik auch für Standard-Koordinatenmessgeräte zu adaptieren.

Grundlage dafür sind KMG-Frames eines Unternehmens aus dem Raum Wetzlar. Der interferometrische Sensor wird an der Pinole des KMG adaptiert. Im Gegensatz zu anderen optischen Sensoren, welche in der Regel für die Renishaw-Standard-Schnittstelle geeignet sind, verlangt der interferometrische Sensor eine eigenständige Integration in das KMG. Dies liegt an den insgesamt bis zu vier Lichtwellenleitern.

Interferometrischer Sensor in Koordinatenmessmaschine deckt fast alle Einsatzbereiche ab

Die Messunsicherheit von 0,3 µm bei einem gleichzeitig praxistauglichen Messweg von 10 mm ermöglicht in der Kombination mit einer 3D-Koordinatenmessmaschine eine annähernd unbeschränkte Einsatzmöglichkeit der Messtechnik.

Durch das in den Sensorkopf integrierte Rotationslager ist die Maschine bei fixiertem Portal in der Lage, beispielsweise Bohrungen mit einer Messunsicherheit von 0,3 µm innerhalb von zirka 3 bis 4 s scannend zu messen.

Um alle Messaufgaben wie gewohnt erledigen zu können, gibt es optional eine so genannte „Huckepack“-Pinole, welche zusätzlich ein Renishaw-Tastsystem trägt. Damit können zum Beispiel die Merkmale gemessen werden, welche nur mit einem speziellen Messtaster erreicht werden können.

Analog zu den Renishaw-Tasterwechslern gibt es auch ein entsprechendes System für die Wechseloptiken, so dass ein vollständiger CNC-Messablauf realisiert werden kann. IBTL zeigt die Messmaschine auf der EMO in Halle 5, Stand F68. MM

Dipl.-Wi-Ing. Gerhard Armlich ist Geschäftsführer der IBTL Lang & Armlich GmbH, 76456 Kuppenheim

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