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Wellenparameter berührungslos in der Fertigung bestimmen

29.09.2006 | Redakteur: MM

Berührungslos und hochpräzise arbeitende Messsysteme für unterschiedlichste Wellenformen werden in zunehmendem Maße vor allem in der Qualitätssicherung eingesetzt. Sie sind gleichermaßen für die...

Berührungslos und hochpräzise arbeitende Messsysteme für unterschiedlichste Wellenformen werden in zunehmendem Maße vor allem in der Qualitätssicherung eingesetzt. Sie sind gleichermaßen für die Verwendung in der Fertigung sowie im Messlabor geeignet. Dem Anwender ermöglichen sie aufgrund ihres universellen und hochflexiblen Einsatzes das berührungslose Messen sämtlicher Wellenparameter.Die seit den 60er Jahren entwickelten und weltweit bewährten taktilen Messverfahren befinden sich hinsichtlich der eingesetzten Hard- und Software auf einem technologisch hohen Niveau. Jedoch ist die taktile Antastung zeitaufwendig, obwohl bereits unterschiedlichste Methoden zur Beschleunigung des Vorgangs entwickelt wurden.Das Messen einer Kurbelwelle mit Hilfe eines universellen taktilen Systems erfordert eine gewisse Programmier- und Messzeit. Eine erhebliche Zeitoptimierung stellte die Entwicklung der speziellen Mehrstellenmesstechnik dar, obwohl auch hier der Zeitaufwand für die meisten Anwender noch relativ hoch war, zum Beispiel bei der 100%-Kontrolle im Fertigungstakt oder im schnellen Einsatz innerhalb verketteter Produktionsanlagen. Die Mehrstellenmesstechnik ist hauptsächlich dann wirtschaftlich einsetzbar, wenn kein häufiger Produktwechsel erfolgt. Der taktile Messvorgang kann dort Schwierigkeiten bereiten, wo aufgrund besonderer Oberflächenbeschaffenheit des Prüflings eine Beschädigung des Tastersystems möglich ist. Im fertigungsbegleitenden Einsatz ermöglicht das schnelle optische Verfahren die sofortige Registrierung jeder sonst zunächst unbemerkt bleibenden Beeinträchtigung des Werkstücks und verhindert so, dass ein schleichender Qualitätsabfall entstehen kann.Taktile und optische Messsysteme werden häufig in unterschiedlichen Fertigungsstufen eingesetzt und können in Kombination komplexe Messaufgaben erfüllen. Der Anwender kann sich für eine Variante entscheiden, je nach Anforderungen und Beschaffenheit des zu messenden Werkstücks.Kombination der Verfahren bietet hohes Potenzial Besonders die Automobilindustrie erkannte sehr schnell die technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten, die eine Kombination der berührenden und der berührungslosen Messtechnik bedeuten kann. So werden bei einem großen deutschen Kraftfahrzeugproduzenten für die fertigungsbegleitenden Zwischenprüfungen optisch arbeitende Messgeräte eingesetzt, während die Endkontrolle an einer taktilen Messmaschine erfolgt. Die Anfänge der optoelektronischen Messtechnik basieren auf der vor rund 20 Jahren begonnenen Entwicklung von CCD-Einheiten, die heute in jedem Scanner und Kopierer sowie in Digitalkameras integriert sind. Grundlage der berührungslosen Wellenmesssysteme ist die Verbindung von modernen, hochauflösenden CCD-Zeilen mit der auf dem mikroelektronischen Strukturierungsprozess beruhenden Eigenschaft der Maßverkörperung. Das Prinzip basiert auf der Kombination der digitalen Profilbildprojektion mit Elementen der Koordinatenmessmaschine sowie den Möglichkeiten einer Formmessmaschine.Berührendes Messen ist derzeit immer noch genauer als berührungsloses Messen. Gerade im Fertigungsbereich machen sich Umwelteinflüsse, zum Beispiel Schmutz (Emulsionen, Bearbeitungsrückstände, Grat), bei optischen Messeinrichtungen stärker bemerkbar, beispielsweise wenn innerhalb einer verketteten Produktionsanlage kein gesonderter Reinigungsprozess des Prüflings durch eine Luftdusche erfolgt. Auf dem Werkstück befindliche Staubpartikel sind jedoch aufgrund der technischen Entwicklung leicht wegzufiltern.Ein Beispiel für die berührungslose Messtechnik ist die neue Gerätefamilie Hommel Opticline Contur. Die von den Messbereichen her modular aufgebauten Tischmessgeräte dienen dem präzisen Erfassen rotationssymmetrischer Teile, zum Beispiel von Getriebewellen, Motorventilen, Einspritzdüsen, Kurbel- und Nockenwellen, bis zu einem Durchmesser von 140 mm und Gewichten bis 10 kg. Die Werkstücklängen reichen, je nach Gerätetyp, von 200 bis 800 mm.Ein wichtiges Kriterium bei den berührungslosen Wellenmesssystemen ist die einfache Bedienung. Die meisten Geräte werden in der Fertigung zur Zwischenprüfung direkt durch den Maschinenwerker oder innerhalb der automatischen Prüfung eingesetzt. Diese optischen Systeme sind für das Messen von Länge, Durchmesser, Geometrie sowie Form und Lage geeignet und bieten hohe Genauigkeit bei schneller Erfassung aller Prüfmerkmale. Die Messtechnik ist äußerst widerstandsfähig gegen unbeabsichtigte Einflüsse des Bedienungspersonals. Außerdem können weder mechanischer Verschleiß noch Schäden an Sensoren und Tastern entstehen. So ist der effiziente Einsatz sowohl an Einzelmaschinen als auch innerhalb eines Verkettungsbetriebs möglich. Hinzu kommt, dass die eingesetzte Digitalisierungs- und Übertragungstechnik bereits vor Ort 2 und damit unmittelbar innerhalb des industriellen Prozessablaufes 2 weitgehend unempfindlich gegen eventuell auftretende elektromagnetische Störungen ist.Gängige SPC-Softwarepakete, wie zum Beispiel QS-Stat oder Procella, lassen sich in Verbindung mit den Wellenmesssystemen über zertifizierte Schnittstellen einsetzen. Eine separate konfigurierbare Schnittstelle ermöglich darüber hinaus die Einbindung weiterer, beliebiger SPC-Programme. Für die Anbindung an Unternehmensnetzwerke ist bereits eine Netzwerkkarte in die Auswerteeinheit integriert.Die Systeme bieten vielfältige Auswertemöglichkeiten der Messdaten. Prüfpläne können in einfachen Schritten erstellt werden. In der Praxis eignet sich die automatische Datenerfassung und SPC-Auswertung besonders für die schnelle und genaue Erstbemusterung und Fertigungsdokumentation. Die Erstellung der Prüfpläne erfolgt über die grafische Funktionsoberfläche unter Windows NT. Sie ist intuitiv bedienbar und verdeutlicht den gesamten Messablauf durch klare und eindeutige Darstellungen auf dem Farbmonitor. Die grafische Konturauswertung erfolgt über ein bereits integriertes Software-Modul. Dadurch lassen sich alle Werkstückkonturen - wie mit einem Profilprojektor - individuell auswerten. Außer der Verwendung vordefinierter Standardprotokolle für den Ausdruck der Messdaten lassen sich auch personalisierte Protokolle gestalten. Digitalisiertes Schattenbild bietet hohe Messgenauigkeit Das Messobjekt wird optoelektronisch nach dem so genannten ,,Schattenbildprinzip" automatisch abgetastet. Die dabei erzielte Messauflösung pro Einzelmesswert (Y-Achse = 0,5 µm, X-Achse = 0,5 µm Rotation/C-Achse = 0,018°) ermöglicht eine schnelle und präzise Auswertung der kompletten Werkstückkontur. Die Verwendung telezentrischer Objektive der neuen Generation sowie der Einsatz von Digitalkameras mit intelligenter Signalvorverarbeitung gewährleisten hohe Messgenauigkeit. Die integrierte Firewire-Schnittstelle ist für eine Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung geeignet. Eine langlebige Halbleiter-Lichtquelle (Infrarot-LED) erzeugt mit Hilfe einer besonderen Optik ein hochparalleles Licht, das in Form eines ,,Lichtvorhangs" auf das Werkstück gelenkt wird. Auf der anderen Seite des Prüflings befindet sich die Optik der standardisierten ,,Messkamera" mit einem Messbereich von 50 mm, die den entsprechenden Schatten des Objekts auf einen lichtempfindlichen Zeilensensor fokussiert. Dabei wird der Hell-Dunkel-Übergang - und damit das Schattenprofil des Werkstücks - durch die hochauflösende CCD-Zeile erfasst.Während die Erfassung der Grauwerte im Bereich des Hell-Dunkel-Übergangs auf der CCD-Zeile als analoge Signale zur Auswerteeinheit übertragen werden, liefert der Kameradatenlogger die ergänzenden digitalen Messsignale. Vorteile dieser Messtechnologie sind vor allem die Schnelligkeit, die auf der Lichtgeschwindigkeit basiert. Weil keine mechanischen Taster eingerichtet werden müssen, lässt sich zum Beispiel ein beliebiger Wellendurchmesser bereits in Sekundenschnelle hochgenau messen. Für Rotationsmessungen werden die Daten der Außenkontur des Werkstücks während der Rotationsbewegung aufgenommen. Je nach Messprogramm lassen sich dabei beliebige Standardmessfunktionen zu einem optimierten Messablauf kombinieren. Falls noch kein Messprogramm vorhanden ist, wird das rotationssymmetrische Werkstück gespannt, dann automatisch gescannt und im Speicher abgelegt. Danach lässt sich sofort jeder einzelne Maßparameter durch Anklicken mit dem Cursor gezielt abfragen und - unter anderem für die Prüfplanerstellung - speichern. Messbereich bestimmt Anzahl der KamerasJe nach Aufgabenstellung und erforderlichen Messbereich sind die Tischgeräte mit bis zu drei Kameras ausgestattet (eine Kamera für 50 mm, zwei Kameras für 100 mm und drei Kameras für 140 mm). Das Systemprinzip erlaubt aber auch die Kaskadierung, das heißt, dass je nach Aufgabenstellung und Messobjektgröße, mehrere Kameras zu einem kalibrierbaren ,,Messvolumen" zusammengestellt werden können. Jede einzelne Kamera bildet, unabhängig von der Gesamtgröße des Messgerätes und der Gesamtzahl der eingesetzten Kameras, zusammen mit der entsprechenden Halbleiter-Lichtquelle eine komplette Messeinheit. Für besondere Anwendungsbereiche werden Messvorrichtungen in Form stabiler Gusskonstruktionen mit bis zu fünf Kameras angeboten, die sowohl vom Teilegewicht (bis etwa 30 kg) als auch von der Messdimension (bis Durchmesser von 230 mm und einer maximalen Messlänge von 900 mm) her vor allem für die Fertigungsintegration vorgesehen sind. Eine weitere Stufe der berührungslos arbeitenden Wellenmesssysteme besitzt eine Steinbasis und bis zu zehn Kameras. Sie ist für Teilegewichte bis 250 kg und Messlängen bis 2 500 mm und Durchmesser bis 480 mm einsetzbar. Die Bedienung aller Systeme ist aufgrund gleicher Software und gleicher Funktionen absolut identisch, so dass ein einfacher Übergang vom kleinen zum großen System möglich ist.Die umfangreiche Zubehörpalette entspricht der Vielseitigkeit der möglichen Anwendungen. So erfordern die unterschiedlichsten Wellenformen ein flexibel einzusetzendes Programm individueller Spannvorrichtungen. Bereits vorhandene Messmittel lassen sich über eine so genannte ,,Messmittelbox" mit integriertem RS232-Interface an das berührungslose Wellenmesssystem anschließen. So ist es möglich, zahlreiche für das taktile Verfahren bereits vorhandene Handmessmittel verschiedener Hersteller auch für das optische Verfahren einzusetzen. In der Praxis können so zum Beispiel an einem Werkstück die Maße von Durchmesser, Länge, Einstich, Radius und Winkel mit dem optischen System ermittelt werden, während nachträglich noch zu ergänzende Werte mit einem taktilen Messsystem gemessen werden. Dieses gesonderte Einzelmessergebnis kann dann per Fußtaster oder Knopfdruck in die gemeinsame Darstellung integriert und als Bestandteil des Gesamtergebnisses der zentralen Auswertung zugeführt werden. Ausblick auf die künftige Entwicklung: Zur Zeit ist am Markt eine Parallelentwicklung der taktilen Mehrstellenmesstechnik sowie der berührungslos arbeitenden optischen Messsysteme zu beobachten. Langfristig rechnet man bei Hommelwerke sogar mit einer Verschmelzung beider Technologien mit dem Ziel, den verschiedenen Anwendergruppen wirklich universell einzusetzende und effizient arbeitende Messgeräte anbieten zu können.

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