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Koordinatenmessgeräte Werkstücke in einer Aufspannung messen

| Autor / Redakteur: Ingo Heller / Mag. Victoria Sonnenberg

Warum sich Koordinatenmessgeräte mit Drehachsen für die Messung verschiedener Ansichten eines Werkstücks in einer Aufspannung eignen.

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Bild 1: Genaue Messung eines schrägverzahnten Zahnrads mit Werth Fiber Probe WFP am Video Check FB.
Bild 1: Genaue Messung eines schrägverzahnten Zahnrads mit Werth Fiber Probe WFP am Video Check FB.
(Bild: Werth)

Eine Drehachse ermöglicht die optimale Zugänglichkeit des Werkstücks von verschiedenen Seiten und, bei Multisensor-Koordinatenmessgeräten, mit unterschiedlichen Sensoren. Die Integration in das Koordinatenmessgerät kann sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Anordnung realisiert werden.

Hauptvorteil der horizontalen Werkstückspannung ist die Kombinationsmöglichkeit mit fast allen konventionellen Werth-Multisensor-Koordinatenmessgeräten verschiedenster Baugrößen, Genauigkeits- und Preisklassen. Die Verwendung kleinerer Drehachsen ermöglicht den Einsatz kompakterer Geräte. Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise ist die Zugänglichkeit der Drehachse. So ist beispielsweise ein einfaches einseitiges Spannen kleinerer Werkzeuge und somit ein schneller Werkstückwechsel möglich.

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Durch Kombination von Spitzen mit einem Reitstock lassen sich auch größere, längere und damit schwerere Werkstücke spannen. Die gut zugänglichen Systeme lassen sich sehr einfach von vorn oder von oben bestücken, auf Wunsch auch per Roboter. Damit ermöglicht die horizontale Werkstückspannung auch für schwere Werkzeuge die einfache Anbindung einer automatischen Bestückung.

Durchbiegung bei langen Messobjekten verhindern

Eine vertikale Werkstückspannung wie bei Scope-Check-V-Geräten verhindert die Durchbiegung durch das Eigengewicht bei langen Messobjekten. Das Einspannen zwischen Spitzen belastet das Werkstück nur axial. Dies führt auch zu einem besseren Rundlaufverhalten der gesamten Anordnung, da ein Verbiegen der Spitzen mit entsprechender Verschiebung des Drehzentrums vermieden wird.

Für die Messung des Werkstücks auf der Drehachse steht die gesamte Sensorpalette zur Verfügung, beispielsweise der Bildverarbeitungssensor für die Messung von Werkzeugschneiden und anderen Außengeometrien. Mit dem Chromatic Focus Line Sensor kann die gesamte 3D-Werkstückoberfläche inklusive Mikrotopografie der Kanten sehr schnell und mit geringer Messunsicherheit erfasst werden. Der Werth Laser Probe ermöglicht Detailmessungen auch an kontrastarmen Oberflächen und der patentierte Werth Fiber Probe das taktile Messen von Mikrogeometrien wie bis zu circa 100 µm kleinen Bohrungen an Kraftstoff-Einspritzdüsen oder Kantenverrundungen an Hartmetall- und Diamantwerkzeugen.

Die Qualität der Achse hat Einfluss auf die Messunsicherheit. Besonders Werkzeuge sind häufig so eng toleriert, dass man geringe Messunsicherheiten nur mit luftgelagerten Drehachsen erreicht. Mechanisch gelagerte Achsen sind zwar robuster gegenüber Verunreinigungen, verursachen aber durch das Abrollen der Lagerkörper zufällige Positionsabweichungen, die nicht reproduzierbar und daher nicht rechnerisch zu korrigieren sind. Bei Luftlagern sind die Positionierung und das Laufverhalten hingegen sehr reproduzierbar, verbleibende systematische Abweichungen werden automatisch durch die Messsoftware korrigiert. Damit erreicht man im Extremfall Laufabweichungen der Achse von weniger als 0,1 µm. Ein Hauptvorteil konventioneller mechanisch oder luftgelagerter Drehachsen besteht in der hohen Positioniergenauigkeit der Drehbewegung. Winkelmesssysteme mit einer Auflösung von weniger als 0,5“ ermöglichen ein definiertes Eindrehen von zum Beispiel Bohrungen oder hochgenaue Teilungsmessungen. Typische Einsatzbereiche dafür sind die Messung der Teilung an Zahnrädern oder des Winkels zwischen Querbohrungen, aber auch Span- und Freiwinkelmessungen an Werkzeugen.

Komplexe Messaufgaben lösen

Dreh-Schwenk-Achsen erlauben ein optimales Ausrichten einzelner Geometrieelemente zur Sensorik. So kann beispielsweise bei der seit Jahren etablierten Messung von Kraftstoff-Einspritzdüsen mit dem Mikrotaster Werth Fiber Probe jedes Spritzloch senkrecht gestellt und gemessen werden. Durch präzise Achsen, Taumelkorrektur und ein mitgeführtes Koordinatensystem lassen sich komplexe Messaufgaben, wie zum Beispiel die Messung von Turbinenschaufeln, lösen. Durch das Einschwenken des Werkstücks in die Sensorachse mithilfe der Dreh-Schwenk-Achse können Werkstücke in die Vorzugslage des jeweiligen Sensors gebracht und damit oftmals überhaupt erst gemessen werden.

Mit einer Vielzahl verschiedener Spannmittel lassen sich die Koordinatenmessgeräte mit Drehachse optimal an die jeweiligen Anforderungen anpassen. Die Werkstückspannung zwischen Spitzen mit und ohne Mitnehmer ermöglicht ein werkzeugloses Spannen von Wellen und Werkzeugen. Mit Spannfuttern wie HSK, Hydrodehn oder Capto erreicht man eine hohe Reproduzierbarkeit, durch das Spannen im Backenfutter eine hohe Flexibilität. Dabei kann das Werkstück manuell, elektrisch oder pneumatisch gespannt werden. Dadurch sind sowohl eine einfache Handhabung als auch die Anbindung an eine automatisierte Bestückungsanlage problemlos möglich.

Aufspannungsbedingte Rundlaufabweichungen vermeiden

Die Werth V Pro ermöglicht das Drehen des Werkstücks um seinen eigenen Schaft. Zusätzliche Spannvorrichtungen entfallen, sodass aufspannungsbedingte Rundlaufabweichungen nahezu vollständig vermieden werden und die bei anderen Drehachstypen notwendige softwaregestützte Taumelkorrektur entfallen kann.

Die V Pro ist einfach zu handhaben: Der Bediener legt das Messobjekt lediglich in die V-förmige Aufnahme und schließt den Hebel. Es lassen sich Schaftwerkzeuge oder Wellen mit verschiedenen Durchmessern ohne Wechsel des Spannfutters messen. Auch eine Roboterbestückung für den Einsatz in der Fertigungsumgebung ist möglich. Anwendungsschwerpunkt dieser Lösung ist die Messung der Hüllkontur von Schaftwerkzeugen.

Mit dem Hüllkonturscanning kann die Wirkkontur von Rotationswerkzeugen ermittelt werden. Dabei handelt es sich um die Kontur, die das Werkzeug beim Durchgang durch das Werkstück in diesem erzeugt. Der Bildverarbeitungssensor nimmt dafür in verschiedenen Drehstellungen des Werkzeugs Bilder der Außenkontur auf. Nach einer softwaregestützten Taumelkorrektur werden die Bilder exakt überlagert. Aus diesem Bilderstapel wird ein Gesamtbild erzeugt und daraus die Wirkkontur des Werkzeugs bestimmt.

Einzelne Werkzeugschneiden betrachten

Das neue, zum Patent angemeldete Werth Hüllkonturscanning mit Schneidenverfolgung ermöglicht die Betrachtung der einzelnen Werkzeugschneiden. Der Bildverarbeitungssensor folgt mithilfe einer synchronisierten Bewegung mehrerer Koordinatenachsen der jeweiligen Schneide. Auf diese Weise können beliebige Schneiden mit und ohne Steigungswinkel praktisch ohne Genauigkeitsverlust in einer kontinuierlichen Bewegung mit dem Bildverarbeitungssensor und somit schnell erfasst werden.

In der patentierten Betriebsart Rasterscanning HD Rotary nimmt der Bildverarbeitungssensor während der Drehung mit hoher Frequenz Bilder der Werkstückoberfläche auf. Alle während der Messung aufgenommenen Einzelbilder der Kamera werden durch ein spezielles Verfahren (Patent) zu einem „abgewickelten“ Gesamtbild der Mantelfläche des Werkstücks mit mehreren Gigapixeln Größe überlagert, in dem schnelle „Im-Bild“-Messungen möglich sind. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Steuerkurven auf Kolben oder die Geometrie von Stents präzise messen.

* Dipl.-Phys. Ingo Heller ist technischer Geschäftsführer der Tool MT GmbH, eines Unternehmens der Werth-Gruppe, in 35394 Gießen, Tel. (06 41) 79 38-0, mail@werth.de

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