Koordinatenmessgerät

Kleine Koordinatenmessmaschine

Ein Koordinatenmessgerät ist ein Messgerät zur Bestimmung der kartesischen Koordinaten (X, Y, Z) eines Punktes an einem Objekt im Raum. Aus der Verbindung von mehreren Messungen weiterer Punkte mit einer Datenverarbeitung ergeben sich dann verschiedene geometrischen Größen und Eigenschaften eines Messobjekts.

Messtaster

Messtaster mit Rubinkugel als Messspitze

Der Messsensor (Tastkopf) bei Koordinatenmessgeräten und -Maschinen ist der sogenannte Messtaster. Dieser besteht üblicherweise aus einem flexibel gelagerten dünnen Stab (oft aus Keramik) mit einer gehärteten Kugel oder einem kugelförmigen Halbedelstein am Ende. Die Kugelform ermöglicht eine genaue Positionsbestimmung aus jeder praktikablen Anfahrrichtung an ein Objekt, weil der Abstand einer Kugelaußenfläche zu ihrem Zentrum und damit zur Mittelachse des Messtasters immer gleich ist.

Messtastermechanik

Der Messstab ist flexibel gelagert, um einerseits ein unweigerliches Abbrechen bei Kontakt zu vermeiden und andererseits einen Bewegungsspielraum für den Stab zu ermöglichen. Die Lagerung des Stabes ist in drei Dimensionen flexibel und durch Mechaniken mit elektronischen Schaltern verbunden. Im Bewegungsspielraum des Stabes erfolgt dann bei einer bestimmten Auslenkung oder Anhebung des Stabes eine Betätigung der Schalter. In diesem Moment wird die Position "gemessen". Neben der Verwendung von meist hochwertigen Werkstoffen für die Messstabspitze (Rubin) ist besonders die Mechanik der Messstablagerung und Schalterbetätigung höchstwertige Feinmechanik, die teuren Messtastern bei der Positionsmessung eine Auflösung und Wiederholgenauigkeit von bis zu 1/1000 mm ermöglicht. Die Mechanik ist dabei so empfindlich, dass sie durch ein Gehäuse und eine flexible Schutzmembran am Messstab vor Staub und Verunreinigung geschützt werden muss. Durch die hochwertigen Materialien und Mechaniken sind im Besonderen hochwertige Messtaster sehr teure und empfindliche Instrumente. Als billige Alternative zu hochwertiger Feinmechanik werden heute zunehmend Dehnungsmessstreifen (DMS) eingesetzt.

Messvorgang

Grundaufbau Koordinatenmessgerät:
1. Hartgesteinplatte
2. Portal
3. Pinole
4. Längenmessystem
5. Messkopf

Ein Koordinatenmessgerät ist im Aufbau vergleichbar mit einer Werkzeugmaschine. Es ist eine serielle Kinematikmaschine aus verfahrbaren Achsen, wodurch das Werkzeug (hier der Messtaster) jeden Punkt in einem Raum erreichen kann, der durch die Länge der Verfahrwege der Konstruktion definiert/begrenzt ist.
Die verfahrbaren Achsen werden in der Regel elektrisch mit Schrittmotoren über CNC (ältere Koordinatenmessgeräte und im Besonderen Werkzeugmessgeräte auch manuell) betrieben. Dabei ist in allen verfahrbaren Achsen ein Längenmesssystem (in der Regel ein Glasmaßstab mit digitaler Ablesung) integriert, das inkremental oder absolut in der Regel optisch die Verfahrlänge der jeweiligen Achse über Zählung oder Auslesung der Markierungen ermittelt und an eine Datenverarbeitung meldet. Die Datenverarbeitung erzeugt daraus dann die kartesischen Koordinaten (X, Y, Z).

Bei der Messung wird das Werkstück oder der Sensor an verschiedene Messpunkte bewegt. Jeder Punkt im Messvolumen wird mit seinen kartesischen Koordinaten (X, Y, Z) ermittelt. Die ermittelten Punkte werden im integrierten Computer zu geometrischen Elementen verarbeitet und als vollständiges Messergebnis ausgegeben.

Messgerät

Abhängig von Messbereich, Genauigkeit und Einsatzgebiet gibt es Koordinatenmessgeräte in unterschiedlichen Bauarten (Portal-, Ausleger-, Brücken-, oder Horizontalbauart).

Das Kernstück eines Koordinatenmessgerätes bildet der Tastkopf. Abhängig von der Antastart ist dieser als schaltender, messender oder optischer (Bildverarbeitung/Lasersensor) Tastkopf verfügbar. Geräte mit mehreren verschiedenen Tastköpfen (Sensoren) werden als Multisensor-Koordinatenmessgeräte bezeichnet. Diese zeichnen sich durch besondere Flexibilität bezüglich verschiedener Anwendungen aus. Am Tastkopf befestigt sind Tasterkonfigurationen bzw. Tasterkombinationen, die der Messaufgabe entsprechend verschiedenartig ausgelegt sind. Die eigentliche Antastung am Prüfstück wird durch Messtaster unterschiedlichster geometrischer Formen (häufig Kugel oder Kugelkalotte) und Materialien (oft Industrierubin, Siliziumnitrid) durchgeführt.

Die Messabläufe erfolgen im manuellen oder im automatischen CNC-Betrieb. Messunsicherheiten im Mikrometerbereich sind inzwischen Normalität, obwohl bei Koordinatenmessgeräten das abbesche Komparatorprinzip nicht eingehalten werden kann. Dieser Messfehler (Kippfehler 1.Ordnung), wie auch andere objektive Messfehler, können rechnerisch kompensiert werden.

Koordinatenmessgeräte werden zur Qualitätsüberwachung in vielen Industriezweigen eingesetzt. Im Gegensatz zur konventionellen Messtechnik ist der Vorteil eine Zeiteinsparung, bei gleichzeitiger Verringerung der Messunsicherheit. Das messbare Teilespektrum ist vielfältig (z.B. Gehäuse, Zahnräder, optische Linsen, Formteile).

Eine Qualitätssicherung ist in vielen Industriezweigen ohne Koordinatenmessgeräte undenkbar geworden.

Werkzeugmessgeräte

Werkzeugmessgeräte sind spezialisierte Messgeräte für die Prüfung, Einstellung, Ausrichtung und Justage von spanenden Werkzeugen. Es gibt verschiedene Varianten, deren Auslegung den Anforderungen der Spezialisierung entsprechen.

Für das Fertigungsverfahren Fräsen, also für rotierende Werkzeuge wie Spiralbohrer oder Messerköpfe sind nur zwei Längsachsen (Werkzeughöhe und -breite) und eine Drehachse zur Prüfung der Werkzeuglänge, des Werkzeugdurchmessers und des Rundlaufs erforderlich.
Anstelle eines Messsensors für eine Kontaktmessung an einer Oberfläche tritt bei Werkzeugmessgeräten meist ein in zwei Achsen verfahrbarer Tageslichtprojektor, der auf einem großen Projektionsschirm mit Fadenkreuz den Schattenwurf oder das Profil des Werkzeuges abbildet. Bei der Messung wird die Projektionseinheit so verfahren das der Rand oder eine Ecke des Werkzeugs im Fadenkreuz liegt. Aus dem Verfahrweg ergibt sich die Werkzeuglänge oder der -durchmesser. Durch Ausrichtung auf dem Fadenkreuz und anschließende Drehung kann weiter der Rundlauf geprüft und so lange korrigiert werden, bis die Drehung keine Abweichung des Schattenrands auf dem Fadenkreuz zeigt.

Werkzeugmessgeräte für spanende Werkzeuge für das Fertigungsverfahren Drehen kommen formal mit zwei Achsen aus, besitzen aber meist drei, um auch die Höhe der Werkzeugschneide (für das sogenannte "Drehen über oder unter Mitte") in Bezug der Werkzeugaufnahmeebene zur Drehachse an der Drehmaschine prüfen zu können.

Messmaschinen

Messmaschinen sind die aufwändigsten und teuersten Messgeräte. Im Regelfall stehen sie in klimatisierten Räumen der Qualitätssicherung.
Besonders auffällig an einer Messmaschine ist der Tisch in Form einer meist sehr dicken Platte aus hochwertigem Granit. Ganz im Gegensatz dazu wirkt die Konstruktion der verfahrbaren Achsen, die überwiegend in der statisch vorteilhaft starren Bauform eines Portals vorkommt, meist grazil, da zwar eine hohe Verwindungssteifheit erforderlich ist, aber weder schwere Lasten (Werkzeuge) noch große Kräfte für die Positionsmessungen benötigt werden.

Eine Messmaschine, in bestimmten Verwendungen auch Voreinstellmaschine, dient der automatisierten Aufnahme und Speicherung von Messdaten an zu vermessenden Werkstücken. So werden beispielsweise Abstände zwischen bestimmten Punkten über die Abstände zu vorher vermessenen Referenzpunkten ermittelt und gespeichert. Winkel zwischen den Oberflächen des Werkstückes lassen sich über die Messdaten errechnen. Die Messaufnahme kann mechanisch oder optisch, manuell oder automatisiert, berührungslos oder taktil, mit fest installierten oder mobil einsetzbaren Messaufnehmern erfolgen.

Anwendung

Die Messmaschine wird in der Werkzeugtechnik beispielsweise zum Voreinstellen und Einrichten von Erodiermaschinen benutzt. Dabei werden Werkstücke und Elektroden mit einem Taster ausgemessen.

Durch den Einsatz einer Messmaschine können die Werkstücke und Elektroden parallel zu einer anderen Bearbeitung auf der Erodier-Maschine eingerichtet werden. Dabei werden die Versatzdaten des Werkstücks von der Messmaschine ermittelt und auf dem zugehörigen PC gespeichert. Mit diesen ermittelten Messdaten werden via Netzwerkleitung die Erodiermaschine gesteuert. Das Verfahren spart Rüst- und Umbauzeiten auf den teuren Erodiermaschinen.

Mit einer Messmaschine lassen sich auch automatisiert Werkzeuge oder Prototyp- oder Serienbauteile abtasten. Anschließend kann man aus den resultierenden Messergebnissen über weiterverarbeitende Programme 3D-Datensätze für CAD-Konstruktionsprogramme erzeugen.

Messmaschinen müssen, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, in regelmäßigen Abständen kalibriert werden.

Weblinks

• Grundlagen der Koordinatenmesstechnik
• Mehrkoordinaten Messtechnik - FH Köln - Campus Gummersbach