3D Koordinatenmessmaschinen

Einführung

Seit Beginn der Entwicklung der NC - und CNC - Maschinen in den 50er Jahren hat sich die automatische Fertigung bedeutend weiterentwickelt. Es wurde dadurch die Möglichkeit geschaffen, komplizierte Werkstücke mit großer Genauigkeit wirtschaftlich zu produzieren.

Durch diese rasche Entwicklung wurde aber auch das Messen, kontrollieren der Qualität, der Werkstücke immer mehr in den Vordergrund gerückt.

Seit den 70er Jahren gab es eine rasche Weiterentwicklung der Koordinatenmessmaschinen.

Sie ist ein sehr universelles Messverfahren, welches mit großer Genauigkeit auch sehr komplexe Werkstückegeometrien räumlich messen kann.

Mit Hilfe von Seriengeräten ermöglicht sie heute (1992) Messungen mit hohen Messgeschwindigkeiten bei eine Auflösung von 1 bis 0,1mm und sehr kleiner Messunsicherheit, die bei kleineren Geräten unter 1mm liegen kann, für Messvolumina von 400m³ und maximalen Längen von 25m - die beiden letzten Werte können bei transportablen optischen Koordinatenmessmaschinen noch um ein bis zwei Zehnerpotenzen höher liegen.

Grundprinzip

Jede Werkstückgeometrie setzt sich aus verschiedenen Geometrieelementen, wie z.B.: Kugel, Ebene, Zylinder,, zusammen. Bei einer KMM wird die wirkliche Gestalt des Werkstücks durch die Messung der räumlichen Geometriepunkte erfasst.

Als Koordinatensystem wird im allgemeinen das kartesische Gerätekoordinatensystem verwendet.

Eine Koordinatenmessmaschine setzt sich zusammen aus:

• Mechanik
• Antriebssystem
• Steuerung
• Messsystem
• Tastsystem
• Computer

Mechanik

Werkstoffe für den Grundkörper

• Stahl (hohe Festigkeit, schwer, rostanfällig, hohen Wärmeausdehnungskoeffizient)
• Grauguss ( fast gleicher Wärmeausdehnungskoeffizient von Stahl, hochgenaue und sehr stabile Konstruktionen)
• Hartgestein (sehr niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient, geringes Gewicht ca. Al, es kann Bimetall Effekt entstehen, z.B.: für Gerätetische)
• Keramik (Steifigkeit, hohe Druckfestigkeit, extreme Härte, sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizient, sehr glatte Oberfläche, gute Korrosionsbeständigkeit, aber Sprödbruchanfälligkeit, z.B.: für Portale)
• CARAT (Aluminium - Knetlegierung, ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit, für lange, schlanke Führungselemente, z.B.: für Brücken & Pinolen)

Bauarten:

• Ausleger (kleine bis Karosserieteile)
• Ständer (leicht zugänglich)
• Portale (hohe Tischbelastungen möglich)
• Brücken (große Werkstücke möglich)
• Tische
• Supporte
• Pinolen

Antriebssystem

Der Antrieb dient dazu, die notwendigen relative Bewegungen zwischen Prüfobjekt und Tastsystem vorzunehmen

Üblich sind Gleichstrom-Scheibenläufer mit direkt gekoppelten Tachogeneratoren oder Schrittmotoren.

Sie arbeiten in einem äußerst großen Drehzahlbereich (1:10⁵). Dadurch kann gleichzeitig eine sehr geringe Antastgeschwindigkeit und eine sehr große Eilganggeschwindigkeit realisiert werden.

Steuerung

Die Steuerung hat vor allem die Aufgabe, die Bewegungen der Messschlitten, Pinole etc, zu koordinieren und exakt durchzuführen.

Die Steuerung wird bei motorisch betriebenen KMM vom Rechner ausgeführt, bei manuell betriebenen Geräten übernimmt der Bedienungsmann diese Aufgabe.

Steuerungsarten:

• Punkt zu Punkt (Beschleunigung und Geschwindigkeit gerätespezifisch)
• Streckensteuerung (die Geschwindigkeit wird gewählt)
• Bahnsteuerung (für kontinuierliches Abtasten, scanning, Streckensteuerung mit gewisser Bahn)
• Vektorsteuerung (optimiert den Verfahrweg und die -geschwindigkeit des Tasters)

Meßsystem

Als Meßsysteme wird bei KMM meist ein linear inkremental arbeitendes Wegmeßsystem mit fotoelektrischer Abtastung  der Strichmaßstäbe verwendet. Ein Drehtisch ermöglicht die Messung von Rotationsteilen, wie z.B.: Zahnrädern, Nockenwellen, Schraubenverdichter

Tastsystem

• Messen durch Berührung
• Schaltende Tastsysteme
• Messende Tastsysteme
• optischern Abtasten (berührungsloses Messen)

Schaltende Tastsysteme

Sie sind im wesendlichen Schalter, die bei einer geringfügigen Auslenkung, welche durch die Berührung des Tasters mit dem Messobjekts zustande kommt, ein Triggersignal abgeben. Dieser Vorgang löst eine Messwertübernahme aus. Anschließend geht der Taster wieder in seine durch drei Auflagepunkte exakt definierte Ausgangsposition zurück.

Vorteil: geringe Messkraft, hohen Messgeschwindigkeit

Messende Tastsysteme

Sie bestehen meist aus drei rechtwinkelig zueinander angeordneten Federparallelogrammen, die jeweils nur in eine Koordinatenrichtung um wenige Millimeter auslenkbar sind. Die Auslenkung wird durch ein induktives Messsystem erfasst, weiteres kann in der Mittelstellung ein Verriegelung bzw. Klemmung erfolgen.

Optische Tastsysteme

Für Teile die weich sind, wie z.B.: Fahrzeugsitze

Oder weil Geometrien es nicht anders zulassen

Optisch und mechanische Systeme gemeinsam nennt man Kombinationstastkopf

Computer

Er dient zur Fehlerkompensation durch Wärme, Auswertung der Messdaten und Erstellung eines Bildes.