Konventionelle Bauweise – kartesisches Gerätekoordinatensystem

Die am häufigsten eingesetzten „klassischen“ Geräte sind kartesisch rechtwinklige Koordinatenmesssysteme. Die orthogonalen Führungen spannen ein kartesisches Koordinatensystem auf. Wesentliche Bau- und Funktionsgruppen eines kartesischen Koordinatenmessgerätes sind:

• Messtisch: meist Hartgestein
• Maßverkörperungen für die einzelnen Achsen: z. B. fotoelektrisches inkrementales Längenmesssystem mit Zerodur-Maßstäben (geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient).
• Lagerung der einzelnen Achsen: z. B. aerostatische Lager (Luftlager) zur Realisierung einer geringen Reibung zwischen den einzelnen beweglichen Komponenten. Führungsbahnen aus Hartgestein (Granit).
• Antrieb: z. B. wird bei CNC-gesteuerten KMGs die Bewegung der Achsen durch elektrische Antriebe (inkl. Getriebe und schwingungsdämpfende Elemente) in einem geschlossenen Regelkreis realisiert. Aufgabe des Antriebssystems ist nur die Bewegung der Achsen, nicht das Bereitstellen der Information über die Position der Achsen. Diese Aufgabe wird vom Längenmesssystem übernommen, welches die aktuelle Position an den Steuer- (zur Positionierung) und Auswerterechner (zur Berechnung der angetasteten Koordinatenwerte) übermittelt.
• Mess- und Tastsysteme: siehe Abschnitt Sensoren
• Steuer- und Auswerterechner: Zur Steuerung des Messablaufs und der Verfahrbewegungen, zur Regelung der Position oder Trajektorie (z. B. Variation der Verfahrgeschwindigkeit), zur Manipulation der gemessenen Werte hinsichtlich einer rechnerischen Korrektur systematischer Messabweichungen (mit Hilfe zuvor bestimmter Kalibrierwerte) und hinsichtlich der Transformation der Koordinatenwerte sowie der Auswertung der Messpunkte gemäß dem zugeordneten Geometrieelement.

Gemäß DIN EN ISO 10360-1:2003 unterscheidet man folgende Grundbauarten zur Realisierung von drei zueinander rechtwinklig beweglichen Führungen:

• Auslegerbauweise: Ein Auslegerarm, an dem das Messkopfsystem befestigt ist, ist in vertikaler Richtung beweglich. Zwei weitere Achsen sind jeweils senkrecht zueinander in horizontaler Richtung beweglich. Die horizontale Bewegung kann entweder durch einen beweglichen Tisch oder bei einem feststehenden Tisch durch bewegliche Aufbauelemente des Auslegers realisiert werden. Meist wird diese Bauweise für Messgeräte mit kleinem Messbereich, aber sehr guter Messgenauigkeit eingesetzt.
• Brückenbauweise: Die beweglichen Achsen und der Aufspannbereich sind voneinander getrennt. Die in horizontaler Richtung bewegliche Brücke trägt die Pinole mit dem Messkopfsystem, welche in horizontaler Richtung entlang der Brücke und in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Koordinatenmessgeräte in Brückenbauweise ermöglichen einen großen Messbereich und damit das Erfassen sehr großer Werkstücke bis hin zu ganzen Fahrzeugen oder Komponenten aus dem Flugzeugbau.
• Portalbauweise: An dem Portalquerbalken ist die das Messkopfsystem tragende Pinole (vertikale Bewegung) angeordnet, welche in horizontaler Richtung entlang des Portalquerbalkens beweglich ist. Das Portal ist mit zwei Füßen an den Rändern des Gerätetisches gelagert und in horizontaler Richtung entlang des Gerätetisches beweglich. Ebenfalls sind Bauweisen mit feststehendem Portal und beweglichen Gerätetisch verbreitet. Koordinatenmesssysteme in Portalbauweise bieten geringe Messabweichungen bei gleichzeitig guter Zugänglichkeit und ausreichend großem Messbereich. Sie stellen daher die häufigste Bauweise dar. Üblich ist ein Messbereich von etwa 1 m³.
• Ständerbauweise: Bei einem Koordinatenmesssystem in Ständerbauweise mit Horizontalarm ist die Pinole mit dem Messkopfsystem in horizontaler Richtung beweglich, welche entlang eines Ständers (auch Säule genannt) in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Die zweite horizontale Bewegung kann durch Verfahren des Ständers entlang des Messtisches oder durch einen beweglichen Tisch realisiert werden. Diese Bauweise wird häufig zur Messung von Karosserien und großen Blechbauteilen genutzt, da drei Seiten des Messbereichs frei zugänglich sind.

• Grundbauarten von Koordinatenmesssystemen gemäß DIN EN ISO 10360-1:2003
• Auslegerbauweise
• Brückenbauweise
• Portalbauweise
• Ständerbauweise mit beweglichem Horizontalarm

Unkonventionelle Bauart – Zylinder- oder Kugelkoordinatensystem

Koordinatenmesssysteme unkonventioneller Bauart messen in Zylinder- oder Kugelkoordinaten. Hierzu zählen Lasertracker, Gelenkarmmessgeräte und Röntgen-Computertomographie.

Unkonventionelle Bauart – Mikro- und Nanokoordinatenmesssysteme

Zur Reduktion der Messabweichungen – verursacht durch zufällige und systematische rotatorische Führungsabweichungen – werden bei Mikro- und Nanokoordinatenmessgeräten unkonventionelle Anordnungen der Längenmess- und Antriebssysteme eingesetzt. Durch Realisierung des abbeschen Komparatorprinzips in mehreren Messachsen, den Einsatz von laserinterferometrischen Längenmesssystemen und einer Parallelmetrologie, welche alle Positionswerte direkt an dem in allen drei Achsen beweglichen Sensor oder der in allen drei Achsen beweglichen Plattform mit dem Messobjekt misst, lassen sich die Messabweichungen und Messunsicherheiten signifikant reduzieren.

Erweiterungen

Durch den Einsatz eines zusätzlichen Drehtisches oder einer Dreh-Schwenk-Einrichtung können auch ungünstig gelegene Messelemente angetastet werden. Mit derartigen Erweiterungen kann das Werkstück in ein oder mehreren Achsen rotiert werden. Die veränderte Position des Werkstücks wird bei der Berechnung und Transformation der gemessenen Koordinatenwerte in das Werkstückkoordinatensystem berücksichtigt. Alternativ oder zusätzlich werden auch Dreh-Schwenk-Einrichtungen für die Sensoren eingesetzt.

Mechanische (taktile) Antastung

Messkopfsysteme mit taktilen Sensoren werden in schaltende Systeme (z. B. basierend auf dem elektro-mechanischen Prinzip) und messende Systeme (z. B. mit induktiv oder kapazitiv messenden Sensoren) unterteilt.

Die Antastung auf der Werkstückoberfläche wird durch Messtaster durchgeführt. Je nach Messaufgabe können hierfür unterschiedliche geometrische Formen des Tastelementes (meist Kugeln) und Materialien (oft Industrierubin, Hartmetall, Siliziumnitrid) eingesetzt werden. Die taktilen Sensorsysteme sind dem menschlichen Tastsinn nachempfunden, sodass nicht nur einzelne Berührungen, sondern auch großflächige Druckverteilungen erkannt werden können.

Da bei der Antastung eine Messkraft in der Größenordnung von 0,01 N bis 0,2 N wirkt, biegt sich der Taststift, was bei der Messung berücksichtigt werden muss. Die Biegung des Taststiftes wird beim Einmessen der Taster (Taststiftkalibrierung, Tasterqualifikation) berücksichtigt und bei den folgenden Messungen automatisch korrigiert. Zusätzlich wird beim Einmessen des Tasters der Durchmesser bestimmt und bei mehreren Tastelementen der Bezug zueinander hergestellt (z. B. bei Sterntaster die Abstände der Mittelpunkte der Tastkugeln zueinander). Das Einmessen des Tasters erfolgt an einem sehr genauen Kugelnormal (Formabweichung < 0,2 µm), das mit jedem verwendeten Taster an mindestens fünf oder mehr Punkten entsprechend einer vom Gerätehersteller definierten Einmessstrategie angetastet wird.

Das punktweise Erfassen der Werkstückoberfläche ist ihrem Wesen nach vergleichbar mit dem Ziehen einer Stichprobe aus der unendlich großen Gesamtheit aller Oberflächenpunkte. Die Bereiche zwischen den aufgenommenen Messpunkten werden nicht erfasst und infolgedessen bei der Auswertung nicht berücksichtigt. Je mehr Messpunkte aufgenommen werden, desto mehr Informationen über die Oberfläche des Werkstückes werden erfasst und in die Auswertung einbezogen (der Umfang der Stichprobe wird größer). Das Antasten einzelner Punkte erfordert bei großen Messpunktzahlen erhebliche, meist nicht akzeptable Messzeiten.

Beim Scannen wird die Tastkugel mit Hilfe besonderer Steuerfunktionen berührend entlang der Oberfläche des Werkstücks bewegt. Während der Bewegung werden laufend Messwerte übernommen. Neuere Geräte lassen hohe Scanning-Geschwindigkeiten zu, mit denen wie bei der Formmesstechnik sehr große Messpunktzahlen in geringer Messzeit erreicht werden können. Dies kann zu einer erhöhten Aussagesicherheit führen, obwohl die Einzelpunkt-Unsicherheit beim Scannen deutlich größer ist als beim Antasten einzelner Punkte. Das Scannen gewinnt daher gegenüber dem Einzelpunkt-Betrieb immer mehr an Bedeutung.

Normen und Richtlinien, welche direkt auf die taktile Antastung bei Koordinatenmessungen eingehen, sind DIN EN ISO 10360-4:2002, DIN EN ISO 10360-5:2010 und VDI/VDE 2617 Blatt 12.1.

Berührungslose Antastung

Zur berührungslosen Antastung können optische, elektrische und röntgentomographische Sensoren eingesetzt werden. Prinzipiell kann jeder elektrische oder optische Sensor in Koordinatenmesssystemen eingesetzt werden, um dessen Messbereich mit Hilfe des Positioniersystems zu erweitern.

Optische Abstandssensoren

• Triangulationssensoren (z. B. Lasertriangulation, Liniensensor, Photogrammetrie, Streifenprojektion)
• Bilderverarbeitungssensoren (z. B. Kantenfinder, Binär-Verarbeitung, Grauwert-Verarbeitung)
• Fokusvariation (Kontrastverfahren, z. B. Autofokus)
• Konfokalsensoren (z. B. chromatischer Konfokalsensor, Foucault-Sensor bzw. Laserfokusverfahren)
• Interferometer (z. B. Laserinterferometer, Weißlichtinterferometer)

Elektrische Abstandssensoren

• Tunnelstromsensoren (z. B. schaltend oder Tunnelstrommessung)

Röntgentomographische Sensoren

• Bestehend aus einer Röntgenröhre und einem Detektor (die durch ein Messobjekt, welches sich zwischen Röntgenröhre und Detektor befindet und durchstrahlt wird, abgeschwächte Röntgenstrahlung wird gemessen)

Normen und Richtlinien, welche auf die berührungslose Antastung bei Koordinatenmessungen eingehen, sind DIN EN ISO 10360-7:2011, DIN EN ISO 10360-8:2012, VDI/VDE 2617 Blatt 6.1 und VDI/VDE 2617 Blatt 6.2.

Multisensorkoordinatenmessgeräte – Messen mit mehreren Sensoren

Eine besonders hohe Universalität wird durch die Kombination mehrerer unterschiedlicher Sensoren in einem Koordinatenmessgerät erreicht. Für jedes zu messende Merkmal kann der optimale Sensor ausgewählt werden. Die Messergebnisse der unterschiedlichen Sensoren liegen in einem gemeinsamen Koordinatensystem vor. Hierfür wird die Position der Sensoren vorab zueinander eingemessen. Dies ermöglicht es, die Ergebnisse verschiedener Sensoren zu kombinieren, um Merkmale zu messen, die mit einem Sensor allein nicht oder nur schlecht messbar sind.

Die verschiedenen Sensoren werden entweder an einer Wechselschnittstelle an der Pinole des Koordinatenmessgerätes befestigt und im Messablauf nacheinander automatisch eingewechselt (Sensorwechsler), oder sind dauerhaft an der vertikal positionierbaren Pinole nebeneinander angeordnet. Durch Geräte mit mehreren Pinolen, die eine getrennte vertikale Positionierung der einzelnen Sensoren zulassen, ist das Kollisionsrisiko verringert. Ebenso werden Sensoren auch mittels Rückzugsachsen an der Pinole befestigt und nur bei Bedarf ausgefahren, wodurch sich Kollisionen vermeiden lassen.

Normen und Richtlinien mit direktem Bezug zu Koordinatenmesssystemen mit Multisensorik sind DIN EN ISO 10360-9:2011 und VDI/VDE 2617 Blatt 6.3.

Portable Koordinatenmessgeräte

Während herkömmliche Koordinatenmessgeräte (KMG) eine Sonde verwenden, die sich auf drei kartesischen Achsen bewegt, um physikalische Eigenschaften eines Objekts zu messen, nutzen tragbare KMGs entweder Gelenkarme oder, im Fall von optischen Koordinatenmessgeräten, messarmfreie Scansysteme, die optische Triangulationsmethoden verwenden und eine uneingeschränkte Bewegungsfreiheit um das Objekt herum ermöglichen.   Tragbare KMGs mit Gelenkarmen haben sechs oder sieben Achsen, die anstelle von Linearachsen mit Drehgebern ausgestattet sind. Tragbare Messarme sind leicht (in der Regel weniger als 20 Pfund) und können fast überall hin transportiert und eingesetzt werden. Allerdings werden in der Industrie zunehmend optische Koordinatenmessgeräte verwendet. Sie sind mit kompakten linearen oder Matrix-Array-Kameras (wie der Microsoft Kinect) ausgestattet und sind kleiner als portable KMG mit Armen. Sie funktionieren kabellos und erlauben Anwendern schnell und einfach 3D-Messungen aller Arten von Objekten praktisch überall durchzuführen.   Tragbare KMG eignen sich insbesondere für bestimmte, sich nicht wiederholende Anwendungen im Bereich Reverse Engineering, Rapid Prototyping und für die Inspektion großer Bauteile. Die Vorteile tragbarer KMG sind vielfältig. Nutzer können jede Art von Teilen selbst in den entferntesten und schwierigsten Umgebungen in 3D messen. Die optischen Messsysteme sind benutzerfreundlich und erfordern keine kontrollierte Umgebung für genaue Messungen. Hinzu kommt, dass tragbare Koordinatenmessgeräte weniger kosten als herkömmliche KMG.

Kompromisse müssen bei tragbaren KMG eingegangen werden: Es wird ein Anwender für die manuelle Handhabung benötigt. Darüber hinaus kann die Gesamtgenauigkeit etwas ungenauer sein als bei einer fest installierten Portalmessmaschine. Zudem ist das portable KMG für einige Anwendungen weniger geeignet.  

Röntgen-Computertomographie

Neben taktilen und optischen Sensoren, welche abgesehen von der Schichtdickenmessung stets die Außengeometrie erfassen, kann das Verfahren der Röntgen-Computertomografie angewendet werden, um zusätzlich zur Außengeometrie auch die Innengeometrie eines Werkstücks zu messen. Beim Messen mit diesen Sensoren wirken zahlreiche Einflüsse (Ringartefakte, Taumelartefakte, Kegelstrahl-/Feldkamp-Artefakte, Strahlaufhärtung, Teil- oder Partialvolumenartefakte), welche die Genauigkeit des Messergebnisses beeinflussen. Durch den Einsatz zusätzlicher taktiler Sensoren, können systematische Messabweichungen der Tomografie teilweise korrigiert werden. Da während der Tomographie ein Bauteil immer vollständig durchstrahlt werden muss, ist der Einsatz für massive Bauteile oder für Bauteile mit stark unterschiedlichen Absorptionskoeffizienten (wegen nichtdurchstrahlte und überstrahlte Bereiche) eingeschränkt.

Richtlinien mit direktem Bezug zu Röntgen-Computertomographie für Koordinatenmessungen sind VDI/VDE 2617 Blatt 13 und VDI/VDE 2630 Blatt 1.1, 1.2, 1.4 und 2.1.

Während Koordinatenmesssysteme basierend auf der Röntgen-Computertomografie für den industriellen Einsatz kommerziell verfügbar sind, befinden sich industrielle Koordinatenmesssysteme basierend auf Ultraschall-Computertomografie (USCT) und Neutronen-Computertomografie (NCT) noch im Forschungsstadium.

Lasertracker

Siehe Tracking-Interferometer. Normen und Richtlinien mit direktem Bezug zu Lasertrackern für Koordinatenmessungen sind DIN EN ISO 10360-10:2012, VDI/VDE 2617 Blatt 10 und VDI/VDE 2617 Blatt 10.1.

Maschinenintegrierte Messtechnik

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, dass 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.

Konstruktive Maßnahmen gegen temperaturbedingte Messabweichungen

• Präzise gefertigte Führungskörper mit guten thermischen Eigenschaften.
• Pinole und Traverse des Portals aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Aluminium). Die hohe Wärmeleitfähigkeit verkürzt die Anpassungszeit zur Wiederherstellung der Genauigkeit nach Temperaturschwankungen.
• Einhalten der international vereinbarten Bezugstemperatur von 20 °C durch klimatisierten Messraum, Temperieren der Messobjekte und Vermeidung einer Temperaturänderung am Messgerät (thermische Isolation des Geräteaufbaus; Vermeidung direkter Handwärme durch Thermohandschuhe, Vermeidung von Strahlung durch Beleuchtung und Sonne usw.)
• Maßstäbe aus Materialien mit minimalem thermischem Ausdehnungskoeffizient
• Temperaturüberwachung des Messraumes, des Messbereichs, des Messobjektes und von Messsystemelementen

Konstruktive Maßnahmen gegen Vibrationen

• Um den Schwingungseintrag aus der Umgebung auf die messtechnischen Einrichtungen zu reduzieren, kann als Fundament, auf dem alle messtechnisch relevanten Einrichtungen stehen, eine massive Betonplatte dienen, die ihrerseits durch ein Kiesbett und eine isolierende Dämpfungsschicht (spezielles Polymer) vom Boden getrennt ist. Eine umlaufende Trennfuge entkoppelt die Bodenplatte vom restlichen Gebäude. Durch diese Maßnahmen können die maximal zulässigen Schwingungsamplituden nach VDI/VDE 2627 eingehalten werden.
• Ein im Koordinatenmesssystem integriertes System zur passiven (oder aktiven) pneumatischen Schwingungsdämpfung minimiert das Übertragen von Bodenschwingungen und nivelliert den Gerätetisch bei unsymmetrischer Belastung durch das Werkstückgewicht.

Rechnerische Maßnahmen

• Rechnerische Korrektur statischer und dynamischer Einflüsse aller 21 Führungsabweichungen (regelmäßige Überwachung und ggf. Rekalibrierung zur Vermeidung von Drift)
• Vorhandene Plattendeformationen des Messtisches – verursacht durch Temperaturgradienten – werden durch Messen der Temperaturdifferenz zwischen Plattenober- und -unterseite kompensiert.
• Rechnerische Korrektur der Tasterbiegung bedingt durch Antastkräfte (bei taktilen Sensoren)
• Rechnerische Korrektur von Temperaturabweichungen des Werkstücks und einzelner Komponenten (z. B. der Maßstäbe) des Koordinatenmesssystems

Annahme- und Bestätigungsprüfungen

Zur Bestätigung der vom Hersteller festgelegten Leistungsfähigkeit eines Messsystems werden Annahmeprüfungen und nach wiederkehrenden Zeitabständen Bestätigungsprüfungen durchgeführt. Mit Hilfe kalibrierter Prüfkörper (Stufenendmaß, Kugelplatte, Lochplatte etc.) können dabei Längenmessabweichungen gemäß DIN EN ISO 10360-2:2010 und VDI/VDE 2617 Blatt 2.1 und Antastabweichungen gemäß DIN EN ISO 10360-5:2010 überprüft werden. VDI/VDE 2617 Blatt 5 und Blatt 5.1 gehen hierbei noch gezielt auf einzelne Prüfkörper ein.