Albert Weckenmann, Bernd Gawande
Koordinatenmesstechnik
Flexible Meßstrategien für Maß, Form und Lage
Internetadresse
2
Titel und Herausgeber
4
Impressum
5
Vorwort des Herausgebers
6
Inhaltsverzeichnis
8
Autorenverzeichnis
16
1 Einführung
20
1.1? Ziele und Messobjekte der Fertigungsmesstechnik
21
1.2? Werkstückgestalt
25
1.3? Gliederung der gestaltbezogenen Mess- und Prüfaufgaben
27
1.4? Einheiten für Länge und Winkel und Rückführung
29
1.5? Fertigungsmessgeräte und Hilfsmittel
31
1.6? Koordinatenmesstechnik und Koordinatenmessgeräte
32
1.7? Multisensor Messgeräte
36
1.8? Geschichte
38
2 Messaufgaben
44
2.1? Ziel der Messung
44
2.2? Spezifikation geometrischer Eigenschaften
44
2.2.1 Darstellung der Nenngeometrie
44
2.2.2 Grundsatz der Unabhängigkeit als internationaler Tolerierungsgrundsatz
46
2.2.3 Längenmaße
47
2.2.3.1 Zweipunktmaß
47
2.2.3.2 Größenmaße
48
2.2.3.3 Hüllbedingung
48
2.2.4 Toleranzzonen für Form- und Lagetoleranzen
51
2.2.5 Formtoleranzen
53
2.2.6 Bezüge, Bezugssysteme
54
2.2.7 Lagetoleranzen
57
2.2.7.1 Richtungstoleranzen
57
2.2.7.2 Ortstoleranzen
57
2.2.7.3 Lauftoleranzen
58
2.2.7.4 Vollständige Produktspezifikation
58
2.3? Konformitätsnachweis
59
2.3.1 Partition
60
2.3.2 Extraktion
61
2.3.2.1 Werkstückbezugssystem
61
2.3.2.2 Anzahl und Anordnung der Messpunkte
61
2.3.2.3 Sensor
63
2.4? Filterung
64
2.5? Assoziation
65
2.6? System der Geometrischen Produktspezifikation und -prüfung
67
3 Grundprinzip und Gerätetechniken
72
3.1? Konventionelles Messen
72
3.1.1 2-Punkt-Maß
72
3.1.2 3-Punkt-Maß
74
3.1.3 Sinustisch
74
3.1.4 2-Punkt-Abstand
75
3.1.5 Bohrungsabstand von einer Ebene
75
3.1.6 Zusammenfassung zur konventionellen Messtechnik
75
3.2? Prinzip der Koordinatenmesstechnik
76
3.2.1 Punktantastung und Ausgleichsrechnung
76
3.2.2 Ersatzflächen und Ersatzlinien
77
3.2.3 Minimale Anzahl Antastpunkte
78
3.2.4 Anzahl Antastpunkte
79
3.2.5 Beispiel Werkstückkoordinatensystem
80
3.2.6 Verschiedene Kriterien für Ausgleichsrechnungen
81
3.2.7 Definition von Lageabweichungen
82
3.2.8 Systematik der Koordinatenmesstechnik
83
3.2.9 Vergleich der Koordinatenmesstechnik mit konventioneller Messtechnik
87
3.3? Gerätetechnik
89
3.3.1 Geräteaufbau
89
3.3.1.1 Typischer Geräteaufbau am Beispiel eines Portalgerätes mit stehendem Portal
91
3.3.1.2 Mechanisches Justieren und Softwarekompensation
91
3.3.1.3 Innerer Aufbau eines Koordinatenmessgerätes
92
3.3.1.4 Handbediente Koordinatenmessgeräte
93
3.3.1.5 Einständer-Koordinatenmessgeräte
94
3.3.1.6 Koordinatenmessgeräte mit fahrendem Portal
95
3.3.1.7 Doppelständer-Koordinatenmessgeräte
96
3.3.1.8 Mehrstellenmessgeräte
97
3.3.2 Tastelemente, Einmessen, Mehrfachtaster und Tasterradiuskorrektur
97
3.3.2.1 Tastelemente
97
3.3.2.2 Einmessen
97
3.3.2.3 Mehrfachtaster
99
3.3.2.4 Tasterradiuskorrektur
99
3.4? Erweiterungen
100
3.4.1 Tasterwechseleinrichtung
100
3.4.2 Dreh-Schwenktaster
101
3.4.3 Drehtisch
102
3.4.4 Scannen
103
3.4.5 Automatischer Werkstückwechsel
104
3.4.6 Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen
104
3.5? Messung nach Substitutionsmethode
105
3.6? Messung von Formabweichungen
106
4 Sensoren für Koordinatenmesstechnik
112
4.1? Taktile Antastung
112
4.1.1 Einführung und Grundlagen
112
4.1.1.1 Sinn und Zweck der Antastung
112
4.1.1.2 Anforderungen an taktile 3D Tastsysteme
113
4.1.1.3 Geschichtliche Entwicklung
113
4.1.1.4 Aufbau, Komponenten, Begriffsdefinitionen
115
4.1.2 Sensorik für taktile Antastsysteme
116
4.1.2.1 Schaltende und messende Sensorik
116
4.1.2.2 Serieller und paralleler Aufbau der Sensorik
117
4.1.2.3 Resistiv schaltende Sensorik
118
4.1.2.4 Schaltende Sensorik basierend auf Piezoelementen bzw. DMS
118
4.1.2.5 Induktiv und kapazitiv messende Sensorik
118
4.1.2.6 Skalenbasiert messende Sensorik
119
4.1.2.7 Optisch messende Sensorik
119
4.1.2.8 Pseudo-taktile Sensorik
120
4.1.3 Antastabweichung
122
4.1.3.1 Tastereinmessen und Bestimmung der Antastabweichung
122
4.1.3.2 Antastkraft, Deformation, Empfindlichkeit Luftantastung
125
4.1.3.3 Filterwirkung und Einfluss der Formabweichung der Tastkugel
129
4.1.3.4 Einzelpunktmessung und Scanning
130
4.1.3.5 Tastelemente, Taststifte, Tasterbäume
131
4.1.4 Beispiele taktiler 3D Tastsysteme für die Koordinatenmesstechnik
132
4.1.4.1 Taktile Tastsysteme für konventionelle KMG
132
4.1.4.2 Taktile Tastsysteme für Mikro-KMG
134
4.1.4.3 Tastsysteme für spezielle Anwendungsfälle
136
4.1.5 Anwendung taktiler Tastsysteme und Zusatzeinrichtungen
137
4.2? Visuelle Sensoren
138
4.2.1 Abbildungssysteme
139
4.2.2 Beleuchtungssysteme
142
4.2.3 Kameratechnik
145
4.2.4 Software zur Bildauswertung
146
4.2.5 Einbindung der Bildverarbeitungssensorik in Koordinatenmessgeräte
148
4.3? Berührungslose Abstandssensoren
152
4.3.1 Grundlegende Messprinzipien
153
4.3.2 Abstandssensor mit Foucault‘scher Schneide
154
4.3.3 Triangulationssensoren
156
4.3.4 Photogrammetrie
157
4.3.5 Streifenprojektion
158
4.3.6 Fokusvariation
159
4.3.7 Konfokale Abstandssensoren
160
4.3.8 Weißlichtinterferometrie
162
4.3.9 Konoskopischer Abstandssensor
164
4.4? Rastersondenverfahren
166
4.4.1 Einführung und Grundlagen
166
4.4.1.1 Rastertunnelmikroskopie – Ursprung der Rastersondenverfahren
167
4.4.1.2 Raster-Kraft-Mikroskopie
168
4.4.1.3 Rastersondenverfahren im Kontext der Koordinatenmesstechnik
169
4.4.2 Koordinatenmesstechnik mit Rastersondenverfahren
170
4.4.2.1 2,5D Koordinatenmesstechnik mit metrologischen Rastersondenmikroskopen
170
4.4.2.2 3D Koordinatenmesstechnik mit Raster-Kraft-Mikroskopie
171
5 Grundlagen weiterentwickelter Gerätetechnik
174
5.1? Lasertracker
174
5.1.1 Einleitung
174
5.1.1.1 Handtaster mit zusätzlicher Erfassung der Orientierung
177
5.1.2 Anwendungen
177
5.1.2.1 Flugzeugbau
177
5.1.2.2 Vorrichtungsbau
178
5.1.2.3 Qualitätssicherung von Großteilen und im Formenbau
179
5.1.2.4 Kalibrierung von Maschinen
179
5.1.3 Messunsicherheit und Normen
180
5.1.3.1 Messunsicherheit
180
5.1.3.2 Amerikanische Norm zur Prüfung von Lasertrackern: B89.4.19
181
5.1.3.3 Deutsche Richtline zur Prüfung von Lasertrackern: VDI 2617-10
182
5.1.3.4 Internationale Norm zur Prüfung von Lasertrackern in der Normungsreihe ISO 10360
183
5.1.4 Neue Technologien
184
5.1.4.1 Der „Virtuelle Lasertracker“
184
5.1.4.2 Multilaterationssystem
184
5.1.5 Zusammenfassung und Ausblick
185
5.2? Koordinatenmessgeräte mit Gelenkarmen
186
5.2.1 Funktionsweise der Gelenkarm-KMGs
186
5.2.2 Gelenkarm-KMG mit lineargeführter Z-Achse
187
5.2.3 Gelenkarm-KMG mit mehreren Gelenkarm-Segmenten
189
5.2.4 Prüfung von Gelenkarm-Koordinatenmessgeräten
193
5.3? 3D-Nanomess- und Nanopositioniergeräte
195
5.3.1 Einführung
195
5.3.2 Stand der Technik von Nanopositionier- und Nanomessgeräten
196
5.3.3 Laserinterferometrische Längenmesstechnik
198
5.3.3.1 Grundlagen der Interferometer
198
5.3.3.2 Metrologische Analyse
200
5.3.4 Laserinterferometer für Nanomessgeräte
205
5.3.5 Nanokoordinatenmessgeräte
207
5.3.5.1 Aufbauprinzipien von Koordinatenmessgeräten (CMM)
207
5.3.5.2 Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften der Nanomessmaschine NMM-1
209
5.3.5.3 Nanosensoren für die Nanomessgeräte, Messergebnisse
213
5.3.5.4 Anwendungsgebiete der Nanomessmaschinen
218
5.4? Röntgentomographie
219
5.4.1 Röntgenstrahlerzeugung
221
5.4.2 Bildaufnahme
223
5.4.3 Mechanik und Strahlenschutz
224
5.4.4 Volumen- und Messpunkteberechnung
226
5.4.5 Messabweichungen durch das Röntgentomographieprinzip
228
5.4.6 Erweiterung des Einsatzbereichs von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie
230
5.4.7 Anwendung von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie
232
5.5? Optische Messsysteme
235
5.5.1 Prinzip der Triangulation
235
5.5.2 Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit aktiver Triangulation
238
5.5.3 Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit passiver Triangulation
240
5.5.3.1 Passive Triangulation mit zueinander kalibrierten Messkameras
241
5.5.3.2 Passive Triangulation mit einer bewegten Messkamera
241
5.5.3.3 Passive Triangulation mit Theodoliten
242
5.5.4 Geometrieerfassung mit photogrammetrischen Trackersystemen
243
5.5.5 Berührungslose optische Geometrieerfassung nach dem Licht-Laufzeitverfahren
245
5.5.6 Optische Geometrieerfassung spiegelnder Oberflächen
245
5.6? Messen mit mehreren Sensoren
247
5.6.1 Optische Messsysteme mit Antastung in mehreren Einzelansichten
248
5.6.1.1 Registrierung
249
5.6.1.2 Datenfusion
252
5.6.2 Multisensor-Koordinatenmessgeräte
253
5.6.2.1 3D Multisensor-Koordinatenmessgeräte
253
5.6.2.2 Multisensor-Oberflächenmessgeräte
256
5.7? Indoor-GPS (Global Positioning System)
258
5.7.1 Funktionsweise und Komponenten des iGPS
258
5.7.2 Skalierung des Messsystems
260
5.7.3 Inhomogene Fehlerverteilung im Messsystem
261
5.7.4 Anwendungsbeispiel: Regelung von Robotern
262
5.8? Maschinenintegrierte Messtechnik
263
5.8.1 Definition und Einordnung innerhalb der Fertigungsmesstechnik
263
5.8.2 Pre- und Post-Prozess-Messtechnik
263
5.8.3 Potenzial der dreidimensionalen Korrektur
265
5.8.4 Sensoren zur Integration auf der Werkzeugmaschine
266
5.8.5 In-Prozess-Messtechnik
267
5.8.6 Pneumatische In-Prozess-Messtechnik
269
5.8.7 Zukünftige Entwicklungen
271
6 Von der technischen Zeichnung über den Prüfplan hin zum Messablaufplan
272
6.1? Einführung in die Prüfplanung
272
6.1.1 Prüfen der Unterlagen
273
6.1.2 Erkennen der Merkmale
273
6.1.3 Auswahl der Prüfmerkmale
273
6.1.4 Abarbeiten der Prüfmerkmale (allgemein)
275
6.1.5 Abstimmen mit Fachbereichen
275
6.1.6 Dokumentation – Eintragungen in den Prüfplan
276
6.1.7 Inhalte eines Prüfplans
276
6.2? Abarbeiten der Prüfmerkmale in der Koordinatenmesstechnik
276
6.2.1 Einführung
276
6.2.2 Prüfaufgabe analysieren
277
6.2.2.1 Auswahl des Koordinatenmessgeräts und dessen Zusatzeinrichtungen
277
6.2.2.2 Prüfplan für die Koordinatenmesstechnik
278
6.2.3 Messstrategie definieren
279
6.2.3.1 Orientierung des Werkstücks im Koordinatenmessgerät
279
6.2.3.2 Koordinatensysteme
279
6.2.3.3 Antaststrategie
283
6.2.3.4 Auswertestrategie
291
6.2.4 Messablauf festlegen
298
6.2.4.1 Grundsätze
299
6.2.4.2 Optimierungskriterien
299
6.2.5 Messung vorbereiten
301
6.2.5.1 Erforderliche Unterlagen
301
6.2.5.2 Werkstück
302
6.2.5.3 Koordinatenmessgerät
303
6.2.5.4 Hilfsmittel
303
6.3? Softwareunterstützung bei der Prüfplanung für die Koordinatenmesstechnik
304
7 Vom Messablaufplan über die Programmierung, Durchführung und Auswertung bis zur Ergebnisdarstellung
306
7.1? Programmierung
306
7.1.1 Software zur Programmierung für Koordinatenmessgeräte
308
7.1.2 Rechnergestützte Schnittstellen für Eingangsinformationen: CAD und Planungssoftware
310
7.1.3 Simulation und Kollisionskontrolle
315
7.1.4 Rechnergestützte Übertragung von Messprogrammen
317
7.1.5 Programmierung von automatisierten Systemen in der Produktion
319
7.1.6 Programmierung bei speziellen Messaufgaben
320
7.2? Messung und Auswertung der Koordinaten (Punkte)
322
7.2.1 Messung: Messprogrammausführung
322
7.2.2 Auswertung: Ableitung von Informationen aus den Messpunkten
323
7.3? Ergebnisdarstellung und -übertragung
333
7.3.1 Messprotokollgestaltung, Messprotokollarten
334
7.3.2 Rechnergestützte Übertragung von Messergebnissen
335
8 Spezielle Messaufgaben
342
8.1? Spektrum der Messaufgaben mit komplexer Geometrie
343
8.1.1 Messobjekte mit analytischer Geometriebeschreibung (funktionsbedingt gegeben)
343
8.1.2 Messobjekte mit numerisch-approximativer Geometriebeschreibung
346
8.2? Definition der Messaufgabe
347
8.2.1 Messaufgaben-Definition an ausgezeichneten Punkten
347
8.2.2 Messaufgaben-Definition entlang ausgezeichneter Linien
348
8.2.3 Messaufgaben-Definition durch 3D-Topografien
349
8.3? Definition der Messstrategie
350
8.3.1 Auswahlkriterien und Beurteilungskriterien
350
8.3.2 Gerätebezogene Aspekte der Messstrategie
350
8.3.3 Phasen der Messprogrammerstellung und der Programmierung des Prüfprozesses
351
8.4? Ausrichten
356
8.4.1 Methodik der Ausrichtung komplexer Messobjekte
356
8.4.2 Ausrichtung nach dem Werkstück-Grundkörper oder nach funktionsbestimmenden Bezugsflächen
357
8.4.3 Ausrichtung nach den Freiformflächen
358
8.4.4 Ausrichtung mit Ähnlichkeitstransformationen
361
8.4.5 Ausrichtung nach Teilflächen
362
8.5? Messdatenauswertung
363
8.5.1 Messdatenauswertung für Freiformflächen
364
8.5.1.1 Zuordnung von Soll- und Ist-Punkten
364
8.5.1.2 Tastkugelkorrektur
365
8.5.1.3 Soll-Ist-Vergleich
367
8.5.1.4 Berechnung von Abweichungs-Kenngrößen
368
8.5.2 Sonderfall Verzahnungsmessungen
370
8.5.3 Besondere Auswertemethoden
372
8.6? Funktionsorientierte Prüfungen
373
8.6.1 Prinzip der numerischen Funktionsprüfung in der Koordinatenmesstechnik
373
8.6.2 Beispiel Tragbildprüfung bei Zylinderrädern
374
9 Messunsicherheit und Rückverfolgbarkeit von Messwerten
378
9.1? Metrologische Rückverfolgbarkeit
378
9.2? Ermittlung der Messunsicherheit
380
9.2.1 Messunsicherheitsbilanz
381
9.2.2 Ermittlung der Messunsicherheit am kalibrierten Werkstück
391
9.2.3 Ermittlung der Messunsicherheit durch Simulation
392
9.2.4 Korrektur systematischer Abweichungen
393
9.3? Annahme und Überwachung von Koordinatenmessgeräten
394
9.3.1 Antastabweichung
398
9.3.2 Längenmessabweichung
399
9.4? Eignungsnachweis für Prüfprozesse und Messsysteme
401
10 Wirtschaftlichkeit
6
10.1? Kosten
6
10.2? Nutzen und Zweckerfolg einer Messung
6
10.2.1 ?? Referenzmodell zur Bewertung des Zweckerfolgs einer Messung
6
10.2.2 Methodisches Vorgehen
6
10.3? Bewertungsansätze
6
10.3.1 ?? Konformitätsprüfung (Gestaltprüfung)
6
10.3.2 Prozessfähigkeitsuntersuchung
6
10.3.3 Statistische Prozesslenkung
6
11 Schulungskonzepte
428
11.1? Einführung
428
11.2? Formen der Ausbildung
429
11.3? Modernes Ausbildungskonzept CMTrain
431
11.4? Ausblick auf künftige Ausbildung
434
Stichwortverzeichnis
436
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