Koordinatenmesstechnik (eBook)

Flexible Meßstrategien für Maß, Form und Lage

Albert Weckenmann, Bernd Gawande (Autoren)

eBook Download: PDF

2012 | 1. Auflage
XVIII, 442 Seiten
Carl Hanser Fachbuchverlag
978-3-446-42947-5 (ISBN)

Infos

Die Koordinaten- und Formmesstechnik, ein grundlegendes Verfahren der Fertigungsmesstechnik, stellt eine geometrische Prüfung vor, während und nach der Bearbeitung eines Werkstücks sicher.

Das Buch geht besonders auf die Messstrategie ein. Dargestellt wird die Messaufgabeninterpretation auf der Basis von Normen, die Vorgehensweise des Prüfplaners und die Auswertung der Koordinatenwerte. Weitere Themen sind Geräte- und Messgenauigkeit sowie Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen.

' ... ein empfehlenswertes Nachschlagewerk und Lehrbuch für jeden, der sich mit dem Gebiet der Koordinatenmesstechnik befasst.'
MM Maschinenmarkt

Autor

Prof. Albert Weckenmann lehrt an der Universität Erlangen-Nürnberg.

Inhalt

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
2.2.1Darstellung der Nenngeometrie 44
2.2.2 Grundsatz der Unabhängigkeit als internationaler Tolerierungsgrundsatz 46
2.2.3Längenmaße 47
2.2.3.1Zweipunktmaß 47
2.2.3.2Größenmaße 48
2.2.3.3Hüllbedingung 48
2.2.4Toleranzzonen für Form- und Lagetoleranzen 51
2.2.5Formtoleranzen 53
2.2.6Bezüge, Bezugssysteme 54
2.2.7Lagetoleranzen 57
2.2.7.1Richtungstoleranzen 57
2.2.7.2Ortstoleranzen 57
2.2.7.3Lauftoleranzen 58
2.2.7.4Vollständige Produktspezifikation 58
2.3? Konformitätsnachweis 59
2.3.1Partition 60
2.3.2Extraktion 61
2.3.2.1Werkstückbezugssystem 61
2.3.2.2Anzahl und Anordnung der Messpunkte 61
2.3.2.3Sensor 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
3.1.12-Punkt-Maß 72
3.1.23-Punkt-Maß 74
3.1.3Sinustisch 74
3.1.42-Punkt-Abstand 75
3.1.5Bohrungsabstand von einer Ebene 75
3.1.6Zusammenfassung zur konventionellen Messtechnik 75
3.2? Prinzip der Koordinatenmesstechnik 76
3.2.1Punktantastung und Ausgleichsrechnung 76
3.2.2Ersatzflächen und Ersatzlinien 77
3.2.3Minimale Anzahl Antastpunkte 78
3.2.4Anzahl Antastpunkte 79
3.2.5Beispiel Werkstückkoordinatensystem 80
3.2.6Verschiedene Kriterien für Ausgleichsrechnungen 81
3.2.7Definition von Lageabweichungen 82
3.2.8Systematik der Koordinatenmesstechnik 83
3.2.9Vergleich der Koordinatenmesstechnik mit konventioneller Messtechnik 87
3.3? Gerätetechnik 89
3.3.1Geräteaufbau 89
3.3.1.1Typischer Geräteaufbau am Beispiel eines Portalgerätes mit stehendem Portal 91
3.3.1.2Mechanisches Justieren und Softwarekompensation 91
3.3.1.3Innerer Aufbau eines Koordinatenmessgerätes 92
3.3.1.4Handbediente Koordinatenmessgeräte 93
3.3.1.5Einständer-Koordinatenmessgeräte 94
3.3.1.6Koordinatenmessgeräte mit fahrendem Portal 95
3.3.1.7Doppelständer-Koordinatenmessgeräte 96
3.3.1.8Mehrstellenmessgeräte 97
3.3.2Tastelemente, Einmessen, Mehrfachtaster und Tasterradiuskorrektur 97
3.3.2.1Tastelemente 97
3.3.2.2Einmessen 97
3.3.2.3Mehrfachtaster 99
3.3.2.4Tasterradiuskorrektur 99
3.4? Erweiterungen 100
3.4.1Tasterwechseleinrichtung 100
3.4.2Dreh-Schwenktaster 101
3.4.3Drehtisch 102
3.4.4Scannen 103
3.4.5Automatischer Werkstückwechsel 104
3.4.6Unempfindlichkeit 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
4.1.1Einführung und Grundlagen 112
4.1.1.1Sinn und Zweck der Antastung 112
4.1.1.2Anforderungen an taktile 3D Tastsysteme 113
4.1.1.3Geschichtliche Entwicklung 113
4.1.1.4Aufbau, Komponenten, Begriffsdefinitionen 115
4.1.2Sensorik für taktile Antastsysteme 116
4.1.2.1Schaltende und messende Sensorik 116
4.1.2.2Serieller und paralleler Aufbau der Sensorik 117
4.1.2.3Resistiv schaltende Sensorik 118
4.1.2.4Schaltende Sensorik basierend auf Piezoelementen bzw. DMS 118
4.1.2.5Induktiv und kapazitiv messende Sensorik 118
4.1.2.6Skalenbasiert messende Sensorik 119
4.1.2.7Optisch messende Sensorik 119
4.1.2.8Pseudo-taktile Sensorik 120
4.1.3Antastabweichung 122
4.1.3.1Tastereinmessen und Bestimmung der Antastabweichung 122
4.1.3.2Antastkraft, Deformation, Empfindlichkeit Luftantastung 125
4.1.3.3Filterwirkung und Einfluss der Formabweichung der Tastkugel 129
4.1.3.4Einzelpunktmessung und Scanning 130
4.1.3.5Tastelemente, Taststifte, Tasterbäume 131
4.1.4Beispiele taktiler 3D Tastsysteme für die Koordinatenmesstechnik 132
4.1.4.1Taktile Tastsysteme für konventionelle KMG 132
4.1.4.2Taktile Tastsysteme für Mikro-KMG 134
4.1.4.3Tastsysteme für spezielle Anwendungsfälle 136
4.1.5Anwendung taktiler Tastsysteme und Zusatzeinrichtungen 137
4.2? Visuelle Sensoren 138
4.2.1Abbildungssysteme 139
4.2.2Beleuchtungssysteme 142
4.2.3Kameratechnik 145
4.2.4Software zur Bildauswertung 146
4.2.5Einbindung der Bildverarbeitungssensorik in Koordinatenmessgeräte 148
4.3? Berührungslose Abstandssensoren 152
4.3.1Grundlegende Messprinzipien 153
4.3.2Abstandssensor mit Foucault‘scher Schneide 154
4.3.3Triangulationssensoren 156
4.3.4Photogrammetrie 157
4.3.5Streifenprojektion 158
4.3.6Fokusvariation 159
4.3.7Konfokale Abstandssensoren 160
4.3.8Weißlichtinterferometrie 162
4.3.9Konoskopischer Abstandssensor 164
4.4? Rastersondenverfahren 166
4.4.1Einführung und Grundlagen 166
4.4.1.1Rastertunnelmikroskopie – Ursprung der Rastersondenverfahren 167
4.4.1.2Raster-Kraft-Mikroskopie 168
4.4.1.3Rastersondenverfahren im Kontext der Koordinatenmesstechnik 169
4.4.2Koordinatenmesstechnik mit Rastersondenverfahren 170
4.4.2.12,5D Koordinatenmesstechnik mit metrologischen Rastersondenmikroskopen 170
4.4.2.23D Koordinatenmesstechnik mit Raster-Kraft-Mikroskopie 171
5 Grundlagen weiterentwickelter Gerätetechnik 174
5.1? Lasertracker 174
5.1.1Einleitung 174
5.1.1.1Handtaster mit zusätzlicher Erfassung der Orientierung 177
5.1.2Anwendungen 177
5.1.2.1Flugzeugbau 177
5.1.2.2Vorrichtungsbau 178
5.1.2.3Qualitätssicherung von Großteilen und im Formenbau 179
5.1.2.4Kalibrierung von Maschinen 179
5.1.3Messunsicherheit und Normen 180
5.1.3.1Messunsicherheit 180
5.1.3.2Amerikanische Norm zur Prüfung von Lasertrackern: B89.4.19 181
5.1.3.3Deutsche Richtline zur Prüfung von Lasertrackern: VDI 2617-10 182
5.1.3.4Internationale Norm zur Prüfung von Lasertrackern in der Normungsreihe ISO 10360 183
5.1.4Neue Technologien 184
5.1.4.1Der „Virtuelle Lasertracker“ 184
5.1.4.2Multilaterationssystem 184
5.1.5Zusammenfassung und Ausblick 185
5.2?Koordinatenmessgeräte mit Gelenkarmen 186
5.2.1Funktionsweise der Gelenkarm-KMGs 186
5.2.2Gelenkarm-KMG mit lineargeführter Z-Achse 187
5.2.3Gelenkarm-KMG mit mehreren Gelenkarm-Segmenten 189
5.2.4Prüfung von Gelenkarm-Koordinatenmessgeräten 193
5.3? 3D-Nanomess- und Nanopositioniergeräte 195
5.3.1Einführung 195
5.3.2Stand der Technik von Nanopositionier- und Nanomessgeräten 196
5.3.3Laserinterferometrische Längenmesstechnik 198
5.3.3.1Grundlagen der Interferometer 198
5.3.3.2Metrologische Analyse 200
5.3.4Laserinterferometer für Nanomessgeräte 205
5.3.5Nanokoordinatenmessgeräte 207
5.3.5.1Aufbauprinzipien von Koordinatenmessgeräten (CMM) 207
5.3.5.2Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften der Nanomessmaschine NMM-1 209
5.3.5.3Nanosensoren für die Nanomessgeräte, Messergebnisse 213
5.3.5.4Anwendungsgebiete der Nanomessmaschinen 218
5.4? Röntgentomographie 219
5.4.1Röntgenstrahlerzeugung 221
5.4.2Bildaufnahme 223
5.4.3Mechanik und Strahlenschutz 224
5.4.4Volumen- und Messpunkteberechnung 226
5.4.5Messabweichungen durch das Röntgentomographieprinzip 228
5.4.6Erweiterung des Einsatzbereichs von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie 230
5.4.7Anwendung von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie 232
5.5? Optische Messsysteme 235
5.5.1Prinzip der Triangulation 235
5.5.2Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit aktiver Triangulation 238
5.5.3Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit passiver Triangulation 240
5.5.3.1Passive Triangulation mit zueinander kalibrierten Messkameras 241
5.5.3.2Passive Triangulation mit einer bewegten Messkamera 241
5.5.3.3Passive Triangulation mit Theodoliten 242
5.5.4Geometrieerfassung mit photogrammetrischen Trackersystemen 243
5.5.5Berührungslose optische Geometrieerfassung nach dem Licht-Laufzeitverfahren 245
5.5.6Optische Geometrieerfassung spiegelnder Oberflächen 245
5.6? Messen mit mehreren Sensoren 247
5.6.1Optische Messsysteme mit Antastung in mehreren Einzelansichten 248
5.6.1.1Registrierung 249
5.6.1.2Datenfusion 252
5.6.2Multisensor-Koordinatenmessgeräte 253
5.6.2.13D Multisensor-Koordinatenmessgeräte 253
5.6.2.2Multisensor-Oberflächenmessgeräte 256
5.7? Indoor-GPS (Global Positioning System) 258
5.7.1Funktionsweise und Komponenten des iGPS 258
5.7.2Skalierung des Messsystems 260
5.7.3Inhomogene Fehlerverteilung im Messsystem 261
5.7.4Anwendungsbeispiel: Regelung von Robotern 262
5.8? Maschinenintegrierte Messtechnik 263
5.8.1Definition und Einordnung innerhalb der Fertigungsmesstechnik 263
5.8.2Pre- und Post-Prozess-Messtechnik 263
5.8.3Potenzial der dreidimensionalen Korrektur 265
5.8.4Sensoren zur Integration auf der Werkzeugmaschine 266
5.8.5In-Prozess-Messtechnik 267
5.8.6Pneumatische In-Prozess-Messtechnik 269
5.8.7Zukünftige Entwicklungen 271
6 Von der technischen Zeichnung über den Prüfplan hin zum Messablaufplan 272
6.1? Einführung in die Prüfplanung 272
6.1.1Prüfen der Unterlagen 273
6.1.2Erkennen der Merkmale 273
6.1.3Auswahl der Prüfmerkmale 273
6.1.4Abarbeiten der Prüfmerkmale (allgemein) 275
6.1.5Abstimmen mit Fachbereichen 275
6.1.6Dokumentation – Eintragungen in den Prüfplan 276
6.1.7Inhalte eines Prüfplans 276
6.2? Abarbeiten der Prüfmerkmale in der Koordinatenmesstechnik 276
6.2.1Einführung 276
6.2.2Prüfaufgabe analysieren 277
6.2.2.1Auswahl des Koordinatenmessgeräts und dessen Zusatzeinrichtungen 277
6.2.2.2Prüfplan für die Koordinatenmesstechnik 278
6.2.3Messstrategie definieren 279
6.2.3.1Orientierung des Werkstücks im Koordinatenmessgerät 279
6.2.3.2Koordinatensysteme 279
6.2.3.3Antaststrategie 283
6.2.3.4Auswertestrategie 291
6.2.4Messablauf festlegen 298
6.2.4.1Grundsätze 299
6.2.4.2Optimierungskriterien 299
6.2.5Messung vorbereiten 301
6.2.5.1Erforderliche Unterlagen 301
6.2.5.2Werkstück 302
6.2.5.3Koordinatenmessgerät 303
6.2.5.4Hilfsmittel 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
7.1.1Software zur Programmierung für Koordinatenmessgeräte 308
7.1.2Rechnergestützte Schnittstellen für Eingangsinformationen: CAD und Planungssoftware 310
7.1.3Simulation und Kollisionskontrolle 315
7.1.4Rechnergestützte Übertragung von Messprogrammen 317
7.1.5Programmierung von automatisierten Systemen in der Produktion 319
7.1.6Programmierung bei speziellen Messaufgaben 320
7.2? Messung und Auswertung der Koordinaten (Punkte) 322
7.2.1Messung: Messprogrammausführung 322
7.2.2Auswertung: Ableitung von Informationen aus den Messpunkten 323
7.3? Ergebnisdarstellung und -übertragung 333
7.3.1Messprotokollgestaltung, Messprotokollarten 334
7.3.2Rechnergestützte Übertragung von Messergebnissen 335
8 Spezielle Messaufgaben 342
8.1? Spektrum der Messaufgaben mit komplexer Geometrie 343
8.1.1Messobjekte mit analytischer Geometriebeschreibung (funktionsbedingt gegeben) 343
8.1.2Messobjekte mit numerisch-approximativer Geometriebeschreibung 346
8.2? Definition der Messaufgabe 347
8.2.1Messaufgaben-Definition an ausgezeichneten Punkten 347
8.2.2Messaufgaben-Definition entlang ausgezeichneter Linien 348
8.2.3Messaufgaben-Definition durch 3D-Topografien 349
8.3? Definition der Messstrategie 350
8.3.1Auswahlkriterien und Beurteilungskriterien 350
8.3.2Gerätebezogene Aspekte der Messstrategie 350
8.3.3Phasen der Messprogrammerstellung und der Programmierung des Prüfprozesses 351
8.4? Ausrichten 356
8.4.1Methodik der Ausrichtung komplexer Messobjekte 356
8.4.2Ausrichtung nach dem Werkstück-Grundkörper oder nach funktionsbestimmenden Bezugsflächen 357
8.4.3Ausrichtung nach den Freiformflächen 358
8.4.4Ausrichtung mit Ähnlichkeitstransformationen 361
8.4.5Ausrichtung nach Teilflächen 362
8.5? Messdatenauswertung 363
8.5.1Messdatenauswertung für Freiformflächen 364
8.5.1.1Zuordnung von Soll- und Ist-Punkten 364
8.5.1.2Tastkugelkorrektur 365
8.5.1.3Soll-Ist-Vergleich 367
8.5.1.4Berechnung von Abweichungs-Kenngrößen 368
8.5.2Sonderfall Verzahnungsmessungen 370
8.5.3Besondere Auswertemethoden 372
8.6? Funktionsorientierte Prüfungen 373
8.6.1Prinzip der numerischen Funktionsprüfung in der Koordinatenmesstechnik 373
8.6.2Beispiel Tragbildprüfung bei Zylinderrädern 374
9 Messunsicherheit und Rückverfolgbarkeit von Messwerten 378
9.1? Metrologische Rückverfolgbarkeit 378
9.2? Ermittlung der Messunsicherheit 380
9.2.1Messunsicherheitsbilanz 381
9.2.2Ermittlung der Messunsicherheit am kalibrierten Werkstück 391
9.2.3Ermittlung der Messunsicherheit durch Simulation 392
9.2.4Korrektur systematischer Abweichungen 393
9.3? Annahme und Überwachung von Koordinatenmessgeräten 394
9.3.1Antastabweichung 398
9.3.2Längenmessabweichung 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
10.2.2Methodisches Vorgehen 6
10.3?Bewertungsansätze 6
10.3.1 ??Konformitätsprüfung (Gestaltprüfung) 6
10.3.2Prozessfähigkeitsuntersuchung 6
10.3.3Statistische 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

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 5.6.2012
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Technik ► Maschinenbau
• Schlagworte: Koordinatenmeßtechnik • Meßtechnik • Qualitätssicherung
• ISBN-10: 3-446-42947-6 / 3446429476
• ISBN-13: 978-3-446-42947-5 / 9783446429475