3 Tipps zur Auswahl des besten Koordinatenmessgeräts für Ihr Qualitätsmanagement

Don ist verantwortlich für die Qualitätssicherung bei einem Erstausrüster, der Automobilkomponenten herstellt.

Ihm stellt sich folgendes Problem: Kürzlich erhielt sein Unternehmen einen lukrativen Auftrag über die Produktion von 30.000 Nockenwellen für einen neuen Getriebetyp. Doch die erste Lieferung vom Kunden zurückgewiesen wurde, weil sie nicht dem erwarteten Standard entsprach.

Was war passiert?

Kontrolle von Nockenwellenformen mittels KMG.

Dons Firma benutzte eine Kombination von tragbaren Messgeräten, um produktionsrelevante Komponenten zu prüfen, was bisher auch seinen Zweck erfüllte. Leider erforderten die neuen Nockenwellen mehr Messungen mit einer höheren Genauigkeit, als die tragbaren Werkzeuge bieten konnten. Die Produktionsmitarbeiter hatten Mühe, mit dem Tempo Schritt zu halten, also kürzten sie die Prozeduren ab.

Fehler seitens der Mitarbeiter bei der Verwendung von Messgeräten sind eine häufige Fehlerquelle im Bereich der Messtechnik, können jedoch durch den Einsatz von Koordinatenmessgeräten (KMG) deutlich reduziert werden.

Übersicht über Koordinatenmessgeräte

Die Etablierung von KMGs in der Industrie machte die Qualitätssicherung von Produktionsunternehmen effizienter, präziser und flexibler. Alle diese Vorteile resultieren aus der Programmierbarkeit solcher Geräte.

Die Maschinen können so eingestellt werden, dass sie wiederkehrende Messaufgaben eigenständig und automatisiert erledigen, ohne dass sie dafür jedes Mal neu programmiert werden müssen. Außerdem ermöglichen sie es dem Anwender, auf eine Vielzahl von Messgeräten für individuelle Aufgaben verzichten zu können, da ein einziges KMG für beliebig viele Arten von Messaufgaben programmiert werden kann.

Alle Koordinatenmessgeräte verfügen über drei orthogonale Achsen (X, Y und Z) im Rahmen eines 3D-Koordinatensystems. Jede Achse hat einen Maßstab, der dazu dient Positionen oder Punkte im Raum zu beschreiben.

Die Maschinen gewinnen ihre Inputdaten anhand von Sensoren, die unmittelbar von einem Bediener oder mittels numerischer Steuerung (CNC) programmiert wurden.

Aus diesen Daten berechnen sie dann die gewünschten Abstandsmaße (Dimensionen), geometrische Formen (Merkmale) und die relative Position dieser Formen (Merkmalsproportionen) an einem Werkstück.

Die Integration eines Koordinatenmessgeräts in Ihren Produktionsprozess – ob im Labor oder in der Fertigung – kann die Qualität Ihres Produkts entscheidend verbessern, aber die Auswahl des richtigen Koordinatenmessgeräts für Ihre jeweilige Anwendung ist nicht immer leicht.

Die richtige Maschine für seine Zwecke auszuwählen kann schwierig sein“, erklärte uns Benjamin Viering, Senior Director of Marketing and Business Strategy bei Carl Zeiss Industrial Metrology. „Es besteht die Gefahr, dass man Geräte kauft, die den eigenen Anforderungen nicht entsprechen, oder man gibt zu viel Geld für eine Maschine aus, deren Präzision den tatsächlichen Bedarf übersteigt.“

Heute schwankt die Preisspanne der KMGs von ca. 30.000 $ bis über $1.000.000 $, abhängig von den technischen Merkmalen. Auch die Kosten für die diversen Arten von Sonden-/Sensorkonfigurationen reichen von einigen tausend bis hin zu Zehntausenden von Dollars.

Deshalb lohnt es sich, vor einer endgültigen Entscheidung eine professionelle Beratung in Anspruch zu nehmen, aber dennoch gibt es einige allgemeine Ratschläge, die Ihnen dabei helfen können, das für Ihre Anwendung am besten geeignete KMG zu bestimmen.

1. Beachten Sie, was und wo Sie messen müssen

Es gibt eine Reihe von Methoden, Koordinatenmessgeräte zu kategorisieren, aber wenn Sie sich fragen, welches System für Ihre jeweilige Anwendung am besten geeignet ist, dann sollten Sie sich vor allem die folgende Frage stellen:

Sollen die zu messenden Objekte an das Gerät oder soll das Messgerät an die zu messenden Objekte herangeführt werden?

Die Antwort auf diese Frage hängt davon ab, was Sie messen und wo Sie es messen. Wenn Sie vorhaben, das Teil zur Maschine zu bringen, dann brauchen Sie ein stationäres KMG. Wenn es umgekehrt ist, dann brauchen Sie eine bewegliche Messeinheit (oder eine stationäre und dafür starke Muskeln). In diesem Artikel konzentrieren wir uns ausschließlich auf stationäre KMGs.

Es gibt vier Grundtypen stationärer KMGs:

• Brückenbauweise
• Auslegerbauweise
• Ständerbauweise
• Portalbauweise

Brücken-KMGs sind die gebräuchlichsten Koordinatenmessgeräte.

Bei einer beweglichen Brücke ermittelt der Messkopf Werte auf der Z-Achse, indem er sich an einer Brücke, die den Maschinenfuß überspannt, auf und ab bewegt. Die Werte für die X-Achse ermittelt er hingegen, indem er sich entlang dieser Brücke hin und her bewegt. Die Werte auf der Y-Achse werden durch Verschieben der gesamten Brücke entlang des Granitsockels ermittelt.

Ein festes oder stationäres KMG ermittelt Werte auf der Y-Achse durch Verschieben des Tisches statt der Brücke. Die geringere Flexibilität durch die Fixiertheit der Brücke verringert die Messungenauigkeit, aber da der Tisch mobil sein muss, ist seine maximale Lastkapazität geringer.

Früher war es schwierig, Brücken-KMGs zu beladen, da die Werkstücke präzise auf den Granitgrundplatten positioniert werden mussten. Heutzutage jedoch werden KMGs automatisch an das Werkstück-Koordinatensystem angepasst, das auf ihrer CAD-Modellierung basiert.

Das bedeutet, dass moderne KMGs ihr Koordinatensystem nur noch mit dem des Werkstücks abgleichen müssen, um einen guten Ausgangspunkt zu gewährleisten, was die Beladungszeit deutlich verkürzt.

Die Brücke selbst schränkt jedoch die Zugänglichkeit dieser KMGs noch immer ein, so dass je nach Zugänglichkeitsanforderung ein Ausleger- oder Ständer-KMG die bessere Option sein kann.

Die Ausleger-KMGs unterscheiden sich von der Brückenausführung dadurch, dass der Messkopf nur einseitig auf einem festen Sockel befestigt wird. Sie beschränken sich daher auf kleinere Messbereiche, da der überstehende Teil der Fahrsäule relativ kurz sein muss, um die Stabilität des Systems nicht zu beeinträchtigen.

Der große Stützsockel der Säule in Verbindung mit dem geringen Gewicht ermöglicht jedoch sehr schnelle Bewegungen bei Ausleger-KMGs. Ihre hohe Genauigkeit und geringe Messunsicherheit sind die Gründe dafür, dass Ausleger-KMGs vorwiegend für die Messung von Lehren und Urmodellen eingesetzt werden.

Ständer-KMGs sind weniger genau als die anderen Bautypen, da sie aufgrund ihres Designs stärker verformungsanfällig sind. Ihr Design macht sie jedoch besonders geeignet für die Messung von großen Werkstücken oder schwer zugänglichen Merkmalen.

Im Automobilbereich können beispielsweise zwei Arme miteinander gekoppelt werden, um beide Seiten eines Fahrzeugrahmens gleichzeitig zu vermessen, während er entlang der Montagelinie bewegt wird. Dazu werden beide Maschinen auf dasselbe (Fahrzeug-) Koordinatensystem ausgerichtet. Aufgrund ihrer Konstruktion sind die Arme in der Lage, auch Teile im Fahrzeuginneren zu messen, die für ein Brücken-KMG nicht zugänglich wären.

Obwohl sich die Arme auf gegenüberliegenden Seiten des Rahmens befinden, können die gesammelten Daten durch Synchronisation mit den Fahrzeugkoordinaten auf ein einziges Koordinatensystem projiziert werden. Die Flexibilität der Arme erlaubt es außerdem, sie ins Innere des Fahrzeugrahmens zu bewegen, um Merkmale zu messen, die mit einem Brücken-KMG-Design nicht erreicht werden können.

Portal-Koordinatenmessgeräte sind strukturell ähnlich wie Brücken-KMGs aufgebaut, sind aber in der Regel wesentlich größer. Bei der Portalbauweise ist die Brücke auf erhöhte Pfeiler montiert, was das maximal messbare Volumen erhöht. Ihre strukturelle Ähnlichkeit zu Brückengeräten verleiht Portal-KMGs eine ähnlich hohe Genauigkeit. Dies in Verbindung mit ihrem hohen maximalen Messvolumen ist der Grund, warum Portal-KMGs vor allem in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet sind, wo Komponenten oft ziemlich groß sein können und dennoch eine hohe Genauigkeit erfordern.

Eine Zusammenfassung:

• Ausleger-KMGs sind in der Regel am genauesten, aber am wenigsten flexibel
• Ständer-KMGs sind in der Regel am flexibelsten, aber am wenigsten genau
• Brücken- und Portal-KMGs liegen zwischen diesen beiden Extremen

Qualitätslabor vs. Produktionshalle

In den letzten zehn Jahren hat sich der Trend gezeigt, dass KMGs aus Qualitätskontrolllabors zunehmend auch in Produktionshallen eingesetzt werden, und zwar zur Durchführung sogenannter Echtzeit- oder In-Situ-Messungen.

Zvonimir Kotnik, Manager im Bereich Business Integration bei Hexagon Manufacturing Intelligence: „KMGs werden traditionell in Qualitätslabors eingesetzt, weil dort eine konstante Temperatur herrscht – normalerweise 20°C (68°F). In einem Qualitätslabor lassen sich Objekte unter perfekt kontrollierten Bedingungen messen.“

Leider finden Messungen in Qualitätslabors am Ende von Fertigungsprozessen statt. Wenn ein Produkt nicht den Spezifikationen entspricht, ist kaum feststellbar, was bei der Ausführung genau falsch gelaufen ist.

„Sie möchten idealerweise, dass Ihre Messtechnik direkt in den Herstellungsprozess selbst integriert ist, damit Ihnen entlang des gesamten Prozesses aussagekräftige Informationen zur Verfügung stehen. Auf diese Weise können Sie den Prozess nahezu in Echtzeit anpassen und somit einen reibungsloseren Prozess sicherstellen. Sie können Ausfallzeiten reduzieren und die Gesamtqualität des Produkts erhöhen“, so Kotnik weiter.

Darüber hinaus ist die Führung eines Qualitätskontrolllabors mit allen notwendigen Klimakontrollvorrichtungen kostspielig – wenn Ihre Anwendungen nicht extrem präzise Messungen erfordern, lohnt sich der Unterhalt also eher nicht.

„Wenn Sie wirklich präzise Messungen wollen, brauchen Sie immer noch ein Messlabor, aber selbst dann muss das Teil die gleiche Temperatur wie das Labor haben, so dass Sie ein Teil, das womöglich noch erwärmt ist, nicht direkt aus der Produktion in das Labor befördern können, weil das Ihre Messungen beeinträchtigen würde“, sagte uns Viering.

Letztendlich hängt die Entscheidung, welches stationäre KMG für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, davon ab, was Sie messen und wo Sie es messen. Eine Zusammenfassung der oben genannten Informationen finden Sie in der nachstehenden Tabelle.

 

2. Die Auswahl der richtigen Sonde

Ein Koordinatenmessgerät ist nur so gut wie seine Sonde(n).

Wie KMGs gibt es auch Sonden in verschiedenen Bautypen. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Kontaktsonden, die Werkstücke mittels Berührung messen, und berührungslosen Sonden, die mit Laser oder Bildverarbeitung arbeiten. Erstere sind präziser, letztere schneller.

Es gibt auch Multisensor-Sonden, die Kontaktmessung und optische Messung kombinieren.

KMG-Kontaktsonden

Die am häufigsten verwendeten Kontaktsonden lassen sich in zwei Kategorien einteilen:

• Schaltende Tastsonden
• Analoge Tastsonden

Schaltende Tastsonden bestehen aus einem Taststift, der an einer Lagerplatte befestigt ist und mit Drucksensoren im Sondengehäuse verbunden ist. Diese erzeugen jedes Mal, wenn sie einen Punkt auf dem Werkstück berühren, ein elektrisches Signal.

Der erste schaltende Tastkopf wurde von Renishaw-Gründer Sir David McMurty erfunden, um eine spezielle Prüfanforderung im Zusammenhang mit den Olympus-Motoren der Concorde zu erfüllen.

Der Sondenkopf ist am Ende einer der Bewegungsachsen des KMGs befestigt. Er kann manuell oder automatisiert gedreht werden und ist mit einer Vielzahl von Taststiftspitzen und Aufsätzen kompatibel. Tastsonden sind äußerst vielseitig und flexibel.

Durch die Integration von piezobasierten Sensoren entfällt die biegende Druckwirkung am Taststift und die Weiterentwicklung der Dehnungsmessstreifen-Technologie hat dafür gesorgt, dass die Sonden unabhängig vom Kontaktwinkel in konstantem Maße anschlagen. Dadurch entfällt die Richtungsempfindlichkeit, was diesen Sonden eine Genauigkeit im Submikrometerbereich verleiht.

Analoge Tastsonden sind ebenfalls stiftbasiert und werden zur Messung von konturierten Oberflächen, wie z.B. Metallblechkomponenten, eingesetzt. Anstatt einzelne Punkte zu berühren, wird der Kontakt ständig aufrechterhalten, während der Messtaster über das Werkstück gezogen wird, was stufenlose (analoge) Messergebnisse produziert.

Dies bietet eine drastisch erhöhte Datenerfassung. Kontinuierliche analoge Abtastung (engl. continuous analog scanning, CAS) basiert auf kontinuierlicher (statt auf Punkt-zu-Punkt) Datenerfassung. Sie eignet sich besonders für komplexe Formen wie Kurbelwellen, Nocken, Turbinenblättern, Prothesen und Karosserien.

Es gibt zwei Arten von CAS-Systemen:

• Closed-Loop-Systeme: Die Sonde erkennt automatisch Änderungen in der Oberflächenrichtung des Werkstücks und passt sich automatisch an, um den Kontakt aufrechtzuerhalten

–> Nützlich beim Digitalisieren von unbekannten und

komplexen Formen

• Open-Loop-Systeme: Die Sonde wird mit Hilfe von Maßdaten aus einer Spezifikationsdatei entlang eines vorgegebenen Pfades bewegt

–> Nützlich bei der schnellen Datenerfassung an Geometrien, die anhand markanter Oberflächenpunkte und Vektoren oder anhand von CAD-Daten ausreichend gut definiert sind

Ein Vorteil von analogen Tastsystemen gegenüber schaltenden Tastsystemen besteht darin, dass sie in der gleichen Zeit 10- bis 50-mal mehr Daten erfassen können als letztere. Mehr Daten bedeuten mehr Sicherheit, was angesichts der großen Abstände zwischen den Datenpunkten bei Punkt-zu-Punkt-Tastverfahren von Vorteil sein kann.

Ein zweiter Vorteil der Verwendung eines analogen Tastsystems ist, dass es alternativ auch in Form eines schaltenden Tastsystems verwendet werden kann, was dem Anwender mehr Flexibilität bietet. Der Bediener kann wählen, welche Merkmale er eher schnell abtasten möchte und für welche er mehr Zeit aufwenden möchte, wenn beispielsweise ein bestimmtes Merkmal besonders kritisch ist.

Berührungslose KM-Sonden

Berührungslose Sonden eignen sich am besten für Messobjekte, die komplexer, kleiner, hochdetailliert oder leicht verformbar sind. Sie sind entweder laser- oder bildverarbeitungsbasiert.

Lasersonden funktionieren wie schaltende Tastsysteme, verwenden jedoch einen konzentrierten Lichtstrahl anstelle eines Taststiftes. Der Strahl wirkt als optischer Schalter, so dass bei der Projektion auf das Bauteil die Position mittels Triangulation über eine Linse im Sondenrezeptor abgelesen werden kann.

Dies funktioniert ähnlich wie die Methode, die von Vermessungstechni-kern verwendet wird, um eine Position oder einen Standort mittels Peilung zweier Fixpunkte zu ermitteln, die sich in einem bekannten Abstand zueinander befinden.

Bildverarbeitungsbasierte Sonden eignen sich vor allem für sehr kleine Bauteile, wie z. B. Mikroprozessoren. Anstatt die Teile selbst zu vermessen, wird ein Referenzmodell elektronisch digitalisiert, um die gewünschten Referenzdimensionen für die Werkstücke zu erzeugen.

Eine High-Definition-Kamera generiert dann zahlreiche Messpunkte in einer integrierten Projektion, so dass die jeweiligen tatsächlichen Merkmale des Objekts mit den Idealmaßen des digitalen Modells anhand der Zählung von Pixeln verglichen werden können. Im Gegensatz zu anderen Sonden, die regelmäßige Rekalibrierung erfordern, muss das Objektiv eines Bildverarbeitungssystems nur einmal kalibriert werden.

Der Hauptvorteil der berührungslosen Sonden besteht darin, dass sie es dem Anwender ermöglichen, Daten einer größeren Oberfläche in kürzerer Zeit zu erfassen als Kontaktsonden. Der Trade-off besteht jedoch darin, dass sie weniger genau sind.

3. Berücksichtigen Sie die Software-Anforderungen an Ihr KMG

Die Eignung eines KMG für eine Anwendung hängt nicht nur von seiner Bauart und seiner Sonde ab, sondern auch von der Software.

Obwohl es eine Standardprogrammiersprache für KMGs gibt, die als DMIS (Dimensional Measurement Interface Standard) bezeichnet wird, wird sie nicht von allen KMG-Herstellern verwendet, obwohl die meisten sie zumindest unterstützen.

DMIS unterstützt nicht alle Funktionen, die erforderlich wären, um das ganze Spektrum an Messaufgaben abzudecken. Ihre Beschränkungen haben die Hersteller dazu veranlasst, ihre eigenen, individuellen DMIS-Varianten für die Programmierung und -Bedienung von KMGs zu entwickeln.

KMG-Software und Messunsicherheit

Messunsicherheit bedeutet, dass es unmöglich ist, den tatsächlichen Messwert eines Objekts hundertprozentig zu ermitteln. Wir können uns dem tatsächlichen Wert lediglich so genau als möglich annähern und genau darum ist der Aspekt der Messunsicherheit in der Messtechnik enorm wichtig.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Messunsicherheit von KMGs zu bestimmen. Das kann experimentell durch das Vornehmen mehrerer Messungen an derselben Maschine, theoretisch durch Modellierung der Maschine oder statistisch anhand bspw. einer Monte-Carlo-Simulation erfolgen.

Je mehr Genauigkeit ein Prozess erfordert, desto größer ist die Messunsicherheit. Dabei geht es nicht nur um die Größe Ihrer Objekte, sondern auch um die Dimensionen Ihrer Objektmerkmale. Motorzylinder und Einspritzdüsen können vor allem in der Luft- und Raumfahrt sehr groß sein, beinhalten jedoch auch wichtige Detailmerkmale, deren Messung eine hohe Genauigkeit erfordert.

Kotnik erklärte: „Es geht nicht nur darum, wie die Daten gesammelt werden oder wie schnell sie gesammelt werden, sondern auch darum, in welchem Maße Sie sich auf die Daten verlassen können, die Sie gewinnen. Und bei Hexagon geht es um eine Kombination von Schnelligkeit und Verlässlichkeit. Wenn Sie kein Vertrauen in Ihr Messsystem haben, können Sie sich auch nicht auf Ihre Produkte verlassen.“

Die CAD/CAM-Kompatibilität von KMGs

In den letzten 15 Jahren hat die modellbasierte Definition (MBD), auch als digitale Produktdefinition (DPD) bezeichnet, einen deutlichen Aufwärtstrend erfahren. Immer mehr Hersteller tauschen physische Urmodelle gegen digital generierte CAD-Modelle mit integrierten Toleranzwerten ein, was die Kompatibilität zwischen KMGs und CAD-Software zu einem entscheidenden Thema macht.

Kotnik formulierte es so: „Als Ingenieur möchte ich sicherstellen, dass jede Anwendung meines Modells auf derselben, konsistenten Datenstruktur basiert, sonst gilt: Beliebigkeit in den Prozessen erzeugt beliebige Resultate.“

„Die KMG-Software muss in der Lage sein, native CAD-Modelldaten zu verarbeiten, d.h. egal, ob jemand ein Objekt in Unigraphics oder Pro/ENGINEER oder SOLIDWORKS entwirft – die KMG-Software muss diese Daten einwandfrei lesen können“, schloss er.

Wenn es in Ihrem Fall besonders stark auf die CAD-Kompatibilität ankommt, dann achten Sie darauf, KMGs mit einer direkten CAD-Schnittstelle (DCI) zu nutzen, die es dem Anwender ermöglicht, CAD-Daten zu verwenden, ohne sie in eine andere Programmiersprache wie DMIS übersetzen zu müssen. Nicht alle KMGs sind DCI-fähig, das hängt von der jeweils verwendeten Software ab.

Fazit

Ein alleinig ausschlaggebender Faktor in der Entscheidung darüber, welches KMG für Ihre Anwendung am besten geeignet ist, existiert letztendlich nicht.

Es müssen stets mehrere Faktoren in Betracht gezogen werden, einschließlich Bauart, Sondentyp, Software und natürlich die Kosten.

In Bezug auf diesen letzten Punkt gibt Kotnik jedoch folgenden Ratschlag:

„Richten Sie Ihre Kaufentscheidung nicht nur am Preis aus. Bis Sie ein kostengünstiges System erfolgreich zum Laufen gebracht haben, haben Sie soviel Geld ausgegeben, wie Sie in erster Instanz gespart haben. Der Preis ist wichtig, aber es gibt noch viele andere Faktoren, die eine Rolle spielen bei der Bestimmung, welches das beste Produkt für den jeweiligen Job ist.“

Wir hoffen, Sie haben nun einen detaillierteren Eindruck dieser relevanten Faktoren gewinnen können – doch möchten wir an dieser Stelle die Gelegenheit nutzen, eine in diesem Artikel bereits zitierte Grundwahrheit erneut zu betonen: Es ist stets empfehlenswert, sich vor dem Erwerb eines KMGs professionellen Rat einzuholen.

Folge Ian Wright auf Twitter