Koordinatenmeßtechnik

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1 Koordinatenmeßtechnik Neue Aspekte und Anwendungen 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Allgemeine und physikalische Grundlagen, neue Technologien, Meßunsicherheit, Einsatzerfahrungen, Auswahlkriterien Dipl.-Ing. (FH) Hans Joachim Neumann Dipl.-Ing. Wolfgang Beuck Dr. Karl-Hermann Breyer Dr.-Ing. Bernd Gimpel Dipl.-Ing. (FH) Johannes Gold Dr. rer. nat. Klaus-P. Koch Dipl.-Ing. Hardi Pax Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Tilo Pfeifer Dipl.-Math. Carlos Porta Dipl.-Ing. (FH) Hans-Gerd Pressel Dipl.-Ing. Werner Sigle Prof. Dr.-Ing. Franz Wäldele Dr. Hartwig Weber Prof. Dr.-Ing. Albert Weckenmann Dr.-Ing. Michael C. Wilhelm Prof. Dipl.-Ing. RWTH Adolf Wirtz Mit 374 Bildern und 74 Literaturstellen Kontakt & Studium Band 426 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum DI Elmar Wippler expert verlag expert

2 Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Autoren-Vorwort 1. Einführung Koordinatenmeßtechnik im Qualitätsregelkreis 1 T. Pfeifer, W. Beuck, Einleitung Meßtechnik als Voraussetzung von Qualitätsregelkreisen Meßverfahren für die fertigungsintegrierte Qualitätssicherung Integration der Meßtechnik in Produktionsprozesse Das verfügbare Meß- und Prüfinstrumentarium Regelkreise für die Qualitätssicherung Maschineninterne Qualitätsregelkreise Maschinennahe Qualitätsregelkreise Ebenenübergreifende Qualitätsregelkreise Programmierung von Koordinatenmeßgeräten im Qualitätsregelkreis Realisierung eines Qualitätsregelkreises durch Einbindung von Koordinatenmeßgeräten Aufbau einer Qualitätsdatenbasis Koordinatenmeßgeräte im Qualitätsregelkreis Zusammenfassung Allgemeine und physikalische Grundlagen Numerische Korrektur von Geometriefehlern und Temperatureinflüssen an Koordinatenmeßgeräten 18 F. Wäldele Einleitung Randbedingung Modularer Lösungsansatz zur numerischen Fehlerkorrektur 19

3 Systematische Abweichungen eines KMG und ihre Ursachen Modelle Geometrisches Modell Thermomechanisches Modell Korrekturmodell 1. Ordnung Korrekturmodell 2. Ordnung Messungen und Meßergebnisse Korrektur der Geometriefehler im thermischen Bezugszustand Korrektur der thermisch bedingten Geometrieabweichungen Schlußbetrachtung Umgebungseinflüsse auf Koordinatenmessungen 33 Hartwig Weber Einleitung Wechselwirkungen Umgebung Koordinatenmessungen Physikalische Grundlagen Thermische Ausdehnung fester und flüssiger Körper Deformation durch Temperaturunterschiede in festen Körpern Thermische Einflüsse auf Koordinatenmeßgeräte Geometrieänderungen Minimierung der thermischen Empfindlichkeit Lineare Veränderungen Aufstellung von Koordinatenmeßgeräten in temperaturkontrollierter Umgebung Thermische Einflüsse auf das Meßobjekt Lineare Effekte Deformationen Zusammenfassung und Ausblick Auf dem Weg zum thermisch stabilen Koordinatenmeßgerät 42 K.-H. Breyer und H.-G. Pressel Einleitung Die wesentlichen Temperaturstörungen an einem KMG 43

4 Ik Prinzipielle Möglichkeiten zur Verringerung der thermischen Empfindlichkeit von Koordinatenmeßgeräten Darstellungen für thermisch stabile KMG Reduktion der Auswirkungen interner Wärmequellen Isolationsmaßnahmen Thermisch unempfindliche Längenmeßsysteme Zusammenspiel der Wärmeausdehnung von Maßstab und Werkstück Thermisch unempfindliche Führungselemente Rechnerische Kompensation thermomechanischer Abweichungen Ausgeführte Geräte mit besonderer Thermostabilität UPMC CARAT Fertigungsmeßzentrum FC Zusammenfassung Die Längenmeßunsicherheit in der Koordinatenmeßtechnik 59 H.J. Neumann Einleitung Die Komponenten der Längenmeßunsicherheit Die Spezifikation der Längenmeßunsicherheit Die Auswirkung der Längenmeßunsicherheit auf das Meßergebnis Die statistische Verteilung der Meßunsicherheit Das Längenmeßunsicherheits-Diagramm Zusammenhang zwischen Positionsunsicherheit und Längenmeßunsicherheit Überwachen der Längenmeßunsicherheit Genauigkeitskenngrößen für Drehtische auf Koordinatenmeßgeräten 72 H.J. Neumann Die Drehachse Komponentenabweichungen der Drehachse Axiale Führungsabweichung Radiale Führungsabweichung Taumel Winkelpositionsabweichung Belastungsarten 82

5 2.5.4 Auswirkungen der Drehtischeigenschaften auf die Meßunsicherheit von Koordinatenmeßgeräten Meßbeispiele Rundheit Längenmessung (Parallel-Endmaß) Bohrungs-und Abstandsmessung Abschätzung der Meßunsicherheit Schlußbemerkung Überwachung von Koordinatenmeßgeräten mit Prüfkörpern 90 F. Wäldele Einleitung Problemstellung, Definitionen Überwachung Abnahme Kalibrierung Anforderungen Stand der Technik Praxisnahe Überwachung mit Prüfkörpern Prinzip Prüfkörper Prüfkörper zur Überwachung der Antastunsicherheit Prüfkörper zur Überwachung der Meßunsicherheit Auslegung der Prüfkörper Durchführung des Überwachungsverfahrens Meßablauf Auswertung Auswertung der Messungen zur Antastunsicherheit Auswertung der Messungen zur Meßunsicherheit Ergebnis einer Überwachungsmessung Standardisiertes Überwachungsverfahren mit Kugelplatten Überwachungsfaktoren Erfahrungen mit dem standardisierten Überwachungsverfahren Prüfintervalle und Dokumentation Schluß und Ausblick

6 2.7 Ein spezieller Prüfkörper zum Überwachen von Koordinatenmeßgeräten 110 H.J. Neumann Einleitung Die Auslegung eines Prüfkörpers Allgemeine Gesichtspunkte Ein spezieller Kugelprüfkörper Die Meßstrategie beim Einsatz des Prüfkörpers Grundsätzliches Die Bildung des Prüfkörper-Koordinatensystems Die Auswertung der Abstandsabweichungen Die Auswertung der Ortsabweichungen Zusammenhang zwischen Positions- und Längenmeßunsicherheit Die Tolerierung der Ortsabweichungen Die Kalibrierung des Prüfkörpers Ergebnisse der Kalibrierung Zusammenfassung und Ausblick Auswerteverfahren und Antaststrategien in der Koordinatenmeßtechnik 133 A. Weckenmann Einleitung Forderungen an das künftige Prüfen Ziele des künftigen Prüfens Sorgfältige Prüfplanung Programmieren des Prüfablaufs mit CAD Auswerteverfahren zum Prüfen der Werkstückgestalt Approximation der Werkstückoberfläche durch Ersatzelemente Ausgleich der Unsicherheit auf der Werkstückoberfläche aufgenommener Meßpunktkoordinatenwerte Antaststrategie Ziel der Antaststrategie Einflußfaktoren auf die Antaststrategie Einfluß der Antaststrategie auf das Meßergebnis bei verschiedenen Auswertekriterien und Gestaltabweichungen der zu messenden Standardformelemente am Beispiel des Kreises Auswirkungen der Meßpunktanzahl auf das Maß am Beispiel des berechneten Durchmessers eines Dreibogengleichdicks 160

7 Auswirkungen der Meßpunktanzahl auf die berechnete Lage am Beispiel des Mittelpunktes eines Kreises Auswirkungen der Meßpunktanzahl auf die berechnete Formabweichung am Beispiel eines Kreises Folgerungen für die Meßpunktanzahl für beliebige Formelemente Verfahren zum Ermitteln der Antaststrategie Die Technik in Hard- und Software Holometrische Koordinatenmeßtechnik neue Ansätze zur umfassenden Messung beliebiger Formelemente 170 K.-H. Beyer, H.J. Neumann und C. Porta Einleitung Die Technologie der Meßpunktgewinnung Die Technologie der Datenverarbeitung Softwaretechnische Aufgabenstellungen und Lösungen Geometrische Regelelemente Rechnerische Abbildung der gesamten Form eines Werkstücks Optische Sensorik in der Koordinatenmeßtechnik 185 Klaus-P. Koch Einleitung Grundlegende Betrachtungen Sensoren zur Messung in der Ebene x-y-punktsensor Optischer Tastkopf mit CCD-Kamera und Bildauswertung Optische Komponenten Bildverarbeitungsverfahren zur Kantendetektion Sensoren zur Abstandsmessung und Fokussierung Video-Autofokus Triangulationstaster Lichtpunkt-Triangulation Lichtschnitt-Triangulation Fokustaster Fehlereinflüsse bei optischer Antastung

8 Multisensortechnik: Vorteilhafte Kombination von optischen und mechanischen Sensoren 202 Optisch-mechanisches Meßzentrum OMC 203 Basisgerät 203 Mechanischer Tastkopf 204 3D Optischer Tastkopf 205 Meßfunktionen und Bedienelemente 206 Kalibrierung und Abnahme 209 Multisensor-Ständermeßzentrum SMC 212 Dreh-Schwenk-Einrichtung DSE Sensormagazin 214 Richtungsunabhängiger Schaltender Tastkopf RST 216 Lasertriangulationstaster LTP Anwendungen 222 Überblick über Anwendungen des Optischmechanischen Meßzentrums OMC 222 Messung von Leiterplatten 224 Werkzeugmessung 225 Meßaufgaben in der Automobilindustrie 227 Zusammenfassung Koordinatenmeßgeräte im Informationsverbund mit CAD-Systemen 234 M.C. Wilhelm Grundlagen und Problemstellung Informationsaustausch im Produktionsunternehmen Schnittstellen der Arbeits- und der Prüfplanung Informationen für die Prüfplanung und Meßgeräteprogrammierung Produktbezogene Information Produktionsbezogene Information Auftragsbezogene Information Qualitätsregelkreis und Prüfaufwand Bewertung bestehender Informationssysteme Einsatz von CAD-Systemen für die Qualitätssicherung Prüfplanung und Programmierung von Koordinatenmeßgeräten mit Hilfe von 3D-CAD-Systemen Bauteilbeschreibung, Bauteilanalyse und Tolerierung Prüfplanung Programmierung des Koordinatenmeßgeräts Zusammenfassende Betrachtung zur Prüfplanung und Programmierung von Koordinatenmeßgeräten mit Hilfe von 3D-CAD-Systemen 262

9 Prüfplanung und Programmierung von Koordinatenmeßgeräten mit Hilfe von 2D-CAD-Systemen Merkmalsbeschreibung Prüfplanerstellung Meßgeräteprogrammierung Zusammenfassende Betrachtung zur Prüfplanung und Programmierung von Koordinatenmeßgeräten mit Hilfe von 2D-CAD-Systemen Digitalisieren und Modellieren von Freiformgeometrien mit Hilfe von Koordinatenmeßgeräten Problematik Kopplung zwischen CAD und KMG für die Entwicklung und Konstruktion Zusammenfassung Programmieren von Koordinatenmeßgeräten mit Anbindung an CAD-Systeme 272 J. Gold Einleitung Lernprogrammierung Herstellerabhängiger Programmierplatz MFT Grundprinzip der PCM-Technik Meßprogrammbibliothek Herstellerunabhängige Programmierplätze CAD/CAM-Programmierplätze CAD-Systeme Meßaufgaben Konturen Regelgeometrische Elemente Prismatische Werkstücke Digitalisieren und Messen von Freiformflächen Gerätekonfiguration und Datenübergabe Möglichkeiten und Ablauf der Programmierung mit CAD/CAM-Systemen Allgemeine Vorgehensweise UNIGRAPHICS von Mc Donneil Douglas Automation EUKLID-CNC-Meßmodul CATIA von IBM mit Meßmodul AUDIMESS von AUDI EUCLID von MATRA DATAVISION mit GEMINI von ISTEC PCMES von ISTEC

10 3.4.7 CAD-Ausgangsschnittstellen für regelgeometrische Werkstücke APT DMIS Zusammenfassung Schritte zur Rationalisierung der Koordinatenmeßtechnik 300 H. Pax Zusammenfassung Einleitung Allgemeine Betrachtungen zur Erhöhung des Nutzungsgrades Einzelmessung Kleinserienmessung Großserienmessung In der Industrie eingesetzte Spannsysteme Standardspannmittel Feste Vorrichtungen Spannsysteme für Bearbeitungsmaschinen Flexible Spannvorrichtungen Organisatorische Maßnahmen Manuelle Handhabungshilfen Minimierung von Rüst- und Handhabungszeiten bei Verwendung flexibler Spannsysteme Schlußbetrachtungen Einsatzbeispiele der Koordinatenmeßtechnik Schnelle Koordinatenmeßgeräte ersetzen Lehren in der flexiblen Fertigung H.J. Neumann, K.-H. Breyer Einleitung Forderungen an die Auslegung von fertigungsintegrierten Koordinatenmeßgeräten Werkstattauglichkeit Meßunsicherheit Boden-Boden-Zeit Universelles Anpassen an alle Besonderheiten der Meßaufgaben Flexible Anpassung an sich ändernde Meßaufgaben 328

11 Werkstattgerechte Bedienung Einbindung in den Materialfluß SPC (Statistical Process Control) Zellenrechner Zusammengefaßte Daten Schlußfolgerung Koordinatenmeßgeräte verbessern die Qualität im Automobilbau H.J. Neumann Einleitung Messen von Maß und Lage Messen von Formabweichungen Messen von Kurven und Profilen Messen von Freiformflächen Messen von Verzahnungen Messen von Rohren Messen von Karosserien und Blechteilen Überprüfen von Lehren, Einstellmeistern, Vorrichtungen und Werkzeugen Wareneingangsprüfung Ausblick Spalt- und Wölbungsmessung an Karosserieteilen mit Koordinatenmeßgeräten 354 H.J. Neumann Aufgabenstellung Konventionelle Messung mit Lehren Messung mit CNC-Koordinatenmeßgeräten Das spezielle Meßverfahren Schlußfolgerung Koordinatenmeßtechnik in einem Entwicklungsund Versuchsbereich 360 W. Sigle Zusammenfassung Aufgaben der Meßtechnik in Entwicklung und Versuch 361

12 4.4.2 Teilespektrum Eingesetzte Koordinatenmeßgeräte Ausrüstung der Koordinatenmeßgeräte Rationalisierungsmöglichkeiten in der Koordinatenmeßtechnik Externer Spannplatz Maschinenferne Teileprogrammierung Parametrisierte Programmierung Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Anbindung von Koordinatenmeßgeräten an CAD- Systeme Datenaustausch Schnittstellen Maschinenferne Programmierung im CAD-System Freiformflächenmeßtechnik Aufgabenstellung Messen von Freiformflächen mit CAD-Unterstützung Messung von Freiformflächen mit maschinennahen Programmsystemen Digitalisieren von Freiformflächen Neue Meßverfahren und Auswertemethoden der Koordinatenmeßtechnik In der Schmiede- Industrie H.J. Neumann, C. Porta Einleitung Zielsetzung und Problematik der Schmiedeteil- Messung Überlegungen zu den praktischen Meßverfahren Rechnerische Abbildung der gesamten Form des Schmiedewerkstücks Meßbeispiel mit HOLOS Ausblick Statistik Aspekte der statistischen Prozeßregelung B. Gimpel Prozeßanalyse Fähigkeitsuntersuchungen Statistische Prozeßreqelunq (SPC)

13 Aufbau eines Prozeßregelkreises mit SPC Typen von Qualitätsregelkarten Führen einer Qualitätsregelkarte Tolerierung Vektorielle Tolerierung, das Bindeglied zwischen CAD, CAM und CAQ 427 A. Wirtz Warum brauchen wir eine Vektorielle Tolerierung? Was ist los mit den ISO-Toleranzen? Die unbefriedigende Definition des ISO-Merkmals Durchmesser Die unbefriedigende Definition des ISO-Merkmals Parallelität Die unbefriedigende Definition des ISO-Merkmals Position Wie kann man die Werkstückgeometrie mit Hilfe der Euklidischen Geometrie beschreiben? Was heißt nun Vektorielle Tolerierung? Die vektorielle Beschreibung der Nenngestalt Die vektorielle Beschreibung der Toleranzen Wie funktioniert die Qualitätsregelung im Fertigungsprozeß? Wie werden Positions- und Richtungsabweichungen beim Fräsen korrigiert? Die Qualitätsregelung beim Walzenfräsen Die Qualitätsregelung beim Stirnfräsen Qualitätsregelung der Formabweichung beim Drehen und Walzenfräsen Die Vektorielle Toleranzgebung Beispiele zur Anwendung der Vektoriellen Tolerierung Parabolspiegel in der Vektoriellen Tolerierung Einstufiges Getriebe in der Vektoriellen Tolerierung Hinweis und Ausblick 444

14 7. Auswahlkriterien Entscheidungsanalyse für Auswahl und Einsatz von Koordinatenmeßgeräten 445 H.J. Neumann Formblatt Formblatt Formblatt Formblatt Formblatt Formblatt Formblatt Das Analysesystem Der Einsatz des Koordinatenmeßgeräts Der Einsatz im Meßraum Der fertigungsnahe Einsatz Integration in die Fertigung Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Die qualitativen Kriterien Die quantitativen Kriterien Beispiele für Vergleichsrechnungen Die grundlegenden Geräteparameter Die Sensoren Schaltende Tastsysteme Messende Tastsysteme Tasterwechseleinrichtungen Optische Tastsysteme mit Bildanalyse für Kantenmessung und Fokussierung Optische Tastsysteme zur Abstandsmessung Einsatzspektrum Die Genauigkeit Der Meßbereich Die Bauart Die Serien- und Sonderausstattung Die Meßgeschwindigkeit Die Steuerung Das Datensystem Das Bedienpult Die Software Der Service und das Know how Der Gerätepaß Feinanalyse der Geräteparameter Individuelle Gewichtung G Erfüllungsgrad E für Meßkostenvergleich für Amortisationsrechnung für den Gerätepaß für die Feinanalyse Blatt 1 für die Feinanalyse Blatt 2 für die Feinanalyse Blatt 3 für die Feinanalyse Blatt

15 Formblatt für die Feinanalyse Blatt Formblatt für die Feinanalyse Blatt Literaturverzeichnis 494 Sachregister 504 Autorenverzeichnis 507