Koordinatenmesstechnik

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1 Albert Weckenmann (Hrsg.) Albert Weckenmann (Hrsg.) Mit der Verfügbarkeit der ersten rechnergestützten Koordinatenmessgeräte vor ca. 40 Jahren hat sich ein Paradigmenwechsel von der Erfassung und Auswertung reiner Zweipunktmaße hin zu Vielpunktmessungen mit Ausgleichsrechnung vollzogen, der die gesamte Fertigungsmesstechnik grundlegend gewandelt hat. Die erste Auflage des Buches»Koordinatenmeßtechnik Flexible Meßstrategien für Maß, Form und Lage«erschien Seit dieser Zeit haben sich vielerlei Innovationen und Veränderungen ergeben, auf die in der vorliegenden zweiten Auflage eingegangen wird: Neue Konzepte und weiterentwickelte Gerätetechnik wie z.b. Laser-Tracker, Gelenkarm-Geräte, Indoor-GPS und mobile Koordinatenmessgeräte, optische Antast- und Erfassungssysteme, Mikro- und Nano-Koordinatenmessgeräte und deren Tastsysteme, Röntgen-Computertomografie, Multisensorkonzepte, Neue internationale Standards (ISO) z.b. zu Genauigkeitskenngrößen der Geräte und Systeme, zur Messunsicherheit der Ergebnisse, zur Prüfprozesseignung; Systemtechnik, Informations- und Kommunikationstechnik, Bedienoberfläche, flexible Messstrategien für die Erweiterung des funktions- und fertigungsgerechten Prüfens von Werkstücken mit regelgeometrischen Formen und Freiformflächen, Ausbildungs-, Schulungs- und Trainingskonzepte. Das Buch ist Lehrbuch und Nachschlagewerk zugleich. Es wendet sich an Praktiker aus Entwicklungs-, Fertigungs-, Prüf- und Prüfplanungsbereichen sowie an Studierende und an andere Interessierte. Wegen der gewachsenen technischen Komplexität der Systeme, der deutlich umfangreicheren Messaufgaben, der komplizierten Zusammenhänge um die physikalischen Wechselwirkungen und technischen Lösungen, der neu hinzugekommenen Antastprinzipien sowie der gestiegenen Genauigkeitsforderungen und Einsatzmöglichkeiten wurde es zur Gewährleistung der Aktualität als sinnvoll erachtet, in der zweiten Auflage die Kapitel zu den einzelnen Bereichen von dafür bekannten, ausgewiesenen Experten verfassen zu lassen. Koordinatenmesstechnik Flexible Strategien für funktions- und fertigungsgerechtes Prüfen Weckenmann Der Herausgeber Prof. Dr.-Ing. Albert Weckenmann war bis September 2011 Ordinarius des Lehrstuhls Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik der Universität Erlangen-Nürnberg. Die Koordinatenmesstechnik ist seit mehr als 30 Jahren besonderer Schwerpunkt seines Interesses und Schwerpunkt seiner Forschung und Lehre. Koordinatenmesstechnik Koordinatenmesstechnik 99,00 [D] 101,80 [A] ISBN ,vollständig überarbeitete Auflage

2 Albert Weckenmann (Hrsg.) Koordinatenmesstechnik vbleiben Sie einfach auf dem Laufenden: Sofort anmelden und Monat für Monat die neuesten Infos und Updates erhalten.

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4 Albert Weckenmann (Hrsg.) Koordinatenmesstechnik Flexible Strategien für funktionsund fertigungsgerechtes Prüfen 2., vollständig überarbeitete Auflage

5 Der Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c. mult. Albert Weckenmann, Lehrstuhl Qualitätsmanagement und Fertigungsmesstechnik Universität Erlangen-Nürnberg Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek: Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. ISBN E-Book ISBN Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutzgesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Alle in diesem Buch enthaltenen Verfahren bzw. Daten wurden nach bestem Wissen dargestellt. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die in diesem Buch enthaltenen Darstellungen und Daten mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autoren und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Darstellungen oder Daten oder Teilen davon entsteht. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Einwilligung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung mit Ausnahme der in den 53, 54 URG genannten Sonderfälle, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Wien Lektorat: Dipl.-Ing.Volker Herzberg Herstellung: Der Buchmacher, Arthur Lenner, München Satz: page create, Berit Herzberg, Freigericht Coverconcept: Marc Müller-Bremer, Rebranding, München, Germany Titelillustration: Ingrid Gaus, Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Universität Erlangen-Nürnberg Coverrealisierung: Stephan Rönigk Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Printed in Germany

6 Vorwort des Herausgebers Mit der Verfügbarkeit der ersten rechnergestützten Koordinatenmessgeräte hat sich ein Paradigmenwechsel in der Koordinatenmesstechnik von der Erfassung und Auswertung reiner Zweipunktmaße zu Vielpunktmessungen mit Ausgleichrechnung vollzogen, der die gesamte Fertigungsmesstechnik grundlegend gewandelt hat. Ihre Ursprünge hat die Koordinatenmesstechnik in den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts. Die erste Auflage des Buches Koordinatenmesstechnik Flexible Messstrategien für Maß, Form und Lage erschien Seit dieser Zeit haben sich die Fertigungstechnik und zugehörige Messtechnik geometrischer Größen an Werkstücken sowohl geographisch als auch gerätetechnisch und hinsichtlich der Anwendung physikalischer insbesondere optischer und computertomographischer Sensorik drastisch erweitert und gewandelt. Die Leistungen der Informations- und Kommunikationstechnologie sind bei gleichzeitiger Miniaturisierung der elektronischen Komponenten geradezu explodiert und haben dazu beigetragen, neue Gerätekonzepte zu verwirklichen mit aufgaben- und technologiegerecht angepassten Eigenschaften. Daneben haben sich die Aufgaben für diese Messtechnik ebenfalls deutlich gewandelt, was insbesondere die Anwendungsbandbreite, die geometrischen Größenbereiche, die Messgeschwindigkeiten, die Erfassungsdichte der Oberflächenzonen und die Angabe der Messunsicherheit der Ergebnisse angeht. In der GPS-Normenreihe (Geometrische Produktspezifikation) sind die umfangreichen Form-, Maß- und Oberflächencharakteristiken eines Werkstücks definiert und global einheitlich spezifiziert. Insgesamt ist den heutigen Koordinatenmessgeräten nur noch das Grundprinzip mit den Geräten der ersten Generation gemein. Alles in allem Grund genug, genauer hinzusehen und die Veränderungen und die neuen Lösungen unter dem Blickwinkel des praxisgerecht zu bewertenden Nutzens zu durchleuchten und die neue Anwendungsbandbreite kennenzulernen. Die Themenbereiche der ersten Auflage sind prinzipiell erhalten geblieben und um die wichtigen Gebiete der Sensorik in der Koordinatenmesstechnik und der weiterentwickelten Gerätetechnik (z. B. Laser Tracker, Computertomografie und Multisensormesstechnik) ergänzt worden. Zusätzlich wird auf Schulungskonzepte in der Koordinatenmesstechnik eingegangen. Wegen der gewachsenen technischen Komplexität der Systeme, der erweiterten und deutlich umfangreicheren Messaufgaben, der heutzutage weitaus besser als früher verstandenen komplizierten Zusammenhänge um die physikalischen Wechselwirkungen, der neu hinzugekommenen Antastprinzipien sowie der gestiegenen Genauigkeitsforderungen und Einsatzmöglichkeiten wurde es als sinnvoll erachtet, die einzelnen Bereiche der Koordinatenmesstechnik von dafür bekannten, ausgewiesenen Experten verfassen zu lassen.

7 VI Vorwort des Herausgebers Der erfahrene Messtechniker wird unter den Verfassern viele bekannte Namen entdecken, die Gewähr dafür bieten, dass der Stoff jedes einzelnen Teilgebietes fachlich korrekt und kompetent eingängig dargestellt ist. Das Buch wendet sich an Praktiker aus Prüf- und Prüfplanungsbereichen, die mehr über die Koordinatenmesstechnik wissen und das Zustandekommen der Ergebnisse besser verstehen wollen, an Fachleute aus anderen Bereichen eines Produktionsbetriebes, die aus den gewonnenen Messergebnissen Entscheidungen ableiten, an Konstrukteure, die mit Bemaßung und Tolerierung die Messaufgaben definieren und die Auswirkungen ihrer Vorgaben und die beim Verifizieren auftretenden Detailprobleme überblicken sollten, und an Studierende und andere Interessierte, die die Welt der Koordinatenmesstechnik für sich erschließen wollen. Das Buch will die in der deutschsprachigen Fachliteratur bestehende Lücke eines weitgespannten einführenden Fachbuches und Nachschlagewerkes für die zusammenfassende Darstellung der Grundlagen der Koordinatenmesstechnik schließen. Der Herausgeber dankt allen Autoren für die Mitwirkung und die zeitaufwändige Erstellung von Beiträgen zu diesem Gesamtwerk. Alle Autoren haben kritische Anmerkungen, die sich bei meiner Durchsicht jedes Beitrags ergaben, akzeptiert und in den allermeisten Fällen umgesetzt. Durch die Tatsache, dass unterschiedliche Autoren die Beiträge erstellt haben, kann es trotz großer Sorgfalt des Herausgebers durchaus zu Inkonsistenzen und Überschneidungen gekommen sein. Die Leser mögen dies als Bereicherung ansehen und als Zeichen der sich auch in technischen Sachverhalten zeigenden und zu akzeptierenden Meinungsvielfalt. Besonderer Dank geht an meine Mitarbeiter Dipl.-Ing. (FH) Laura Shaw und Dipl.-Ing. Philipp Krämer, die unsäglich viele kleine Details bereinigen durften und die Hauptlast der handwerklichen Arbeiten bei der Manuskripterstellung getragen haben. Den Unternehmen, Einrichtungen und Personen, die Informationen, Bilder oder Skizzen bereitgestellt haben, gilt mein ausdrücklicher Dank. Das Titelbild wurde von Frau Ingrid Gaus aus einem Rahmenvorschlag des Carl Hanser Verlags entwickelt. Für die ansprechende graphisch gestalterische Leistung meinen herzlichen Dank. Schließlich danke ich dem Carl Hanser Verlag, stellvertretend Herrn Volker Herzberg, für die Geduld und die Akzeptanz von mehreren Verschiebungen des Fertigstellungsdatums des Manuskriptes sowie für die Ausgestaltung des Buches und die stets gute Zusammenarbeit. Erlangen, 29. September 2011 Albert Weckenmann

8 Vorwort des Herausgebers...V... VII Autorenverzeichnis... XV 1 Einführung Ziele und Messobjekte der Fertigungsmesstechnik Werkstückgestalt Gliederung der gestaltbezogenen Mess- und Prüfaufgaben Einheiten für Länge und Winkel und Rückführung Fertigungsmessgeräte und Hilfsmittel Koordinatenmesstechnik und Koordinatenmessgeräte Multisensor Messgeräte Geschichte Messaufgaben Ziel der Messung Spezifikation geometrischer Eigenschaften Darstellung der Nenngeometrie Grundsatz der Unabhängigkeit als internationaler Tolerierungsgrundsatz Längenmaße Zweipunktmaß Größenmaße Hüllbedingung Toleranzzonen für Form- und Lagetoleranzen Formtoleranzen Bezüge, Bezugssysteme Lagetoleranzen Richtungstoleranzen...38

9 VIII Ortstoleranzen Lauftoleranzen Vollständige Produktspezifikation Konformitätsnachweis Partition Extraktion Werkstückbezugssystem Anzahl und Anordnung der Messpunkte Sensor Filterung Assoziation System der Geometrischen Produktspezifikation und -prüfung Grundprinzip und Gerätetechniken Konventionelles Messen Punkt-Maß Punkt-Maß Sinustisch Punkt-Abstand Bohrungsabstand von einer Ebene Zusammenfassung zur konventionellen Messtechnik Prinzip der Koordinatenmesstechnik Punktantastung und Ausgleichsrechnung Ersatzflächen und Ersatzlinien Minimale Anzahl Antastpunkte Anzahl Antastpunkte Beispiel Werkstückkoordinatensystem Verschiedene Kriterien für Ausgleichsrechnungen Definition von Lageabweichungen Systematik der Koordinatenmesstechnik Vergleich der Koordinatenmesstechnik mit konventioneller Messtechnik Gerätetechnik Geräteaufbau Typischer Geräteaufbau am Beispiel eines Portalgerätes mit stehendem Portal Mechanisches Justieren und Softwarekompensation Innerer Aufbau eines Koordinatenmessgerätes Handbediente Koordinatenmessgeräte Einständer-Koordinatenmessgeräte Koordinatenmessgeräte mit fahrendem Portal Doppelständer-Koordinatenmessgeräte Mehrstellenmessgeräte Tastelemente, Einmessen, Mehrfachtaster und Tasterradiuskorrektur...78

10 IX Tastelemente Einmessen Mehrfachtaster Tasterradiuskorrektur Erweiterungen Tasterwechseleinrichtung Dreh-Schwenktaster Drehtisch Scannen Automatischer Werkstückwechsel Unempfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen Messung nach Substitutionsmethode Messung von Formabweichungen Sensoren für Koordinaten messtechnik Taktile Antastung Einführung und Grundlagen Sinn und Zweck der Antastung Anforderungen an taktile 3D Tastsysteme Geschichtliche Entwicklung Aufbau, Komponenten, Begriffsdefinitionen Sensorik für taktile Antastsysteme Schaltende und messende Sensorik Serieller und paralleler Aufbau der Sensorik Resistiv schaltende Sensorik Schaltende Sensorik basierend auf Piezoelementen bzw. DMS Induktiv und kapazitiv messende Sensorik Skalenbasiert messende Sensorik Optisch messende Sensorik Pseudo-taktile Sensorik Antastabweichung Tastereinmessen und Bestimmung der Antastabweichung Antastkraft, Deformation, Empfindlichkeit Luftantastung Filterwirkung und Einfluss der Formabweichung der Tastkugel Einzelpunktmessung und Scanning Tastelemente, Taststifte, Tasterbäume Beispiele taktiler 3D Tastsysteme für die Koordinatenmesstechnik Taktile Tastsysteme für konventionelle KMG Taktile Tastsysteme für Mikro-KMG Tastsysteme für spezielle Anwendungsfälle Anwendung taktiler Tastsysteme und Zusatzeinrichtungen Visuelle Sensoren Abbildungssysteme Beleuchtungssysteme...123

11 X Kameratechnik Software zur Bildauswertung Einbindung der Bildverarbeitungssensorik in Koordinatenmessgeräte Berührungslose Abstandssensoren Grundlegende Messprinzipien Abstandssensor mit Foucault scher Schneide Triangulationssensoren Photogrammetrie Streifenprojektion Fokusvariation Konfokale Abstandssensoren Weißlichtinterferometrie Konoskopischer Abstandssensor Rastersondenverfahren Einführung und Grundlagen Rastertunnelmikroskopie Ursprung der Rastersondenverfahren Raster-Kraft-Mikroskopie Rastersondenverfahren im Kontext der Koordinatenmesstechnik Koordinatenmesstechnik mit Rastersondenverfahren ,5D Koordinatenmesstechnik mit metrologischen Rastersondenmikroskopen D Koordinatenmesstechnik mit Raster-Kraft-Mikroskopie Grundlagen weiterentwickelter Gerätetechnik Lasertracker Einleitung Handtaster mit zusätzlicher Erfassung der Orientierung Anwendungen Flugzeugbau Vorrichtungsbau Qualitätssicherung von Großteilen und im Formenbau Kalibrierung von Maschinen Messunsicherheit und Normen Messunsicherheit Amerikanische Norm zur Prüfung von Lasertrackern: B Deutsche Richtline zur Prüfung von Lasertrackern: VDI Internationale Norm zur Prüfung von Lasertrackern in der Normungsreihe ISO Neue Technologien Der Virtuelle Lasertracker Multilaterationssystem Zusammenfassung und Ausblick Koordinatenmessgeräte mit Gelenkarmen Funktionsweise der Gelenkarm-KMGs Gelenkarm-KMG mit lineargeführter Z-Achse...168

12 XI Gelenkarm-KMG mit mehreren Gelenkarm-Segmenten Prüfung von Gelenkarm-Koordinatenmessgeräten D-Nanomess- und Nanopositioniergeräte Einführung Stand der Technik von Nanopositionier- und Nanomessgeräten Laserinterferometrische Längenmesstechnik Grundlagen der Interferometer Metrologische Analyse Laserinterferometer für Nanomessgeräte Nanokoordinatenmessgeräte Aufbauprinzipien von Koordinatenmessgeräten (CMM) Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften der Nanomessmaschine NMM Nanosensoren für die Nanomessgeräte, Messergebnisse Anwendungsgebiete der Nanomessmaschinen Röntgentomographie Röntgenstrahlerzeugung Bildaufnahme Mechanik und Strahlenschutz Volumen- und Messpunkteberechnung Messabweichungen durch das Röntgentomographieprinzip Erweiterung des Einsatzbereichs von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie Anwendung von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie Optische Messsysteme Prinzip der Triangulation Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit aktiver Triangulation Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit passiver Triangulation Passive Triangulation mit zueinander kalibrierten Messkameras Passive Triangulation mit einer bewegten Messkamera Passive Triangulation mit Theodoliten Geometrieerfassung mit photogrammetrischen Trackersystemen Berührungslose optische Geometrieerfassung nach dem Licht-Laufzeitverfahren Optische Geometrieerfassung spiegelnder Oberflächen Messen mit mehreren Sensoren Optische Messsysteme mit Antastung in mehreren Einzelansichten Registrierung Datenfusion Multisensor-Koordinatenmessgeräte D Multisensor-Koordinatenmessgeräte Multisensor-Oberflächenmessgeräte...237

13 XII 5.7 Indoor-GPS (Global Positioning System) Funktionsweise und Komponenten des igps Skalierung des Messsystems Inhomogene Fehlerverteilung im Messsystem Anwendungsbeispiel: Regelung von Robotern Maschinenintegrierte Messtechnik Definition und Einordnung innerhalb der Fertigungsmesstechnik Pre- und Post-Prozess-Messtechnik Potenzial der dreidimensionalen Korrektur Sensoren zur Integration auf der Werkzeugmaschine In-Prozess-Messtechnik Pneumatische In-Prozess-Messtechnik Zukünftige Entwicklungen Von der technischen Zeichnung über den Prüfplan hin zum Messablaufplan Einführung in die Prüfplanung Prüfen der Unterlagen Erkennen der Merkmale Auswahl der Prüfmerkmale Abarbeiten der Prüfmerkmale (allgemein) Abstimmen mit Fachbereichen Dokumentation Eintragungen in den Prüfplan Inhalte eines Prüfplans Abarbeiten der Prüfmerkmale in der Koordinatenmesstechnik Einführung Prüfaufgabe analysieren Auswahl des Koordinatenmessgeräts und dessen Zusatzeinrichtungen Prüfplan für die Koordinatenmesstechnik Messstrategie definieren Orientierung des Werkstücks im Koordinatenmessgerät Koordinatensysteme Antaststrategie Auswertestrategie Messablauf festlegen Grundsätze Optimierungskriterien Messung vorbereiten Erforderliche Unterlagen Werkstück Koordinatenmessgerät Hilfsmittel Softwareunterstützung bei der Prüfplanung für die Koordinatenmesstechnik

14 XIII 7 Vom Messablaufplan über die Programmierung, Durchführung und Auswertung bis zur Ergebnisdarstellung Programmierung Software zur Programmierung für Koordinatenmessgeräte Rechnergestützte Schnittstellen für Eingangsinformationen: CAD und Planungssoftware Simulation und Kollisionskontrolle Rechnergestützte Übertragung von Messprogrammen Programmierung von automatisierten Systemen in der Produktion Programmierung bei speziellen Messaufgaben Messung und Auswertung der Koordinaten (Punkte) Messung: Messprogrammausführung Auswertung: Ableitung von Informationen aus den Messpunkten Ergebnisdarstellung und -übertragung Messprotokollgestaltung, Messprotokollarten Rechnergestützte Übertragung von Messergebnissen Spezielle Messaufgaben Spektrum der Messaufgaben mit komplexer Geometrie Messobjekte mit analytischer Geometriebeschreibung (funktionsbedingt gegeben) Messobjekte mit numerisch-approximativer Geometriebeschreibung Definition der Messaufgabe Messaufgaben-Definition an ausgezeichneten Punkten Messaufgaben-Definition entlang ausgezeichneter Linien Messaufgaben-Definition durch 3D-Topografien Definition der Messstrategie Auswahlkriterien und Beurteilungskriterien Gerätebezogene Aspekte der Messstrategie Phasen der Messprogrammerstellung und der Programmierung des Prüfprozesses Ausrichten Methodik der Ausrichtung komplexer Messobjekte Ausrichtung nach dem Werkstück-Grundkörper oder nach funktionsbestimmenden Bezugsflächen Ausrichtung nach den Freiformflächen Ausrichtung mit Ähnlichkeitstransformationen Ausrichtung nach Teilflächen Messdatenauswertung Messdatenauswertung für Freiformflächen Zuordnung von Soll- und Ist-Punkten Tastkugelkorrektur Soll-Ist-Vergleich...348

15 XIV Berechnung von Abweichungs-Kenngrößen Sonderfall Verzahnungsmessungen Besondere Auswertemethoden Funktionsorientierte Prüfungen Prinzip der numerischen Funktionsprüfung in der Koordinatenmesstechnik Beispiel Tragbildprüfung bei Zylinderrädern Messunsicherheit und Rückverfolgbarkeit von Messwerten Metrologische Rückverfolgbarkeit Ermittlung der Messunsicherheit Messunsicherheitsbilanz Ermittlung der Messunsicherheit am kalibrierten Werkstück Ermittlung der Messunsicherheit durch Simulation Korrektur systematischer Abweichungen Annahme und Überwachung von Koordinatenmessgeräten Antastabweichung Längenmessabweichung Eignungsnachweis für Prüfprozesse und Messsysteme Wirtschaftlichkeit Kosten Nutzen und Zweckerfolg einer Messung Referenzmodell zur Bewertung des Zweckerfolgs einer Messung Methodisches Vorgehen Bewertungsansätze Konformitätsprüfung (Gestaltprüfung) Prozessfähigkeitsuntersuchung Statistische Prozesslenkung Schulungskonzepte Einführung Formen der Ausbildung Modernes Ausbildungskonzept CMTrain Ausblick auf künftige Ausbildung Stichwortverzeichnis