Messung mit 3D-Meßmaschinen

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1 Messung mit 3D-Meßmaschinen Um was geht es? Der Lehrgang zeigt wie man mit en arbeitet. Auch wenn kein Gerät zur Verfügung steht, können typische Meßaufgaben durchdacht und gelöst Das Prinzip Der Ablauf 1. Taster Kalibrieren 2. Werkstück ausrichten Die Meßübungen 3. Messung von geom. Elementen 4 Verknüpfung der Elemente 5 Soll/Ist-Vergleich 6 Ausgabe des Ergebnisses 60 Inhaltsverzeichnis Seite 1 Das Prinzip 2 2 Der Ablauf Taster Kalibrieren Werkstück ausrichten Messung von Geometrieelementen Verknüpfung der Geometrieelemente Soll-Ist-Vergleich 10 3 Die Meßübungen 11 M1 Nutbreite 12 M2 Nuttiefe 12 M3 Abstand 13 M4 Winkel 13 M5 Lochkreisdurchmesser 14 M6 Lochausschnitt 14 M7 Flächenkante 15 M8 Kegelschnitt 15 M9 Parallelität 16 M10 Rechtwinkligkeit 16 M11 Nutlänge 17 M12 Kantenabstand 17 M13 Tasterwechsel 18 M14 Konstruierter Abstand 18 M15 Koaxialität 19 M16 Zylindrizität 19 M17 Symmetrie 20 M18 Neigung 20 KMG.dtp Seite 1

2 1. Das Prinzip Die Arbeit mit einem Ein kann nicht messen. Das Gerät liefert lediglich die 3 Koordinatenwerte x, y, und z des jeweils aktuellen Standortes an einen PC. Erst dort werden mehrere Koordinatenwerte miteinander verknüpft. Z.B. kann man aus zwei Koordinatenpunkten eine Gerade errechnen lassen, oder aus 3 Punkten einen Kreis. Jetzt können die so entstandenen Geometrieelemente weiter miteinander verknüpft werden, indem z.b. der Abstand Gerade-Kreis errechnet wird. Prinzip: Das KMG liefert nur Punkte, die Software macht daraus Geometrieelemente. Wann werden die Koordinaten zum PC Die Koordinatenübergabe wird vom Tastsystem ausgelöst. Die Auslösung erfolgt immer dann, wenn das Tastelement durch Kollision mit dem Werkstück aus seiner Ruhelage ausgelenkt wird. Der Tastkopf kann durch Hand geführt werden. Die meisten Maschinen haben allerdings bereits eine CNC-Steuerung, bei der die Bewegungen in einem Lerndurchgang programmiert werden. Es gibt zwei unterschiedliche Tastsysteme Schalttaster (billig) Meßtaster (teuer) Koordinatensignal X = 100 Koordinatensignal X = 99,4 + 0,6 = 100 KMG.dtp Seite 2

3 2. Der Ablauf 2.1 Taster Kalibrieren 2.2 Werkstück ausrichten 2.3 Messung von geometrischen Elementen 2.4 Verknüpfung der Elemente 2.5 Soll/Ist-Vergleich 2.6 Ausgabe auf Drucker Zu 2.1.: Was ist beim Kalibrieren zu beachten? Vorgehen: Taster 1 auswählen Mit Taster 1 viermal am Äquator der Kalibrierkugel antasten 1 mal am Nordpol der Kugel antasten. Die Tasterkugel ist jetzt richtig kalibriert. Dies bedeutet, daß auch der durch den Schaltweg entstehende Fehler in den Kugeldurchmesser eingerechnet wird. Erkennbar ist dies an der Kugelangabe, die meist 3,990 oder ähnlich ist, obwohl die Rubinkugel genau 4mm Durchmesser hat. Häufig sind mehrere Taster sternförmig angeordnet. Die Reihenfolge, in der diese Tasterkugeln kalibriert werden, bestimmt dann die jeweilige Tasternummer. Man muß sich bei der Nummernvergabe der Taster ein Prinzip auswählen. Häufig wird wie folgt verfahren. Taster 1 unten Taster 2 nach hinten. Taster 3, 4 5 im Uhrzeigersinn Häufige Fehler: -- Die Kalibrierkugel ist in der Software nicht richtig eingestellt -- Falscher Taster ausgewählt -- Zu schnell getastet 1. Aufgabe 1. Aufgabe: Beschriften Sie die skizzierten Tasterkugeln mit Nummern nach dem obigen Prinzip von 1 bis 5 KMG.dtp Seite 3

4 Zu 2.2: Ausrichtung des Werkstücks Im Gegensatz zur CNC-Bearbeitung, bei der das Werkstück immer achsparallel liegt, müßte es auf dem erst genau ausgerichtet werden. Dies ist natürlich nicht nötig, da der Recher das feste Koordinatensystem der Maschine auf das plazierte Werkstück umrechnen kann. Es geht jetzt nur noch darum, der Maschine die Lage des Werkstücks mitzuteilen und dann den Nullpunkt zu bestimmen. Vorgehen: Schritt A. Flächendefinition (Eine Werkstückfläche wird zu xy, yz oder zx-fläche erklärt) Schritt B. Achsenbestimmung (Eine Gerade am Werkstück wird z.b. zur x-achse erklärt (die y-achse ist damit automatisch gegeben) Schritt C. Nullpunktbestimmung (Ein Punkt, vielleicht ein Treffpunkt zweier Geraden, wird zum Nullpunkt in allen Achsen erklärt. Natürlich sind viele Varianten der Ausrichtung denkbar und auch nötig, dies ist allerdings die zweckmäßigste, vor allem bei prismatischen Werkstücken. Schritt A: Flächendefinition zur Festlegung der Ebene xy. Z Y - Geometrieelement FLÄCHE einstellen. - mindestens 3 Punkte der Werkstückoberfläche antasten - über Raumausrichtung die Fläche zur xy-ebene erklären (Menuepunkt Koordinaten/Raumausrichtung) Damit ist die Ebene und die senkrecht auf der Ebene stehende z-achse eindeutig definiert. In der neuen Ebene xy-ebene (z = 0) X Schritt B: Ausrichtung der x-achse -- Geometrieelement GERADE auswählen -- Mind. 2 Punkte entlang einer Linie antasten, die später x-achsenrichtung werden soll. Wichtig! Es kommt auf die Reihenfolge an, da die spätere x-achse in Richtung der Antastreihenfolge geht. -- die gefundene Gerade zur x-achse erklären (Menuepunkt Koordinaten/ Achsausrichtung) KMG.dtp Seite 4

5 Schritt C: Nullpunktsbestimmung -- Gerade 1 antasten. Da in diesem Fall die Gerade bei der x-achsen- Bestimmung bereits angetastet wurde, ist dies nicht unbedingt erforderlich. -- Gerade 2 antasten. Mindestens 2 Punkte. -- Der Punkt bestimmen, an dem sich beide Geraden schneiden. Menuepunkt SCHNITTELEMENT, Ergebnis ist ein Punkt. Diesen Punkt zum Nullpunkt erklären. Menuepunkte KOORDINATEN/ NULLPUNKTSETZEN. Es kann natürlich, je nach Zeichnung, auch ein anderer Punkt als Koordinatenursprung in Frage kommen. Zum Beispiel wird oft der Mittelpunkt eines Kreises als Nullpunkt gewählt. Der Kreis muß dann angetastet werden und nach der gleichen Methode (Schritt C) gesetzt werden. zu 2.3 Messung von Geometrischen Elementen Welche Geometrischen Elemente kann das KMG verarbeiten? Mindestzahl der Geometrieelement Antastpunkte Punkt 1 Gerade 2 Fläche 3 Kreis 3 Ellypse 5 Kugel 4 Kegel 6 Zylinder 5 Geometrieelemente können direkt angetastet werden, sie können aber auch durch verknüpfen bereits existierender Elemente bestimmt werden. Durch verknüpfungen entstehen z.b. Schnittelemente, Verbindungselemente und Symmetrieelemente. Jedes Geometrieelement kann in einem Elementspeicher abgelegt und anschließend beliebig oft wieder abgerufen werden, etwa zu Verknüpfung mit anderen Elementen. Mindestzahl der Antastpunkte KMG.dtp Seite 5

6 Was geschieht, wenn mehr Punkte als die Mindestzahl angetastet werden? Das Geometrieelement ist jetzt nicht mehr eindeutig bestimmt, denn es ist fast unmöglich, daß z.b. 10 gemessene Punkte einer Geraden auch genau auf der theoretischen Gerade liegen. Die Werte werden mehr oder weniger um die theoretische Gerade streuen. theoretische Gerade 4 s 2 s Max.Abstand Max.Differenz Die Abweichung von der Idealform Werden mehr als die nötigen Punkte angetastet, so wird die Abweichung von der Idealform im mm angegeben. Diese Angabe kann wahlweise in unterschiedlicher Art erfolgen. Üblich sind drei Angabearten: 1. Maximale Differenz 2. Maximaler Abstand 3. Doppelte Standardabweichung 2 s (Mit einem Faktor kann auch 4s, 6s usw. angegeben werden) Welche der drei obigen Arten die Maschine anzeigt, wird in den Grundeinstellungen festgelegt. Die Standardabweichung ist nach der üblichen Formel berechnet. Formel für Standardabweichung (x x ) Das Ergebnis einer Geradenmessung könnte jetzt wie folgt aussehen: i= 1 s = n -1 4 Gerade ,011 Die ersten Angaben unterscheiden sich je nach Fabrikat, die letzte Zahl ist die Abweichung von der Idealform in der eingestellten Art, meist Standardabweichung 2s. n i 2 KMG.dtp Seite 6

7 Was ist ein Lotfusspunkt? Geraden werden üblicherweise mit ihren Winkeln zu den drei Achsen angegeben. Damit ist ihre Winkellage bekannt, es fehlt allerdings noch der Abstand zum Nullpunkt. Dieser Wert wird als Abstand des Lotfusspunktes in x, y, und z vom Nullpunkt angegeben. Gerade X Y Lotfusspunkt Z Aufgabe: Errechnen Sie die Fusspunktkoordinaten und die Länge des Lotes. Alle Geraden werden projiziert gemessen auf die angegebenen Ebenen. Wenn Sie mit EXCEL arbeiten wird die Sache natürlich einfacher, aber Achtung, EXCEL arbeitet mit Bogenmaß. Gerade Vorderfläche von 4 nach links Diagonale von 4 nach 2 Obere Kante von 2 nach 3 Kante von 4 nach 3 Von 5 nach vorn unter 30 ansteigend Raumdiagonale von 8 nach 2 Projektion auf Winkel zur Grundfläche Länge des Lotes Lotfusspunktkoordinaten x y z xz 40 38,567 24, ,567 xz xz xz yz räumlich KMG.dtp Seite 7

8 Zu 2.4 Verknüpfung der Elemente Verknüpfungselemente Sie entstehen aus Geometrieelementen Verbindungselement Schnittelement Symmetrieelement Abstand Punkt/Punkt Gerade/Punkt Kreis/Kreis Kreis/Gerade Gerade Punkt/Punkt Kreis/Kreis Kreis Punkt/Punkt/Punkt Kreis/Kreis/Kreis (Lochkreis) Punkt Gerade/Gerade 2 Punkte Kreis/Gerade Gerade Fläche/Fläche Kreis(Ellypse) Zylinder/Fläche Kegel/Fläche Kreis Kugel/Fläche Punkt Punkt/Punkt Kreis/Kreis Gerade Gerade/Gerade Fläche Fläche/Fläche Beispiele für Verbindungs- und Schnittelemente Verbindungselement Gerade -- Kreis 1 antasten -- Kreis 2 antasten -- Verbindungselement bilden = GERADE Verbindungselement Kreis -- Kreis 1, 2 und 3 antasten -- Verbindungselement bilden = KREIS Schnittelement Punkt -- Gerade antasten -- Gerade antasten -- Schnittelement bilden = PUNKT KMG.dtp Seite 8

9 3. Aufgabe 81 Y X Aufgabe 3.1 Errechnen Sie die Koordinaten des Symmetrieelements aus Kreis 1 und Unter welchem Winkel liegt das Verbindungselement von Kreis 3 und 2? 3.3 Gesucht ist das Verbindungselement ABSTAND der Elemente Kreis 1 und Geben Sie die Koordinaten der Schnittelemente zwischen einer Parallelen zur x-achse, die durch den Mittelpunkt von Kreis 3 geht und dem Kreis 3. (Kreisdurchmesser 10mm) 3.5 Mathematisch schwierig ist die Bestimmung des Durchmessers des Verbindungselementes der drei Kreise, nämlich des Lochkreises. Versuchen Sie es. 3.6 Wo liegt der Durchmesser des Lochkreises? KMG.dtp Seite 9

10 Zu 2.5 Soll-Ist-Vergleich (Toleranzvergleich nach DIN 7184) Zweck der Soll-Ist-Vergleiche ist die Prüfung auf Masshaltigkeit und die Einhaltung vorgegebener Toleranzen. Bei den Toleranzvergleichen wird immer das zuletzt gebildete Geometrie- Element zur Auswertung herangezogen. Es spielt dabei keine Rolle, ob das Element gemessen, aufgerufen, oder aus anderen Elementen gebildet wurde. Die Software der Maschinen hält standardmäßig Toleranztabellen nach DIN 7168 vor. Das bedeutet, daß der Benutzer statt oberem und unterem Grenzwert auch die Angaben H7 oder m (für mittel) eingeben kann. Jedes Meßergebnis wird vom PC mit einer Positionsnummer versehen. Diese Nummer legt fest, an welcher Stelle im zugehörigen Erstmusterprüfbericht dieser Toleranzvergleich erscheint. Maß- Form- und Lagetoleranzen Übersicht über die Toleranzvergleiche Maßtoleranz Elementeigenschaft Achsrichtung Winkel Abstand in den Achsen direkt Maßabweichung Radius Durchmesser Kegelwinkel Formabweichung Rundheit Geradheit Ebenheit Zylindrizität Kegelform Position Orientierung Lauf Kartesisch (x, y, z) Polar Zylindrisch Konzentrizität Symmetrie Koaxialität Rechtwinkligkeit Neigung Parallelität Rundlauf Planlauf Raum Radius Winkel Phi Radius Winkel Theta KMG.dtp Seite 10

11 3. Meßübungen Für die Meßübungen steht das unten skizzierte Teil zur Verfügung. Es ist so konstruiert, daß möglichst viele typische Meßaufgaben und Soll/Ist-Vergleiche vorkommen. Als Werkstoff wurde Kunststoff gewählt, er ist leicht und korrosionssicher. Das Probeteil für die Meßübungen und den Erstmusterprüfbericht KMG.dtp Seite 11

12 Nutbreite 10 Reihenfolge der Aktionen 1 Projektion EIN (xy-ebene) 2 Gerade antasten 10 3 Punkt antasten 4 Verbindungselement/Abstand wählen 5 Kugelradius addieren Achtung! Ein Abstand zwischen zwei Geraden kann nicht gebildet werden, da sich parallele Geraden im unendlichen schneiden. 12 Nuttiefe Reihenfolge der Aktionen KMG.dtp Seite 12