Koordinatenmesstechnik - Flexible Meßstrategien für Maß, Form und Lage

Koordinatenmesstechnik - Flexible Meßstrategien für Maß, Form und Lage

 

 

 

von: Albert Weckenmann, Bernd Gawande

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2012

ISBN: 9783446429475

Sprache: Deutsch

442 Seiten, Download: 21249 KB

 
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Koordinatenmesstechnik - Flexible Meßstrategien für Maß, Form und Lage



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     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  
           2.2.1 Darstellung der Nenngeometrie 44  
           2.2.2 Grundsatz der Unabhängigkeit als internationaler Tolerierungsgrundsatz 46  
           2.2.3 Längenmaße 47  
              2.2.3.1 Zweipunktmaß 47  
                 2.2.3.2 Größenmaße 48  
                 2.2.3.3 Hüllbedingung 48  
           2.2.4 Toleranzzonen für Form- und Lagetoleranzen 51  
           2.2.5 Formtoleranzen 53  
           2.2.6 Bezüge, Bezugssysteme 54  
           2.2.7 Lagetoleranzen 57  
              2.2.7.1 Richtungstoleranzen 57  
                 2.2.7.2 Ortstoleranzen 57  
                 2.2.7.3 Lauftoleranzen 58  
                 2.2.7.4 Vollständige Produktspezifikation 58  
        2.3 Konformitätsnachweis 59  
           2.3.1 Partition 60  
           2.3.2 Extraktion 61  
              2.3.2.1 Werkstückbezugssystem 61  
                 2.3.2.2 Anzahl und Anordnung der Messpunkte 61  
                 2.3.2.3 Sensor 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  
           3.1.1 2-Punkt-Maß 72  
           3.1.2 3-Punkt-Maß 74  
           3.1.3 Sinustisch 74  
           3.1.4 2-Punkt-Abstand 75  
           3.1.5 Bohrungsabstand von einer Ebene 75  
           3.1.6 Zusammenfassung zur konventionellen Messtechnik 75  
        3.2 Prinzip der Koordinatenmesstechnik 76  
           3.2.1 Punktantastung und Ausgleichsrechnung 76  
           3.2.2 Ersatzflächen und Ersatzlinien 77  
           3.2.3 Minimale Anzahl Antastpunkte 78  
           3.2.4 Anzahl Antastpunkte 79  
           3.2.5 Beispiel Werkstückkoordinatensystem 80  
           3.2.6 Verschiedene Kriterien für Ausgleichsrechnungen 81  
           3.2.7 Definition von Lageabweichungen 82  
           3.2.8 Systematik der Koordinatenmesstechnik 83  
           3.2.9 Vergleich der Koordinatenmesstechnik mit konventioneller Messtechnik 87  
        3.3 Gerätetechnik 89  
           3.3.1 Geräteaufbau 89  
              3.3.1.1 Typischer Geräteaufbau am Beispiel eines Portalgerätes mit stehendem Portal 91  
                 3.3.1.2 Mechanisches Justieren und Softwarekompensation 91  
                 3.3.1.3 Innerer Aufbau eines Koordinatenmessgerätes 92  
                 3.3.1.4 Handbediente Koordinatenmessgeräte 93  
                 3.3.1.5 Einständer-Koordinatenmessgeräte 94  
                 3.3.1.6 Koordinatenmessgeräte mit fahrendem Portal 95  
                 3.3.1.7 Doppelständer-Koordinatenmessgeräte 96  
                 3.3.1.8 Mehrstellenmessgeräte 97  
           3.3.2 Tastelemente, Einmessen, Mehrfachtaster und Tasterradiuskorrektur 97  
              3.3.2.1 Tastelemente 97  
                 3.3.2.2 Einmessen 97  
                 3.3.2.3 Mehrfachtaster 99  
                 3.3.2.4 Tasterradiuskorrektur 99  
        3.4 Erweiterungen 100  
           3.4.1 Tasterwechseleinrichtung 100  
           3.4.2 Dreh-Schwenktaster 101  
           3.4.3 Drehtisch 102  
           3.4.4 Scannen 103  
           3.4.5 Automatischer Werkstückwechsel 104  
           3.4.6 Unempfindlichkeit 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  
           4.1.1 Einführung und Grundlagen 112  
              4.1.1.1 Sinn und Zweck der Antastung 112  
                 4.1.1.2 Anforderungen an taktile 3D Tastsysteme 113  
                 4.1.1.3 Geschichtliche Entwicklung 113  
                 4.1.1.4 Aufbau, Komponenten, Begriffsdefinitionen 115  
           4.1.2 Sensorik für taktile Antastsysteme 116  
              4.1.2.1 Schaltende und messende Sensorik 116  
                 4.1.2.2 Serieller und paralleler Aufbau der Sensorik 117  
                 4.1.2.3 Resistiv schaltende Sensorik 118  
                 4.1.2.4 Schaltende Sensorik basierend auf Piezoelementen bzw. DMS 118  
                 4.1.2.5 Induktiv und kapazitiv messende Sensorik 118  
                 4.1.2.6 Skalenbasiert messende Sensorik 119  
                 4.1.2.7 Optisch messende Sensorik 119  
                 4.1.2.8 Pseudo-taktile Sensorik 120  
           4.1.3 Antastabweichung 122  
              4.1.3.1 Tastereinmessen und Bestimmung der Antastabweichung 122  
                 4.1.3.2 Antastkraft, Deformation, Empfindlichkeit Luftantastung 125  
                 4.1.3.3 Filterwirkung und Einfluss der Formabweichung der Tastkugel 129  
                 4.1.3.4 Einzelpunktmessung und Scanning 130  
                 4.1.3.5 Tastelemente, Taststifte, Tasterbäume 131  
           4.1.4 Beispiele taktiler 3D Tastsysteme für die Koordinatenmesstechnik 132  
              4.1.4.1 Taktile Tastsysteme für konventionelle KMG 132  
                 4.1.4.2 Taktile Tastsysteme für Mikro-KMG 134  
                 4.1.4.3 Tastsysteme für spezielle Anwendungsfälle 136  
           4.1.5 Anwendung taktiler Tastsysteme und Zusatzeinrichtungen 137  
        4.2 Visuelle Sensoren 138  
           4.2.1 Abbildungssysteme 139  
           4.2.2 Beleuchtungssysteme 142  
           4.2.3 Kameratechnik 145  
           4.2.4 Software zur Bildauswertung 146  
           4.2.5 Einbindung der Bildverarbeitungssensorik in Koordinatenmessgeräte 148  
        4.3 Berührungslose Abstandssensoren 152  
           4.3.1 Grundlegende Messprinzipien 153  
           4.3.2 Abstandssensor mit Foucault‘scher Schneide 154  
           4.3.3 Triangulationssensoren 156  
           4.3.4 Photogrammetrie 157  
           4.3.5 Streifenprojektion 158  
           4.3.6 Fokusvariation 159  
           4.3.7 Konfokale Abstandssensoren 160  
           4.3.8 Weißlichtinterferometrie 162  
           4.3.9 Konoskopischer Abstandssensor 164  
        4.4 Rastersondenverfahren 166  
           4.4.1 Einführung und Grundlagen 166  
              4.4.1.1 Rastertunnelmikroskopie – Ursprung der Rastersondenverfahren 167  
                 4.4.1.2 Raster-Kraft-Mikroskopie 168  
                 4.4.1.3 Rastersondenverfahren im Kontext der Koordinatenmesstechnik 169  
           4.4.2 Koordinatenmesstechnik mit Rastersondenverfahren 170  
              4.4.2.1 2,5D Koordinatenmesstechnik mit metrologischen Rastersondenmikroskopen 170  
                 4.4.2.2 3D Koordinatenmesstechnik mit Raster-Kraft-Mikroskopie 171  
     5 Grundlagen weiterentwickelter Gerätetechnik 174  
        5.1 Lasertracker 174  
           5.1.1 Einleitung 174  
              5.1.1.1 Handtaster mit zusätzlicher Erfassung der Orientierung 177  
           5.1.2 Anwendungen 177  
              5.1.2.1 Flugzeugbau 177  
                 5.1.2.2 Vorrichtungsbau 178  
                 5.1.2.3 Qualitätssicherung von Großteilen und im Formenbau 179  
                 5.1.2.4 Kalibrierung von Maschinen 179  
           5.1.3 Messunsicherheit und Normen 180  
              5.1.3.1 Messunsicherheit 180  
                 5.1.3.2 Amerikanische Norm zur Prüfung von Lasertrackern: B89.4.19 181  
                 5.1.3.3 Deutsche Richtline zur Prüfung von Lasertrackern: VDI 2617-10 182  
                 5.1.3.4 Internationale Norm zur Prüfung von Lasertrackern in der Normungsreihe ISO 10360 183  
           5.1.4 Neue Technologien 184  
              5.1.4.1 Der „Virtuelle Lasertracker“ 184  
                 5.1.4.2 Multilaterationssystem 184  
           5.1.5 Zusammenfassung und Ausblick 185  
        5.2 Koordinatenmessgeräte mit Gelenkarmen 186  
           5.2.1 Funktionsweise der Gelenkarm-KMGs 186  
           5.2.2 Gelenkarm-KMG mit lineargeführter Z-Achse 187  
           5.2.3 Gelenkarm-KMG mit mehreren Gelenkarm-Segmenten 189  
           5.2.4 Prüfung von Gelenkarm-Koordinatenmessgeräten 193  
        5.3 3D-Nanomess- und Nanopositioniergeräte 195  
           5.3.1 Einführung 195  
           5.3.2 Stand der Technik von Nanopositionier- und Nanomessgeräten 196  
           5.3.3 Laserinterferometrische Längenmesstechnik 198  
              5.3.3.1 Grundlagen der Interferometer 198  
                 5.3.3.2 Metrologische Analyse 200  
           5.3.4 Laserinterferometer für Nanomessgeräte 205  
           5.3.5 Nanokoordinatenmessgeräte 207  
              5.3.5.1 Aufbauprinzipien von Koordinatenmessgeräten (CMM) 207  
                 5.3.5.2 Aufbau, Wirkungsweise und Eigenschaften der Nanomessmaschine NMM-1 209  
                 5.3.5.3 Nanosensoren für die Nanomessgeräte, Messergebnisse 213  
                 5.3.5.4 Anwendungsgebiete der Nanomessmaschinen 218  
        5.4 Röntgentomographie 219  
           5.4.1 Röntgenstrahlerzeugung 221  
           5.4.2 Bildaufnahme 223  
           5.4.3 Mechanik und Strahlenschutz 224  
           5.4.4 Volumen- und Messpunkteberechnung 226  
           5.4.5 Messabweichungen durch das Röntgentomographieprinzip 228  
           5.4.6 Erweiterung des Einsatzbereichs von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie 230  
           5.4.7 Anwendung von Koordinatenmessgeräten mit Röntgentomographie 232  
        5.5 Optische Messsysteme 235  
           5.5.1 Prinzip der Triangulation 235  
           5.5.2 Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit aktiver Triangulation 238  
           5.5.3 Berührungslose optische Erfassung von Werkstückoberflächen mit passiver Triangulation 240  
              5.5.3.1 Passive Triangulation mit zueinander kalibrierten Messkameras 241  
                 5.5.3.2 Passive Triangulation mit einer bewegten Messkamera 241  
                 5.5.3.3 Passive Triangulation mit Theodoliten 242  
           5.5.4 Geometrieerfassung mit photogrammetrischen Trackersystemen 243  
           5.5.5 Berührungslose optische Geometrieerfassung nach dem Licht-Laufzeitverfahren 245  
           5.5.6 Optische Geometrieerfassung spiegelnder Oberflächen 245  
        5.6 Messen mit mehreren Sensoren 247  
           5.6.1 Optische Messsysteme mit Antastung in mehreren Einzelansichten 248  
              5.6.1.1 Registrierung 249  
                 5.6.1.2 Datenfusion 252  
           5.6.2 Multisensor-Koordinatenmessgeräte 253  
              5.6.2.1 3D Multisensor-Koordinatenmessgeräte 253  
                 5.6.2.2 Multisensor-Oberflächenmessgeräte 256  
        5.7 Indoor-GPS (Global Positioning System) 258  
           5.7.1 Funktionsweise und Komponenten des iGPS 258  
           5.7.2 Skalierung des Messsystems 260  
           5.7.3 Inhomogene Fehlerverteilung im Messsystem 261  
           5.7.4 Anwendungsbeispiel: Regelung von Robotern 262  
        5.8 Maschinenintegrierte Messtechnik 263  
           5.8.1 Definition und Einordnung innerhalb der Fertigungsmesstechnik 263  
           5.8.2 Pre- und Post-Prozess-Messtechnik 263  
           5.8.3 Potenzial der dreidimensionalen Korrektur 265  
           5.8.4 Sensoren zur Integration auf der Werkzeugmaschine 266  
           5.8.5 In-Prozess-Messtechnik 267  
           5.8.6 Pneumatische In-Prozess-Messtechnik 269  
           5.8.7 Zukünftige Entwicklungen 271  
     6 Von der technischen Zeichnung über den Prüfplan hin zum Messablaufplan 272  
        6.1 Einführung in die Prüfplanung 272  
           6.1.1 Prüfen der Unterlagen 273  
           6.1.2 Erkennen der Merkmale 273  
           6.1.3 Auswahl der Prüfmerkmale 273  
           6.1.4 Abarbeiten der Prüfmerkmale (allgemein) 275  
           6.1.5 Abstimmen mit Fachbereichen 275  
           6.1.6 Dokumentation – Eintragungen in den Prüfplan 276  
           6.1.7 Inhalte eines Prüfplans 276  
        6.2 Abarbeiten der Prüfmerkmale in der Koordinatenmesstechnik 276  
           6.2.1 Einführung 276  
           6.2.2 Prüfaufgabe analysieren 277  
              6.2.2.1 Auswahl des Koordinatenmessgeräts und dessen Zusatzeinrichtungen 277  
                 6.2.2.2 Prüfplan für die Koordinatenmesstechnik 278  
           6.2.3 Messstrategie definieren 279  
              6.2.3.1 Orientierung des Werkstücks im Koordinatenmessgerät 279  
                 6.2.3.2 Koordinatensysteme 279  
                 6.2.3.3 Antaststrategie 283  
                 6.2.3.4 Auswertestrategie 291  
           6.2.4 Messablauf festlegen 298  
              6.2.4.1 Grundsätze 299  
                 6.2.4.2 Optimierungskriterien 299  
           6.2.5 Messung vorbereiten 301  
              6.2.5.1 Erforderliche Unterlagen 301  
                 6.2.5.2 Werkstück 302  
                 6.2.5.3 Koordinatenmessgerät 303  
                 6.2.5.4 Hilfsmittel 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  
           7.1.1 Software zur Programmierung für Koordinatenmessgeräte 308  
           7.1.2 Rechnergestützte Schnittstellen für Eingangsinformationen: CAD und Planungssoftware 310  
           7.1.3 Simulation und Kollisionskontrolle 315  
           7.1.4 Rechnergestützte Übertragung von Messprogrammen 317  
           7.1.5 Programmierung von automatisierten Systemen in der Produktion 319  
           7.1.6 Programmierung bei speziellen Messaufgaben 320  
        7.2 Messung und Auswertung der Koordinaten (Punkte) 322  
           7.2.1 Messung: Messprogrammausführung 322  
           7.2.2 Auswertung: Ableitung von Informationen aus den Messpunkten 323  
        7.3 Ergebnisdarstellung und -übertragung 333  
           7.3.1 Messprotokollgestaltung, Messprotokollarten 334  
           7.3.2 Rechnergestützte Übertragung von Messergebnissen 335  
     8 Spezielle Messaufgaben 342  
        8.1 Spektrum der Messaufgaben mit komplexer Geometrie 343  
           8.1.1 Messobjekte mit analytischer Geometriebeschreibung (funktionsbedingt gegeben) 343  
           8.1.2 Messobjekte mit numerisch-approximativer Geometriebeschreibung 346  
        8.2 Definition der Messaufgabe 347  
           8.2.1 Messaufgaben-Definition an ausgezeichneten Punkten 347  
           8.2.2 Messaufgaben-Definition entlang ausgezeichneter Linien 348  
           8.2.3 Messaufgaben-Definition durch 3D-Topografien 349  
        8.3 Definition der Messstrategie 350  
           8.3.1 Auswahlkriterien und Beurteilungskriterien 350  
           8.3.2 Gerätebezogene Aspekte der Messstrategie 350  
           8.3.3 Phasen der Messprogrammerstellung und der Programmierung des Prüfprozesses 351  
        8.4 Ausrichten 356  
           8.4.1 Methodik der Ausrichtung komplexer Messobjekte 356  
           8.4.2 Ausrichtung nach dem Werkstück-Grundkörper oder nach funktionsbestimmenden Bezugsflächen 357  
           8.4.3 Ausrichtung nach den Freiformflächen 358  
           8.4.4 Ausrichtung mit Ähnlichkeitstransformationen 361  
           8.4.5 Ausrichtung nach Teilflächen 362  
        8.5 Messdatenauswertung 363  
           8.5.1 Messdatenauswertung für Freiformflächen 364  
              8.5.1.1 Zuordnung von Soll- und Ist-Punkten 364  
                 8.5.1.2 Tastkugelkorrektur 365  
                 8.5.1.3 Soll-Ist-Vergleich 367  
                 8.5.1.4 Berechnung von Abweichungs-Kenngrößen 368  
           8.5.2 Sonderfall Verzahnungsmessungen 370  
           8.5.3 Besondere Auswertemethoden 372  
        8.6 Funktionsorientierte Prüfungen 373  
           8.6.1 Prinzip der numerischen Funktionsprüfung in der Koordinatenmesstechnik 373  
           8.6.2 Beispiel Tragbildprüfung bei Zylinderrädern 374  
     9 Messunsicherheit und Rückverfolgbarkeit von Messwerten 378  
        9.1 Metrologische Rückverfolgbarkeit 378  
        9.2 Ermittlung der Messunsicherheit 380  
           9.2.1 Messunsicherheitsbilanz 381  
           9.2.2 Ermittlung der Messunsicherheit am kalibrierten Werkstück 391  
           9.2.3 Ermittlung der Messunsicherheit durch Simulation 392  
           9.2.4 Korrektur systematischer Abweichungen 393  
        9.3 Annahme und Überwachung von Koordinatenmessgeräten 394  
           9.3.1 Antastabweichung 398  
           9.3.2 Längenmessabweichung 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  
           10.2.2 Methodisches Vorgehen 6  
        10.3 Bewertungsansätze 6  
           10.3.1 . Konformitätsprüfung (Gestaltprüfung) 6  
           10.3.2 Prozessfähigkeitsuntersuchung 6  
           10.3.3 Statistische 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  
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