mini|Konventionelles Koordinatenmesssystem in Portalbauweise Ein Koordinatenmessgerät beruht auf dem Prinzip der Koordinatenmesstechnik und beinhaltet ein zur Messung räumlicher Koordinaten geeignetes Messsystem. Es besteht aus einem Messkopfsystem (schaltender oder messender Sensor), dessen Messbereich durch ein Verfahr- bzw. Positioniersystem mit inkrementeller Weg- oder Winkelsensorik erweitert wird. Darüber hinaus sind weitere Soft- und Hardwarekomponenten zur Auswertung der erfassten Koordinatenwerte, zur rechnerischen Korrektur systematischer Messabweichung und zur Steuerung der Verfahrachsen erforderlich.
Ein rein mechanisch-analoger Vorläufer ist der Koordinatograf.
Grundprinzip und Anwendungsgebiete
Grundbauarten Ein Koordinatenmesssystem verfügt über ein CNC-gesteuertes Positioniersystem oder ein handgeführtes Verfahrsystem, mit dem das Messkopfsystem (Sensor) und das Messobjekt in ihrer räumlichen Lage relativ zueinander bewegt werden, um die jeweiligen Messpunkte zu erfassen.DIN EN ISO 10360-1:2003: Geometrische Produktspezifikation (GPS) - Annahmeprüfung und Bestätigungsprüfung für Koordinatenmessgeräte (KMG) - Teil 1: Begriffe Jeder Verfahrachse des Positioniersystems ist mindestens ein Längenmesssystem zugeordnet, das die jeweilige Position mit feiner Auflösung misst. Einzelne Sensormesspunkte können aufgrund der bekannten Positionen der Positioniereinheit somit in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert und miteinander verknüpft werden.
Üblicherweise dienen als Längenmesssysteme zur relativen Positionsbestimmung der Achsen inkrementale Längenmesssysteme mit elektronischer Messwerterfassung und mit Maßverkörperungen auf materieller (z. B. Glasmaßstab) oder optischer (z. B. Laserinterferometer) Basis.
Der Messbereich und das Gerätekoordinatensystem werden durch die Verfahrachsen und deren Führungen, Antriebe und inkrementale Messsysteme festgelegt. Koordinatenmesssysteme konventioneller Bauart besitzen ein kartesisches Gerätekoordinatensystem. Koordinatenmesssysteme, deren Führungen ein Zylinder- oder Kugelkoordinatensystem aufspannen, sind aber ebenfalls verbreitet und arbeiten mit einer Kombination aus inkrementaler Weg- und Winkelsensorik.
Konventionelle Bauweise – kartesisches Gerätekoordinatensystem Die am häufigsten eingesetzten „klassischen“ Geräte sind kartesisch rechtwinklige Koordinatenmesssysteme. Die orthogonalen Führungen spannen ein kartesisches Koordinatensystem auf. Wesentliche Bau- und Funktionsgruppen eines kartesischen Koordinatenmessgerätes sind:
mini|hochkant=0.8|Offene Lagerung eines Koordinatenmesssystems. a) Inkrementeller Maßstab, b) Luftlager, c) Führungsbahn aus Granit
Messtisch: meist Hartgestein. Maßverkörperungen für die einzelnen Achsen: z. B. fotoelektrisches inkrementales Längenmesssystem mit Zerodur-Maßstäben (geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient). Lagerung der einzelnen Achsen: z. B. aerostatische Lager (Luftlager) zur Realisierung einer geringen Reibung zwischen den einzelnen beweglichen Komponenten. Führungsbahnen aus Hartgestein (Granit). Antrieb: z. B. wird bei CNC-gesteuerten KMGs die Bewegung der Achsen durch elektrische Antriebe (inkl. Getriebe und schwingungsdämpfende Elemente) in einem geschlossenen Regelkreis realisiert. Aufgabe des Antriebssystems ist nur die Bewegung der Achsen, nicht das Bereitstellen der Information über die Position der Achsen. Diese Aufgabe wird vom Längenmesssystem übernommen, welches die aktuelle Position an den Steuer- (zur Positionierung) und Auswerterechner (zur Berechnung der angetasteten Koordinatenwerte) übermittelt. Mess- und Tastsysteme: siehe Abschnitt Sensoren. Steuer- und Auswerterechner: Zur Steuerung des Messablaufs und der Verfahrbewegungen, zur Regelung der Position oder Trajektorie (z. B. Variation der Verfahrgeschwindigkeit), zur Manipulation der gemessenen Werte hinsichtlich einer rechnerischen Korrektur systematischer Messabweichungen (mit Hilfe zuvor bestimmter Kalibrierwerte) und hinsichtlich der Transformation der Koordinatenwerte sowie der Auswertung der Messpunkte gemäß dem zugeordneten Geometrieelement.
400px|mini|zentriert|Prinzipieller Aufbau eines konventionellen kartesischen Portalkoordinatenmessgerätes: 1 – Antrieb für X–Achse ; 2 – Ablesesystem für X–Achse ; 3 – Maßverkörperung für X–Achse; 4 – Taster; 5 - 3D–Tastkopf; 6 – Lagerung für Y–Achse; 7 – Anzeige; 8 – Steuer- und Anpasselektronik; 9 – Steuerpult; 10 – Werkstückaufnahme; 11 – Gerätebasis
Gemäß DIN EN ISO 10360-1:2003 unterscheidet man folgende Grundbauarten zur Realisierung von drei zueinander rechtwinklig beweglichen Führungen: Auslegerbauweise: Ein Auslegerarm, an dem das Messkopfsystem befestigt ist, ist in vertikaler Richtung beweglich. Zwei weitere Achsen sind jeweils senkrecht zueinander in horizontaler Richtung beweglich. Die horizontale Bewegung kann entweder durch einen beweglichen Tisch oder bei einem feststehenden Tisch durch bewegliche Aufbauelemente des Auslegers realisiert werden. Meist wird diese Bauweise für Messgeräte mit kleinem Messbereich, aber sehr guter Messgenauigkeit eingesetzt. Brückenbauweise: Die beweglichen Achsen und der Aufspannbereich sind voneinander getrennt. Die in horizontaler Richtung bewegliche Brücke trägt die Pinole mit dem Messkopfsystem, welche in horizontaler Richtung entlang der Brücke und in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Koordinatenmessgeräte in Brückenbauweise ermöglichen einen großen Messbereich und damit das Erfassen sehr großer Werkstücke bis hin zu ganzen Fahrzeugen oder Komponenten aus dem Flugzeugbau. Portalbauweise: An dem Portalquerbalken ist die das Messkopfsystem tragende Pinole (vertikale Bewegung) angeordnet, welche in horizontaler Richtung entlang des Portalquerbalkens beweglich ist. Das Portal ist mit zwei Füßen an den Rändern des Gerätetisches gelagert und in horizontaler Richtung entlang des Gerätetisches beweglich. Ebenfalls sind Bauweisen mit feststehendem Portal und beweglichen Gerätetisch verbreitet. Koordinatenmesssysteme in Portalbauweise bieten geringe Messabweichungen bei gleichzeitig guter Zugänglichkeit und ausreichend großem Messbereich. Sie stellen daher die häufigste Bauweise dar. Üblich ist ein Messbereich von etwa 1 m³. Ständerbauweise: Bei einem Koordinatenmesssystem in Ständerbauweise mit Horizontalarm ist die Pinole mit dem Messkopfsystem in horizontaler Richtung beweglich, welche entlang eines Ständers (auch Säule genannt) in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Die zweite horizontale Bewegung kann durch Verfahren des Ständers entlang des Messtisches oder durch einen beweglichen Tisch realisiert werden. Diese Bauweise wird häufig zur Messung von Karosserien und großen Blechbauteilen genutzt, da drei Seiten des Messbereichs frei zugänglich sind.
Unkonventionelle Bauart – Zylinder- oder Kugelkoordinatensystem Koordinatenmesssysteme unkonventioneller Bauart messen in Zylinder- oder Kugelkoordinaten. Hierzu zählen Lasertracker, GelenkarmmessgeräteVDI/VDE 2617 Blatt 9: Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten - Kenngrößen und deren Prüfung - Annahme- und Bestätigungsprüfung von Gelenkarm-Koordinatenmessgeräten, 2009. und Röntgen-Computertomographie.
Unkonventionelle Bauart – Mikro- und Nanokoordinatenmesssysteme Zur Reduktion der Messabweichungen – verursacht durch zufällige und systematische rotatorische Führungsabweichungen – werden bei Mikro- und Nanokoordinatenmessgeräten unkonventionelle Anordnungen der Längenmess- und Antriebssysteme eingesetzt. Durch Realisierung des abbeschen Komparatorprinzips in mehreren Messachsen, den Einsatz von laserinterferometrischen Längenmesssystemen und einer Parallelmetrologie, welche alle Positionswerte direkt an dem in allen drei Achsen beweglichen Sensor oder der in allen drei Achsen beweglichen Plattform mit dem Messobjekt misst, lassen sich die Messabweichungen und Messunsicherheiten signifikant reduzieren.
Erweiterungen Durch den Einsatz eines zusätzlichen Drehtisches oder einer Dreh-Schwenk-Einrichtung können auch ungünstig gelegene Messelemente angetastet werden. Mit derartigen Erweiterungen kann das Werkstück in ein oder mehreren Achsen rotiert werden. Die veränderte Position des Werkstücks wird bei der Berechnung und Transformation der gemessenen Koordinatenwerte in das Werkstückkoordinatensystem berücksichtigt. Alternativ oder zusätzlich werden auch Dreh-Schwenk-Einrichtungen für die Sensoren eingesetzt.
Sensoren hochkant=2|mini|Sensoren für Koordinatenmessgeräte – Gliederung nach der Funktionsweise (aus Gründen der Anschaulichkeit sind die im Grunde den Triangulationsverfahren zuzuordnenden Kontrastverfahren separat aufgeführt; elektrisch antastende Sensoren fehlen). Koordinatenmesssysteme können mit schaltenden und messenden Sensoren ausgestattet sein. Schaltende Sensoren liefern beim Aufnehmen eines Messpunktes lediglich ein Triggersignal, welches das Auslesen der Längenmesssysteme initiiert. Messende Sensoren haben hingegen intern einen eigenen Messbereich von wenigen Millimetern. Der intern gemessene Sensorwert wird dabei mit der von den Längenmesssystemen bestimmten Position des Sensors überlagert.koordinatenmesstechnik.de
Sensoren für Koordinatenmesssysteme kann man ebenfalls hinsichtlich ihres physikalischen Prinzips unterteilen. Bis in die 90er Jahre waren taktile Sensoren die meist genutzten Antastsensoren bei Koordinatenmessgeräten. Mit verbesserter Sensortechnik, leistungsfähigerer Rechentechnik und gestiegenen Anforderungen werden heutzutage vermehrt auch optische, opto-taktile und Röntgen-Sensoren eingesetzt. Eine Übersicht über Sensoren in Koordinatenmesssystemen ist ebenfalls in gegeben.
Um die Universalität von Koordinatenmesssystemen zu steigern, können auch mehrere unterschiedliche Sensorprinzipien in einem Koordinatenmesssystem vereint werden. Diese Koordinatenmesssysteme werden Multisensorkoordinatenmesssysteme genannt.
Da es mit einem einzigen Sensor bzw. Taster nicht möglich ist alle Messaufgaben zu lösen, ist es bei den meisten Koordinatenmesssystemen möglich diese auszutauschen. Mit Tasterwechseleinrichtungen kann der Wechsel in den automatischen Messablauf eingebunden werden. aukom-ev.de
Mechanische (taktile) Antastung mini|Messtaster mit Rubinkugel als Messspitze Messkopfsysteme mit taktilen Sensoren werden in schaltende Systeme (z. B. basierend auf dem elektro-mechanischen Prinzip) und messende Systeme (z. B. mit induktiv oder kapazitiv messenden Sensoren) unterteilt.
Die Antastung auf der Werkstückoberfläche wird durch Messtaster durchgeführt. Je nach Messaufgabe können hierfür unterschiedliche geometrische Formen des Tastelementes (meist Kugeln) und Materialien (oft Industrierubin, Hartmetall, Siliziumnitrid) eingesetzt werden. Die taktilen Sensorsysteme sind dem menschlichen Tastsinn nachempfunden, sodass nicht nur einzelne Berührungen, sondern auch großflächige Druckverteilungen erkannt werden können.
Da bei der Antastung eine Messkraft in der Größenordnung von 0,01 N bis 0,2 N wirkt, biegt sich der Taststift, was bei der Messung berücksichtigt werden muss. Die Biegung des Taststiftes wird beim Einmessen der Taster (Taststiftkalibrierung, Tasterqualifikation) berücksichtigt und bei den folgenden Messungen automatisch korrigiert. Zusätzlich wird beim Einmessen des Tasters der Durchmesser bestimmt und bei mehreren Tastelementen der Bezug zueinander hergestellt (z. B. bei Sterntaster die Abstände der Mittelpunkte der Tastkugeln zueinander). Das Einmessen des Tasters erfolgt an einem sehr genauen Kugelnormal (Formabweichung < 0,2 µm), das mit jedem verwendeten Taster an mindestens fünf oder mehr Punkten entsprechend einer vom Gerätehersteller definierten Einmessstrategie angetastet wird.