Koordinatenmesstechnik als Schlüssel- technologie der - PTB

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PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Themenschwerpunkt • 373 Dies führt zu einer größeren Messunsicherheit. Im Gegensatz hierzu stützt sich das Messsignal des LaserTRACERs an einer mechanisch entkoppelten, ortsfesten Präzisions-Stahlkugel ab. Das Interferometer dreht bei diesem Prinzip näherungsweise um das Zentrum dieser Kugel und die Oberfläche der Kugel bildet dabei die Referenzfläche für den Messstrahl. Dadurch beziehen sich alle interferometrischen Messungen auf die Kugeloberfläche. Aufgrund der hohen Formgenauigkeit der Kugel (Formabweichungen < 50 nm) wird so ein nahezu fehlerfreier Referenzpunkt im Raum realisiert. Damit haben Abweichungen der Drehachsen keine Veränderungen des Signalweges zwischen dem Kugelmittelpunkt und dem Reflektor zur Folge. In der PTB wurden zwei Prototypen realisiert, erfolgreich erprobt und eingesetzt. Die Technologie des LaserTRACERs konnte erfolgreich in die Industrie transferiert werden und wurde dort weiterentwickelt. Ein aus der PTB ausgegründetes Unternehmen [5] vertreibt den LaserTRACER inzwischen als kommerzielles Produkt. Bild 2 zeigt beide Entwicklungen. Im Folgenden werden zwei Einsatzgebiete des LaserTRACERs im Bereich der Koordinatenmesstechnik vorgestellt. 3 Genauigkeitssteigerung von Koordinatenmessgeräten 3.1 Prinzip Entwickelt wurde dieses Verfahren [6] für Messaufgaben, die eine sehr hohe Messgenauigkeit erfordern, welche über die Möglichkeiten eines konventionellen Koordinatenmessgerätes hinausgehen. Dies gilt beispielsweise für die hochgenaue Kalibrierung von Normalen. Die Genauigkeitssteigerung wird durch die messtechnische Integration des LaserTRACERs in das Koordinatenmessgerät erreicht (Bild 3). Während der Messung folgt der Messstrahl des LaserTRACERs einem Reflektor am Taster des Koordinatenmessgerätes. Für jeden Messpunkt werden die kartesischen Koordinaten des Koordinatenmessgerätes und die Längeninformation des LaserTRACERs abgefragt. Bild 3: Parameterbezeichnungen bei Anwendung des genauigkeitssteigernden Verfahrens Das Prinzip zur Reduzierung der Messunsicherheit ist in Bild 4 dargestellt. Die Messunsicherheit einer KMG-Position u KMG wird zunächst Bild 2: PTB-Prototyp (links) und kommerzielles Produkt (rechts) vereinfacht als isotrop angenommen. Dies lässt sich durch einen kugelförmigen Unsicherheitsbereich veranschaulichen. Die Messunsicherheit des LaserTRACERs wirkt dagegen in Richtung des Messstrahls. Der Messunsicherheitsbereich u l lässt sich daher als Kugelschale um den Referenzpunkt des LaserTRACERs annehmen. Die mathematische Verknüpfung der geometrischen Informationen beider Messmittel ergibt einen resultierenden Unsicherheitsbereich u res in Form eines Ellipsoids. Für einen Messpunkt wird somit die Messunsicherheit in Richtung des Messstrahls minimal. Senkrecht zum Messstrahl lässt sich dagegen keine Genauigkeitssteigerung erzielen. Diese Eigenschaft muss bei der Wahl der Messstrategie und bei der Positionierung des LaserTRACERs berücksichtigt werden. Allgemein gilt: Je besser die Richtung des Messstrahls mit der für die Kalibrierung relevanten Richtung übereinstimmt, desto größer ist die erzielbare Genauigkeitssteigerung. In Abschnitt 3.3 wird dies anhand eines Beispiels verdeutlicht.
374 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Bild 4: Reduzierung der Messunsicherheit des KMG u KMG durch eine zusätzliche Längeninformation (Messunsicherheit u l ) auf resultierende Messunsicherheit u res 3.2 Mathematische Beschreibung Der Grad der erzielbaren Genauigkeitssteigerung hängt von der Genauigkeit des LaserTRA- CERs und der Ausrichtung des Messstrahls zur Messaufgabe ab. Das Verfahren lässt sich für verschiedenste Messaufgaben zur Reduzierung der Messunsicherheit einsetzen. Die Vielfalt der möglichen Anwendungsgebiete erhöht sich, wenn das Koordinatenmessgerät mit einem Drehtisch ausgerüstet ist. Der Drehtisch dient der Zustellung der Messpunkte in Messstrahlrichtung. Bei einem Koordinatenmessgerät ohne Drehtisch kann das Verfahren z.B. für die Längenmessung von Endmaßen oder Stufenendmaßen eingesetzt werden oder für die Formmessung von Ebenheitsnormalen oder leicht gekrümmten Sphären oder Asphären. Bei einem Koordinatenmessgerät mit einem Drehtisch werden die Möglichkeiten erweitert: Auch Formmessungen an z.B. Ringen, Dornen, Zylindern und insbesondere Verzahnungen [7] werden dann möglich. 3.3 Ergebnisse Die erzielbaren Ergebnisse werden an einer Ebenheitsmessung demonstriert. Hierfür wurde ein Ebenheitsnormal der PTB mit einer unabhängig kalibrierten Formabweichung von 70 nm auf dem Koordinatenmessgerät mit dem systemintegrierten LaserTRACER gemessen. Das Messprogramm lieferte sowohl die KMG-Koordinaten als auch die nach dem oben beschriebenen Verfahren optimierten Koordinaten. Für beide xyz- Datensätze erfolgte die Ebenheitsauswertung getrennt nach dem Gauß-Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate. Die berechneten Abweichungsvektoren an den Messpunkten bildeten die Grundlage für die Beurteilung der Ebenheit. In Tabelle 1 werden die numerischen Ebenheitsauswertungen miteinander verglichen. Es werden die Formabweichungen und die entsprechenden Standardabweichungen gegenübergestellt. Formabweichung in nm KMG 750 80 mit Verfahren 220 20 Referenz 70 10 Tabelle 1: Vergleich der Formabweichungen Standardabweichung in nm
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Seite 4 und 5: PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4
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