Koordinatenmesstechnik als Schlüssel- technologie der - PTB

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PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Themenschwerpunkt • 351 bei der Messung kleiner Strukturen der Antastvorgang oder die Detektion der Oberfläche die eigentliche Herausforderung darstellt, ist es bei der Messung großer Strukturen in der Regel die längenabhängige Messunsicherheit, die die Genauigkeit der Messverfahren begrenzt. Sowohl bei der Antastung mikromechanischer Bauteile als auch bei der Messung größter Strukturen werden deshalb zunehmend optische Verfahren eingesetzt. Die PTB versucht, skalierbare Lösungen für Rückführbarkeit in allen Bereichen anzubieten. Zielrichtung ist die Entwicklung und Validierung grundsätzlicher Ansätze, die unabhängig von dem konkreten Messproblem zur Anwendung kommen können. 3.5 Vollständige Erfassung der Werkstückoberfläche Bei fast allen Verfahren der Koordinatenmesstechnik wird die Werkstückoberfläche nur an Einzelpunkten erfasst. Aus den erfassten Einzelpunkten wird dann auf die Gestalt der Fläche und – im Falle von tolerierten Bauteilen – auf die erfüllung der spezifizierten Anforderung geschlossen. Durch diese nur stichprobenhafte Antastung entsteht ein zum Teil bedeutsamer Unsicherheitsanteil. Deshalb ist es ein Bestreben in der modernen Koordinatenmesstechnik, die Anzahl der erfassten Punkte bei gleicher Messzeit zu erhöhen, um so zu einer möglichst vollständigen erfassung der Werkstückoberfläche zu kommen. Bei antastenden Verfahren wird die Punkteanzahl durch so genanntes Scanning erhöht, also das kontinuierliche Erfassen von Punkten, während sich das Tastelement über die Oberfläche bewegt. Dadurch wird aber nur entlang einer Linie eine hohe Punktdichte erreicht. Andere Verfahren, wie z.B. die optische Streifenprojektion [6] oder die Computertomographie (CT) [9, 10], können jedoch ohne erhöhung der Messzeit flächenhaft eine sehr hohe Punktdichte erzielen. Auch in der Verzahnungsmesstechnik Anzeige AfM 1/4 Seite quer findet eine Tendenz zur erfassung der Zahngeometrie entlang der Flanken- und Profillinie hin zu einer flächenhaften Beschreibung und erfassung statt [28 - 30]. Ziel der PTB ist es, den Trend der flächenhaften Antastung bei der Bereitstellung und Kalibrierung von Normalen, bei der Entwicklung neuer Messtechnik und bei der Entwicklung des „Virtuellen KMGs“ [24, 25] zu berücksichtigen, um den Anforderungen der Industrie in diesem Bereich auch in der Zukunft gerecht zu werden. 3.6 Steigende Produktionsnähe Zunehmend wird in modernen Produktionen die Messtechnik zum integralen Bestandteil der Fertigungslinie. Grund dafür sind zum einen die stetig steigenden Qualitätsanforderungen, denen sich Hersteller von Produkten, insbesondere aber auch ihre Zulieferer ausgesetzt sehen. Dies erfordert in nicht seltenen Fällen eine 100%- Kontrolle. In vielen Hochtechnologiebereichen können zudem Produktionsabläufe ohne kontinuierliche Erfassung durch Messtechnik und nachfolgende Regelung nicht mehr wirtschaftlich betrieben werden. Beispiele hierfür sind die Karosseriefertigung [8] oder die Fertigung von Einspritzsystemen. Eine weiterer Trend, der die Einbindung von Messtechnik in die Produktionsabläufe forciert, ist die zunehmende Verlagerung von der Massenproduktion von Gütern hin zur individualisierten Produktion, also die Herstellung von ähnlichen, aber nicht gleichen Produkten in einer Fertigung. Dies verbietet den Einsatz von starren Lehren und erfordert die schnelle Umstellung der Produktion ohne langwieriges „Einfahren“. Auch dafür ist eine direkte Rückkopplung der Produktionsparameter durch integrierte und flexible Messtechnik notwendig. Für die Messtechnik heißt dies, dass sie den Bedingungen einer Produktionsumgebung gewachsen sein muss: auch bei Temperaturschwankungen und Temperaturgradienten im
352 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Raum, Erschütterungen, Schall und Verschmutzung darf die zulässige Messunsicherheit nicht überschritten werden. Die PTB stellt sich dieser Herausforderung mit der Planung eines weltweit einzigartigen Referenzlabors, in dem sich widrige Umgebungsbedingungen reproduzierbar simulieren lassen. Dort sollen grundlegende Untersuchungen zum Umgebungseinfluss auf produktionsnahe Messprozesse durchgeführt werden [8]. In Zusammenarbeit mit den Herstellern und Anwendern von Fertigungsmesstechnik sollen zudem Verfahren entwickelt werden, um die einflüsse effektiv zu verringern. 3.7 Unterstützende Normung Normen leisten heute einen wichtigen Beitrag für den Warenverkehr und die industrielle Kooperation. Die Normungsarbeit bildet aus Sicht der PTB ein wesentliches Fundament für die Beziehung zwischen Hersteller und Anwender von Messtechnik als auch für die Anwendung von Koordinatenmesstechnik in der industriellen Praxis. Neben den großen Industrieländern, die aktiv an der Normung mitarbeiten, profitieren insbesondere auch industrielle Schwellenländer von den Ergebnissen, da ihnen durch die Normung ein abgestimmtes Kompendium des aktuellen Wissens zur Verfügung steht. Im Bereich der Koordinatenmesstechnik gibt es sowohl auf nationaler Ebene als auch auf internationaler Ebene eine sehr produktive Normenarbeit, die von Messgeräteherstellern, Anwendern und Forschungsinstitutionen wie der PTB geleistet wird. Der Fachbereich Koordinatenmesstechnik stellt dabei zurzeit nicht nur den Obmann des nationalen Gemeinschaftsausschusses 3.31 von VDI und DIN, sondern vertritt die Interessen des nationalen Gremiums auch durch einen Mitarbeiter in der internationalen Normungsarbeit. Ziel der PTB ist es dabei insbesondere, die Normen im Bereich der Koordinatenmesstechnik so zu gestalten, dass sie wesentliche metrologische Anforderungen erfüllen, aber auch für einen industriellen Anwender umsetzbar sind. Die PTB arbeitet auch darauf hin, dass die Normen offen genug gefasst werden, so dass Sie den technischen Fortschritt nicht hemmen. Insbesondere im Hinblick auf das breite Spektrum von Messprinzipien und Werkstückgrößen wird versucht, eine Vergleichbarkeit der Verfahren unabhängig von Ihrem physikalischen Messprinzip zu erreichen. 4 Fazit und Ausblick Von der Mikrotechnik bis zum Flugzeugbau wird die Koordinatenmesstechnik heute als zentrales Instrument der Qualitätssicherung in der mechanischen Produktion eingesetzt. Es kommt eine Vielzahl von Messprinzipen zum Einsatz. Optische Messverfahren gewinnen dabei zunehmend an Bedeutung. Um Ihren Auftrag zur messtechnischen Absicherung und Rückführung bestehender und neuer Messverfahren bestmöglich wahrzunehmen, verfügt der Fachbereich Koordinatenmesstechnik über erfahrenes Personal, hochwertige apparative Ausstattung und eine sehr gute Verzahnung zu anderen Fachabteilungen der PTB. Dadurch können die metrologischen Grundlagen mit hoher Qualität zu Verfügung gestellt werden, um auf der anderen Seite durch Kooperationen mit Industriepartnern, Universitäten und Schwesterinstituten neue Entwicklungen zu begleiten und voranzutreiben. Es ist das Bestreben der PTB, Routinekalibrierungen möglichst durch private Laboratorien im Rahmen des DKD durchführen zu lassen. So wurden in der PTB entwickelte Verfahren zur Kalibrierung von Kugelplatten, Stufenendmaßen, Zahnrad- und Profilnormalen und insbesondere von Werkstücken auf Basis des „Virtuellen KMG“ bereits erfolgreich transferiert. Dadurch werden im wissenschaftlichen Bereich Freiräume geschaffen. Diese sollen in der Zukunft für neue Aufgabenschwerpunkte wie z.B. die Mikromesstechnik, die produktionsnahe Messtechnik, die Computertomographie und die entwicklung von numerischen Normalen für den Test komplexer Messsoftware genutzt werden. Einen wichtigen Beitrag zu Arbeit des Fachbereiches bildet auch die Kooperation mit ausländischen Instituten und Universitäten. Der regelmäßige fachlichen Austausch in internationalen Gremien und Organisationen und Forschungsaufenthalte von Wissenschaftlern z.B. aus Italien, den Niederlanden, Dänemark, Polen, China oder Brasilien in der PTB führen zu einer sehr guten internationalen Verzahnung. Der Fachbereich Koordinatenmesstechnik sieht sich unter den derzeitigen Randbedingungen gut gerüstet, auch in einer zukünftigen europäischen Forschungslandschaft eine tragende Rolle zu spielen. Literatur [1] Neumann, H.J.: Koordinatenmesstechnik im industriellen Einsatz – 10 Jahre Inno- vation, Verlag Moderne Industrie, München, 2000, ISBN 3-478-93212-2 [2] Pfeifer, T.: Koordinatenmesstechnik für die Qualitätssicherung, VDI-Verlag Düsseldorf, 1992, ISBN 3-18-401212-3 [3] Christoph, r., Neumann, H. J.: Multisensor- Koordinatenmesstechnik, Verlag Moderne Industrie, München, 2003, ISBN 3-478-93290-4 [4] Schwenke, H., Neuschaefer-Rube, U., Kunzmann, H., Pfeifer, T.: Optical methods for dimensional metrology in production
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