Koordinatenmesstechnik als Schlüssel- technologie der - PTB

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PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Themenschwerpunkt • 413 prinzipielle Vorgehen ist in Bild 6 dargestellt. Die Basis bilden die Testdaten. Diese sind in der Regel synthetisch erzeugt. Hierdurch lassen sich bei der Generierung der Datensätze auch Wünsche der Industrie berücksichtigen. Die Testdaten werden anschließend von einer Referenzsoftware und von der Software der Messgerätehersteller ausgewertet. Der Test ist bestanden, wenn keines der Messergebnisse um mehr als 0.1 µm gegenüber dem Referenzwert abweicht. Seit 2005 sind insgesamt 7 Auswertemodule durch die PTB zertifiziert worden. Hierin sind alle maßgeblichen europäischen Messgerätehersteller, die Verzahnungsmesstechnik anbieten, enthalten. Die führenden Messgerätehersteller anderer Nationen, wie Japan oder den USA, streben eine Zertifizierung an. 4.4 Normal-Messeinrichtung Der Einsatz von produktähnlichen Normalen setzt eine universelle und gleichzeitig ausreichend genaue Normal-Messeinrichtung für Verzahnungen voraus. In der PTB wurde eine solche Normal-Messeinrichtung entwickelt [14, 15]. Bild 7: Komponenten der Normal-Messeinrichtung für die Verzahnung 4.4.1 Aufbau und Prinzip Die Basis bildet ein kommerzielles Koordinatenmessgerät (KMG). Die erforderliche Genauigkeit erhält das Messgerät durch einen metrologischen Rahmen, bestehend aus einem nachführbaren Laserinterferometer, dem so genannten LaserTRACER (LT) [16], und einem hochgenauen Drehtisch (Bild 7). Diese Komponenten sind in die Steuerung des Koordinatenmessgerätes integriert. Auf diese Weise kann die Erfassung der Koordinaten des Koordinatenmessgerätes, der Längeninformation des LaserTRACERs und der Drehtischposition durch einen Triggerimpuls zum Zeitpunkt der Antastung synchronisiert werden. Mit Unterstützung des KMG-Herstellers wurde eine Schnittstelle geschaffen, die die Daten verfügbar macht. Die Genauigkeitssteigerung des Koordinatenmessgerätes wird erzielt, indem die Messwerte des Koordinatenmessgerätes und die Messwerte des LaserTRACERs für jeden einzelnen Messpunkt miteinander verknüpft werden. Das dabei zugrunde liegende mathematische Modell basiert auf der Bestimmung der optimalen Position des Koordinatenmessgerätes aus einem überbestimmten System von geometrischen Bestimmungsgleichungen [17]. Dieses Verfahren wurde unter Berücksichtigung der mathematischen und messtechnischen Zusammenhänge in der PTB in Messsoftware umgesetzt. Eine weitere Reduzierung der Messunsicherheit wird durch den Einsatz des hochgenauen Drehtisches erzielt. Er ermöglicht es, evolventische Zahnradnormale nach dem Evolventen- Entstehungsprinzip (Generierungsprinzip) zu messen. Hierbei teilt sich die Messung in eine translatorische und eine rotatorische Bewegung auf. Aufgrund der rotatorischen Zustellbewegung des Zahnradnormals durch den Drehtisch, bewegt sich der Taster des Koordinatenmessgerätes nur in einer Achse. Da der Messstrahl des LaserTRACERs und der Normalenvektor der Evolventenfläche bei dieser Messstrategie stets nahezu in einer Richtung liegen, ist diese Messaufgabe besonders geeignet zur Anwendung des genauigkeitssteigernden Verfahrens mit dem LaserTRACER. 4.4.2 Ergebnisse In Bild 8 sind die Ergebnisse der Messungen eines Evolventenprofilnormals auf dem Koordinatenmessgerät ohne und mit Anwendung des genauigkeitssteigernden Verfahrens (Kurven „KMG“ und „KMG + LT“) im Vergleich zu den Kalibrierwerten (Kurve „Kalibrierung“) dargestellt. Das Ergebnis unter Anwendung des genauigkeitssteigernden Verfahrens zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit den Kalibrierwerten. Die ermittelten Profil-Winkelabweichungen f Hα differieren lediglich um 0,04 µm. Dasselbe Koordinatenmessgerät unter gleichen Bedingungen liefert ohne Anwendung des genauigkeitssteigernden Verfahrens im Vergleich zu den Referenzwerten einen um 0,61 µm abweichenden Wert für die Profil-Winkelabweichung. Die erzielte Genauigkeitssteigerung des Koordinatenmessgerätes ist deutlich zu erkennen und wird, wie in Bild 8 zu erkennen, auch durch die ermittelten Messunsicherheiten U(k=2) bestätigt.
414 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 117 (2007), Heft 4 Bild 8: Messergebnisse einer Evolventenprofil- messung Tabelle 2: Interpretation der Messergebnisse aus Bild 9 in Kenntnis der Mess- unsicherheit 5 Ermittlung der Messunsicherheit durch Simulation Ein vollständiges Messergebnis besteht aus einem angezeigten Wert des Messgerätes und der Angabe einer Messunsicherheit. Die Angabe der Messunsicherheit ist dabei ein unverzichtbares Merkmal für die Qualität einer Messung. Ihre Kenntnis führt zur Leistungssteigerung innerhalb der Industrieunternehmen, da technische Prozesse und wirtschaftliche Entscheidungen zuverlässiger getroffen werden können. Dies wird in Bild 9 und Tabelle 2 erläutert. Exemplarisch sind fünf Messergebnisse für die Profil- Gesamtabweichung an Zahnrädern aufgeführt. Jedes Messergebnis ist mit einer Messunsicherheit (Balken) versehen. Die Fertigungstoleranz beträgt ± 2,1 µm (Meisterrad nach ISO 1328-1). Es sind fünf Messwerte angegeben, die innerhalb oder außerhalb der Toleranz liegen. Normalerweise ist dies das Kriterium, um ein Teil als Gut- oder Ausschussteil zu bestimmen. Ist, wie in diesen Beispielen gezeigt, die Messunsicherheit aber nicht vernachlässigbar klein gegenüber der spezifizierten Toleranz, spielt sie bei der Qualitätsbeurteilung die entscheidende Rolle. So muss ein Teil, dessen Messwert innerhalb der Toleranz liegt, nicht zwangsläufig Gut sein und umge- Fall a Fall b Fall c Fall d Fall e Beschreibung mögliche Maßnahmen Messergebnis innerhalb der Toleranz, eindeutig Gutteil Messergebnis außerhalb Toleranz, eindeutig Ausschuss Messwert innerhalb Toleranz, vermeintlich Gutteil (mit ca. 40% Wahrscheinlichkeit), jedoch Ausschuss Messwert außerhalb Toleranz, vermeintlich Ausschuss (mit ca. 40% Wahrscheinlichkeit), jedoch Gutteil Messwert innerhalb der Toleranz, vermeintlich Gutteil, Messbedingungen vollkommen unzureichend (Messunsicherheit größer als Toleranz) kehrt. Erst unter Berücksichtigung der Messun- sicherheit ist es möglich, eine Aussage über Gut- und Ausschussteil zu treffen und wirtschaftlich gezielte Konsequenzen abzuleiten. Um die Bereitstellung eines effizienten Hilfsmittels für die realistische und schnelle Ermittlung der Messunsicherheit einer Verzahnungsmessung geht es in einem drittmittelgeförderten Projekt. Das neue Verfahren wird in Zusammenarbeit mit der Forschungsvereinigung für Antriebstechnik und ihren einflussreichen Industriepartnern realisiert. Es basiert auf der Methode des Virtuellen Koordinatenmessgerätes (VCMM) [17]. Grundlage ist die Nachbildung des Messprozesses durch statistische Simulation. Das Modell des Messprozesses und die auf den Messprozess einwirkenden Einflussgrößen sind wie bei einem klassischen Unsicherheitsbudget die Basis für die Ermittlung der Messunsicherheit. Das Verfahren erfüllt somit die Anforderungen internationaler Direktiven, Richtlinien und Normen. Die Simulation entspricht einem realen Experiment, in dem an einem Werkstück eine große Anzahl von Messungen unter allen wahrscheinlichen Messbedingungen durchgeführt wird. Bild 9: Messergebnisse von Zahnprofilmessungen (d 0 =100mm, m n =2, b=80mm, Qualität 2) mit Toleranz nach ISO 1328-1 Auslieferung, Verkauf Korrektur, Nachstellung der Fertigungs- maschinen um systematische Abweichung Verringerung der Messunsicherheit (z.B. Verbesserung der Messbedingungen) Verringerung der Messunsicherheit (z.B. Verbesserung der Messbedingungen) 1) drastische Reduzierung der Messunsicherheit 2) Produktion schlechterer Qualitäten
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