3D-Koordinatenmesstechnik

Die dreidimensionale Messtechnik „3D Messtechnik“ ist bereits in vielen Industrien zu einem unverzichtbaren Instrument geworden. Die 3D Messtechnik stellt intelligente Lösungen für die gesamte Industrie, in den Prozessketten erhält das taktile und berührungslose Messen neue Dimensionen.

 

Wesentliche Vorteile

• Die Verbesserung von Inspektions-Prozessen
• Einheitliche Qualitätsstandards für Hersteller und Zulieferer
• Die Verkürzung von Prüf- und Inspektionszeiten
• Zuverlässige, nachvollziehbare und rückverfolgbare Ergebnisse
• Umfassende und einheitliche Qualitätskontrollen

Für diese Anforderungen bietet Messtechnik Neth die passenden Lösungen. Mit präzisen 3D-Messsystemen, zuverlässiger Software und langjähriger Erfahrung ist Messtechnik Neth ihr erfahrener Anbieter, der alle Leistungen aus einer Hand bietet.

 

Grundlagen für die 3D Messtechnik

3D Koordinatensysteme

Koordinatensysteme sind Hilfsmittel der Mathematik zur Bezeichnung von Positionen im Raum. Sie werden in vielen Wissenschaften und in der Technik verwendet. Auch im Alltag werden Koordinatensysteme häufig verwendet:

 

Koordinate

Eine Koordinate ist eine von mehreren Zahlen, mit denen man die Lage eines Punktes in einer Ebene oder in einem Raum angibt. Jede der zur Beschreibung erforderlichen Dimensionen wird durch eine Koordinate ausgedrückt.

 

Ein 3D Koordinatenmessgerät beruht auf dem Prinzip der Koordinatenmesstechnik und beinhaltet ein zur Messung räumlicher Koordinaten geeignetes 3D Messsystem. Es besteht aus einem 3D Messkopfsystem (schaltender oder messender oder optischer Sensor), dessen 3D Messbereich durch ein Verfahr- bzw. Positioniersystem mit inkrementeller Weg- oder Winkelsensorik erweitert wird. Darüber hinaus sind weitere Soft- und Hardwarekomponenten zur Auswertung der erfassten 3D Koordinatenwerte, zur rechnerischen Korrektur systematischer Messabweichung und zur Steuerung der Verfahrachsen erforderlich.

 

Ein 3D Koordinatenmesssystem verfügt über ein CNC-gesteuertes Positioniersystem oder ein handgeführtes Verfahrsystem, mit dem das 3D Messkopfsystem (Sensor) und das 3D Messobjekt in ihrer räumlichen Lage relativ zueinander bewegt werden, um die jeweiligen 3D Messpunkte zu erfassen. Jeder Verfahrachse des Positioniersystems ist mindestens ein Längenmesssystem zugeordnet, das die jeweilige 3D 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 3D Längenmesssysteme mit elektronischer Messwerterfassung und mit Maßverkörperungen auf materieller (z. B. Glasmaßstab) oder optischer (z. B. Laserinterferometer) Basis.

Der 3D Messbereich und das 3D Gerätekoordinatensystem werden durch die Verfahrachsen und deren Führungen, Antriebe und inkrementale 3D Messsysteme festgelegt. 3D  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.

 

 

3D Multisensorkoordinatenmessgeräte – Messen mit mehreren Sensoren

Eine besonders hohe Universalität wird durch die Kombination mehrerer unterschiedlicher Sensoren in einem Koordinatenmessgerät erreicht. Für jedes zu messende Merkmal kann der optimale Sensor ausgewählt werden. Die Messergebnisse der unterschiedlichen Sensoren liegen in einem gemeinsamen 3D Koordinatensystem vor. Hierfür wird die Position der Sensoren vorab zueinander eingemessen. Dies ermöglicht es, die Ergebnisse verschiedener Sensoren zu kombinieren, um Merkmale zu messen, die mit einem Sensor allein nicht oder nur schlecht messbar sind.

Die verschiedenen Sensoren werden entweder an einer Wechselschnittstelle an der Pinole des 3D Koordinatenmessgerätes befestigt und im Messablauf nacheinander automatisch eingewechselt (Sensorwechsler), oder sind dauerhaft an der vertikal positionierbaren Pinole nebeneinander angeordnet. Durch Geräte mit mehreren Pinolen, die eine getrennte vertikale Positionierung der einzelnen Sensoren zulassen, ist das Kollisionsrisiko verringert. Ebenso werden Sensoren auch mittels Rückzugsachsen an der Pinole befestigt und nur bei Bedarf ausgefahren, wodurch sich Kollisionen vermeiden lassen.

 

Gemäß DIN EN ISO 10360-1:2002 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 3D Messkopfsystem, welche in horizontaler Richtung entlang der Brücke und in vertikaler Richtung bewegt werden kann. 3D 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 horizonaler 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. 3D Koordinatenmesssysteme in Portalbauweise bieten geringe Messabweichungen bei gleichzeitig guter Zugänglichkeit und ausreichend großem Messbereich. Sie stellen daher die häufigste Bauweise dar.

• Ständerbauweise: Bei einem Koordinatenmesssystem in Ständerbauweise mit Horizontalarm ist die Pinole mit dem 3D 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.

• Grundbauarten von Koordinatenmesssystemen gemäß DIN EN ISO 10360-1:2002

Sensoren

3D 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.

 

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 gegeben.

 

Um die Universalität von 3D Koordinatenmesssystemen zu steigern, können auch mehrere unterschiedliche Sensorprinzipien in einem 3D Koordinatenmesssystem vereint werden. Diese Koordinatenmesssysteme werden 3D Multisensorkoordinatenmesssysteme genannt.

Da es mit einem einzigen Sensor bzw. Taster nicht möglich ist alle Messaufgaben zu lösen, ist es bei den meisten 3D Koordinatenmesssystemen möglich diese auszutauschen. Mit Tasterwechseleinrichtungen kann der Wechsel in den automatischen Messablauf eingebunden werden.

 

 

 

Die Anforderungen in der 3D-Messtechnik Branche

Hersteller, die Formenbauverfahren wie Stanzen, Gießen und Kunststoffspritzen einsetzen, müssen sich mit physikalischen Phänomenen wie Schrumpfen, Verdrehung und Rückfederungseffekt auseinandersetzen, die es ihnen erschweren, die CAD-Geometrie zu erreichen. Durch eine vollständige 3D Vermessung der Teile und der Werkzeuge  durch 3D-Scans ist es möglich, herauszufinden, inwiefern welche Phänomene die betroffenen Teile beeinflussen. Die Ergebnisse eines 3D-Scans liefern gute Einblicke während des sich wiederholenden Prozesses zur Konstruktion der Werkzeuge. Außerdem hilft die genaue Überwachung der Geometrie  und der Fertigung der entsprechenden Teile dabei, unnötige, repetitive Konstruktionsschritte zu vermeiden. So entstehen Fertigungsteile, die den CAD-Referenzen perfekt entsprechen. Darüber hinaus stellt ein 3D-Scan eine wertvolle Lösung für das Reverse Engineering von Originalwerkzeugen bzw. Orginalbauteil dar.