Die neuen Taster

So können beispielsweise durch die Minimierung der dynamischen Effekte erheblich schnellere Abtastgeschwindigkeiten realisiert werden.

Renishaw sieht in Renscan5 die Zukunft des Scannens und hat aus diesem Grund viel in die Entwicklung dieser Technologie investiert.

Wenn ein Koordinatenmessgerät auf herkömmliche Weise zum Messen einer Oberfläche verwendet wird, sei es mit einem starren Messtaster oder einem indexierbaren Messtaster, so gibt es immer ein Limit der dynamischen Leistung, über welches hinaus die Messleistung des Koordinatenmessgerätes unvorhersehbar wird. Dieses dynamische Limit bestimmt die Abtastgeschwindigkeit und dadurch den Messdurchsatz. Herkömmliches Scannen auf Koordinatenmessgeräten ist in den meisten Fällen auf eine Geschwindigkeit von ungefähr 50 mm/s beschränkt, wenn es um die Genauigkeit der Messergebnisse geht. Es ist durchaus möglich, mit Oberflächengeschwindigkeiten zwischen 100 und 150 mm/s zu Scannen. Allerdings lassen sich derartige Geschwindigkeiten nur dann erreichen, wenn die Dynamische Kompensation von Renishaws RenscanDC eingesetzt wird, welche wiederholbare KMG-Fehler unterhalb des dynamischen Limits kompensiert.

Bei Verwendung eines Fünf-Achsen-Messsystems hingegen, wird eine Vielzahl der unerwünschten dynamischen KMG-Fehler eliminiert, da hier der Messkopf den Großteil der Arbeit leistet. Da der Messkopf wesentlich leichter und viel dynamischer als ein Koordinatenmessgerät ist und darüber hinaus über ein wesentlich besseres Ansprechverhalten verfügt, ist er in der Lage, Änderungen in der Teilegeometrie schneller zu folgen, ohne dabei unerwünschte dynamische Fehler zu generieren. Dies wiederum ermöglicht es dem Koordinatenmessgerät das zu tun, wofür es konzipiert wurde: Sich bei konstanter Geschwindigkeit in einer Richtung zu bewegen, während die Messungen durchgeführt werden.

REVO ist das erste Produkt einer Reihe von Messkopf- und Messtastersystemen, welche von der neuen Renscan5-Technologie für ultraschnelles, hochgenaues Scannen in fünf Achsen profitieren werden.

REVO ist ein neues dynamisches Messkopf- und Messtastersystem von Renishaw. Es wurde konzipiert um den Messdurchsatz auf Koordinatenmessgeräten, bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung höchster Systemgenauigkeit, zu maximieren.

Der REVO Messkopf verwendet in jeder seiner beiden Achsen eine Luftlager-Technologie. Die beiden Achsen werden von bürstenlosen Motoren angetrieben, die an hochauflösende Wegmesssysteme angeschlossen sind, wodurch eine hohe Positioniergenauigkeit erreicht wird.

Das System umfasst die folgenden Elemente:

Der REVO Messkopf verfügt über eine patentierte Luftlager-Technologie, welche für eine stabile Messplattform sorgt. Minimale Massenträgheit sowie niedrige Reibung ermöglichen hohe Beschleunigungen sowie eine schnelle Richtungsumkehr. Die Luftlager, eines in jeder Achse, enthalten bürstenlose Motoren, welche an Wegmesssysteme mit einer Auflösung von 0,08 Winkelsekunden angeschlossen sind. Diese wiederum garantieren eine Positioniergenauigkeit unter 0,1 µm bezogen auf eine Tastereinsatzspitze von 250 mm.

Die unbegrenzte Rotationsmöglichkeit wird durch gehärtete, goldene Schleifringkontakte zwischen den Achsen erreicht. Dies ist die einzige mechanisch berührende Verbindung im Gesamtsystem, bei der bewegende Oberflächen miteinander in Kontakt stehen. Sie wurden mit 50.000.000 Messzyklen getestet. Der Test wurde an dieser Stelle abgebrochen, ohne dass eine messbare Abnutzung festgestellt werden konnte. Bei normalem Einsatz entspricht dies einer Lebensspanne von über 5 Jahren bevor ein Service notwendig wird.

Die Schleifringkontakte werden ausschließlich für die Motorspannung verwendet; die Kommunikation findet durch eine kapazitive Übertragung zwischen den Achsen statt und ist keinem Verschleiß ausgesetzt.

Die Luftlager verfügen über eine axiale Steifigkeit von 30 N per µm. Dies sorgt für eine stabile Messplattform, welche hohe Beschleunigungen sowie Abtastgeschwindigkeiten auf Oberflächen bis 500 mm/s ermöglicht. Die Kombination dieser Besonderheiten in Verbindung mit den Eigenschaften des Messtasters sowie der Servosteuerung ermöglicht ultraschnelle und hochgenaue Messungen. Somit kann das Koordinatenmessgerät wesentlich effizienter eingesetzt und Engpässe reduziert werden.

Zusätzlich zu den Messungen bei Hochgeschwindigkeit ermöglichen die Renscan5 Fünfachsen-Systeme eine schnelle Re-Positionierung, wobei der Messkopf in der Lage ist sich synchron mit dem Koordinatenmessgerät zwischen den zu messenden Merkmalen zu re-positionieren. Die Fünf-Achsen Bewegung ermöglicht den Zugang zu Merkmalen, welche vorher eine wesentlich aufwändigere Tastereinsatzkonfiguration sowie ein leistungsfähigeres Koordinatenmessgerät erfordert hätten, was sich wiederum nachteilig auf die Kosten und die Messergebnisse ausgewirkt hätte.

Um die dynamischen Effekte, welche durch hohe Verfahrgeschwindigkeiten hervorgerufen werden, zu unterdrücken, verwendet Renishaw eine neue Messtasterkonzeption mit Laserlicht um die exakte Position der Tastereinsatzspitze zu bestimmen. Ein Laserstrahl wird von seiner Quelle innerhalb des Messtastergehäuses, welches auf dem REVO Messkopf montiert ist, entlang des hohlen Tastereinsatzes zu einem Reflektor, der sich an der Tastereinsatzspitze befindet, gesandt.

Anders als konventionelle Tastereinsätze, die so starr wie möglich sein müssen, wurde der REVO Messtaster so konzipiert, dass er biegsam ist, typischerweise etwa 50 µm an der Spitze. Durch diese Biegung wird der reflektierte Laserstrahl abgelenkt, welcher von einem PSD (Positions-Bestimmungs-Detektor) aufgefangen wird, der ebenfalls in dem Messtastergehäuse untergebracht ist.

Bewegungen des Laserpunkts auf dem PSD werden in ein Ausgangssignal umgewandelt und mit den Messdaten des Messkopfes, des Messtasters sowie mit den Ergebnissen der Skalen von jeder Achse des Koordinatenmessgerätes verrechnet. So lässt sich die exakte Position der Tastereinsatzspitze im Raum ermitteln. Dieser Prozess findet statt, während die Tastereinsatzspitze das Werkstück dynamisch scannt und sich der Messkopf synchron mit dem Koordinatenmessgerät bewegt.

Die Messtasterreihe besteht aus zwei Arten von Sensoren. Der zuvor beschriebene Messtaster hat die Bezeichnung RSP2. Er wurde für den Einsatz der häufigsten Messaufgaben konzipiert und verfügt über 2D-Fähigkeit. Zusätzlich wurde der Messtaster RSP3 mit 3D-Fähigkeit entwickelt, basierend auf der innovativen SP25M- Technologie von Renishaw. Der Messtaster RSP3 wird nur bei Anwendungen mit abgewinkelten oder scheibenförmigen Tastereinsätzen eingesetzt. Der Messtaster RSP2 besteht aus dem Messtasterkörper mit Tastereinsatzhaltern, verfügbar in Längen von 250 mm bis 500 mm vom Mittelpunkt der unteren Achse des Messkopfes aus gemessen, während der RSP3 die Standard SP25M Tastereinsatzhalter verwendet.

Ein Messtaster- und Tastereinsatzhalter- Wechselmagazin, welches auf dem bekannten MRS Befestigungssystem montiert ist, kann durch die Verwendung von einzelnen Speicherplätzen so konfiguriert werden, dass es exakt auf die Anforderungen der Messanwendung abgestimmt ist.

Bei Renscan5 und Revo handelt es sich um Systeme, welche auf UCC2 und SPA2 basieren. UCC2 ist die Bezeichnung für Renishaws Universelle KMG-Steuerung für das Drei- und Fünfachsen Scannen und verfügt über eine Prozessorleistung die es ermöglicht, den Messkopf und das Koordinatenmessgerät synchron zu steuern. Sie wird mit dem SPA2 Servoverstärker verbunden, welcher in der REVO/Renscan5-Version über eine Fünfachsen Kapazität verfügt.

Der primäre Grund für die Einführung von UCC2 liegt in der Steuerung des Koordinatenmessgerätes zusammen mit dem Revo Messkopf. Um die Achsen des Koordinatenmessgerätes und des Messkopfes zu synchronisieren, wird ein Prozessor eingesetzt, um kritische Zeit- und Steuerfunktionen zu bewältigen

UCC2 arbeitet mit einer Update-Rate von 2 KHz, welche es beim Scannen ermöglicht 2.000 Punkte in der Sekunde aufzunehmen. Im Kontext, bei 500 mm/s bei einer 100 mm Bohrung, was etwa 1 250 Datenpunkten pro Umdrehung entspricht bzw. einem Datenpunkt alle 0,25 mm.

Der Messkopf und der Messtaster sammeln bei einer Rate von 6 KHz Daten, was der dreifachen Verarbeitungsgeschwindigkeit des UCC entspricht. Dies wiederum bedeutet, dass mehr Daten nach dem Ablauf gepuffert und analysiert werden können, falls Teilbereiche eines Werkstücks dies eventuell erfordern, ohne dass dabei wertvolle KMG Zeit verschwendet wird. Gleichzeitig wird so die Produktivität erhöht.

Zusätzlich zu den Herausforderungen des Datenmanagements muss auch die Synchronisationsproblematik bewältigt werden. Sämtliche Informationen über die Oberfläche des Werkstücks stammen von der Tastereinsatzspitze. Während die grundlegende Geometrie des zu messenden Merkmals durchaus bekannt sein kann, muss die tatsächliche Oberfläche gemessen werden. Hierfür ist ein äußerst empfindliches Servo-Kontroll-System erforderlich, welches es ermöglicht, den Kontakt mit der Werkstückoberfläche sowohl bei Rotationen des Messkopfes als auch bei Verfahrbewegungen des Koordinatenmessgerätes aufrecht zu erhalten.

Alle Messtastersysteme zum Scannen müssen den Kontakt zur Werkstückoberfläche mittels der Achsen des Koordinatenmessgerätes aufrechterhalten. Der RSP3 Messtastertyp, der für Scannen in drei Achsen verwendet wird, verfügt über einen größeren Messbereich bei geringerer Datenrate, als dies beim Revo Messkopf der Fall ist. Dies gibt dem Koordinatenmessgerät zwar die Möglichkeit genau genug zu arbeiten, um die Messtasterauslenkung innerhalb der Toleranz zu halten, doch im Endeffekt bedeutet es, dass die Geschwindigkeiten bei der Messung wesentlich geringer sind.

Revo verfügt über ein höheres Ansprechverhalten als herkömmliche Messtaster. Dies resultiert in einem Kompromiss betreffend den geringeren Messbereich. In der Praxis hat dies jedoch keine größere Bedeutung, da der Messkopf in der Lage ist, den Messbereich abzudecken, während das Koordinatenmessgerät die Bewegungen in der X-, Y- und Z-Achse ausführt. Das Wichtigste ist jedoch die Synchronisation der verschiedenen Ein- und Ausgänge, um eine Bewegung in fünf Achsen auszuführen. Die Skalenausgänge des Messkopfes und des Koordinatenmessgerätes müssen in einer Art und Weise kombiniert und bearbeitet werden, welche es den Antrieben von sowohl dem Koordinatenmessgerät als auch denen des Messkopfes ermöglicht, synchron auf das Feedback des Messtasters von der Oberfläche des Werkstücks reagieren zu können. Dieses wird durch den Einsatz der Steuerung UCC2 und des SPA2 Servoverstärkers erreicht.

Die Integration von Renscan5 und Revo erfolgt mittels eines I++DME Interface. Das I++DME ist ein gebräuchliches Interface zwischen Anwendungssoftware und Hardware industrieller Messtechnik. Es handelt sich um eine Client/Server-basierte Verbindung zwischen der Messhardware und der Messsoftware, die für die Anwendung programmiert wird.

Der Hersteller des Koordinatenmessgerätes bzw. das Unternehmen, welches die Anwendersoftware herstellt, müssen einen Client zur Verfügung stellen, der in der Lage ist, mittels des I++DME Protokolls zu kommunizieren. Die Steuerung des Koordinatenmessgerätes muss über eine Serveranwendung verfügen, die ebenfalls zur Kommunikation mittels des I++DME Protokolls fähig ist. Im Falle der UCC Steuerung von Renishaw ist diese Voraussetzung durch den UCC Server erfüllt.

Ein deutlicher Vorteil dieser Methode liegt darin, dass die Neuerungen der Renscan5-Technologie durch eine einfache Wiederverwendung des UCCservers für sämtliche Softwarepakete für alle Messanwendungen zugänglich ist, wobei die Rückwärts-Kompabilität erhalten bleibt.

Zweifellos öffnet Renscan5 die Tür zu einem größeren Messdurchsatz auf Koordinatenmessgeräten. Ebenso wird REVO neue Möglichkeiten schaffen, um Messanwendungen zu entwickeln, welche die Anforderungen bereits bestehender und zukünftiger industrieller Technologien und Herstellungsverfahren meistern. Die nachfolgend aufgeführten Messanwendungen sind bereits jetzt möglich. Weitere dieser Scankonzepte werden schon in Kürze erhältlich sein.

Kalibrierung von REVO

Ein ausschlaggebender Faktor bei der Verwendung eines jeden Messinstruments ist die Kalibrierung.

Herkömmlicherweise muss die Kalibrierung bei jedem Dreh-/Schwenkkopf in jeder Position und bei jeder Kombination von Messtaster und Tastereinsatz durchgeführt werden. Genauso muss bei starren Messtastern und den entsprechenden Tastereinsatzkonfigurationen verfahren werden.

Mit Revo wird die Kalibrierung auf verbesserte Art und Weise durchgeführt, Was schließlich zur Folge hat, dass mehr Zeit für das eigentliche Messen zur Verfügung steht, da die Kalibrierzeit reduziert wird. Wichtig hierbei ist, dass die Kalibrierung die Geometrie des Messkopfes sowie des Messtasters feststellt. Dies ermöglicht es, alle Positionen von der Kalibrierung abzuleiten, so dass jede Position oder Achsenbewegungskombination genauestens zum Messen verwendet werden kann. Dies wird erreicht, indem die Ausgangssignale der Wegmess-Systeme der entsprechenden Fehlerkorrekturfelder mit den Geometrieberechnungen sowie den Messtasterergebnissen verbunden werden, um die exakte Position der Tastereinsatzspitze für sämtliche Positionen im Raum zu berechnen.

Dies wird durchgeführt, indem man eine Routine verwendet, welche der der ISO10360–4 gleicht. Dies nimmt wenige Minuten in Anspruch und nachdem es abgeschlossen ist, können alle Positionen verwendet werden. Alles was noch zu tun bleibt besteht in der Kalibrierung der verschiedenen Messtaster und Tastereinsatzhalter. Hierbei handelt es sich um eine ähnliche Routine wie bei der geometrischen Kalibrierung, allerdings dauert diese nicht ganz so lange. Eine erhebliche Zeiteinsparung wird erzielt, welche sich noch zu den immensen Vorteilen von Messdurchsatz und Genauigkeit hinzu addieren lässt.

Renishaw, Pliezhausen

QE 512