Messtaster und Auswerte-Elektroniken mit sehr hoher Genauigkeit Die Vielfalt des taktilen Messens - Quality Engineering

Messtaster und Auswerte-Elektroniken mit sehr hoher Genauigkeit

Die Vielfalt des taktilen Messens

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Die Zahl der Metrologie-Anwendungen ist beinahe unendlich: Automatisierte Prüfungen, Mehrstellen-Messplätze oder Einzelprüfplatz sind nur einige wenige Varianten. Jede einzelne Anwendung verlangt besondere Eigenschaften von den eingesetzten Messgeräten und Auswerte-Elektroniken. Heidenhain hat dafür ein breites Spektrum an Lösungen im Programm, die dank foto-elektrischer Abtastung den Vorteil einer hohen Genauigkeit über den gesamten Messweg bieten.

Die Vielzahl an Einsatzmöglichkeiten der Heidenhain-Messtaster steht der Anzahl der Anwendungen kaum nach. Für den Messraum, die Messmittelüberwachung oder handbediente Messplätze empfehlen sich die Certo- oder Metro-Baureihe, da sie Genauigkeiten besser als 1 µm aufweisen. Automatisierte Prüfvorrichtungen oder Mehrstellen-Messplätze sind aufgrund ihrer Bauform die Einsatzgebiete der Acanto- und Specto-Messtaster.

Die hohe Genauigkeit über den gesamten Messweg ermöglicht es, mit allen Messtaster-Modellen mehrere unterschiedliche Bauteile verschiedener Größen in derselben Genauigkeit zu vermessen. Dadurch können zusätzliche Vorrichtungen entfallen. Für die unterschiedlichsten Anwendungen bringen alle Varianten zudem jeweils spezielle Eigenschaften mit. Kombiniert mit der passenden Auswerte-Elektronik, erfüllen die Heidenhain-Lösungen auch hochspezifische Anforderungen metrologischer Aufgabenstellungen.
Bei dynamischen Messaufgaben etwa in Prüfständen kann es bei inkrementalen Messgeräten zu Zählfehlern in der Folge-Elektronik kommen. Ursache sind oft zu hohe Geschwindigkeiten oder zu starke Vibrationen. Die absoluten Messtaster der Acanto-Baureihe vermeiden diese Zählfehler, indem sie den absoluten Positionswert bei jeder Anfrage ohne Referenzfahrt permanent ermitteln und sofort einen Messwert liefern. Messfehler durch zu große Messbolzengeschwindigkeiten wie beispielsweise Prellen gehören der Vergangenheit an.
Außerdem liefern die Acanto-Messtaster auswertbare Informationen zu den Messungen. Sie stellen zu jedem einzelnen Bearbeitungsschritt und zu jedem Qualitätsprüfschritt Informationen über deren Güte zur Verfügung. Möglich macht dies die bidirektionale Schnittstelle Endat 2.2. Sie stellt neben dem Positionswert noch weitere Informationen über den Messtaster bereit:
  • Bewertungszahlen liefern Daten über den aktuellen Zustand des Messgeräts. Sie ermöglichen also eine permanente Überwachung der Funktionsgüte der Abtastung.
  • Warnungen und Alarme erlauben einen Rückschluss auf vom Ausfall betroffene Bauteile wie zum Beispiel die Beleuchtungseinheit.
  • Das elektronische Typenschild zeigt sofort beim Einschalten alle technischen Kennwerte zum Messgerät. Eine falsche Konfiguration der Auswerte-Elektronik ist somit ausgeschlossen.
Ein wichtiger Punkt beim Thema Industrie 4.0 ist die Unterstützung des Menschen durch die Technik, etwa durch Selbstkonfiguration und Selbstdiagnose. Die Nachfolge-Elektronik kann durch die übertragenen Informationen selbstständig eine Konfiguration der Signalperiode oder des Messschritts durchführen. Außerdem ermöglicht die Endat-2.2-Schnittstelle das Rückschreiben von Informationen in den Messtaster. Zwei Abteilungen im Unternehmen profitieren unmittelbar von diesem Mehrwert:
  • Die Qualitätssicherung kann mithilfe der Diagnose-Informationen die Güte der Messung bestimmen.
  • Die Maschineninstandhaltung kann dank der Bewertungszahlen unnötige Stillstandzeiten in der Fertigung vermeiden, da sie vorausschauend Inspektionen durchführen kann.
Die Bewertungszahlen werden dynamisch gebildet, ähnlich wie die fahrzustandsabhängigen Wartungsintervalle bei modernen Kfz. Dabei detektiert das Messgerät beispielsweise, wenn eine Lichtquelle altert oder die Abtastung verschmutzt ist.
Der Messweg der Acanto-Messtaster liegt je nach Ausführung bei 12 mm oder 30 mm, die Schutzklasse ist IP67. Durch das kleine Anreihmaß von 15 mm eignen sich die Acanto-Messtaster besonders für Mehrstellen-Messplätze.
Mehrstellen-Messplätze liegen im Trend
Mehrstellen-Messplätze gewinnen in der industriellen Messtechnik zunehmend an Bedeutung. In diesen Anwendungen steuert eine Elektronik die simultane Erfassung mehrerer Messwerte an einem Prüfling – bei komplexen Messaufgaben oft auch im Rahmen eines festgelegten Prüfablaufs. Für solche Anwendungen bietet die Specto-Baureihe sogar ein Anreihmaß von nur 13 mm. Damit können mehrere Messtaster auf engstem Raum platziert werden. Um den Platzbedarf in der Anlage gering zu halten, können die Kabel sowohl axial als auch radial angeschlossen werden.
Die Specto-Messtaster sind durch eine Schutzklasse von bis zu IP67 außerdem sehr gut für In-Prozess-Messungen geeignet. Über den Messweg von 12 mm oder 30 mm ist eine Genauigkeit von ±1 µm gewährleistet. Die Nachbarschaftsgenauigkeit – sie beschreibt die Abweichung in einem Messbereich von 200 µm – beträgt typischerweise weniger als 0,3 µm. Die Wiederholgenauigkeit weist den gleichen geringen Wert auf. Diese Werte sind unter anderem dank der präzisen Kugelführung möglich, die auf über 60 Millionen Messzyklen ausgelegt ist.
Daten von Mehrstellen-Messplätzen sicher und schnell auswerten
Damit die Daten von Mehrstellen-Messplätzen sicher und schnell ausgewertet werden können, bietet Heidenhain die modulare Folge-Elektronik MSE 1000 an. Mit ihr ist es möglich, bis zu 250 Messkanäle unterschiedlichster Schnittstellen gleichzeitig zu erfassen. Bei der Konzeption der MSE 1000 legte Heidenhain großen Wert darauf, die Installation der Module und die Anbindung an die Messvorrichtung so einfach wie möglich zu gestalten. Die Module können auf einer DIN-Hutschiene montiert werden und bilden somit einen aufgeräumten und kompakten Messplatz. Die gewählte Systemkonfiguration der Module wird vollkommen automatisch und vom Benutzer unbemerkt erkannt. Er muss nur noch die einzelnen Kanäle definieren und konfigurieren.
Die MSE 1000 bietet natürlich die Möglichkeit, Endat-Messgeräte im vollen Funktionsumfang anzuschließen. Alle Vorteile, die zum Beispiel der Acanto-Messtaster bietet, können dadurch genutzt werden. Über die MSE 1000 können Bewertungszahlen, Warnungen, Alarme und das Typenschild angezeigt beziehungsweise abgefragt werden. Neben dem Heidenhain-Protokoll Endat für absolute Messgeräte unterstützt sie auch gängige inkrementale Messgeräte und bietet Anschlussmöglichkeit für analoge Sensoren sowie LVDT- und HBT-Wegsensoren der bekanntesten Hersteller. Module mit Schaltein- und -ausgängen ermöglichen die Interaktion mit weiteren Aktuatoren in der Messvorrichtung. Auch ein Druckluft-Schaltmodul zur direkten Ansteuerung von zum Beispiel pneumatisch betätigten Messtastern steht zur Verfügung. Die Datenübertragung erfolgt über Standard-Ethernet.
Zum Lieferumfang der MSE 1000 gehört neben einem Programm zur Konfiguration des Systems auch eine DLL-Bibliothek. Sie erlaubt es dem Bediener eigene Prüfprogramme zu entwickeln. Bei Prüfprozessen, die abhängig vom Messergebnis weitere Aktionen erfordern, können so zum Beispiel komplexe Abläufe hinterlegt werden.
Bei bis zu acht Messkanälen bietet sich auch die Auswerte-Elektronik ND 2100G Gage-Check an. Sie zeigt die Werte der einzelnen Kanäle oder wertet sie auch direkt aus. Mit Formeln bzw. Verknüpfungen versehen, führt die ND 2100G Gage-Check auch komplexe Berechnungen durch. Über die Hardware- und Software-Umfänge ist es möglich, Abläufe und Reaktionen zu hinterlegen und Schaltein- oder -ausgänge zu steuern. Somit kann eine SPS-Funktionalität in die Auswerte-Elektronik integriert werden.
Messen unterhalb 1 µm Genauigkeit
Mit ±0,1 µm Genauigkeit und 0,03 µm Wiederholpräzision ermöglicht der Certo-Messtaster von Heidenhain eine sehr genaue taktile Messung über einen Weg von bis zu 60 mm. Die Wiederholpräzision wird mit fünf Messungen über den kompletten Messweg in der Nähe des unteren Messbolzenanschlages ermittelt. Sie beschreibt die Differenz zwischen der ersten Messung und dem nach fünf Messungen eingeschwungenen Zustand des Messsystems. Die foto-elektrische Abtastung spielt hierbei alle ihrer Vorteile aus. Feinste Teilungsstriche werden berührungslos und damit verschleißfrei abgetastet und ermöglichen diese herausragenden technischen Kennwerte. Im Messprotokoll wird zusätzlich ein Wert für die lineare Fehlerkompensation angegeben. Zusammen mit der Auswerte-Elektronik ND 287 ist dann eine Genauigkeit von bis zu ±0,03 µm erreichbar.
Durch die Verwendung des empfohlenen Statives CS 200 wird sogar ein thermisch invarianter Messzirkel erreicht. Da Stativ und Certo-Mechanik aus Invar (Ausdehnung 1 ppm/K) bestehen und der Maßstab mit 2 µm Signalperiode aus Zerodur (Ausdehnung 0,1 ppm/K) hergestellt ist, beeinflussen kleine, in der Regel unvermeidbare Temperaturschwankungen die Genauigkeit nicht. Aus diesem Grund ist die Genauigkeit des Messtasters im Bereich von 19 °C bis 21 °C angegeben. Bei hochgenauen Messungen wie etwa bei Endmaß-Prüfplätzen kann über das optionale Analogmodul der ND 287 die Temperaturabweichung des Werkstücks beziehungsweise des ganzen Aufbaus kompensiert werden. Der elektrische Antrieb des Messtasters ermöglicht drei Messkräfte und eine konstante Antastkraft über die gesamte Messlänge.
Eine weitere Produktfamilie in der Genauigkeitsklasse unterhalb 1 µm ist die Metro-Serie. Genau wie die Certo-Messtaster bestechen sie durch eine Präzisionsteilung mit 2 µm Signalperiode. Dadurch kann eine Systemgenauigkeit von ±0,2 µm über den gesamten Messbereich von 12 mm oder 25 mm gewährleistet werden. Das Zusammenspiel von Kugellagerführung und hochgenauer foto-elektrischer Abtastung ermöglicht eine Wiederholgenauigkeit, die kleiner als 0,03 µm ist. Die Nachbarschaftsgenauigkeit ist bei einem Messweg von 12 mm typischerweise kleiner als 0,03 µm.
Taktiler Messtaster mit annähernd 0 N Messkraft zum Beispiel für Elastomere oder filigrane Werkstücke
Der ständige Fortschritt im Bereich der Werkstoffe führt verstärkt zum Einsatz von flexiblen Materialien wie Elastomeren in der Industrie. Gleichzeitig stellt der Wunsch, immer kleiner zu fertigen, die Vermessung filigraner Werkstücke vor neue Herausforderungen. Die ungewollte Deformation eines elastischen Werkstücks durch das Messgerät kann das Messergebnis verfälschen. Werkstücke aus sehr empfindlichen Werkstoffen kann das Messgerät beschädigen beziehungsweise zerstören.
Der Messtaster MT 1281 MW aus der Metro-Serie von Heidenhain erlaubt es, einen Prüfling mit einem minimalen Risiko der Verformung oder Beschädigung taktil zu messen. Das ermöglicht der außergewöhnlich niedrige Messkraftverlauf zwischen 0,01 N und 0,07 N, den der Messtaster über seinen kompletten Messweg von 12 mm aufweist.
Als Folge-Elektronik eignet sich dabei für den Einzelmessplatz die Auswerte-Elektronik ND 287. Sie erlaubt in Kombination mit der Metro-Serie einen minimalen Messschritt von 1 nm. Außerdem bietet sie viele Möglichkeiten, Messreihen zu erfassen und zu klassieren beziehungsweise Histogramme zu erstellen. So erleichtert die ND 287 die Beurteilung des Fertigungsprozesses. ■
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