Filigran und taktil – kein Widerspruch

Präzision ist das A und O einer modernen Fertigung. Und ihre dauerhafte Einhaltung ist die große Kunst. Dafür investieren die produzierenden Unternehmen in feinste Messtechnik, die in unmittelbarer Nähe ihrer Produktionsanlagen auf sogenannten Messinseln zum Einsatz kommt. Hier werden – permanent und in die Prozesskette integriert – Teile aus der laufenden Produktion daraufhin geprüft, ob sie die strengen Qualitätsstandards und Genauigkeitsvorgaben auch tatsächlich einhalten.

Dabei reicht eine Prüfung des fertigen Bauteils oftmals nicht aus. Denn es geht hier nicht um das Aussortieren von Ausschuss oder von Teilen, die nachbearbeitet werden können. Es geht vielmehr darum, einen laufenden Fertigungsprozess so zu optimieren und nachzusteuern, dass Ausschuss oder Nacharbeit erst gar nicht anfallen. So erfordern beispielsweise hochpräzise Layerstrukturen eine Schichtdickenprüfung nach jedem Fertigungsschritt. Schleifprozesse von µ-genauen Kanten müssen während des Bearbeitungsprozesses begleitend überprüft werden.

Bei den Messprozessen an den Messinseln gibt es verschiedenste Aufgaben und Probleme. Ein Problem ist die Deformation filigraner oder elastischer Prüflinge durch taktile Messgeräte. Herkömmliche Messtaster bringen zwar die gewünschte Genauigkeit mit, können aber zu Messfehlern oder Schäden am Bauteil führen, wenn zu hohe Messkräfte wirken. Eine andere Aufgabenstellung ist die Erfassung der Daten an den Messinseln. Zahllose Messplätze liefern permanent Werte, die oft simultan erfasst werden müssen – und das unabhängig von den unterschiedlichen Schnittstellen der Messgeräte. Eine dritte Herausforderung ist sicherzustellen, dass auf der Messinsel alles richtig funktioniert, sozusagen die Qualitätsprüfung der Qualitätsprüfung.

Für diese drei Anforderungen liefert Heidenhain intelligente Lösungen: Der kompakte, handbetätigte Messtaster Metro Zero Force ermöglicht es, filigrane Werkstücke nahezu deformationsfrei mit sehr hoher Genauigkeit zu vermessen. Dazu verbindet er höchste System- und Wiederholgenauigkeit mit einer Messtechnik, die nahezu frei von Krafteinwirkungen auf den Prüfling ist. Die modulare Folge-Elektronik MSE 1000 kann bis zu 250 Messkanäle unterschiedlichster Schnittstellen gleichzeitig erfassen und bietet auch noch umfassende Online-Diagnosefunktionen, die Daten für eine vorausplanende Qualitätssicherung und Fehlerminimierung in der Fertigung liefern. Darüber hinaus ermöglicht eine DLL-Programmbibliothek für Windows-Betriebssysteme es dem Bediener der MSE 1000, selbst Prüfprogramme für seine spezifischen Anwendungen zu schreiben.

Der ständige Fortschritt im Bereich der Werkstoffe, der beispielsweise verstärkt zum Einsatz von flexiblen Materialien wie Elastomeren in der Industrie führt, sowie der Wunsch, immer kleiner zu fertigen, stellen 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.

Zerstörungsfreie, nicht taktile Messprinzipien gibt es viele. Die große Herausforderung ist jedoch die Bereitstellung einer hohen Genauigkeit. Denn optisch messende Verfahren erreichen nicht die Genauigkeit taktiler Messgeräte mit photo-elektrischer Abtastung. Transparente Materialien stellen optische Verfahren außerdem immer wieder vor Probleme, da eine Messung nur mit hohem Aufwand möglich ist.

Der neue Messtaster Zero Force aus der Metro-Serie von Heidenhain erlaubt es nun, 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. Außer durch seinen niedrigen Messkraftverlauf besticht der Metro Zero Force durch eine Zerodur-Präzisionsteilung mit 2 µm Signalperiode. Zerodur hat im Bereich von 0 °C bis 100 °C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von annähernd 0 ppm/K. Die Umgebungstemperatur hat somit quasi keinen Einfluss auf die Ausdehnung des Maßstabs und es wird immer die wahre Länge gemessen. Aufgrund dieser hervorragenden thermischen Eigenschaften wird Zerodur übrigens auch für astronomische Großteleskope als Spiegelträgermaterial eingesetzt.

Neben der Abtastung ist die hochpräzise Kugellagerführung ein weiteres Herzstück des Metro Zero Force. Das Zusammenspiel von Kugellagerführung und hochgenauer photo-elektrischer Abtastung ermöglicht eine Wiederholgenauigkeit, die kleiner als 0,03 µm ist und über den kompletten Messweg ermittelt wird. Die Systemgenauigkeit des Messtasters liegt innerhalb von ±0,2 µm und setzt auch hinsichtlich dieses Leistungsmerkmals die Referenz. Mit dem Metro Zero Force erschließt Heidenhain neue Felder innerhalb der taktilen und hochgenauen Metrologie. So ist es nun zum Beispiel möglich, kleinste Zahnräder, unterschiedlichste Arten von Gläsern und Wafern oder medizintechnische Produkte zu vermessen. Bei diesen Applikationen wäre das zu untersuchende Objekt früher mit normaler Messkraft zerstört worden.

Die Grafik oben zeigt den Messkraftverlauf des Heidenhain Metro Zero Force beim Ein- und Ausfahren. Auf der X-Achse ist der Messweg und auf der Y-Achse die vom Messbolzen ausgeübte Messkraft aufgetragen. Rot beschreibt den Messkraftverlauf im Auslieferungszustand, grün abgebildet ist der Messkraftverlauf nach 5 Millionen Messzyklen – für ein Messgerät im handbetätigten Umfeld eine enorme Lebensdauer. Die Grafik zeigt deutlich, dass sich der Messkraftverlauf im Laufe der 5 Millionen Messzyklen sogar noch verbessert. Dies ist auf das Einlaufen der Lagerung zurückzuführen, die Heidenhain auch selbst entwickelt hat und fertigt.

Mehrstellenmessplätze 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. Mit der Einführung der modularen Folge-Elektronik MSE 1000 ist es nun möglich, bis zu 250 Messkanäle unterschiedlichster Schnittstellen gleichzeitig zu erfassen.

Bei der Konzeption der MSE 1000 hat Heidenhain großen Wert darauf gelegt, die Installation der Module und die Anbindung an die Messvorrichtung so einfach wie möglich zu gestalten. Die gewählte Systemkonfiguration der Module wird vollkommen automatisch und vom Benutzer unbemerkt erkannt. Er muss nur noch die einzelnen Messkanäle definieren und einstellen.

Bei der Verwendung von Endat-Messgeräten entfällt sogar die Konfiguration des Messgeräts: Es liefert alle für den Betrieb notwendigen Daten selbst und ist sofort messbereit. Die MSE 1000 bietet außerdem natürlich die Möglichkeit, Endat-Messgeräte im vollen Funktionsumfang anzuschließen. Für den Anwender ergeben sich damit entscheidende Vorteile in der vorausschauenden Wartung für seine Messanlagen. Da Endat-Geräte die Online-Diagnose ermöglichen, kann zum Beispiel die funktionale Reserve von Absolut- und Inkrementalspur dargestellt werden. Weitere Funktionskriterien wie Beleuchtungszustand, Signalamplitude und Positionswertbildung kann der Anwender abrufen. Damit werden die Verfügbarkeit und die Betriebssicherheit des Systems entscheidend erhöht.

Unterstützt werden neben dem Heidenhain-Protokoll Endat für absolute Messgeräte alle gängigen inkrementalen Messgeräte, weitere 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. Mit der MSE 1000 bietet Heidenhain folgende Module an:

Die Module können auf einer DIN-Hutschiene montiert werden und bilden somit einen aufgeräumten und kompakten Messplatz. Die Datenübertragung erfolgt über Standard-Ethernet.

Zum Lieferumfang der MSE 1000 gehört auch eine DLL-Programmbibliothek. Sie bildet den Funktionsumfang der MSE 1000 softwareseitig ab und erlaubt es dem Bediener, eigene Prüfprogramme zu entwickeln. Bei Prüfprozessen, die abhängig vom Messergebnis weitere Aktionen erfordern, können so zum Beispiel weitere Ein- und Ausgänge geschaltet werden. Diese Programmierfähigkeit der MSE 1000 macht zusätzliche Steuerungsgeräte zum Teil überflüssig.

An modernen Messinseln bedeutet die Auswertung einer Messung mehr als nur das Einsammeln der Informationen vor Ort. Sollen aus Messungen Ergebnisse werden, müssen sie aufbereitet, ausgewertet und archiviert werden. Das ermöglicht die Zusammenarbeit zwischen Q-DAS und Heidenhain besonders einfach und komfortabel: Erfolgreiche Software-Lösungen unterstützen präzise Messtechnik. Mit der aktuellen Version 11 von Procella erfolgt die softwareseitige Einbindung der MSE 1000 in die Q-DAS-Welt.

Diese Kombilösung bietet alle Funktionalitäten der Procella Software und vereinfacht die Handhabung aufwändiger Messplätze für den Anwender erheblich. So kann er beispielsweise alle Kanäle von Procella aus konfigurieren – auch für den neuen Messtaster Metro Zero Force. Heidenhain-Messtechnik und Q-DAS-Software sammeln, verarbeiten, bewerten und archivieren Informationen. Ihre Handhabung ist dank der vollständigen Integration von Hardware und Software einfach und komfortabel. Damit erleichtern sie in vielen Fällen auch die Dokumentationspflicht, wie sie beispielsweise in der Medizintechnik besteht. ■