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Qualitätssicherung mit Lichtgeschwindigkeit

Optische Messsysteme für berührungsloses Messen
Qualitätssicherung mit Lichtgeschwindigkeit

Unter der Bezeichnung Hommel Opticline hat das zur Jenoptik-Gruppe gehörende und auf dem Gebiet der taktilen Messtechnik bereits seit 1876 tätige Unternehmen Hommelwerke eine Familie optisch und damit berührungslos arbeitender und universell einsetzbarer Wellenmesssysteme vorgestellt. Es handelt sich hierbei um die ersten nicht-taktilen Messgeräte, die nach der unternehmensinternen Bündelung des Know-hows des optischen Messens mit der taktilen Messtechnik entwickelt wurden.

Peter C. Reimer, Fachjournalist für Wissenschaft und Technik, Freiburg

Das hochflexible Messsystem eignet sich aufgrund seiner robusten Konstruktion gleichermaßen für den Einsatz in der rauen Fertigungsumgebung als auch für die präzise Auswertung aller relevanten Wellenprüfparameter innerhalb eines Messraums. Aufgrund der speziellen Technologie entfallen mechanische Umrüstzeiten. Darüber hinaus werden eine sehr schnelle 100%-Dokumentation der Messergebnisse ermöglicht und dem Anwender vielfältige Nutzungsmöglichkeiten bei hoher Wirtschaftlichkeit geboten.
Modularer Aufbau ermöglicht flexiblen Einsatz
Die modular aufgebauten Tischmessgeräte der CONTOUR-Serie dienen im fertigungsbegleitenden Einsatz der präzisen Messdaten-erfassung von unterschiedlichsten, rotationssymmetrischen Teilen. Hierzu gehören vor allem Getriebewellen, Motorventile, Einspritzdüsen, Rotoren, Kurbel- und Nockenwellen, bis zu einem Durchmesser von 140 mm und Gewichten bis 100 N. Die zu erfassenden Werkstücklängen reichen, je nach Gerätetyp, von 200 bis 800 mm.
Die stabile und zuverlässige Messtechnik ist äußerst widerstandsfähig. So wirken sich weder unbeabsichtigte Einflüsse des Bedienungspersonals noch mechanischer Verschleiß oder Schäden an Sensoren und Tastern negativ auf die Systemfunktionen aus. Damit ist der sichere und effiziente Einsatz sowohl an Einzelmaschinen als auch innerhalb eines Verkettungsbetriebs ohne besonderen Aufwand möglich. Darüber hinaus ist die hier eingesetzte Digitalisierungs- und Übertragungstechnik vor Ort – und damit unmittelbar innerhalb des industriellen Prozessablaufes – weitgehend unempfindlich gegen eventuell auftretende elektromagnetische Störungen.
Bewährte Software vereinfacht Systembedienung
Ein weiterer Vorteil ist die Nutzung gängiger und meistens bereits vorhandenen SPC-Softwarepakete, wie zum Beispiel QS-STAT, Q-DAS oder PROCELLA. Diese lassen sich auch in Verbindung mit den neuen, berührungslos arbeitenden Wellenmesssystemen über zertifizierte Schnittstellen einsetzen. Hierdurch entfällt die sonst erforderliche besondere Einarbeitung des Personals. Eine separate konfigurierbare Schnittstelle ermöglich darüber hinaus die Einbindung weiterer, beliebiger SPC-Programme. Über eine integrierte Netzwerkkarte erfolgt die Anbindung an Firmennetzwerke.
Weitere Vorteile der anwendungsorientierten Software sind die leichte Systembedienung in Verbindung mit einer sehr schnellen, vielseitigen Auswertung der Messdaten, die unkomplizierte Prüfplanerstellung, das einfache Generieren von Messdaten sowie die Schnittstellen für eine umfassende statistische Auswertung. In der Praxis eignet sich die automatische Datenerfassung und SPC-Auswertung besonders für die schnelle und genaue Erstbemusterung und Fertigungsdokumentation. Nicht zuletzt aufgrund dieser Eigenschaften bieten sich diese neuen optoelektronischen Wellenmesssysteme besonders für den Einsatz in der hochwertigen Qualitätssicherung an.
Software-Module für individuelle Auswertung
Da mehr als 90 Prozent der bisher produzierten berührungslosen Wellenmessmaschinen unmittelbar in der Fertigung zur Zwischenprüfung durch den Maschinenwerker oder innerhalb der automatisierten Prüfung eingesetzt werden, kam bei der Systementwicklung der unkomplizierten und leicht zu verstehenden Bedienung besondere Bedeutung zu. Einen wesentlichen Vorteil bietet hier die Möglichkeit, die Software in der jeweiligen Landessprache konfigurieren zu können.
Aus diesem Grunde basieren alle Systemfunktionen der speziellen Software TURBO OPTIC auf einer grafischen Funktionsoberfläche unter Windows NT. Sie ermöglicht eine sehr einfache und intuitive Bedienung, verdeutlicht den gesamten Messablauf durch klare, unmissverständliche Darstellungen auf dem Farbmonitor und erleichtert damit die Erstellung von Prüfplänen erheblich. Die grafische Konturauswertung übernimmt ein integriertes Software-Modul. Hierdurch lassen sich alle Werkstückkonturen – wie mit einem (erheblich aufwändigeren) Profilprojektor – anwendungsorientiert auswerten.
Grafische Darstellungen von Messergebnissen, wie zum Beispiel einer Rundheit, lassen sich sowohl auf dem Bildschirm erzeugen als auch ausdrucken. Neben der Verwendung vordefinierter Standard-Protokolle für den Ausdruck der Messdaten können sehr einfach auch individuelle, kunden- oder aufgabenorientierte Spezialprotokolle gestaltet werden.
Hohe Messauflösung durch Schattenbildprinzip
Das Kamerasystem zur Messdatenerfassung besteht aus dem CCD-Zeilensensor, der Hochleistungs-LED-Lichtquelle, der Optik und der Elektronik. Die durch eine Spindel angetriebene Messeinheit wird im Maschinenbett verfahren (X-Achse). Dabei wird das Messobjekt optoelektronisch nach dem sogenannten „Schattenbildprinzip“ vollautomatisch abgetastet. Die hierbei erzielte hohe Messauflösung pro Einzelmesswert (Y-Achse = 0,5 µm, X-Achse = 0,5 µm Rotation/C-Achse, = 0,018°) ermöglicht es, die komplette Werkstückkontur präzise und in kürzester Zeit auszuwerten.
Die Verwendung optimierter telezentrischer Objektive der neuen Generation sowie die Digitalisierung der erfassten Daten im Kamerakopf gewährleisten höchste Messgenauigkeit. Der eingesetzte Auswerterechner besteht aus einem Standard-PC mit dem Betriebssystem Windows NT. Je nach Anwenderforderung kann er in verschiedenen Gehäusevariationen geliefert werden oder – auf speziellen Wunsch oder auch für Spezial-einsätze in rauer Fertigungsumgebung – als Industrie-PC. Als weitere Standardausstattung besitzt der Rechner eine Netzwerkkarte für den Anschluss an das Firmennetzwerk, eine FireWire-Karte sowie ein Feldbus-/CAN-Bus-Interface für die Maschinensteuerung.
Die integrierte Firewire-Schnittstelle bietet insbesondere bei Mehrkamerasystemen und komplexen Anwendungen einen erheblichen Geschwindigkeitsvorteil beim Datentransfer und somit auch bei der Auswertung.
Optoelektronische Arbeitsweise des Systems
Das von einer langlebigen Halbleiter-Lichtquelle (Infrarot-LED) erzeugte hochparallele, infrarotnahe Licht wird mit Hilfe einer speziellen Optik in Form eines „Lichtvorhangs“ auf das Werkstück gelenkt. Auf der entgegengesetzten Seite des Prüflings befindet sich die Optik der standardisierten Mess-kamera mit einem Messbereich von 50 mm, die den entsprechenden Schatten des Objekts auf einen lichtempfindlichen Zeilensensor fokussiert. Hier wird der Hell-Dunkel-Übergang – und damit das Schattenprofil des Werkstücks – durch die hochauflösenden CCD-Zellen ( 0,5 µm) erfasst.
Während die Erfassung der Grauwerte im Bereich des Hell-Dunkel-Übergangs auf der CCD-Zelle als analoge Signale zur Auswerteeinheit übertragen werden, liefert der Kameradatenlogger die ergänzenden digitale Messsignale. Vorteile dieser Messtechnologie sind vor allem die Schnelligkeit, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Da keine mechanischen Taster eingerichtet werden müssen, lässt sich zum Beispiel ein beliebiger Wellendurchmesser bereits in Bruchteilen einer Sekunde hochgenau vermessen.
Für Rotationsmessungen werden die Daten der Außenkontur des Werkstücks während der Rotationsbewegung aufgenommen. Je nach Messprogramm lassen sich hierbei beliebige Standardmessfunktionen zu einem optimierten Messablauf kombinieren. Falls noch kein Messprogramm vorhanden ist, wird das rotationssymmetrische Werkstück gespannt, dann automatisch gescannt und im Speicher abgelegt. Danach lässt sich sofort jeder einzelne Maßparameter durch Anklicken mit dem Cursor gezielt abfragen und – unter anderem für die Prüfplanerstellung – speichern.
Messbereich bestimmt Anzahl der Kameras
Die Standardserie CONTOUR des Unternehmens umfasst verschiedene Tischgeräte, die – je nach Aufgabenstellung und erforderlichen Messbereich – mit bis zu drei Kameras ausgestattet sind (eine Kamera für 50 mm, zwei Kameras für 100 mm und drei Kameras für 140 mm). Das Systemprinzip erlaubt aber auch die Kaskadierung, das heißt, dass, je nach Aufgabenstellung und Messobjektgröße, mehrere Kameras zu einem kalibrierbaren „Messvolumen“ zusammengestellt werden können. Jede einzelne Kamera bildet, unabhängig von der Gesamtgröße des Messgerätes und der Gesamtzahl der eingesetzten Kameras, zusammen mit der entsprechenden Halbleiter-Lichtquelle eine komplette Messeinheit. Für spezielle Anwendungsbereiche werden Messvorrichtungen der AMV-Reihe in Form stabiler Gusskonstruktionen mit bis zu fünf Kameras angeboten. Diese sind hinsichtlich des möglichen Teilegewichts (bis ca. 30 kg) als auch von der Messdimension (bis Durchmesser von 230 mm und einer maximalen Messlänge von 900 mm) vor allem für die Fertigungsintegration vorgesehen.
Die dritte Stufe der berührungslos arbeitenden Wellenmesssysteme, die WMS-Serie, besitzt eine Steinbasis und bis zu zehn Kameras. Sie ist für Teilegewichte bis 250 kg, Messlängen bis 2500 mm und Durchmesser bis 480 mm einsetzbar. Die Bedienung aller Ausführungen ist aufgrund gleicher Software und gleicher Funktionen absolut identisch, so dass ein Werker bei der Arbeit mit unterschiedlichen Größenordnungen dieser Messgeräte keinerlei Schwierigkeiten hat.
Leistungsfähige Antriebe und robuste Mechanik
Die Antriebe des optischen Messsystems übernehmen Ecostep-Servomotoren. Während die Bewegung der Längsachse (X-Achse) über eine hochgenaue Spindel erfolgt, besitzt die Rotationsachse (C-Achse) einen Direktantrieb. Um auch außergewöhnlich schwere Werkstücke problemlos bewegen zu können, wird bei der Prüfplanerstellung das Teilegewicht automatisch erfasst und die Regler des Rotationsantriebes selbsttätig darauf abgestimmt.
Bei den eingesetzten Maßstäben handelt es sich bei der Längsachse (X-Achse) um einen Metallmaßstab mit einer Auflösung von 0,5 µm und bei der Rotationsachse (C-Achse) um einen Heidenhain-Encoder mit einer wählbaren Auflösung von 0,018° bzw. 0,0018°. Die CCD-Zeile (Y-Achse) ermöglicht eine Auflösung von 0,5 µm. Die Konstruktion des Maschinenbettes des Systems basiert auf Aluminium, das mit einer 60 µm-starken Harteloxalschicht versehen wurde. Es verfügt über hochgenaue Führungen und eine solide Mechanik, ist vollständig wartungsfrei und auf lange Lebensdauer ausgelegt.
Ein besonderes Merkmal stellt die automatische Überwachung des Kalibrierzustandes des Messsystems dar. Es besteht aus integrierten, hochgenauen Stufenscheiben. Diese Stufenscheiben dienen als Bezugssystem für die gesamte Messeinrichtung und verfügen über die Fähigkeit, Temperatureinflüsse zu kompensieren. Vor jedem automatisch ablaufenden Messvorgang erfolgt standardmäßig eine Überprüfung dieser Kalibrierkörper, wodurch die Werkstatttauglichkeit der optischen Messsysteme weiter verbessert werden konnte.
Gehäusetechnologie verbessert Werkstattfähigkeit
Für die neue Generation der CONTOUR-Messsysteme wurde die Gehäusetechnologie in Hinblick auf die individuellen Anwenderforderungen weitgehend optimiert. So wurde die Verschmutzungssicherheit verbessert, die Werkstattfähigkeit durch robuste Gehäusekonstruktion erhöht und die Bedienung durch optional sich automatisch öffnende Türen vereinfacht. Das integrierte Bedienpaneel, das unter anderem eine Funktion zum Start einer Messung über eine separate Starttaste am Messgerät und eine Toleranzampelfunktion (LED-Anzeige) bietet, gewährleistet eine spürbare Bedienungserleichterung.
Für den Einsatz des optischen Messsystems unmittelbar an den Fertigungseinrichtungen wurde ein spezieller, abschließbarer und auf ein Fahrgestell montierter Werkstattwagen entwickelt. Dieser kann alle Systemkomponenten, wie PC, Drucker, Monitor, Tastatur, Maus, Messgeräte, Spannmittel, Werkzeuge und sonstiges Zubehör, aufnehmen. Darüber hinaus zeichnet er sich durch einfache und unbegrenzte Mobilität, zusätzliche Geräteschutzfunktionen und eine integrierte Arbeitsfläche aus.
Spezielles Zubehör ermöglicht flexiblen Einsatz
Die umfangreiche Zubehörpalette ermöglicht eine hohe System-Flexibilität, indem sie zahlreiche anwendungsorientierte Lösungen für unterschiedlichste Messaufgaben bietet. So erfordert nahezu jede einzelne Wellenform nicht nur ein individuell einzusetzendes Programm, sondern auch eine Vielzahl aufgabengerechter Spannvorrichtungen. So lässt sich der Reitstock sowohl mit einfachen 60°-Spitzen als auch mit unterschiedlichsten mitlaufende Spitzen in diversen Ausführungen ausstatten, während für den Spindelstock verschiedene Backenfutter, magnetische Teller und spezielle Teileaufnahmen lieferbar sind, die auch für kleine Teile ohne Zentrierung „maßgeschneiderte“ Lösungen bieten. Ein besonderes Feature im Zubehörprogramm stellt der optional lieferbare Barcode-Lesestift dar. Er ist mit einer separaten Tastatur ausgestattet und ermöglicht das Einlesen von Barcode-Daten mit automatischer Prüfprogrammanwahl. Über eine sogenannte „Messmittelbox“ mit integriertem RS232-Interface für den Rechneranschluss lassen sich auch bereits vorhandene Messmittel an dem berührungslosen Wellenmesssystem verwenden. So können zahlreiche für das taktile Verfahren bereits vorhandene Handmessmittel verschiedener Hersteller auch für das optische Verfahren kostensparend eingesetzt werden. Dabei werden digitale Messmittel vollautomatisch erkannt. Die Messmittelbox verfügt, je nach Ausführung, über vier bzw. acht frei kombinierbare Eingänge im DIGIMATIC-Datenformat sowie über ein spezielles Softwaremodul. Dieses dient zur Übernahme der Einzelmessdaten in die übergeordnete TURBO OPTIC Messsoftware und der Weiterverarbeitung der erfassten Daten.
In der Praxis lassen sich auf diese Weise an einem Werkstück die Maße von Durchmessern, Längen, Einstichen, Radien und Winkel mit dem optischen System ermitteln, während nachträglich noch zu ergänzende Werte, wie gegebenenfalls ein bestimmtes Innenmaß, mit einem taktilen Messmittel manuell vermessen wird. Dieses gesonderte Einzelmessergebnis kann dann per Fußtaster oder Knopfdruck in die gemeinsame Darstellung integriert und als Bestandteil des Gesamtergebnisses der zentralen Auswertung zugeführt werden.
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