Messungen im Bearbeitungsprozess werden häufig von optischen Systemen übernommen. Es bleiben aber zahlreiche kritische Anwendungen, bei denn dies nicht möglich oder nicht effizient zu realisieren ist. Spätestens dann zeigt sich, dass auch taktile Technologien innovative und leistungsstarke Lösungen liefern.

Als Spezialist auf dem Gebiet der Streckziehbearbeitung von Bauteilen für die Luftfahrtindustrie gibt es in der Fertigung von Triumph Fabrications in Shelbyville Indiana kaum Bauteile oder Umformwerkzeuge, die nicht eine parabolische, komplex gebogene oder konische Form aufweisen. Eine Kernkompetenz des Unternehmens ist die schnelle, präzise Messung der Bearbeitungsschritte an diesen Bauteilen. Während dieser Messungen verbleibt das Bauteil einfach aufgespannt in der Werkzeugmaschine. Um dabei die notwendige Antastgenauigkeit für eine beständige, hochpräzise Messung etwa von kleinen Bohrlochdurchmessern, Konturen und geometrischen Toleranzen zu erzielen, wurde ein RMP600 Messtasters mit Dehnmessstreifen eingesetzt. Ohne richtungsabhängige Antastunsicherheit und mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,25 µm liefert der Dehnmessstreifen-Messtaster nach einer einmaligen Kalibrierroutine hohe Genauigkeit bei Auslenkung aus beliebiger Richtung.
In Kombination mit der OMV Pro Software von Renishaw verleiht der Messtaster  der Zimmermann CNC-5-Achsen-Portalfräsmaschine des Unternehmens ähnliche Fähigkeiten wie ein Koordinatenmessgerät (KMG). So sind komplexe Bauteile direkt ab der Maschine endabnahmefertig, wobei die Messergebnisse stets bei der Überprüfung durch andere Geräte innerhalb von 0,025 mm liegen. Demzufolge fallen Offline-Kontrollen der Arbeit auf einem echten KMG im Wesentlichen weg, wodurch das Unternehmen Produktionsverzögerungen, potenzielle Schäden und Genauigkeitsprobleme vermeidet, die normalerweise beim Umsetzen und erneuten Aufspannen hochwertiger Teile entstehen.

Messen im Bearbeitungsprozess
Das Messen auf der Maschine ist ausschlaggebend für die Zielsetzung des Unternehmens, Zykluszeiten zu verkürzen, Nacharbeit zu eliminieren und Fehler zu reduzieren, die sich durch das mehrfache Aufspannen eines Bauteils einschleichen können. Es geht dabei um hochwertige Bauteile, deren Wert mit jedem Bearbeitungsvorgang auf der Portalfräsmaschine steigt. Bei Teilen wie dem Umformwerkzeug für eine Führungskante ginge durch das Abspannen, Messen und erneute Einrichten des Werkstücks beinahe ein ganzer Tag verloren. Durch das Messen im Bearbeitungsprozess wird sichergestellt, dass jede einzelne Arbeitsphase den Spezifikationen entspricht, bevor weiter in das Bauteil investiert wird.
Normalerweise sind die auf der Fräsmaschine von Zimmermann bearbeiteten Bauteile geformte 0,635 mm bis 3,18 mm starke Blechteile, an denen Bohrungen und Ausschnitte vorzusehen sind. Diese Bauteile werden mit Vakuum gespannt. Bohrungen von 2,5 mm bis 9,5 mm, wie sie bei Flugzeugteilen typisch sind, werden gebohrt und mit einer Genauigkeit von 0,05 mm aufgerieben; die wahren Positionstoleranzen liegen bei 0,30 mm bis 0,71 mm.  Die Bohrlochgröße und wahre Position wird mit einem RMP600 Messtaster gemessen. Dabei wird ein 1-mm-Tastereinsatz aus Hartmetall oder Edelstahl und eine 50-mm-Verlängerung verwendet. Die 50-mm-Verlängerung an einem RMP600 Messtaster hat keinen Genauigkeitsverlust zur Folge, gewährleistet ausreichend Abstand zwischen Messtaster und Werkstück zur Minimierung der Zusammenstoßgefahr und ist im Falle einer Kollision auch günstiger zu ersetzen. Die Messungen werden mit Zweifachantastung ausgeführt, da die Kalibrierung mit derselben Geschwindigkeit ausgeführt wird, die auch in der Software verwendet wird, sodass sämtliche Zeiten und Winkel festgelegt sind.

Geprüfte Genauigkeit
Die regelmäßige Genauigkeitsüberprüfung der Maschinen ist einer der Schlüssel zu dem von Triumph mit seinen Messergebnissen erzielten Erfolg und dem gewonnenen Vertrauen in die Ergebnisse. Die Genauigkeit der Maschine wird einmal im Jahr mit einem Laserinterfereometer und einem Kreisformmesssystem überprüft, sofern nicht ein größerer Defekt vorliegt. Es befindet sich zudem auch eine kleine Kalibrierkugel auf der Maschine, die wöchentlich kalibriert wird, wobei die Maschine durch verschiedene bekannte Winkel rotiert und die Kugel mit dem Messtaster berührt wird. Die Ergebnisse werden in einem Balkendiagramm dargestellt, wobei die Daten bis zu zwei Jahre zurückgehen, sodass sich eine Trendentwicklung leicht erkennen lässt. Außerdem gib es ein rückführbares Kalibriernormal mit Kegel, Kugel, Schlitzen und anderen Merkmalen, das gemessen wird, wann immer eine Komponente des QC-Programms abgeändert wird.
Triumph besitzt zwei Portalfräsmaschinen von Zimmermann mit einer volumetrischen Genauigkeit von 0,1 mm.  Das bedeutet, dass ohne den Messtaster alternative Bauteile zum KMG-Raum gebracht, die Messung durchgeführt und die Teile anschließend wieder zurückgebracht und eingerichtet werden müssten. Diese Verzögerungen und die Unsicherheit, die jede neue Einrichtung mit sich bringt, sind in einem schlanken Betrieb inakzeptabel. Im Schnitt ist der Messzyklus ungefähr gleich lang wie der Bearbeitungszyklus, allerdings erfolgt bei manchen Bauteilen die Prüfung auch sehr viel schneller, ganz nach Anzahl der Merkmale. Bei der Messung von Bohrungen werden beispielsweise pro Bohrung etwa 8 Sekunden veranschlagt.

Ein besonderer Messtaster
Anders als herkömmliche Messtaster für Werkzeugmaschinen muss der RMP600 mit Dehnmessstreifen nicht für jeden Vektor kalibriert werden, was eine erhebliche Zykluszeitverkürzung in einer 5-Achsen-Umgebung ermöglicht. Bei der Arbeit in fünf Achsen wird der Messtaster bisweilen in ungewöhnlichen Orientierungen eingesetzt und die Kugel kann aus praktisch jeder Richtung berührt werden. Die Experten bei Triumph haben festgestellt, dass sie bei einer Messung mit dem Messtaster exakt dieselben Messergebnisse erhalten, wenn sie anschließend nochmals messen müssen. Sie haben außerdem gezeigt, dass sich der genaue Durchmesser kleinerer Bohrungen bis 0,098 Zoll (2,49 mm) mithilfe eines 1-mm-Tastereinsatzes messen ließ.
Dehnmessstreifen messen die auf den Tastereinsatz ausgeübte Antastkraft und erzeugen einen Schaltpunkt bei Überschreitung des Schwellwertes für die Dehnbeanspruchung. Dadurch werden niedrige Auslösekräfte, eine geringere Tastereinsatzdurchbiegung, höchste Wiederholgenauigkeit (0,25 µm 2σ), keine Antastunsicherheit und eine tatsächlich dreidimensionale Schaltcharakteristik erzielt. Der RMP600 liefert eine bedeutend höhere Messleistung, insbesondere bei 3D-Flächen, bei denen viele Antastrichtungen verwendet werden, oder bei der Einrichtung, wenn Anfahrvektoren zum Werkstück möglicherweise nicht bekannt sind. Eine spezielle Logik im Messtaster verhindert unerwartete Auslösungen infolge von Stößen und Vibrationen durch Feststellung, ob die an den Messstreifen wahrgenommene Dehnbeanspruchung durch Kontakt mit der Bauteiloberfläche oder ein zufälliges Ereignis verursacht wurden.

Fazit
Letzlich kann der Messtaster nur so genau sein wie die Maschine selbst. Ausgehend von der Kenntnis über die Maschinenfähigkeit, den Zustand und die Kalibrierhistorie dieser Maschine kommt eine Prüfung auf dieser Maschine aus Sicht der Experten bei Triumph einer KMG-Prüfung gleich. Die Maschine wird nach den grundsätzlich gleichen Vorgaben wie unsere KMGs getestet und kalibriert und ist problemlos in der Lage, eine Profilgenauigkeit des Bauteils von 0,38 mm zu liefern. Aufgrund der hohen Genauigkeit dieser Maschine und ihrer 5-Achsen-Fähigkeit hat sich der Messtaster mit Dehnmessstreifen für die Messanforderungen bei Triumph als bessere Wahl herausgestellt.