Koordinatenmessmaschinen spielen in der Entwicklungsumgebung und Qualitätssicherung während des Fertigungsprozesses hochwertiger Produkte oft eine entscheidende Rolle. Die Erwartung an ihre Genauigkeit sind dementsprechend hoch. Gleiches gilt für Werkzeugmaschinen. Einschränkungen in der Genauigkeit gilt es daher zu überwachen und zu beseitigen. Ein neu entwickeltes Verfahren für den Einsatz konventioneller Tracker oder mit einem Laser-Tracer leistet hier wertvolle Dienste.

Selbst nachführen - des Interferometer zur Maschinenüberwachung

Die Bestimmung der systematischen Fehler von Koordinatenmessmaschinen und Werkzeugmaschinen hat eine lange wissenschaftliche Tradition. Viele unterschiedliche Ansätze sind vorgestellt worden und einige von ihnen wurden erfolgreich installiert. Beispiele sind die direkte Analyse mittels Interferometern, Geradheits- und Winkelnormalen, die Verwendung von Kugel- oder Lochplatten und interferometrische Längenmessung. Allen Verfahren ist gemeinsam, dass sie zeitintensiv sind und einen geübten Experten zur Durchführung benötigen. Dies steht im Widerspruch zu dem Ziel, Maschinen effizient zu nutzen und ihre Stillstandszeiten zu minimieren.

Das hier vorgestellte neuartige Verfahren basiert auf der ausschließlichen Verwendung konventioneller Lasertracker (z.B. Leica) oder des speziell für dieses Verfahren neu entwickelten Laser-Tracers (Abb. 1). Während sich der Leica Lasertracker besonders für die Kalibrierung großvolumiger Koordinatenmessmaschinen oder Werkzeugmaschinen eignet (Abb. 2), ist der LaserTracer wegen seiner Baugröße und der erhöhten Genauigkeitsanforderungen bei Maschinen mit kleinerem Arbeitsvolumen am besten geeignet.

Bei konventionellen Lasertrackern ist eines der Genauigkeitsbegrenzenden Elemente die mechanischen Bewegungen des Trackerkopfes um das Rotationszentrum. Beim LaserTracer wird das Interferometer selbst rotiert (Abb. 3) und als Bezugspunkt wird eine im Gerät fest montierte spiegelnde Präzisionskugel verwendet (Abb. 4), auf der sich der Referenzstrahl des Interferometers „abstützt“. Dadurch ist gewährleistet, dass sich Restfehler in der Rotationsbewegung nicht auf die Längenmessung auswirken können und so Längenmessungen im Submikrometerbereich in beliebige Richtungen erzielt werden.

Bei der Maschinenkalibrierung wird der LaserTracer nacheinander an drei bis sechs Positionen im Arbeitsvolumen der Maschine aufgestellt. Am Tool Center Point (TCP) der Maschine wird ein Reflektor befestigt, der den Laserstrahl des Interferometers in sich selbst zurückreflektiert. Der LaserTracer ist nun in der Lage, diesen Reflektor während des Verfahrens des TCP kontinuierlich zu verfolgen. Die Maschine fährt zur Kalibrierung ein vordefiniertes Raster ab, bei dem in jeder Rasterposition mit dem LaserTracer die Distanz zum Reflektor gemessen wird. Alle Rasterpositionen zusammen decken dabei das komplette Arbeitsvolumen der Maschine ab. Eine direkte Kommunikation zwischen LaserTracer und Maschine ist nicht notwendig, da der LaserTracer den Stillstand der Maschine automatisch erkennt und die Distanzmessung durchführt. Anschließend werden die jeweils gemessenen Längen mit den Sollpositionen verrechnet und die Korrekturparameter der Maschine ermittelt.

Schnelle und einfache Anwendung für genaue Kalibierung

Die einfache und schnelle Anwendung, seine Flexibilität und seine überragende Genauigkeit machen es zum idealen Verfahren für die Kalibrierung und Überwachung von Mess- und Fertigungsmaschinen mit Achslängen von 30 cm bis 30 m. Die Dauer einer kompletten Maschinenkalibrierung (Positionen, Geradheiten, Rechtwinkligkeiten, Nicken, Gieren, Rollen aller Achsen) beträgt in der Regel unter vier Stunden. Die Durchführung des Verfahrens erfordert keinerlei Feinjustierung oder Ausrichtung und lässt sich nach Einweisung auch durch erfahrene Maschinenbediener durchführen. Die entsprechende Auswertesoftware ist leicht zu bedienen und bietet zahlreiche Analysemöglichkeiten.

Das Verfahren lässt sich mit vergleichsweise geringen Modifikationen auch auf nichtkartesische Kinematiken, wie z.B. Parallelkinematiken, anwenden. Die Unsicherheiten des Verfahrens liegen je nach Anwendung z. T. unter einem Mikrometer. Das Verfahren hat seine Leistungsfähigkeit bereits an hochgenauen Portal-Koordinatenmessgeräten, an Horizontalarm-Koordinatenmessgeräten und an hochgenauen Werkzeugmaschinen unter Beweis gestellt.

Dr. Carl-Thomas Schneider Vorstandsvorsitzender Etalon AG Tel. 0531/592-1970 ct.schneider@etalon-ag.com www.etalon-ag.com