Was ist eine Koordinatenmessmaschine?

Eine Koordinatenmessmaschine (CMM) ist ein Präzisionsinstrument zur Messung der physikalischen geometrischen Eigenschaften eines Objekts. Mithilfe eines Koordinatensystems führt es diese Messungen durch, indem es die Abmessungen, Formen und Positionen des Objekts bestimmt.

Koordinatenmessgeräte sind unverzichtbar für Qualitätskontrolle, Inspektion und Reverse Engineering in der Fertigungs-, Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Elektronikindustrie.

Seit den 1960er Jahren hat sich die industrielle Produktion weiterentwickelt, angetrieben von Branchen wie dem Maschinenbau, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrt, was zur Entwicklung von Dreikoordinatenmessgeräten und der 3D-Messtechnik geführt hat.

Als neues, hocheffizientes Präzisionsmessgerät, das in den letzten 30 Jahren entwickelt wurde, findet die Koordinatenmessmaschine breite Anwendung im Maschinenbau, in der Elektronik-, Automobil- und Luftfahrtindustrie.

Damit können Größe, Form und gegenseitige Position von Teilen und Komponenten wie Kastenmaß, Führungsschiene, Turbine und Schaufel, Zylinder, Nocke, Zahnrad, Form und andere Raumprofile geprüft werden.

Darüber hinaus kann es auch zum Ritzen, Zentrieren von Löchern, zur Fotolithografie von integrierten Schaltkreisen, zum Scannen von durchgehenden Oberflächen und zur Erstellung von Bearbeitungsprogrammen für CNC-Werkzeugmaschinen verwendet werden.

Aufgrund seiner Vielseitigkeit, seines Messbereichs, seiner hohen Präzision, seiner hohen Effizienz und seiner guten Leistung kann es mit einem flexiblen Fertigungssystem verbunden werden. Es ist zu einer Klasse groß angelegter Präzisionsinstrumente geworden, daher gibt es ein „Messzentrum“.

CMM zur Rolle der dreidimensionalen Messung

Die Einführung der Koordinatenmessmaschine (KMG) ist ein Meilenstein für den Übergang von klassischen manuellen Messmethoden zur modernen automatischen Prüftechnik.

In der dreidimensionalen Messtechnik spielen Koordinatenmessgeräte in folgenden Bereichen eine wesentliche Rolle:

1. Komplexe Messaufgaben lösen

Koordinatenmessgeräte dienen der Messung komplexer Oberflächenkonturen, einschließlich Lochabmessungen und -positionen in Kastenteilen, Schaufelblättern, Zahnrädern sowie den Außenkonturen von Fahrzeugen und Flugzeugen.

2. Verbesserung der Messgenauigkeit

Hochpräzise Koordinatenmessgeräte erreichen eine Einzelachsengenauigkeit von bis zu 1 μm pro Meter und eine dreidimensionale Raumgenauigkeit von 1–2 μm. Koordinatenmessgeräte für den Fertigungsbereich bieten eine Genauigkeit von 3–4 μm pro Meter.

3. Förderung automatisierter Produktionslinien

Koordinatenmessgeräte können in CNC-Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren integriert werden, um automatisierte Produktionslinien oder flexible Fertigungssysteme zu bilden und so die Automatisierung in der Fertigung voranzutreiben.

4. Verbesserung der Messeffizienz

Kontinuierliche Verbesserungen der KMG-Genauigkeit und Automatisierung steigern die Effizienz dreidimensionaler Messvorgänge erheblich.

5. Nutzung der Computertechnologie

Elektronische Computer erleichtern die Datenverarbeitung, ermöglichen Steuerfunktionen und verkürzen die Messzeit um über 95 %.

Die beigefügte Tabelle vergleicht die Effizienz von Koordinatenmessgeräten mit herkömmlichen Messmethoden.

Forschungsstand von CMM

Das erste Koordinatenmessgerät der Welt wurde 1959 in Großbritannien hergestellt und wird heute häufig eingesetzt. Laut Statistiken internationaler professioneller Beratungsunternehmen liegt die Umsatzwachstumsrate bei Koordinatenmessgeräten bei etwa 7 bis 25 Prozent.

In den Industrieländern ist der Prozentsatz höher, aber die Wachstumsrate sinkt jährlich um etwa 7–10 %. In den Entwicklungsländern ist der Prozentsatz niedriger, aber die Wachstumsrate steigt um etwa 15–25 %.

Zurzeit entwickeln sich Dreikoordinatenmessgeräte rasant. Weltweit gibt es über 50 Hersteller von Messgeräten, und die Vielfalt an Spezifikationen hat über 300 Arten erreicht.

Es gibt viele Hersteller von Koordinatenmessgeräten, deren Serien in vielen Varianten erhältlich sind und die meisten über eine Anreißfunktion verfügen. Zu den bekannten ausländischen Herstellern zählen Zeiss Zeiss und Leitz Letiz aus Deutschland, DEA aus Italien, Brown & Sharp (Brown & Shape) aus den USA und Mitutoyo (Mitutoyo) aus Japan.

Im Allgemeinen haben KMG-Maschinen die folgenden Eigenschaften:

Zugänglichkeit und Design

a) Die meisten Maschinen verfügen über eine freitragende Bauweise, die eine hervorragende Platzzugänglichkeit für die Montage großer Teile oder kompletter Fahrzeuge bietet.

b) Optimierte Konstruktionen mit AutoCAD und Finite-Elemente-Methoden sorgen für sinnvolle Strukturen und ansprechende Formen.

Spezialisierte Entwicklung

c) Starke spezialisierte Entwicklungskapazitäten bieten maßgeschneiderte Software und Zubehör, um den unterschiedlichen Anforderungen der Benutzer gerecht zu werden.

Material und Konstruktion

d) Bewegliche Teile bestehen hauptsächlich aus einer Aluminiumlegierung, wodurch die Masse minimiert und so eine hohe Steifigkeit und geringe Trägheit erreicht wird.

Fehlerkompensation und -kontrolle

e) Ausgestattet mit 21 Softwaretools zur Fehlerkompensation zur kostengünstigen Verbesserung der Genauigkeit.

f) Verfügt über ein kontinuierliches 32-Bit-DSP-Flugbahnsteuerungssystem mit besserer Leistung als herkömmliche CPUs und unterstützt erweiterte Berechnungen und intern gespeicherte High-Level-Programme.

Erweiterte Sondierungsfunktionen und Software

g) Die Maschinen verwenden überwiegend elektrische Sonden von Renishaw (UK), die für ihre Zuverlässigkeit und Funktionalität bekannt sind.

h) Enthält eine voll funktionsfähige Steuerungs- und Messsoftware sowie spezielle Programme zur Fehlerkorrektur.

Stabilität und Vernetzung

i) Die Maschinen sind äußerst stabil, zuverlässig und bieten eine lange Lebensdauer.

j) Koordinatenmessgeräte sind mit Computerarbeitsplätzen und CNC-Werkzeugmaschinen vernetzt, was eine nahtlose Integration ermöglicht.

Schnelles technologisches Wachstum

k) Die KMG-Technologie hat sich rasch weiterentwickelt; CNC-Systeme und Messsoftware werden alle zwei bis drei Jahre aktualisiert.

Standardisierung und Vielfalt

l) Bietet eine umfassende Palette an Modellen mit einem hohen Grad an Standardisierung, Generalisierung und Serialisierung.

KMG - zukünftiger Entwicklungstrend

Fortschrittliche Fertigungstechnologien, verschiedene Ingenieurprojekte und der Bedarf an wissenschaftlichen Experimenten an der Dreikoordinatenmessmaschine stellen ständig neue, höhere Anforderungen.

Ausgehend von der aktuellen Entwicklung von Dreikoordinatenmessgeräten sowie von Wissenschaft und Technologie und den Anforderungen an die Produktion von Dreikoordinatenmessgeräten lassen sich die wichtigsten Entwicklungstrends im nächsten Zeitraum wie folgt zusammenfassen:

1. Popularisierung und Förderung der Hochgeschwindigkeitsmessung

Qualität und Effizienz sind seit jeher die beiden Hauptindikatoren für die Leistungsfähigkeit verschiedener Maschinen sowie für Vor- und Nachteile von Produktionsprozessen.

Das traditionelle Konzept besagt, dass die Messgeschwindigkeit nicht zu hoch sein sollte, um die Messgenauigkeit zu gewährleisten.

Da sich das Produktionstempo erhöht, müssen die Messmaschinen Genauigkeit gewährleisten und gleichzeitig immer anspruchsvolleren Geschwindigkeitsanforderungen gerecht werden. Die Verbesserung der Messgeschwindigkeit von Koordinatenmessgeräten bringt folgende Neuerungen mit sich:

Strukturelle Verbesserungen und Materialfortschritte

a) Strukturelle Designverbesserungen und Materialänderungen optimieren die Steifigkeit und reduzieren die Masse beweglicher Teile.

Leichte Materialien wie Aluminium, Keramik und synthetische Materialien ersetzen herkömmliche Materialien wie Granit und verringern die Bewegungsträgheit. Auch dünnwandige Hohlstrukturen kommen zum Einsatz.

Dynamische Leistungsverbesserungen

b) Die dynamische Leistung bei hohen Geschwindigkeiten hängt von verbesserten dynamischen Kompensationsfunktionen ab. Die Strukturparameter und Bewegungsprotokolle der Messmaschine werden optimiert, um dynamische Fehler zu minimieren, die Leistung des Steuerungssystems zu verbessern und eine hohe Genauigkeit bei Hochgeschwindigkeitsmessungen sicherzustellen.

Übergang zu berührungslosen Prüfmethoden

c) Die berührungslose Sondenmessung vermeidet die Einschränkungen der Touch-Methoden, wie häufiges Beschleunigen, Abbremsen und Kollisionen, und verbessert so die Messgeschwindigkeit erheblich. Diese Methode erhöht die Zuverlässigkeit und Sicherheit und ist der herkömmlichen Touch-Messung überlegen.

Die Rolle der Offline-Programmiertechnologie

d) Die CAD-gestützte Offline-Programmiertechnologie ermöglicht die Messprogrammerstellung in einer 3D-Grafikumgebung ohne Verwendung der Messmaschine.

Dadurch wird die Messvorbereitung mit den Produktionsprozessen synchronisiert und die Effizienz sowohl der Messmaschine als auch der Programmvorbereitung verbessert.

Durch die Integration dieser Fortschritte werden die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Effizienz von Koordinatenmessgeräten weiter verbessert und können so den wachsenden Anforderungen moderner Produktionsprozesse gerecht werden.

2. Anwendung neuer Materialien und Technologien

Um eine zuverlässige Hochgeschwindigkeitsmessfunktion zu gewährleisten, legen ausländische Forschungseinrichtungen großen Wert auf die Auswahl der Rohstoffe. In jüngster Zeit werden neben traditionellem Gusseisen auch Legierungen aus Gussstahl, Stein und Keramik zugesetzt, um neue Materialien herzustellen.

Zeiss, Sheffield, Leitz, Ferranti (UK), DEA und andere große Hersteller von Koordinatenmessgeräten weltweit verwenden zur Herstellung der beweglichen Mechanismuskomponenten der Messmaschine vor allem Legierungsmaterialien mit geringem Gewicht, guter Steifigkeit und Wärmeleitfähigkeit.

Aluminiumlegierungen, keramische Werkstoffe und verschiedene synthetische Materialien finden in Koordinatenmessgeräten zunehmend breite Anwendung.

Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit der neuen Werkstoffe kann bei ungleichmäßiger Temperaturverteilung innerhalb kürzester Zeit eine thermische Glätte erreicht und die durch Temperaturschwankungen bedingte thermische Verformung minimiert werden.

Aus diesem Grund hat es in den letzten Jahren dazu geführt, dass der Hersteller den Höhepunkt neu formuliert hat, und es entstehen neue Sorten. Der Fortschritt der technischen Indizes zeigt sich in zwei Aspekten:

a) Maximale Betriebsgeschwindigkeiten von 15 m/s oder mehr;

b) Die Anforderungen an die Umgebungstemperatur können auf 20 ± 4 °C reduziert werden.

Auch andere neue Technologien, wie etwa die Magnetschwebetechnik, werden in Messgeräten und anderen Sonden zum Einsatz kommen.

3. Verbesserungen am Kontrollsystem

In modernen Fertigungssystemen beschränkt sich der Zweck von Messungen zunehmend nicht mehr auf die Abnahmeprüfung fertiger Produkte, sondern erstreckt sich auf das gesamte Fertigungssystem, um Informationen über den Herstellungsprozess zu liefern und so eine Grundlage für die Steuerung zu schaffen.

Aufgrund dieser Anforderung muss die Messmaschine über ein offenes Steuerungssystem mit größerer Flexibilität verfügen. Zu diesem Zweck ist es möglich, die rasante Entwicklung neuer elektronischer Industrietechnologien, insbesondere Computer, zu nutzen, um neue Systeme mit einem hohen Leistungs-/Preisverhältnis zu entwickeln.

In den letzten Jahren sind die Preise für Computer gesunken, während die Leistung zunimmt. Angenommen, Sie können die Massenproduktion kostengünstiger und leistungsstarker Computervorlagen (wie 80386, 80486) verwenden, um ein spezielles digitales Steuerungssystem für Messgeräte zu entwickeln.

In diesem Fall bietet sich die Einführung einer neuen, kostengünstigen und leistungsfähigen Messmaschinensteuerung an. Alternativ können komplexe Steuerungen auch kompakter ausgelegt werden, um Kosten zu sparen.

4. Entwicklung von Messmaschinentastern

Rolle der Sonden bei der Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten

Neben dem mechanischen Körper des KMG ist der Messtaster der Schlüssel zum Erreichen hoher Genauigkeit und gilt als das Herzstück des KMG. Die Verbesserung der Messtasterleistung ist im Vergleich zu anderen technischen Indikatoren der anspruchsvollste Aspekt.

Ideale Sondeneigenschaften

Die Leistung der idealen Sonde hängt eng mit ihren Parametern zusammen, wie dem Sondenkörperdurchmesser (D) und der Sondenstablänge (L), wobei das L/D-Verhältnis entscheidend ist. Ein höheres L/D-Verhältnis verbessert die Leistung, wobei Werte über 6 eine Genauigkeit von über 0.1 μm und Auslösebewegungsgeschwindigkeiten von 0.5 mm/s bis 80 mm/s bieten.

Fortschritte in der Sondentechnologie

Um diese Hochleistungsanforderungen zu erfüllen, ist die Entwicklung einer „Festkörpersensor“-Technologie unumgänglich. Dabei wird die Erkennung von der passiven Wahrnehmung auf die aktive Sensorik verlagert und es werden Aspekte wie die Empfindlichkeit und Störfestigkeit piezoelektrischer Sonden behandelt.

Der Aufstieg berührungsloser Sonden

Ein wichtiger Trend in der Sondentechnologie ist die zunehmende Verwendung berührungsloser Sonden, insbesondere in Branchen wie der Mikroelektronik, in denen Kontaktsonden keine zweidimensionalen Muster wie Masken integrierter Schaltkreise messen können.

Wachstum optischer Koordinatenmessgeräte

Die rasante Entwicklung optischer Koordinatenmessgeräte konzentriert sich auf berührungslose Messungen. Diese Maschinen bieten in Kombination mit modernen berührungslosen Sonden eine hohe Präzision und einen großen Messbereich und ermöglichen Scanmessungen und Spezialmessungen von Mikroteilen, insbesondere in kleinen Löchern.

Zukunft der Sondentechnologie

Auch der Einsatz unterschiedlicher Sondentypen, ob gleichzeitig oder abwechselnd, ist eine wichtige Entwicklungsrichtung für die Zukunft der KMG-Technologie.

5. Innovationen in der Softwaretechnologie

Software bestimmt die Funktion und Benutzerfreundlichkeit der Messmaschine und unterstützt die Entwicklung neuer Technologien.

Um KMGs in die Produktion zu integrieren, müssen Software für Netzwerkkommunikation, Modellierung, CAD, Reverse Engineering und Simulation entwickelt werden.

Darüber hinaus soll die Popularisierung der Verwendung allgemeiner Messsoftware (DMIS) beschleunigt werden, um den Datenaustausch mit CAD/CAM zu erleichtern.

Die Entwicklung spezialisierter Messsoftware für unterschiedliche Werkstücke und deren Zusammenführung auf einer gemeinsamen Plattform ist ein unvermeidlicher Trend bei der Software-Innovation.

Man kann sagen, dass die Messgerätesoftware eine der sich am schnellsten entwickelnden Technologien im Bereich der Koordinatenmessgeräte ist.

Durch die Entwicklung der Software wird das Dreikoordinatenmessgerät in Richtung einer intelligenten Entwicklung vorangetrieben.

Fazit

Als Kern der Präzisionsmessung hat sich die Koordinatenmessmaschine (KMG) zur intelligenten Automatisierung weiterentwickelt und ist durch Fortschritte bei Materialien, berührungsloser Hochgeschwindigkeitstechnologie und Integration den Anforderungen der Industrie gerecht geworden sowie zur Verbesserung der Fertigung.