Taktile und optische Messungen haben jeweils eigene Stärken.
Um es gleich am Anfang zu sagen: Taktile und optische Messtechniken werden sich nicht als Entweder-oder-, sondern Sowohl-als-auch-Systeme entwickeln. Beide leisten einen wichtigen Beitrag zur Qualitätssicherung und damit zur Kostensenkung in der industriellen Fertigung. Die berührende Messtechnik stößt jedoch zunehmend auf Grenzen, wenn es um Messgeschwindigkeiten, Messen in Fertigungsumgebung oder von Oberflächenstrukturen im Nanometerbereich geht. Dies gilt beispielsweise für Messuntersuchungen neuartiger Strukturen in Zylinderlaufbahnen, für sphärische und asphärische Linsen oder beim Vermessen von Kunststoff- oder Lackoberflächen. Möglichkeiten und Grenzen werden nachfolgend beispielhaft dargestellt.
Stärken taktiler Messsysteme
Taktile Messsysteme in der Fertigungsmesstechnik gibt es als Formmessgeräte, Oberflächenmessgeräte (Tastschnittgeräte) und Koordinatenmessgeräte. Formmessgeräte zeichnen sich durch eine auf der Drehbewegung basierenden Messung mit der dadurch resultierenden hohen Messgenauigkeit aus. Das macht die Systeme sehr flexibel bei der Variation des Antastwinkels: Durch präzises Ausrichten wird die Messung sehr genau. Die Messgeräte tasten rotationssymmetrische Geometrieelemente wie ebene, zylindrische oder Kegelflächen ab, erfassen Sub-Mikrometer-Toleranzen und bilden komplexe Messabläufe ab. Sie werden auch eingesetzt, um Mikro-Geometrieelemente an konventionellen Bauteilen zu vermessen. Tastschnittgeräte werden vorzugsweise bei der Rauheits- und Konturenmessung eingesetzt und liefern Nanometer-Auflösungen bei größtmöglichem Messbereich. Typisch sind die kleinen Tastelemente mit definierten Krümmungsradien im µm-Bereich. Daraus resultiert ein vorhersagbares Übertragungsverhalten. High-End-Tastschnittgeräte zeichnen sich ebenfalls durch ihre hohe Flexibilität aus: Sie messen punktförmig, bieten einen großen Höhenmessbereich (z.B. 10 mm) bei Tastlängen > 100 mm und liefern in der x-z-Messebene eine Nanometer-Auflösung. Die Grenzen taktiler Messung liegen aufgrund des mechanischen Kontaktes zum einen in der Messgeschwindigkeit. Ferner besteht wegen der erforderlichen Antastkraft erhöhte Messunsicherheit bei kritischen Messaufgaben (Nadelmessung, Messung in kleinen Bohrungen). Auch besteht eventuelle Gefahr der Beschädigung des Messobjektes, insbesondere bei weichen Materialien, bei Beschichtungen und auf optischen Flächen.
Optische Messsysteme für flächenhafte Geometrien
Die Nachteile taktiler Messtechnik erklären (mit Einschränkungen) die Vorteile optischer Messprinzipien: Sie erzielen hohe Messgeschwindigkeiten insbesondere bei flächenhafter Geometrieerfassung, erreichen zum Teil hohe Messgenauigkeiten und beschädigen, Dank optischer Wechselwirkung, das Messobjekt nicht. Optische Messsysteme zur 2D- und 3D-Geometrieerfassung gliedern sich in rein optische Messsysteme und kombinierte mechanisch-optische Systeme mit optischen Sensoren. Bei den optischen 3D-Messsystemen ist keine Positionsmessung erforderlich. Methodisch lassen sie sich unterteilen in Triangulationsverfahren, interferometrische und konfokale bzw. Fokusverfahren. Kombinierte mechanisch-optische Systeme mit Positionierachsen sind z.B. optische Multisensor Koordinatenmessgeräte und alle Geräte, die mit punktförmig messenden optischen Sensoren ausgestattet sind, sowie Geräte mit punktförmig messenden Sensoren.
Grenzen optischer Messsysteme
Auch die flächig optischen Messprinzipien unterliegen Einschränkungen. Große Messfelder bei hoher lateraler Auflösung lassen sich nur durch „Stitching“ (Zusammensetzen einzelner Messaufnahmen) erzielen, d.h. die optische 3D-Messung wird durch mechanische Achsen zur schrittweisen Positionierung des Sensors relativ zum Messobjekt ergänzt; das bedeutet: längere Messzeiten und zusätzliche Messunsicherheiten. Messungen auf steilen, spiegelnden Flanken sind mit solchen Messverfahren im Allgemeinen nicht möglich. Probleme bereiten auch stark gekrümmte Oberflächen. In kleinen Kavitäten (Bohrungen, Nuten etc.) sind Messungen ebenfalls nur sehr begrenzt möglich. Insbesondere interferometrische Systeme sind zudem schwingungsanfällig.
Neue Generation optischer und taktiler Messgeräte
Die Mahr-Gruppe hat auf den Markttrend reagiert und im Bereich optischer Messtechnik das kompakte MarSurf WS 1 entwickelt. Das Messgerät, das nach dem Verfahren der Weißlichtinterferometrie arbeitet, kann sowohl glatte als auch raue Oberflächen vermessen. Die flächenhafte Geometrieerfassung bewegt sich zwischen 0,5 bis 1,5 Quadratmillimetern, der vertikale Höhenmessbereich umfasst rund 100 µm, die vertikale Höhenauflösung beträgt 0,1 nm. Beim berührungslosen Messen wird in hoher Geschwindigkeit eine große Anzahl von Messpunkten gewonnen. Das Messergebnis bildet das Flächenprofil sofort über einen PC als 3-D-Darstellung auf dem Bildschirm ab. Das WS 1 zeichnet sich durch eine kompakte Baugröße von nur 20 x 6 x 16 cm aus und wurde auch für den fertigungsnahen Einsatz konzipiert.
Das MarSurf LD 120 von Mahr leitet eine neue Generation taktiler Messinstrumente ein. Es schließt die Lücke, die zwischen Rauheits- und Konturenmessgeräten klaffte, indem es sie in einem Gerät vereint. Die Kombination der Kontur- und Rautiefenmessung in Radien, an Schrägen oder Freiformflächen erfordert vom Messgerät einen relativ großen Hub bei gleichfalls hoher Auflösung. Für die Konturenmessung sind Messwege im mm-Bereich erforderlich, die Rautiefenmessung bewegt sich im µm-Bereich. Gefordert ist daher ein hochpräzises Messsystem, das diese beiden Anforderungen erfüllt. Das Tastsystem (z-Achse) des LD 120 hat einen Messbereich von 10 mm mit einer Auflösung von 2 nm. Die Position des Tastsystems in Vorschubrichtung (x-Achse) wird über 120 mm mit Hilfe eines integrierten Glasmaßstabs und einer Auflösung von 2 nm erfasst. Diese Eigenschaften erlauben die Vermessung feinster Konturen. Zudem ermöglicht die elektronisch gesteuerte Antastung, kombiniert mit einer praktisch reibungsfreien Lagerung des Tasters, feinste Antastkräfte bis hinunter zu 0,5 mN (Norm für Tastschnittgeräte: 0,7 mN), die über den gesamten Messbereich konstant gehalten werden. Anwendungsbereiche des LD 120 sind beispielsweise Kugel- oder Wälzlager, künstliche Hüftgelenke oder sonstige Funktionsflächen, bei denen extreme Anforderungen an die Rau- resp. Glattheit sowie die Form und Maßhaltigkeit gefragt sind.
Gemeinsame Messaufgaben für optische und taktile Messsysteme
Eine besondere Herausforderung stellt das Vermessen von Zylinderlaufflächen dar. Hier erweist sich eine flächenhafte Darstellung der 3D-Topografie als nützlich. Damit der Schmierfilm während des Kolbenhubs erhalten bleibt, sind in die Zylinderlaufflächen kleine Näpfchen für die Ölrückhaltung integriert. Um zu aussagefähigen Kennwerten zu gelangen, kann die 3D-Mikrotopographie zunächst analysiert werden. Lassen sich daraus so genannte 2D-Kennwerte ableiten, so sind während der laufenden Produktion nur noch taktile Tastschnitte nötig, die vielfach mit mobilen Geräten gewonnen werden können. In diesem Fall ergänzen sich also beide Messsysteme und lösen die Aufgabe gemeinsam – nicht nur in höchster Präzision, sondern auch kostensenkend.
Ein weiteres Beispiel bezieht sich auf die Herstellung optischer sphärischer oder asphärischer Linsen. Abweichungen der Linsenform von der Sollgeometrie lassen sich mit dem taktil messenden LD 120 schon vor der aufwändigen Endbearbeitung, dem Polieren, prüfen. Somit wird sichergestellt, dass nur Linsen, die den Qualitätsmaßstäben gerecht werden, in die nächste Produktionsstufe gelangen. Dank berührungsloser optischer Messung durch das WS 1 können die Ergebnisse des Polierprozesses geprüft werden. Die angestrebten Rauheitswerte liegen dabei typischerweise im nm-Bereich.
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Dralloberfläche in Detailskalierung am Werkstück.
