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Innovationsforum Fertigung 2019: Möller-Wedel Optical Hochgenaue elektronische Autokollimatoren

Autor / Redakteur: paid content / Anne Richter

Die Qualitätsanforderungen an hochpräzise Maschinensysteme verlangen hochgenaue und rückführbare Messgeräte, die einfach bedienbar sind, wenig Rüstzeit benötigen und fertigungsbegleitend eingesetzt werden können. Elektronische Autokollimatoren erfüllen diese Kriterien. MÖLLER-WEDEL OPTICAL ist führend auf dem Gebiet der elektronischen Autokollimatoren, die im Maschinenbau unter anderem für die Vermessung von Maschinenbetten und Rundtischen eingesetzt werden.

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Bild 5: Messaufbau zur Bestimmung der Messunsicherheit von Rund- und Teiltischen, bestehend aus Autokollimator in justierbarer Halterung, 12-Flächen-Polygon auf zu prüfendem Rundtisch.
Bild 5: Messaufbau zur Bestimmung der Messunsicherheit von Rund- und Teiltischen, bestehend aus Autokollimator in justierbarer Halterung, 12-Flächen-Polygon auf zu prüfendem Rundtisch.
(Bild: Möller-Wedel Optical)

Mit steigenden Genauigkeitsanforderungen an CNC Präzisionswerkzeugmaschinen erhöhen sich auch die Anforderungen an die qualitätsbestimmenden mechanischen Bauteile und Baugruppen einer Werkzeugmaschine. Moderne Qualitätssicherungssysteme verlangen eine lückenlose Dokumentation der einzelnen Fertigungsstufen inklusive entsprechender Messergebnisse. Vor dieser Herausforderung stehen auch zunehmend Zulieferer und Komponentenhersteller. Während Laserinterferometer vorwiegend zur Endabnahme von Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, wird in der Teilefertigung für oben genannte Messaufgaben oft ein sogenanntes Autokollimationsfernrohr (Autokollimator), eingesetzt. Autokollimatoren sind optische Messgeräte, die kleinste Winkeländerungen hochgenau messen können. Aufbau und Messprinzip eines elektronischen Autokollimators ist aus Vereinfach­ungsgründen für einen einachsig messenden Autokollimator in Bild 1 dargestellt:

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Wann: Dienstag, 19. November 2019
Wo: Forum der Messe Luzern
Informationen: www.smm-innovationsforum-fertigung.ch

Eine beleuchtete Strichmarke, die sich im Brennpunkt eines beugungsbegrenzten Objektivs befindet, wird ins Unendliche abgebildet. Trifft das Strahlenbündel auf einen senkrecht zur optischen Achse des Autokollimators stehenden ebenen Spiegel, wird das Strahlenbündel reflektiert und die projizierte Strichmarke auf dem Bildsensor abgebildet. Eine Verkippung des Spiegels relativ zur optischen Achse des Autokollimators resultiert in einer Lageänderung ∆y der abgebildeten Strichmarke auf dem Bildsensor. Diese Lageänderung kann durch speziell entwickelte Hard- und Software mit Genauigkeiten im Subpixelbereich detektiert werden. Die Spiegelverkippung α ergibt sich aus: α=arctan(∆y/2f), wobei f die Brennweite des Autokollimators ist. Da der ausgehende Messstrahl quasi parallel verläuft, ist die Messunsicherheit unter idealen Bedingungen unabhängig vom Abstand des Spiegels zum Autokollimator.

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Unter Praxisbedingungen beeinflussen folgende Faktoren die Messunsicherheit:

  • Temperaturschwankungen während der Messung, die zu Luftschlieren (Inhomogenitäten des Brechungsindexes der Luft) und damit quasi zu einer Winkelablenkung des Lichtbündels führen. Bei Autokollimatoren mit einem räumlich ausgedehnten Lichtbündel (typischerweise mit einem Durchmesser zwischen 25 und 50 mm), erfolgt eine Integration der Brechzahlschwankungen über den Strahldurchmesser, so dass die messtechnischen Auswirkungen geringer sind, als bei lasergestützten Messsystemen.
  • Luftdruckschwankungen, die lediglich bei Langzeitmessungen einen vergleichsweise geringen Einfluss auf die Messunsicherheit haben.
  • Stabilität des Messaufbaus

Mit steigendem Abstand zwischen Spiegel und Autokollimator nimmt der Messbereich aufgrund von Blendeneffekten ab.

Zu den typischen fertigungsnahen Messaufgaben gehören:

  • Geradheitsmessung an Maschinenbetten und Führungsbahnen
  • Parallelitätsmessung von Anschlagleisten für Führungsbahnen
  • Bestimmung der Positionsunsicherheit von Rund- und Teiltischen
  • Bestimmung des Taumelschlages von Rundtischen

Das Messprinzip der Geradheitsmessung ist in Bild 2 dargestellt. Ein Spiegel mit definierter Dreipunkt-Auflage und definiertem Abstand der Auflagepunkte (Basislänge b) wird entlang der Führungsbahn in Schritten, die der Basislänge entsprechen, verschoben und die Änderung der Winkelverkippung des Spiegels aufgenommen. Unter Berücksichtigung der Basislänge kann daraus die entsprechende laterale Höhenänderung h berechnet werden. h(i)=b*tan∝(i) Bei Verwendung eines zusätzlichen seitlichen Anschlages mit Zweipunktauflage wird neben der Nick- auch die Gierbewegung simultan (Bilder 3 und 4) erfasst.

Üblicherweise erfolgt die automatische Berechnung und Auswertung der Geradheitsmessung direkt in der Anzeigeeinheit des Autokollimators (z. B. beim Modell ELCOMAT 5000) oder über ein gesondertes Computerprogramm (z.B. ELCOWIN). Aufgrund des Blendeneffektes sind in der Praxis Geradheitsmessungen bis zu einer Länge von 25-30 m möglich. Sind Bauteile mit Längen über 25 m zu messen, führt man Messungen im sogenannten Stitching-Modus durch, bei dem sich die Messung über die Gesamtlänge aus zwei oder mehr sich teilweise überlappenden Einzelmessungen zusammensetzt. Die erzielbaren Messunsicherheiten für die Geradheitsmessung liegen unter Werkstattbedingungen bei Verwendung eines elektronischen Autokollimators vom Typ ELCOMAT 3000 bzw. ELCOMAT 5000 (Genauigkeit +/-0.1 wsek) :

  • bei einer Messlänge von 5 m bei 0.7 µm,
  • bei einer Messlänge von 10 m bei 1.2 µm und
  • bei einer Messlänge von 20 m bei 2.2 µm.

Weitere Messaufgaben, die auf der Geradheitsmessung aufbauen, sind die Messung der Parallelität und Rechtwinkligkeit von Führungsbahnen, Messbalken und Steinwinkeln sowie die Messung der Ebenheit von Messplatten und Richttischen. Die rotatorische Messunsicherheit von Rund- und Teiltischen wird mittels eines Autokollimators und eines zusätzlichen Winkelnormals (typischerweise eines Polygonspiegels mit bekanntem Teilungsfehler) durchgeführt (Bild 5). Die erzielbare Messunsicherheit liegt unter Werkstattbedingungen zwischen 0.3 wsek und 0.5 wsek. Neben den hier genannten Einsatzgebieten werden elektronische Autokollimatoren der ELCOMAT Reihe sowohl zur Justierung von Spiegeln in der Laserindustrie als auch zur Justierung von Wafern in der Halbleiterindustrie erfolgreich eingesetzt. SMM

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