Referenzkörper optische Koordinatenmesstechnik

Normale für optische Sensoren Referenzkörper optische Koordinatenmesstechnik

29.07.2019 | Autor / Redakteur: Klaus Vollrath / Anne Richter

Der Trend geht zu hoch produktiven optischen Messverfahren als genauem dimensionellem Messverfahren, das grosse Datenmengen erzeugen kann. Das stellt jedoch besondere Anforderungen an die Kalibrierung. Hierfür wurden geeignete Prüfkörper entwickelt.

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Saphirwerk Industrieprodukte AG

Redaktionsbüro Klaus Vollrath

Knuth Werkzeugmaschinen GmbH

Der Kalibrierkörper «Platte» wird derzeit in acht verschiedenen Ausführungen mit Messlängen zwischen 20 und 520 mm hergestellt.
(Bild: Saphirwerk)

«Zuverlässige dimensionelle Messtechnik
ist eine entscheidende Voraussetzung
für effiziente, leistungsfähige Produktionsverfahren», sagt Thomas Jordi, CEO der Saphirwerk AG in Brügg bei Biel. Das Unternehmen ist ein führender Hersteller von Präzisionskugeln und Komponenten aus Keramik. Zum Produktprogramm gehören insbesondere hochgenaue Referenzkugeln für dimensionelle Messtechnik. Im Betrieb des Messsystems wird ein Referenzkörper verwendet, um Bestätigungsprüfungen durchzuführen. Mit diesem Verfahren wird überprüft, ob das Messsystem innerhalb der spezifizierten Leistungsgrenzen arbeitet. Dies ist eine entscheidende Voraussetzung für die Beherrschung eines Produktionsprozesses.

Topic black-Prüfnormale eignen sich für taktilen Einsatz ebenso wie für wichtige optische Messverfahren besser als herkömmliche.

Schneller Vormarsch optischer Messverfahren

«Neben den taktilen Verfahren mit Lehren, Messschiebern oder 3D-Koordinatenmessgeräten kommen heute immer mehr optische Verfahren zum Einsatz», ergänzt Vertriebsleiter Markus Mokinski. Diese liefern um Grössenordnungen höhere Datenmengen. Dies ist entscheidend, um beispielsweise Freiformflächen zu überprüfen oder die Qualitätskontrolle von hochproduktiven Prozessen zeitnah durchzuführen. Der wirtschaftliche Vorteil ist enorm, denn je unmittelbarer eine Kontrolle nach der Produktion erfolgt, desto geringer die Zahl der Ausschussteile, bis ein Fehler im Prozess erkannt und korrigiert wird. Zum Einsatz kommen heute Verfahren wie z. B. Laserscannen, Bildverarbeitung oder Streifenprojektion. Die Kalibrierung mit Normalen, welche für die taktilen Verfahren eingesetzt werden, ist nicht immer möglich, da die Oberfläche zu stark spiegelt und das Messresultat verfälschen kann.

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«Der neue Kalibrierkörper Platte eignet sich für zahlreiche optische Messverfahren», Markus Mokinski, Vertriebsleiter Saphirwerk.

«Zuverlässige dimensionelle Messtechnik ist eine entscheidende Voraussetzung für moderne Produktionsverfahren», Thomas Jordi, Geschäftsführer Saphirwerk.

Kalibrierkörper «Platte» mit zwei Topic-white-Kugeln sowie Prüfzertifikat.

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Abhilfe durch optisch kooperative Oberflächen

«Deshalb haben wir neue Normalen entwickelt, die sich für die optischen Sensoren eignen», erläutert T. Jordi. Diese «optisch kooperativen» Kugeln mit der Bezeichnung «Topic» haben eine matte Oberfläche und erzeugen kaum Volumenstreuung. Diese Kugeln gibt es in zwei Ausführungen: weiss und anthrazit, optimiert für die unterschiedlichen optischen Sensoren.

Von der Kalibrierkugel zum Referenzkörper

«Eine Vielzahl von Varianten ist vorstellbar, um ein Set von Kugeln anzuordnen. Untersuchungen haben gezeigt, dass für viele Anwendungen die Anordnung eines Kugelpaars ein Optimum darstellt», weiss M. Mokinski. Aus diesem Grunde wurde bei Saphirwerk beschlossen, als weiteren Schritt komplette Prüfkörper zu entwickeln. «Auch hier schätzen wir die intensive Zusammenarbeit mit Kunden und die fachkundige Unterstützung von Instituten, wie z. B. der Hochschule für Technik in Buchs CH», erläutert T. Jordi.

Der Referenzkörper «Platte»

Die beiden Kugeln aus Topic-white-Material sind je mit einer Halterung verbunden, die in einer Grundplatte fix verankert ist. Damit die Platte einen äusserst geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, wurde ein Spezialstahl gewählt. Zur Verhinderung von störenden Reflexionen ist die Oberfläche mattschwarz lackiert. «Zu den wesentlichen Qualitätskriterien solcher Kalibrierkörper gehört die Langzeitstabilität», erläutert T. Jordi. Um mögliche Einflüsse auf die Masshaltigkeit zu untersuchen, wurde der Kalibrierkörper mehreren Tests unterzogen. Unter anderem konnte gezeigt werden, dass der Längenabstand auch nach mehreren Monaten stabil bleibt.

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Bestimmung der Kugelabstandabweichung

Die Richtlinie VDI/VDE 2634 Teil 2 gibt dazu Folgendes vor: «Zur Bestimmung der Kugelabstandsabweichungen werden Prüfkörper mit kugelförmigen Antastelementen aus Stahl, Keramik oder anderen geeigneten Materialien eingesetzt. Die Oberfläche der anzutastenden Kugelflächen ist diffus streuend (nicht volumenstreuend).»

Hilfsgrössen

Dp – Abmessungen des Prüfkörpers

L0 – Raumdiagonale des vom Hersteller spezifizierten Messvolumens

La – Gemessener Wert der Prüflänge

Lf – Kalibrierter Wert der Prüflänge

Lp – Abmessungen des Prüfkörpers

Die Abmessungen des Prüfkörpers ergeben sich aus den folgenden Vorgaben:

Lp ≥ 0,3 L0

Dp = (0,02 … 0,2) L0

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Info

Referenzkörper «Platte»

Bei den Referenzkörpern des Typs «Platte» handelt es sich um eine Serie von Prüfkörpern mit unterschiedlichen Abmessungen. Bei diesen Prüfkörpern sind zwei hochgenaue, optisch kooperative Kugelnormalen mit gleichem Durchmesser auf einer Platte montiert, die kalibrierten Abstände der Kugelzentren liegen zwischen 20 und 520 mm. Für die Kugeln wird das Material Topic white verwendet, das für eine Reihe von optischen Messverfahren optimal ist. Bei den grösseren Platten wird eine Zusatzplatte angeboten, damit Platz für Fotogrammetriemarken bleibt.

Literatur

[1] Interstaatliche Hochschule für Technik Buchs, Institut für Produktionsmesstechnik, Werkstoffe und Optik, Studie Topic. Normale für die Multisensor-Koordinatenmesstechnik – Entwicklungen zur metrologischen Rückführbarkeit. Buchs – 18. März 2017.