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Koordinatenmesstechnik Verzahnungsmesstechnik

Einfluss der Umgebung

Ursache-Wirkungs-Diagramm: Einfluss der Umgebung auf das Messergebnis
Einfluss der Umgebung auf das Messergebnis

Was wir täglich vor Augen haben, tritt bei unserer Wahrnehmung in den Hintergrund. Das gilt für unsere Umgebung, sei es zu Hause, auf dem Weg zur Arbeit oder am Arbeitsplatz.

Das ist gut und gleichzeitig schlecht. Gut, weil wir unser Bewusstsein uns dadurch von zu vielen Eindrücken entlastet, so dass wir uns auf die wichtigen Dinge konzentrieren können. Die rote Ampel, das Ball spielende Kind am Straßenrand. Schlecht, weil wir dadurch Dinge übersehen, die unter Umständen doch wichtig sein können.

Die Umgebungsbedingungen zählen dazu. Das Ishikawa-Diagramm zählt die folgenden Faktoren für die Umgebung auf:

  • Temperatur
  • Temperaturverlauf
  • Schmutz
  • Schwingungen
  • Luftfeuchtigkeit

Die Temperatur ist in der Längenmesstechnik unser größter Feind. Warum das so ist, werde ich im nächsten Post ausführlich beschreiben. Deshalb lasse ich die Temperatur und den Temperaturverlauf an dieser Stelle aus.

Schmutz

Es ist natürlich jedem klar, dass Schmutz, der sich auf dem Werkstück befindet, die Messung beeinträchtigt. Trotzdem kommt es immer wieder vor, dass Fehlmessungen auftreten, die durch Schmutz verursacht werden.

Fräsen eines Werkstücks: Werkstück mit Metallspänen
Spanende Bearbeitung

Als erstes fällt einem dabei das Werkstück ein. Egal ob es spanend, umformend oder urformend (schmieden, gießen) gefertigt wird, Schmutz kann immer vorhanden sein. Das können Späne sein, ein Grat, Öl oder andere Partikel, die auf der Oberfläche anhaften. Gerade bei einer Verzahnung ist nicht auf den ersten Blick erkennbar, ob wirklich alle Flanken sauber sind. Da muss man schon genau hinschauen. Das ist mühsam und kostet Zeit. Unklare Messergebnisse kosten aber noch deutlich mehr Zeit und Geld.

Bei kleinen Teilen hat sich ein Borstenpinsel bewährt, mit dem man durch die Zahnlücken durchgeht.

Auswirkung je nach Messverfahren

Je nach Messverfahren wirkt sich der Schmutz anders aus. Bei der taktilen Messung wird der Schmutz mit angetastet und verfälscht die Messdaten. Das scannende Messverfahren schiebt dabei den Schmutz vor sich her. Die Einzelpunktantastung belässt den Schmutz an Ort und Stelle. Bei einer Wiederholungsmessung wird die Einzelpunktantastung eine bessere Wiederholbarkeit zeigen. Die scannende Messung wird sehr wahrscheinlich ein anderes Ergebnis liefern als die vorige Messung, da der Schmutz jetzt an eine andere Stelle geschoben wurde.

Taktile Messung einer Schnecke
Taktile Messung einer Schnecke

Die optische Messung hat den Vorteil, dass sie keinen Kontakt mit der Werkstückoberfläche hat. Trotzdem wird das Messergebnis verfälscht, da der optische Sensor nicht zwischen Werkstück und  Schmutz unterscheiden kann.

Kamerasystem auf Messgerät QuickVision von Mitutoyo
Kamerasystem auf optischem Messgerät

Schmutz am Werkstück birgt für die taktile Messung ein weiteres Problem: Der Schmutz kann am Tastelement anhaften. Damit wird potentiell jeder Messpunkt fehlerhaft.

Gegenmaßnahmen

Deshalb ist anzuraten, das Tastelement regelmäßig zu begutachten und zu reinigen. Das sollte nicht erst vor einer Messung, sondern vor allem vor dem Einmessvorgang geschehen.

KMG-Hersteller bieten Reinigungssysteme für Tastelemente an. So kann die Reinigung automatisiert und in den Messablauf integriert werden (s. Mitutoyo StyliCleaner).

Schwingungen

Das KMG und das Verzahnungsmessgerät (kurz: GMM) sind sehr empfindliche Geräte. Sie reagieren deshalb auch auf Schwingungen, die auf sie einwirken. KMGs werden im industriellen Umfeld mit entsprechender Nähe zur Fertigung eingesetzt. Je nach Fertigungsverfahren können sehr unterschiedliche Schwingungen auftreten. Große Pressen, Gesenkschmieden oder Stanzmaschinen erzeugen Schwingungen bzw. Stöße. Das Bewegen und Stoppen eines großen Kranes im Geschoss unter dem Messraum kann ebenfalls Stöße verursachen.

Fertigungshalle
Fertigungshalle

Weniger deutlich für den Bediener wahrnehmbar sind Schwingungen, die von Fertigungsmaschinen in unmittelbarer Nähe zum KMG entstehen. Das können Bearbeitungszentren sein, Dreh-, Fräsmaschinen oder Schleifmaschinen. Diese senden höher frequente Schwingungen aus bedingt durch kleine Unwuchten und hohe Drehzahlen. Auch das kann das Messgerät beeinflussen.

Was kann man dagegen tun?

Am besten ist eine örtliche Trennung von Messgerät und dem Verursacher der Schwingung. Damit kauft man sich aber längere Wege zwischen Fertigung und Messplatz ein. Im Falle der Inline-Messung ist das indiskutabel.

Alternativ kann ein separates Fundament für das Messgerät verwendet werden, das vom Rest des Gebäudes entkoppelt ist. Diese Lösung sehr aufwändig und nur praktikabel, wenn man entsprechend langfristig planen kann, z.B. wenn eine neue Halle gebaut werden soll. In diesem Fall kann der Standort und das separate Fundament von vornherein geplant werden.

Eine andere Alternative ist eine aktive Schwingungsdämpfung für das Messgerät. Das Messgerät kann in der Nähe zur Fertigung aufgestellt werden. Es werden keine baulichen Veränderungen benötigt und ist somit die günstigste und praktikabelste Lösung. Ein Beispiel dafür sind BiAir® Luftfedern der Firma Bilz. Diese Luftfedern ermöglichen z.B. die Empfängerisolation von Koordinatenmessgeräten. Sie können jedoch auch zur Quellenisolation verwendet werden.

Luftfeuchtigkeit

Hohe Luftfeuchtigkeit ist grundsätzlich „Gift“ für jede Maschine. Mit der Zeit leidet die Maschine, Teile beginnen zu korrodieren. Schon deshalb ist es wichtig, die Luftfeuchtigkeit im Griff zu haben.

Wassertropfen, Luftfeuchtigkeit
Hohe Luftfeuchtigkeit

Die Luftfeuchtigkeit kann sich in der Koordinatenmesstechnik noch an zwei anderen Stellen negativ auswirken.

Auswirkung auf das Werkstück

Luftfeuchtigkeit wirkt sich vor allem auf Kunststoffe aus. Speziell Polyamide nehmen Feuchtigkeit auf und verändern sich dadurch. Sie quellen auf. Diese Veränderung macht sich in Maßänderungen bemerkbar. Das muss vermieden werden. Eine Gegenmaßnahme ist das Konditionieren der Werkstücke. Damit kann die aufgenommene Feuchtigkeit reguliert werden.

Kontrollierte Bedingungen für die Luftfeuchtigkeit verhindern bzw. verringern diesen Effekt.

Auswirkung auf das Messverfahren

Bei der Laser-Interferometrie hat die Luftfeuchtigkeit direkte Auswirkungen auf das Messverfahren und damit auf das Messergebnis.

Laserstrahl
Laser

Die Laser-Interferometrie verwendet das Phänomen der Interferenz (= Überlagerung) von Wellen. Dadurch kann man Rückschlüsse ziehen, wie ein Gegenstand mit der Lichtwelle des Lasers interagiert. Die Genauigkeit der Messung hängt von der Lasereinheit ab, aber auch davon wie genau die Wellenlänge des Lasers bekannt ist. Die Wellenlänge hängt vom Brechungsindex des Mediums ab, das der Laser durchstrahlt. In unserem Fall ist das Medium die Luft. Der Brechungsindex der Luft hängt von ihrer Temperatur, ihrem Luftdruck und ihrer Luftfeuchtigkeit ab. Ändert sich einer dieser Parameter, ändert sich folglich die Wellenlänge des Lasers. Bleibt diese Änderung unbemerkt, ergeben sich Messfehler.

Lösung

Eine Klimaanlage regelt nicht nur die Temperatur, sondern auch die Luftfeuchtigkeit. In einem klimatisierten Messraum sollte die Luftfeuchtigkeit konstant sein und außerdem in einem normalen Bereich liegen.

Klimaanlage
Klimaanlage

Wird das Koordinatenmessgerät zur Inline-Messung eingesetzt werden, muss die Luftfeuchtigkeit überwacht werden. Man sollte über eine Umhausung für das KMG nachdenken, wenn die Werte zu stark schwanken. So können Luftfeuchte und -temperatur in einem akzeptablen Rahmen gehalten werden können.

Von Klaus Stein

Ich bin seit 20 Jahren in der Softwareentwicklung und in der Koordinatenmesstechnik tätig.
Da ich mich speziell um die Software für die Verzahnungsmesstechnik kümmere, ist das ebenfalls ein Themenschwerpunkt.