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Filterung: Grundlagen

Die Filterung ist ein weites Thema. Deshalb möchte ich es an dieser Stelle etwas eingrenzen. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit der Filterung in der Koordinatenmesstechnik. Er behandelt unter anderem die Frage, warum wir filtern. Daraus ergibt sich, was für einen Filter wir einsetzen sollten. Außerdem gehe ich darauf ein, dass wir häufig schon filtern, ohne es überhaupt zu merken.

Anmerkung: Es gibt immer wieder Verwirrung darum, ob es nun „der Filter“ oder „das Filter“ heißt. Es heißt allgemein „der Filter“. Im fachsprachlichen Gebrauch wird jedoch häufig auch „das Filter“ verwendet.

Warum filtern?

Das ist eine gute Frage. Wenn ich etwas filter – egal ob in der Koordinatenmesstechnik oder im alltäglichen Leben – dann will ich Dinge von einander trennen. So ist der Filter auch definiert:

„Vorrichtung, Gerät, mit dessen Hilfe feste Stoffe von flüssigen oder gasförmigen Stoffen getrennt werden.“ (Zitat: Duden)

Nehmen wir den Kaffeefilter als Beispiel: Er trennt den die Flüssigkeit „Kaffee“ vom Kaffeepulver. Da wir in der Koordinatenmesstechnik nicht mit Flüssigkeiten sondern mit Messdaten arbeiten, müssen wir eine technischere Definition verwenden. Der Duden definiert für die Elektrotechnik folgendes:

„aus elektrischen Schwingkreisen bestehende Vorrichtung, die nur Wechselstrom bestimmter Frequenzen hindurchlässt“ (Zitat: Duden)

Das trifft für die Messtechnik fast zu. Die Messdaten sollen aufgrund ihrer Frequenz gefiltert werden.

Filterarten

Es gibt verschiedene Filterarten. In der Koordinatenmesstechnik werden die Filter u.a. danach unterteilt, welche Frequenzen sie herausfiltern bzw. passieren lassen. Dazu werden die Filter in die folgenden drei Bereiche unterteilt:

Unbewusstes Filtern

Die o.g. Filter setze ich bewusst. Das heißt, ich wähle sie aktiv aus, damit die Messdaten gefiltert werden. Es gibt jedoch Filter, die ich unbewusst einsetze. Entweder merke ich gar nicht, dass sie da sind, oder ich kann nichts dagegen tun. Beispiele aus dem Alltag sind deine Sinnesorgane: Auge, Ohr, Nase. Deine Sinnesorgane sind Sensoren, die mit einer bestimmten Empfindlichkeit arbeiten. Diese Empfindlichkeit schränkt unsere Wahrnehmung ein.

Beispiel: Ohr

Das durchschnittliche menschliche Ohr kann Frequenzen im Bereich von 20 bis 20.000 Hz (Quelle: www.ganzohr.ch) wahrnehmen. Das ist eine ganze Menge und wir kommen gut damit zurecht. Es gibt aber Frequenzen, die darüber (Ultraschall) und darunter (Infraschall) liegen. Töne im Ultraschallbereich können wir als Menschen z.B. nicht wahrnehmen. Manche Tiere haben ein ausgeprägteres Hörorgan als wir Menschen. Hunde oder Fledermäuse können Ultraschall wahrnehmen und darauf reagieren:

  • Hunde hören den Ton der Ultraschallpfeife und laufen zu ihrem Besitzer zurück.
  • Fledermäuse können durch Ultraschall navigieren.
Hunde haben ein besseres Hörvermögen als Menschen
Hunde haben ein besseres Hörvermögen als Menschen

Messtechnik

In der Messtechnik ist es wie mit unseren Sinnesorganen. Dort arbeiten wir ebenfalls mit Sensoren. Auch diese Sensoren haben eine eingeschränkte Empfindlichkeit. Das heißt, dass wir auch dort nur eingeschränkt wahrnehmen – wir filtern also. Die Empfindlichkeit hängt von der Qualität des Sensors (und damit vom Preis) und von der Anwendung des Sensors ab.

Beispielhaft möchte ich zwei Kritierien nennen, die die Empfindlichkeit des Sensors beeinflussen:

  • Trägheit des Messsystems
  • Tastkugeldurchmesser

Trägheit des Messsystems

Die Trägheit des Messsystems hängt vom seinem internen Aufbau ab. Als Anwender kann ich dies nicht beeinflussen. Eventuell kann der Sensorhersteller einzelne Parameter (z.B. interne Steuerung) beeinflussen.

Taktile Messung am Koordinatenmessgerät
Taktile Messung am Koordinatenmessgerät

Tastkugeldurchmesser

Bei der taktilen Messung mit dem Koordinatenmessgerät werden die Messpunkte über einen Taster aufgenommen. Der Taster berührt mit seiner Tastkugel das Werkstück. Dadurch wird die Tastkugel zum Filter. Der Tastkugeldurchmesser bestimmt, welche Anteile der Werkstückoberfläche aufgenommen und welche nicht.

Tastkugel als mechanischer Filter
Tastkugel als mechanischer Filter
  1. ungefiltertes Oberflächenprofil
  2. Tastkugel (Darstellung als Parabel, aber Filterprinzip wie bei Kugel)
  3. Oberflächenprofil, das durch die Tastkugel gefiltert wurde
  4. herausgefilterter Anteil des Oberflächenprofils

Eine Werkstückoberfläche (im obigen Bild „Oberlächenprofil“ genannt) hat immer Unebenheiten, selbst wenn sie auf den ersten Blick glatt aussieht. Je genauer man hinsieht, umso mehr sieht man von diesen Unebenheiten. Schaut man sich die Oberfläche unter einem Mikroskop an, werden diese Unebenheiten als große Berge und Täler sichtbar. Das Oberflächenprofil im obigen Bild stellt einen Ausschnitt einer stark vergrößerten Werkstückoberfläche dar.

Die Tastkugel tastet die Oberfläche ab und nimmt dabei Punkte auf. Ist der Durchmesser der Kugel sehr, sehr klein (quasi Null), dann würde die Oberfläche mit all ihren Bergen und Tälern erfasst werden. In dem Fall findet keine Filterung durch die Tastkugel statt.

ungefiltertes Oberflächenprofil
Ungefiltertes Oberflächenprofil

Nimmt man eine Tastkugel mit einem kleinen aber realen Durchmesser. Dann ergibt sich dadurch eine Filterwirkung. Die Tastkugel kommt aufgrund ihres Durchmessers nicht mehr bis in den Grund jedes Tales hinein. Man sagt, die Tastkugel ist ein mechanischer Filter.

Tastkugel als Filter: Kleiner Tastkugeldurchmesser - kleine Filterwirkung
Tastkugel als Filter: Kleiner Tastkugeldurchmesser – kleine Filterwirkung

Je größer die Tastkugel ist, umso weniger tief kann sie in die Täler vordringen. Die Oberflächenrauheit wird immer weniger erfasst. Die Filterwirkung der Tastkugel wird also größer.

Tastkugel als Filter: Großer Tastkugeldurchmesser - große Filterwirkung
Tastkugel als Filter: Großer Tastkugeldurchmesser – große Filterwirkung

Die Tastkugel wirkt als Tiefpassfilter. Das heißt, sie lässt tiefe Frequenzen (= die Form) passieren. Sie filtert aber hohe Frequenzen (= die Oberflächenrauheit) aus.

Rauheitsmessung

Die Filterwirkung der Tastkugel ist in der Koordinatenmesstechnik willkommen, wenn die Form oder die Größe eines geometrischen Elements (z.B. Kreis) ermittelt werden soll. Die Rauheit wäre in dem Fall störend. Wird jedoch gemessen, um die Oberflächenrauheit zu ermitteln, muss man darauf achten, eine möglichst kleine Tastkugel zu verwenden. Damit die Rauheitsergebnisse nicht verfälscht werden. Deshalb verwendet man in der Rauheitsmessung eine Tastspitze anstatt einer. Die Tastspitze soll dabei einen möglichst kleinen Radius aufweisen.

Rauheitsmessung mit Tastspitze
Rauheitsmessung mit Tastspitze

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.