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Aufstellung von Kugel- und Lochplatten

Untersuchung zur Verformung aufgrund des Eigengewichtes der großen Normale

PTBnews 1.2021
07.01.2021
Besonders interessant für

Kalibrierlabore und Metrologieinstitute

Hersteller und Anwender von Koordinatenmessgeräten

Zur Rückführung von Koordinatenmessgeräten werden typischerweise Kugel- und Lochplatten als Normale eingesetzt. Dabei kommt zur vertikalen Aufstellung häufig ein einziger, seitlich am Normal angebrachter Ständer zum Einsatz. In der PTB wurde mittels Simulationsrechnungen mithilfe der Finite-Elemente-Methode festgestellt, dass eine solche Aufstellung den steigenden Anforderungen an die Kalibrierung moderner, hochpräziser Koordinatenmessgeräte nicht mehr gerecht wird.

Verformung einer Kugelplatte aus Werkzeugstahl mit einer Masse von ca. 30 kg und einer Kantenlänge von 620 mm (blau: geringe Verformung, rot: starke Verformung, Isolinien in schwarz)

Für die Qualitätssicherung der immer präziser werdenden Fertigungsprozesse in der Produktionstechnik wurden in den letzten Jahren hochpräzise Koordinatenmessgeräte (KMG) entwickelt, die Unsicherheiten für die Längenmessabweichung von 0,3 μm + 1 μm/m erreichen. Um die Rückführbarkeit, korrekte Einstellung und Überprüfung solcher KMG gewährleisten zu können, werden Normale benötigt, die mit einer deutlich geringeren Messunsicherheit kalibriert wurden. Daher muss man bei der Kalibrierung der typischerweise als Normal eingesetzten Kugel- und Lochplatten Einflüsse berücksichtigen, die früher vernachlässigt werden konnten. Besonders das große Eigengewicht der Kugel- und Lochplatten führt zu einer Verformung der Normale abhängig von ihrer Aufstellung auf dem KMG. Um diese Einflüsse quantitativ beschreiben zu können und Verbesserungen an den eingesetzten Mess- und Kalibrierverfahren zu ermöglichen, wurde eine Simulationsstudie mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) durchgeführt. Die Kernfrage war dabei, in welchem Verhältnis die Verformungen der Platten zu typischen Messunsicherheiten stehen und ob diese Verformungen vernachlässigbar sind.

Die Ergebnisse der FEM-Untersuchungen zeigen, dass vor allem die in der industriellen Praxis derzeit verwendeten senkrechten Aufstellvorrichtungen für Kugelplatten – bestehend aus einem einzigen seitlich am Normal angebrachten Ständer – unter dem Einfluss des Eigengewichtes der Kugelplatten nachgeben und so eine nicht vernachlässigbare asymmetrische Verformung von bis zu 0,37 μm auftritt. Die Abweichungen von den Kalibrierwerten der Normale sind in diesem Szenario besonders groß, da Kugelplatten in der Regel in horizontaler Ausrichtung kalibriert werden, aber in verschiedenen Ausrichtungen eingesetzt werden.

Auch die naheliegende Lagerungsvariante mit zwei seitlichen Ständern wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Verformung in diesem Fall soweit verringert wird, dass der Einfluss auch für die Rückführung hochgenauer KMG im akzeptablen Bereich liegt.

Ansprechpartner

Daniel Heißelmann
Fachbereich 5.3
Koordinatenmesstechnik
Telefon: (0531) 592-5321
Opens local program for sending emaildaniel.heisselmann(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

Veröffentlichung in der Zeitschrift „Technisches Messen“ (DeGruyter) in Vorbereitung