Weiterentwicklung des 3D Fasertasters

Der taktil-optische Mikrotaster (Fasertaster) kombiniert die taktile Antastung mit der präzisen optischen Messung der Tastelementposition [1]. 2D Fasertaster werden seit einer Reihe von Jahren in Multisensor-Koordinatenmessgeräten zur Messung von Mikrogeometrien industriell eingesetzt. Zur Erweiterung des Messprinzips auf die dritte Dimension parallel zur optischen Achse (z-Richtung) wurden unterschiedliche Konzepte getestet [2, 3]. Bei der seit einiger Zeit kommerziell angebotenen Version wird die z-Auslenkung des Tasters mithilfe eines optischen Abstandssensors bestimmt. Dieses Konzept zeichnet sich durch geringe Hardwareanforderungen, hohe Robustheit und hohe Stabilität aus.

In einem MNPQ-Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Werth Messtechnik GmbH der taktil-optische 3D Mikrotaster (3D Fasertaster) erfolgreich weiterentwickelt. Ein Ergebnis ist der neue Bi-Kugel-Taster (Bild 1) zur Messung von Bohrungen und anderen stark geneigten Oberflächen. Bei diesem Taster wird eine zusätzliche Kugel am Schaft angebracht. Tastet dieser nun ein Messobjekt mit der unteren Kugel an, so werden beide Kugeln ausgelenkt. Für die Positionsbestimmung wird jedoch nur die obere Kugel verwendet. Mögliche Störeinflüsse, wie z.B. Reflexionen an spiegelnden Oberflächen oder Abschattungen werdenvermieden. Das Auslenkungsverhältnis beider Kugeln muss jedoch einmalig eingemessen werden.

Bi-Kugel-Taster können in unterschiedlichen Konfigurationen hergestellt werden. In der einfachsten Form sind die beiden Kugeln vertikal übereinander am Schaft angebracht. Eine weitere Konfiguration stellt der L-förmige Taster dar (Bild 2). Bei diesem Design ist der Taster an bzw. unterhalb der oberen Kugel abgewinkelt. Dieser Taster eignet sich besonders für die Messung von Hinterschnitten, z.B. an Gewinden oder Zahnrädern.

Eine weitere Entwicklung stellt die Realisierung von Tastern mit Tastkugeln von ca. 25 µm Durchmesser dar. Erste Testmuster wurden bereits von der Firma Werth hergestellt. Die Durchführung von Antastuntersuchungen steht jedoch noch aus.

Der 3D Fasertaster zeichnet sich durch geringe Antastkräfte (10 µN bis 1000 µN) aus, wodurch eine Beschädigung selbst von empfindlichen Werkstücken ausgeschlossen ist. Allerdings können bei sehr kleinen Antastkräften, die sich beim Scanning mit Tastern mit kleinem Tastkugeldurchmesser ergeben, vermehrt Stick-Slip Effekte auftreten. Diese führen beim Scanning zu einer ungleichmäßigen Bewegung des Tasters und damit zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Antastpunkte. Zusätzlich wird eine möglichst isotrope Steifigkeit der Taster gewünscht. Durch eine Überarbeitung des Federdesigns in Form von einer spiralförmigen Feder wurde die Isotropie der Steifigkeit von Tastern mit kleinen Tastkugeldurchmessern optimiert. Zusätzlich konnten die Antastkräfte von Tastern mit kleinen Tastkugeln (Durchmesser 100 µm und kleiner) verdoppelt werden.

An einem VideoCheck UA KMG wurden mit einem 3D Fasertaster in Standardausführung (Tastkugeldurchmesser: ca. 250 µm) Antasttests gemäß ISO 10360-5 durchgeführt, um im weiteren Verlauf des Projektes Vergleiche mit den neuen Tasterdesigns durchführen zu können. Die Messung von 25 Punkten auf einer Si3N4-Kugel (Durchmesser: 10 mm, RONt < 30 nm) ergaben Antastabweichungen von weniger als 200 nm (PF) bzw. 100 nm (PS) (Bild 3).

Scanning-Messungen gemäß DIN EN ISO 10360-4 an einer Rubinkugel (Durchmesser: 2 mm, RONt < 100 nm) ergaben Scanning-Antastabweichungen THN von weniger als 400 nm (Bild 4). Für diese Messungen wurde ein Taster mit einem Tastkugeldurchmesser von 247 µm verwendet.

Das MNPQ Projekt endet im Juni 2015. Im verbleibenden Zeitraum sollen noch die Antastabweichungen der Taster mit kleinen Antastelementen bestimmt werden. Zusätzlich sind weitere Untersuchungen mit allen Tastern an industriellen Bauteilen geplant. Zum Projektende sollen alle neuen Tasterdesigns für eine Vermarktung zur Verfügung stehen.

[1] H. Schwenke, Ch. Weisskirch, and H. Kunzmann, “Opto-Tactile Sensor for 2D and 3D Measurement of small structures of Coordinate-Measuring Machines”, Technisches Messen 66(12), pp. 485-489 (1999).

[2] A. Weckenmann, T. Estler, G. Peggs, G., and D. McMurtry, “Probing Systems in Dimensional Metrology, STC P”, CIRP Annals, 51(2), pp. 657 (2004).

[3] U. Neuschaefer-Rube, M. Wissmann, “Tactile-optical 3D sensor applying image processing”, Proc. SPIE 7239, pp. 72390G-1 - 72290G-10 (2007).



Bild 1: Bi-Kugel-Taster: Durchmesser beider Kugeln ca. 250 µm. Abstand zwischen den Kugeln 1,5 mm.



Bild 2: L förmiger Taster (ca. 90 ° Winkel). Durchmesser von Tastkugel und Kontrollkugel ca. 250 µm. Länge des abgewinkelten Arms 1,2 mm.



Bild 3: Ergebnis zweier Antastmessungen mit einem 3D-Fasertaster mit 250 µm Kugel gemäß DIN EN ISO 10360-5, die als Vergleich für neue Fasertasterdesigns dienen soll.



Bild 4: Ergebnis einer Scanning-Messung gemäß DIN EN ISO 10360-4.