Reduced error separation method for rotary table calibration

Werden rotationssymmetrische Werkstücke wie beispielsweise Zahnräder auf Koordinatenmessgeräten (KMG) oder zunehmend auch auf Werkzeugmaschinen gemessen, kommen dabei häufig Drehtische zum Einsatz. Dies führt dann allerdings auch zu einer zusätzlichen Quelle von Abweichungen aus den Rotationsführungen des Drehtisches, die das Messergebnis beeinflussen. Für hochgenaue Messungen ist es daher unerlässlich, diese Abweichungen zu bestimmen und anschließend numerisch zu korrigieren. Dazu werden die Abweichungen an gleichmäßig über den Vollkreis verteilten Stützstellen idealerweise in allen sechs Freiheitsgraden erfasst (drei Translationen und drei Rotationen). Diese Daten können anschließend an die Steuerung des Koordinatenmessgerätes übergeben und zur Korrektur der Messwerte verwendet werden, wobei zwischen den Stützstellen interpoliert wird. Eine ausreichende Reproduzierbarkeit dieser Abweichungen ist dabei Voraussetzung.

Für die Messung von Drehtischabweichungen existieren verschiedene Verfahren. Mit dem vollständigen Rosettenverfahren ist seit langem ein Fehlertrennverfahren bekannt, das mit Hilfe eines unkalibrierten Kugeltellers die Drehtischabweichungen bestimmt. Hierfür wird der Kugelteller mehrfach in verschiedenen Rotationspositionen gemessen, wodurch sich die Fertigungs- und Aufspannfehler des Kugeltellers sowie die Messabweichungen des KMGs eliminieren lassen. Das Verfahren kann direkt auf dem Messgerät durchgeführt werden und benötigt neben dem Kugelteller kein weiteres Equipment. Bei dem vollständigen Verfahren ist die Auflösung der ermittelten Abweichungen durch die Zahl der Kugeln auf dem Teller gegeben. Bei einem Teller mit 12 Kugeln können die Abweichungen somit in Schritten von 30° bestimmt werden. Um die Abweichungen beispielsweise in Schritten von 5° zu messen, sind 72 Kugeln auf dem Teller notwendig. Eine solcher Teller wäre nicht nur teuer, sondern aus Platzgründen nicht in praxisrelevanten Größen realisierbar. Zudem erfordert das vollständige Verfahren bei N Stützstellen N2 Kugelmessungen, womit die Messzeit bei Erhöhung der Auflösung stark ansteigt.

Ein in der PTB neu entwickeltes, verkürztes Rosettenverfahren erlaubt es, die Abweichungen in höheren Auflösungen zu messen, ohne dass sich zugleich die Zahl der auf dem Teller notwendigen Kugeln erhöht. Dabei werden bei einem vorgegebenen Winkelraster nur ausgewählte Positionen mit Kugeln besetzt. Bei der Auswahl dieser Kugelpositionen ist darauf zu achten, dass sich die Kugeln nicht alle auf einem Vielfachen der gewünschten Winkelteilung befinden, da sich die Fehlertrennung ansonsten nicht durchführen lässt. Insbesondere ist es daher nicht möglich, dass die Kugeln bei reduzierter Kugelzahl weiterhin gleichmäßige Winkelabstände haben. Zudem unterscheiden sich je nach Auswahl der Kugelpositionen die zu erwartenden Messunsicherheiten, was bei der Auslegung des Tellers zu beachten ist.

Für die Anwendung des Verfahrens wurde in der PTB ein neuer Kugelteller mit 12 Kugeln gefertigt, der für die Messung von Drehtischabweichungen in 5°-Schritten geeignet ist. Die Kugeln sind in unregelmäßigen Abständen auf einem 5°-Winkelraster angeordnet, wobei die Positionen hinsichtlich der zu erwartenden Messunsicherheit optimiert wurden. 10 der 12 Kugeln befinden darüber hinaus auf einem 10°-Winkelraster, sodass der Teller auch für die Messung der Abweichungen in 10°-Schritten eingesetzt werden kann.

Abb. 1: Neuartiger Kugelteller für das verkürzte Rosettenverfahren auf einem Koordinatenmessgerät.

Das Verfahren konnte erfolgreich auf den Drehtischen mehrerer KMGs erprobt werden. Dabei wurden Messungen mit dem neuartigen Teller in 5°- und in 10 °-Schritten durchgeführt und ausgewertet. Zur Verifikation des reduzierten Verfahrens wurden die Ergebnisse mit den Messungen des vollständigen Verfahrens unter Verwendung des herkömmlichen Kugeltellers an den gemeinsamen 30°-Stützstellen verglichen. Dabei zeigten sich insgesamt sehr gute Übereinstimmungen, die für die Positionsabweichungen im Bereich von höchstens 0,2 µm und für die rotatorischen Abweichungen im Bereich von höchstens 0,5 µrad liegen.

Abb. 2: Winkelpositionsabweichung des gemessenen Groß-KMG-Drehtisches im Kompetenzzentrum Wind. Die Messungen in 30°-Schritten wurden mit dem vollständigen Verfahren durchgeführt. Im Vergleich dazu die Messungen mit dem verkürzten Verfahren und der Verwendung des neuartigen Kugeltellers.