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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Integration eines „Absolute Multiline Systems“ in Groß-Koordinatenmessgerät

16.12.2019

Mit dem Groß-Koordinatenmessgerät (Groß-KMG) im Kompetenzzentrum „Wind“ (CCW) der PTB sollen zukünftig hochgenaue dimensionelle Messungen von Großbauteilen für Windenergieanlagen durchgeführt werden. Die Genauigkeit des Gerätes wird durch eine numerische Kompensation der Führungsabweichungen durch den Hersteller erreicht. Die zugehörigen Parameter werden bei der Aufstellung des Gerätes erfasst und normalerweise nur in größeren Abständen (z.B. alle 2 Jahre) im Rahmen einer Gerätewartung nachjustiert. Die Genauigkeitsspezifikation des Herstellers wird in der Regel so festgelegt, dass sie über das gesamte Wartungsintervall bei allen zulässigen Betriebszuständen (Temperaturbedingungen, Beladung) und unter Berücksichtigung der Alterung des Gerätes eingehalten wird. Insbesondere Groß-KMG haben das Potential, bei genauerer Kenntnis der Maschinengeometrie unter den konkreten Betriebsbedingungen kurzfristig genauer zu messen als vom Hersteller spezifiziert. Zu diesem Zweck wurde das Groß-KMG mit einem „Absolute Multiline System“ der Firma Etalon GmbH aufgerüstet, mit dem Ziel, die Maschinengeometrie in regelmäßigen, kurzen Abständen zu überwachen und für Messaufgaben zeitnah entsprechend zu korrigieren.

Das „Absolute Multiline System“ ermöglicht interferometrische, absolute Längenmessungen auf 20 Linien in verschiedenen Orientierungen innerhalb des Messvolumens des KMG. Der überwiegende Teil der Messtechnik, inklusive der Laserquellen, der Gas-Absorptionzelle zur Kalibrierung der Laserwellenlänge, der Auswerteelektronik und des Servers mit Auswertesoftware, ist im Rechenzentrum der PTB untergebracht. Die Lasersignale werden über das vorhandene Glasfasernetz der PTB zu den optischen Sensoren im Messvolumen geleitet. Ein Transport über mehrere Kilometer ist dabei störungsfrei möglich. Im Messraum werden die Signale über optische Faserschalter aufgeteilt und den 20 Sensoren zugeführt. Die optischen Sensoren sind an einer eigens für das Groß-KMG der PTB konzipierten Vorrichtung aus schweren Granitsäulen montiert, um eine stabile Befestigung mit geringer Temperaturempfindlichkeit der Aufbauten zu gewährleisten.

Eine „Absolute Multiline“-Messung läuft völlig automatisiert ab. Anstatt eines Tastkopfes nimmt das KMG einen speziellen Adapter mit entsprechend der Messlinien orientierten Reflektoren auf und fährt nach einem festen Programm die in die Maschinenstruktur integrierten 20 Messlinien ab. Die Messunsicherheit der absoluten Längenmessung zwischen Reflektor und Sensor beträgt 0,5 µm pro Meter innerhalb der Abmessungen des Groß-KMG. Der Einfluss der Umweltparameter (Temperatur, Druck, Feuchte) auf den Brechungsindex wird mit Hilfe der im Messvolumen aufgezeichneten Klimadaten kompensiert. Die Messlinien sind so angeordnet, dass sowohl die Erfassung der Längenmessabweichungen nach ISO 10360-2 als auch die Ermittlung der 21 Parameter zur Beschreibung der Geometrieabweichungen der Verfahrachsen möglich ist. Die Kenntnis über diese 21 Parameter kann zukünftig für eine zusätzliche Genauigkeitssteigerung durch eine numerische Kompensation verwendet werden. Darüber hinaus ist auch die Nutzung zur automatisierten Anpassung der Parametrisierung für das Virtuelle Koordinatenmessgerät (VCMM) als „digitaler Zwilling“ denkbar.

Anordnung der Multiline Messlinien im Messvolumen
Abb. 1: Anordnung der Multiline Messlinien im Messvolumen des Groß-KMG (schematisch)

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