Optische Sensoren an 3D Koordinatenmessgeräten

Im Rahmen einer Kooperation mit einem KMG-Hersteller wurden die Eigenschaften von zwei optisch messenden Sensoren (OS) untersucht. Die Kriterien: Formmessung, Vergleichbarkeit mit taktilen Referenzmessungen und Bestimmung der Messunsicherheit wurden als Untersuchungsziel definiert. Aus den Ergebnissen sollte sich auch ablesen lassen, für welche Anwendungen die OS geeignet sind.

Die unterschiedlichen Messprinzipien der OS basieren auf konfokalem Weißlicht und Infrarot-Interferometrie. Der Infrarot-Sensor stand in zwei Ausführungen zur Verfügung: Ausführung 0° mit Stahlaustritt parallel zur Sensorachse und eine Ausführung mit einem 90° umgelenkten Strahlaustritt.

Die OS sind für Messungen mit KMG konzipiert und werden wie taktil messende Taster (TS) in die Tasteraufnahme des KMG-Tastkopfs eingesetzt. Hierfür musste mittels umfangreicher Installationen an zwei KMG jeweils eine passende Schnittstelle geschaffen werden.

Abweichend von der taktilen 3D-Messung, liefern die OS zwar nur 1D-Abstandswerte, aber in Kombination mit den KMG-Mess-Achsen quasi 3D-Messpunkte. Prinzipiell sind deshalb Handhabung und Auswertung ähnlich zu der von taktilen Messungen, mit der Einschränkung, dass die optischen Antastungen mit diesen OS nur aus einer Achsrichtung möglich sind.

Für die Untersuchung wurden Messungen an 100 mm langen Konturnormalen aus Stahl an den Merkmalen Abstand, Radius und Winkel durchgeführt. Des Weiteren wurden an zehn Kugeln die Merkmale Durchmesser und Formabweichung ausgewertet. Die Kugeln aus Stahl und Keramik hatten unterschiedliche Oberflächen von mattschwarz bis metallisch glänzend und Durchmesser von 10, 20 und 30 mm. Bei Wiederholmessungen wurden Scan-Geschwindigkeit und Scan-Richtung variiert. Für die Messungen wurde die KMG-Standard-Software verwendet.

Ausgehend von den taktilen Messungen als Referenz haben die Ergebnisse der optischen Messungen Abweichungen von kleiner als 1 µm bis zu 2 µm bei den Längen, Durchmessern und Kugelform gezeigt. Die Winkelmessungen wichen von 2 µrad bis zu 400 µrad ab. In Abhängigkeit von den für die jeweiligen Messaufgaben geforderten Messunsicherheiten stellen OS daher eine gleichwertig Ergänzung zu TS dar. Für Messungen kleiner Strukturen mit Dimensionen kleiner 500 µm sind sie oftmals sogar die bessere Wahl. Die schnell messenden OS verkürzen zudem zeitintensive Messungen.