Erschienen am: 28.03.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 4 2018

Maschinenkalibrierung mit Laser-Interferometrie

Auf der gleichen Wellenlänge

Volumetrische Kompensation systematischer Geometrieabweichungen von Mess- und Werkzeugmaschinen durch vollautomatische Kalibriermessungen mit Submikrometer-Genauigkeit bietet das interferometrische Messsystem LineCal. Technologisches Herzstück ist der Industrial Displacement Sensor IDS3010 - ein optischer Mehrkanal-Wegmesssensor, der die extrem hohe Präzision der Interferometrie erstmals mit industrietauglicher Kompaktheit und Konnektivität vereint.


Die Lösung LineCal vereinfacht die bisherige Praxis der volumetrischen Kompensation von Geometrieabweichungen bei der Kalibrierung von Mess- und Werkzeugmaschinen, da der mehrmalige Auf- und Ausrichtaufwand der bisherigen Ein- und Mehrstrahlinterferometer eingespart wird.
Bild: Wittenstein SE

Positionen und Bewegungen können mit dem interferometrischen Sensor IDS3010 der attocube systems AG gleichzeitig in bis zu drei Achsen mit einer digitalen Auflösung von einem Milliardstel Millimeter gemessen werden. Gleichzeitig bietet der Sensor eine integrationsfreundliche Bauform, Mehrkanaligkeit, einfache Bedienung ohne aufwändige Umbauten der Messtechnik, Messdatenausgabe im zehntel Mikrosekundentakt und uneingeschränkte Konnektivität durch einen integrierten Webserver sowie durch Echtzeit-Schnittstellen für industrieübliche Steuerungen und Netzwerke. Die Etalon AG hat das Potenzial erkannt und den Sensor in ein neues Messsystem integriert. In vollautomatischen Messabläufen werden dabei alle systematischen Geometrieabweichungen ermittelt. Korrekturdaten können per Knopfdruck im maschinenspezifischen Format zur volumetrischen Kompensation bereitgestellt werden, z.B. für Multisensormesssysteme, Koordinatenmessgeräte oder Hochpräzisions-Werkzeugmaschinen. Die Etalon AG in Braunschweig geht zurück auf die Ausgründung der Fachgruppe Koordinatenmesstechnik der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB im Jahr 2004. "Seitdem haben wir uns kontinuierlich zu Spezialisten der interferometrischen Messtechnik entwickelt", blickt Dr.-Ing. Heinrich Schwenke, Vorstandsvorsitzender der Etalon AG, zurück. Mit dem LineCal ergänzt das Unternehmen sein Portfolio der hochpräzisen Messinstrumente. Die Lösung vereinfacht die bisherige Praxis der volumetrischen Kompensation von Geometrieabweichungen bei der Kalibrierung von Mess- und Werkzeugmaschinen für die Anwender entscheidend.

Messaufbau für 21 Abweichungsparameter

Drei Achsen, multipliziert mit sechs Freiheitsgraden plus drei Rechtwinkligkeiten - das interferometrische Messsystem wird zur simultanen, automatischen Ermittlung aller 21 systematischen Abweichungsparameter eingesetzt, die ein Werkzeug oder ein Taster innerhalb eines Maschinenraums aufweist. "Gemessen werden Positionsabweichungen, Geradheiten, Nicken, Gieren und Rollen aller drei Achsen sowie deren Rechtwinkligkeiten zueinander", erläutert Dipl.-Ing. (FH) Daniel Raschke, bei Etalon zuständig für Vertrieb und Produktmanagement. "Das Besondere dabei ist, dass wir mit LineCal den mehrmaligen Auf- und Ausrichtaufwand der bislang üblichen Ein- und Mehrstrahlinterferometer einsparen und dadurch innerhalb von einer Stunde einen vollständigen, unbemannten Messablauf durchführen können. Das reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für die Kalibrierung drastisch." Zur Messung wird eine auf die zu kalibrierenden Maschine zugeschnittene Vorrichtung einmalig auf dem Maschinentisch angebracht und ausgerichtet. Dieser maschinenspezifische Messrahmen ist mit augensicheren Glasfaser-Lasersensoren so bestückt, dass deren Messlinien ein hochgenaues geometrisches Abbild der jeweiligen Maschine erfassen. "Im Rahmen des vollautomatischen Messablaufs fährt die Maschine die fest installierten Messlinien sequentiell ab. Das zum Patent angemeldete Verfahren erfasst mit Sub-µm-Genauigkeit die Abweichungen zwischen den Soll-Fahrdistanzen der Maschine und den Ist-Fahrdistanzen im Raum mit seinen interferometrischen Messkanälen", so Daniel Raschke. "Unsere Software Trac-Cal berechnet daraus die Abweichungen aller Maschinenachsen und stellt per Mausklick steuerungs- oder kundenspezifische Korrekturdaten zur Verfügung." Hierfür unterstützt das Messsystem z.B. Werkzeugmaschinen-Steuerungen von Siemens, Heidenhain oder Fanuc. Auch was Messmaschinen betrifft ist LineCal breit aufgestellt: es kann u.a. die Schnittstelle I++/DME sowie Protokolle von Zeiss, Leitz und weiteren Anbietern nutzen. Zudem bietet Etalon auch ein eigenes, freies Protokoll an.

Anzeige

Industriegerechte Interferometrie

Allerdings bedurfte es einer zusätzlichen Enabling-Technologie, um LineCal zu einem zeitsparenden, einfach zu bedienenden und universell einsetzbaren Messsystem zur volumetrischen Kompensation geometrischer Abweichungen zu machen. Der interferometrische Messsensor IDS3010 war genau das, was Etalon zur Realisierung des vollautomatischen Kalibiersystems für Mess- und Prüfmaschinen suchte. Der berührungslos arbeitende, interferometrische Sensor besteht aus einer kompakten Basiseinheit, an die bis zu drei Miniatur-Sensorköpfe mit Glasfaserkabel angeschlossen werden können. Der Sensor kann direkt auf dem Objekt messen, z.B. einem Spindelkopf, Werkzeug oder Messtaster. Dabei erreicht er bei Messdistanzen von bis zu 5m eine Auflösung im nm-Bereich. Mit dieser hohen Präzision ist der Sensor in der Lage, anbau- und prinzipbedingte Messfehler aufgrund von Spiel, Verschleiß, Verformung, temperaturbedingten Längenänderungen oder anderen Einflüssen vollständig zu eliminieren. Die Abtastung ruhender oder bewegter Targets erfolgt bei Geschwindigkeiten bis 2m/s mit einer Messbandbreite von 10MHz, d.h. in jeder 1/10µsec wird ein Messwert generiert, der alle relevanten Informationen der Position oder Bewegung enthält. Hinzu kommt, dass der IDS3010 über einen integrierten Webserver verfügt, über den sich LineCal aus der Ferne bedienen und überwachen lässt.

Kalibrieren im Raum mit Licht

Bei der Kalibrierung von Werkzeug- und Koordinatenmessmaschinen bietet der Sensor die Funktionalität eines Wegmesssystems, wie ein Referenzmaßstab, das hochpräzise Ist-Messdaten liefert. Etalon hat durch LineCal - und mit Hilfe des IDS3010 - die Zukunft der Kalibrierung kleiner bis mittelgroßer Maschinen auf einen neuen Weg gebracht. Der maschinenspezifische Messrahmen mit den Glasfaser-Lasersensoren schafft definierte Bedingungen für die volumetrische Kompensation aller Abweichungsparameter, minimiert den messtechnischen Einrichtungsaufwand und macht das Messsystem mobil. So zahlt sich LineCal z.B. immer dann besonders aus, wenn eine Maschine beim Anwender häufig kalibriert werden muss. Aber auch die wiederholte Kalibrierung von mehreren Maschinen desselben Typs ist nun deutlich effizienter möglich - sei es beim Endanwender in der Produktion, beim Hersteller in der Qualitätskontrolle oder bei der Endabnahme vor der Auslieferung. Bei Letzterem bietet LineCal die Möglichkeit, für jede Werkzeugmaschine eine automatische Abnahmemessung bzw. für jede Koordinatenmessmaschine eine rückführbare Prüfmittelüberwachung, jeweils mit Erstellung eines Prüfprotokolls, durchzuführen.

Anzeige