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Messverfahren im Maschinenbau

  • Maria HennesEmail author
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Part of the Springer Reference Naturwissenschaften book series (SRN)

Zusammenfassung

Der Beitrag zeigt das Wesen der Large Volume Metrology (LVM ) und der metrologiegestützten Fertigung (MAA) auf. Der Methodenschatz der Ingenieurvermessung bietet hierzu ein brauchbares Lösungspotenzial. Die Anforderungen an zweckmäßige Messmittel führen in den folgenden Beitrag (vgl. Abschn. 11) ein. Letztendlich sind es die speziellen Zielparameter, die die Besonderheiten der LVM bestimmen. Es werden insbesondere das Wesen, die Hilfsmittel und die Konsequenzen des funktionsorientierten Messens erläutert. Mit diesen Grundlagen werden dann im folgenden Abschnitt Aspekte und Forderungen der Qualitätssicherung, unter anderem der geometrischen Produktspezifikation (GPS) und des Prüfmittelmanagement auch anhand von Normen und Regelwerken verdeutlicht.

Schlüsselwörter:

Large Volume Metrology Optical tooling Freiformflächenerfassung Geometrische Produktspezifikation (GPS) Prüfmittelmanagement Fertigungsprozess Metrology Assisted Assembly (MAA) Messadapter Referenzsysteme GUM 

1 Aufgaben und Anforderungen des Maschinenbaus

1.1 Aufgaben

Die klassischen Aufgaben der Vermessung im Maschinenbau liegen in der Ausrichtung von Objekten, Werkstücken, Werkzeugen, Maschinen und Maschinenkomponenten sowie Messmitteln. Dieser Bereich wird mit „Optical Tooling“ bezeichnet, wenn es sich um die Realisierung von präzisen Referenzlinien und -flächen mit Hilfe von optischen Mitteln (Teleskope und Autokollimation) handelt. Da auch andere Messverfahren zum Einsatz kommen, setzt sich der Begriff „Large Volume Metrology“ (LVM ) als Überbegriff der Koordinatenmesstechnik im Maschinenbau immer mehr durch. Hiermit wird auf die vergleichsweise großen Objekte verwiesen, wobei Flugzeuge und Schiffe den typischen Arbeitsbereich der LVM von 1 m bis 30 m bereits übertreffen. Die Methoden der LVM sind auch auf kleinere Objekte anwendbar und werden demzufolge eingeschlossen. Gleichzeitig werden neben der (angularen) Ausrichtung auch klassische Absteckungsaufgaben eingeschlossen. Diese machen aber nur einen kleinen Teil der LVM aus, denn es geht vielmehr um die Positionierung und Orientierung von Objekten im Raum in Bezug auf ein Referenzsystem, das auf unterschiedlichste Art definiert sein kann (vgl. Abschn. 4.2). Hierbei sind auch Aufgaben eingeschlossen, in denen sich das Objekt (Werkstück, Werkzeug oder Messmittel) bewegt, womit die Vermessung (das heißt die räumliche Positionierung) zu einer Aufgabe der Mess- und Regelungstechnik wird: Im sogenannten Metrology Assisted Assembly (MAA) wird der Montageprozess durch Messmittel und Messmethoden der LVM nicht nur gestützt, sondern auch geregelt.

Die messtechnischen Aufgaben des Maschinenbaus bzw. der LVM schließen auch den Bereich „Aufnahme“ ein. Diese ist wesentlicher Bestandteil des Reverse Engineering , bei dem die Strukturen und Konstruktionselemente eines bestehen den Systems oder Bauteils extrahiert werden, um eine Nachkonstruktion oder eine Weiterentwicklung am bestehenden System zu ermöglichen. Auch wenn diese Verfahren Produktpiraterie unterstützen, sind sie doch für den legalen Bereich unumgänglich, denn es geht um die Rekonstruktion natürlicher bzw. handgemachter Formen (wie händisch erstellte Designmodelle) oder Objekte, deren Abnutzung bzw. Deformation (unter Belastung) geometrisch modelliert werden soll (z. B. Turbinenschaufeln), um sie beispielsweise anschließend in FEM-Analysen zu optimieren. Reverse Engineering umfasst neben der Rückführung der Merkmale eines Objektes in ein reproduzierbares Ausgangsmodell auch die strategischen Überlegungen, wie diese Rückführung abzulaufen hat.

Messtechnische Aufgaben in der Fertigungsmesstechnik fallen sowohl bei der Einrichtung der Fertigungsanlage als auch später bei der Produktprüfung an. Während in der Vergangenheit die stichprobenartige Kontrolle mit Entnahme des Werkstücks aus der Produktionslinie üblich war, wird heute eine Prüfung ohne Störung des (getakteten) Produktionsprozesses angestrebt (in-line-Prüfung). Dies fordert berührungslose und flexible Prüf- und Messverfahren, die echtzeitfähig sind. Der Trend geht zur Anwendung von Cyber-Physical Systems in der produzierenden Industrie (Cyber Physical Production Systems CPPS) und somit zur Befähigung zur durchgängigen Betrachtung von Produkt, Produktionsmittel und Produktionssystem unter Berücksichtigung sich ändernder und geänderter Prozesse. Letztendlich bedeutet dies, dass zukünftig auch die Prüf- (bzw. Mess)verfahren in den sich automatisch wandelnden Produktionsprozess einbezogen werden müssen, womit sich ein Forschungsfeld für den Vermessungsingenieur auftut. Grundsätzlich birgt die Qualitätskontrolle auch außerhalb der Serienfertigung ein großes Aufgabenspektrum, das bis hin zur Sicherstellung der Prüfmittelfähigkeit reicht.

Die Genauigkeitsforderungen1 sind abhängig von der Aufgabe und der Größe des Objektes. Sie beginnen bei einem Zehntel Millimeter und reichen bis in den Nanometerbereich, wobei hier die Rauigkeit von Oberflächen im Fokus liegt. Obwohl die physikalischen Grundprinzipien der Nanomesstechnologie von Geodäten verstanden werden können, erschlossen sie bisher lediglich den Bereich bis zu einigen Mikrometern. Neben des Positionsgenauigkeiten werden die Aufgaben des Maschinenbaus immer mehr geprägt durch die Erfassung zusätzlicher Eigenschaften wie beispielsweise das raumzeitliche Verhalten (einschließlich der Objektorientierung), die Passungsfähigkeit von Objekten, oder auch die Modellierung von Geometrien, die Navigation von Objekten und Werkzeugen, die Vollständigkeitsprüfung usw.. [17] stellen die Notwendigkeit der LVM für Produktentwicklung und -design im Zusammenhang eines Produktes im Kontext des Life-Cycle-Managements als digitale Betriebstechnologie (Digital Enterprise Technology, DET) heraus.

1.2 Vermessungsrelevante Trends

Die Trends im Maschinenbau zielen auf Serienfertigung nach Kundenwünschen und damit auf Flexibilisierung des Fertigungsprozesses bei gleichzeitiger Kostensenkung (was eine Verkürzung der Durchlaufzeiten impliziert) und Qualitätssicherung. Prüfprozesse müssen also inline-fähig sein, Montageverfahren effizient und selbstprüfend. Der Trend geht zu kooperierenden Robotern, die für unterschiedliche Betriebs- und Belastungszustände kalibriert sein müssen. Für die optimierte Bahnplanung ihrer TCPs (Tool Center Points) wird die Kenntnis der raumzeitlichen Bahnqualität unter den jeweiligen Randbedingungen erforderlich. Der Zeitdruck in der Produktentwicklung fordert gleichzeitiges Entwickeln von Produktkomponenten (Simultaneous Engineering) und virtuelle Produktentwicklung bis hin zum virtuellen Mock-Up (Montierbarkeitsprüfung). Selbstverständlich erfordert dieses Vorgehen vollständige CAD -Modelle von allen beteiligten Komponenten. Letztendlich gehen die Bestrebungen dahin, die gesamte Produktionsanlage mitsamt den Zuliefererbetrieben in einer raumzeitlichen Datenbank in einer GIS-ähnlichen Struktur (digitale Fabrik ) abzubilden, um alle Prozesse einschließlich der Mitarbeiter und Immobilien planerisch bewältigen zu können.

Hieraus erschließt sich ein großes und vielfältiges Aufgabenspektrum für Vermessungsingenieure. Die wachsende Bedeutung von CAD erfordert die Neuvermessung von bestehenden Einrichtungen und Objekten sowie deren CAD- und konstruktionsgerechte Modellierung. Im Hinblick auf die Entwicklung digitaler Fabriken und der DET sind aus diesen Daten adäquate Strukturen für ein (GIS-ähnliches) Informationssystem zu entwickeln. Diese CAD-Daten (mitsamt den Toleranz en) sind aber auch erforderlich, um optimale Vermessungskonzepte für das MAA (als Echtzeitabsteckung) sowie für die Prüfplanung abzuleiten. Im Rahmen des DET sind auch die Prüfpläne unter den Randbedingungen der Vermessungsmöglichkeiten zu gestalten. Aktuelle geodäsiegetriebene Vermessungsverfahren erlauben den Verzicht auf Formlehren, wodurch eine Flexibilisierung und Individualisierung der Produktion ermöglicht wird. Da im Produktionsprozess eine kontinuierliche Qualitätsprüfung sichergestellt werden soll, sind sowohl in-line -Prüfungen des Produktes als auch der verwendeten Messmittel zu realisieren. Letztes kann bis hin zu einer Echtzeitkalibrierung führen. Damit wird der Aufbau von QM-Systemen markant unterstützt.

1.3 Lösungspotenzial der Ingenieurgeodäsie

Das Lösungspotenzial der Ingenieurgeodäsie für die oben umrissenen Aufgaben ist ausreichend, auch wenn gewisse Randbedingungen bei den Vermessungen zu beachten sind. Auf diese Randbedingungen wird weiter unten eingegangen.

Zunächst zeichnet sich die Ingenieurgeodäsie durch ein ausgeprägtes Qualitätsbewusstsein aus: Sowohl eine Kontrolle der Messungen vor Ort, eine vorgängige Unsicherheit sbudgetierung sowie eine Störgrößen- und Zuverlässigkeitsanalyse sind selbstverständlich bzw. durchführbar. Hierzu sind entsprechende Werkzeuge bekannt und im alltäglichen Einsatz. Die Ingenieurgeodäsie beherrscht – aus dem Blickwinkel des Maschinenbaus – sehr große Messvolumen, und zwar unter Einhaltung der Genauigkeitsforderungen von 1 ppm bis 10 ppm. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist die Beherrschung von Transformationen, beispielsweise zwischen unterschiedlichen Referenzsystemen und/oder zwischen Beobachtungs- und Objektsystemen. Die von der Ingenieurgeodäsie mitgelieferte Qualitätsangabe dieser Transformation ist ein bisher im Maschinenbau nicht vorgehaltenes Add-On, aber ein notwendiger Bestandteil für die zukünftig angestrebte durchgängige Qualitätssicherung. Aus der mathematischen Beherrschung von Berechnungen auf gekrümmten Flächen (Rotationsellipsoid, Geoid) kann schnell der Einstieg in die Modellierung von Freiformflächen (z. B. mit NURBS, Non-Uniform Rational B-Spline) gefunden werden (sofern sie nicht schon im Rahmen moderner Ausbildungskonzepte vermittelt worden sind). Außerdem beherrschen Ingenieurgeodäten die Optimierung und in-situ-Prüfung von Messvorgängen.

Die Strategien und Werkzeuge der Netzplanung können mittelbar oder unmittelbar übernommen werden. Selbst als „Kochrezepte“ üblicherweise verwendete Abläufe (beispielsweise beim Nivellement RVVR und rote Hose) können wirkungsvoll übertragen werden, da sich die dahinter verbergende Systematik und ihre Eliminationsstrategie auch in anderen Messkonfigurationen wieder finden. In der Geodäsie kommt das Messmittel zum Objekt, während im Maschinenbau oft noch das zu prüfende Produkt zum Messmittel transportiert wird. Damit hat sich in der Geodäsie ein reicher Erfahrungsschatz zur Flexibilisierung der Messprozesse aufgebaut. Mit der zunehmenden Auseinandersetzung mit Multisensorsystemen in anderen Bereichen der Ingenieurgeodäsie ist damit die Basis gelegt für die Entwicklung hybrider , kostengünstiger, ggf. sogar selbst-adaptiver in-line-fähiger Messverfahren. Aus den Navigationsaufgaben sind die Grundlagen für raumzeitliches Messen bekannt. Der routinierte Umgang mit der Erdschwere und der sich dadurch ändernden Lotrichtung ist eine Kompetenz, die den Ingenieurgeodäten vom angelernten Messtechniker abhebt. Diese Kompetenz wird allerdings selten, und wenn, dann mittelbar für die Einschätzung der „gravitativen“ Verformung von Objekten benötigt.

Von entscheidender Bedeutung zur Lösung von LVM -Aufgaben ist jedoch ein fundiertes Grundlagenwissen in dimensioneller Sensorik, geometrischer Modellierung und der digitalen Bildverarbeitung. Mit seinen Kenntnissen über Mechanik und Elektronik, Statistik und Ausgleichungsrechnung und insbesondere über optische Messmittel ist ein in Geodäsie ausgebildeter Vermessungsingenieur grundsätzlich besser ausgestattet als ein Maschinenbauingenieur. Ihm hilft dabei sein geodätisches Methodenwissen in Bezug auf die Betrachtung von Einflussgrößen, die Abschätzungen zur Genauigkeit und zur Sensitivität der Messanord-nung im Hinblick auf ihre Optimierung. Allerdings muss der Vermessungsinge-nieur bereit sein, sich einen kleinen Kenntnisschatz an spezifischer maschinenbauorientierter Kompetenz anzueignen.

Zur maschinenbauorientierten Kompetenz gehört das Verständnis, dass die Vermaßung eines Objektes/Werkstücks immer zweck- und/oder funktionsorientiert ist. Sie basiert teilweise auch auf den schrittweisen Bearbeitungsmaßnahmen. Dies setzt ein Grundverständnis der Funktion des Objektes bzw. des zu vermessenden Details wie auch der Bearbeitungsschritte voraus. Es bedeutet, dass somit auch die Vermessung und auch die Auswertestrategie diesen Randbedingungen angepasst werden müssen (vgl. Abschn. 4).

Neben dieser essentiellen Randbedingung ist weiter zu berücksichtigen, dass das Messverfahren den Produktionsprozess nicht stören, sondern ihn so weit wie möglich vereinfachen und beschleunigen soll. Der unmittelbare und belastbare Zugang zum endgültigen Prüfergebnis muss gewährleistet werden. Dies impliziert den Nachweis der Prüfmitteltauglichkeit (Kalibrierhaltigkeit bzw. der Rückführung des Messmittels). Verfahren und Systeme, die dem Maschinenbau vertraut sind, erhöhen zunächst die Akzeptanz des Prüfproduktes; für andere kann sich ein Vergleichstest als sinnvoll erweisen. Prinzipiell soll es sich um ein beschädigungsfreies Messverfahren handeln (womit die Markierung von Passpunkten etc. ausgeschlossen wird). Außerdem darf das Messverfahren das Objekt nicht deformieren. Andererseits müssen Rückkopplungen des Messobjektes auf den Sensor (z. B. Eindringtiefe des Lasers in CFK-Material) ausgeschlossen werden.

Für das Auswerteverfahren wird gefordert, dass die Festlegung des Bezugssystems bzw. des Referenzrahmens maschinenbaugerecht erfolgt (vgl. funktionsorientierte Bemaßung in Abschn. 4). Die Berechnung von adäquaten bzw. CAD-kompatiblen Ersatzgeometrien (meist Regelgeometrien wie Ebene, Kreis Zylinder, …) soll online und in Echtzeit erfolgen, damit auch das Prüfergebnis rechtzeitig vorliegt. Dies gelingt mit Softwarepaketen, die Mess- und Berechnungs- sowie DIN/ISO/VDI-kompatible Kontrollfunktionen vereinen.

Das Produkt „Vermessung “ besteht zumindest aus dem Messergebnis mit seiner Messunsicherheit zusammen mit der Dienstleistung der Implementierung. Dabei muss sich das Messergebnis an den Entwurfs- bzw. Konstruktionselementen oder an der Werkstückfunktion bzw. an den Montageprozess orientieren. Die in der Geodäsie üblichen Koordinatenlisten oder Netzpläne mit Konfidenzellipsen sind nutzlos und stellen kein für den Maschinenbau verwertbares Produkt dar. Das Messergebnis muss zumindest mit entsprechender Kennzeichnung in die Datenbank eines vorgegebenen CAD integriert oder unmittelbar integrierbar sein. Das Messverfahren selbst soll ausgereift (belastbar) und effizient sein. Hierbei ist nicht nur die Amortisation zu berücksichtigen, sondern auch der Platzbedarf in der Fertigungsstraße bzw. im Montageumfeld. Im Hinblick auf die Flexibilität der Produktion ist eine einfache Modifizierbarkeit des Messverfahrens anzustreben. Die gesamte Vermessung steht – anders als die amtliche Vermessung, aber ähnlich wie bei Navigationsaufgaben – unter der Herausforderung, dass sämtliche Prozesse auf Anhieb und jederzeit richtige und zuverlässige Ergebnisse liefern.

2 Methodenschatz

2.1 Punktorientierte Verfahren

Der Punkt als einfachstes geometrisches Element hat in der LVM kaum Bedeutung, da er nur selten als eigenständiges Element vorkommt. In der Regel wird ein Koordinatentripel durch geometrische Ersatzelemente (Schnittpunkte von Flächen, Mittelpunkte von kreisförmigen Elementen oder Kombinationen davon) definiert. Punkte dienen fast ausschließlich als Hilfselemente für Vermessungen, um diese Ersatzelemente zu beschreiben (z. B. eine Punktwolke als Realisierung einer Fläche). Eine Ausnahme bilden nicht zugängliche oder nicht materialisierte Elemente wie beispielsweise der Koordinatenursprung von Beobachtungssystemen. Auch die Tastspitze eines so genannten Punkttasters kann nicht ausreichend klein ausgebildet werden, so dass messtechnisch zunächst die Koordinaten des Zentrums der Tastkugel bestimmt werden, aus denen erst mit Hilfe der Flächennormalen ein Punkt auf der zu vermessenden Objektoberfläche koordinatenmäßig abgeleitet werden kann. Auch diese sind Hilfsgrößen (vgl. Abschn. 4.4).

Dennoch bilden punktbasierte Messverfahren den Großteil der in der LVM verwendeten Methoden. Hierzu zählen alle auf dem Polarverfahren basierenden Systeme (vgl. Kap. Messmittel der Large Volume Metrology (LVM), Abschn. 11.2 und 11.4.3) mit kooperativem Ziel, viele Triangulationssysteme wie iGPS (vgl. Kap. Messmittel der Large Volume Metrology (LVM), Abschn. 11.3.2) und laterale Systeme wie Koordinatenmessmaschinen (KMM) und Lasertracer (vgl. Kap. Messmittel der Large Volume Metrology (LVM), Abschn. 11.4.3). Für alle sind die elementaren geodätischen Beobachtungsgleichungen anwendbar, die jedoch meistens nicht unmittelbar das Objekt modellieren, sondern den Referenzpunkt des Antastkörpers bzw. des kooperativen Ziels.

Einzig auf dem Vorwärtsschnitt mit definierten Zielstrahlen basierende Verfahren (in der Vergangenheit mit „Industriemesssystem“ bezeichnet) und photogrammetrische Verfahren sind in der Lage, unmittelbar, d. h. ohne künstliche Zielmarkierung, punktförmige Objektmerkmale zu erfassen.

2.2 Eindimensionale Verfahren

Auch wenn eindimensionale händische Verfahren wie Messungen mit Messschieber oder Messuhr antiquiert erscheinen, so behalten sie in der Funktionsmuster- und Prototypfertigung ihre Bedeutung. Aber auch in der Serienfertigung haben eindimensionale Messverfahren einen großen Stellenwert, weil teilweise nur einzelne Merkmale (wie zum Beispiel Spaltmaße, Drahtdicke, …) überprüft werden müssen. Diese Verfahren basieren in der Regel auf einfachen optischen Prinzipien (z. B. Schattenwurf) und benötigen lediglich einen kleinen Messbereich. Damit ist die Realisierung hoher Genauigkeiten technisch weniger aufwendig; die Sensoren sind entsprechend preiswert. Sie können daher in vergleichsweise großen Stückzahlen im Fertigungsprozess integriert werden. Trotz ihrer Einschränkung sind sie flexibler einsetzbar als die herkömmlichen Lehren und bilden darüber hinaus den Vorteil eines unmittelbaren Datenflusses in die Qualitätskontrolle.

2.3 Flächenhafte Verfahren

Zur Erfassung von Flächen sind in der Regel entweder zwei oder mehrere Linien oder eine Punktwolke erforderlich. Da auch die Linien als digitalisierte Punktwolken vorgehalten werden (sowohl aus den Lichtschnittverfahren als auch aus dem linienhaften Erfassen einer (Ober-)fläche mit einem Lasertracker), müssen die Flächen mit einer adäquaten Parameterdarstellung aus diesen Daten abgeleitet werden. Bei Massendaten wie bei Punktwolken eignen sich die aus dem Laserscanning bekannten Algorithmen, um Regelgeometrien zu parametrisieren. Sollen Freiformflächen beschrieben werden, die mit geringen Punktdichten und/oder einzelnen Linien erfasst wurden, sind auf Spline-Funktionen basierende Parameterisierungen (verbreitet sind NURBS) besser geeignet.

Sowohl beim klassischen Laserscanning (TLS) als auch bei den Nahbereichsscanverfahren (vgl. Abschn. 11.5.2) ist die Dauer der Messdatenerfassung unter Umständen limitierend. Photogrammetrische Stereo-Verfahren liefern eine flächenhafte Darstellung quasi in Echtzeit, wenn ein Maßstab vorgehalten wird. Einzig Range Cameras überwinden diesen Nachteil, weil sie mit jedem Pixel auch die zugehörige Distanz zum abgebildeten Objekt „punkt“ erfassen. Auch wenn ihre Genauigkeit und ihr Messbereich gering sind, finden sie in der LVM Anwendung bei der Automatisierung von Prozessen (z. B. „Griff in die Kiste“).

Da im Maschinenbau der klassisch-mechanische Blickwinkel im Vordergrund steht, werden Regelflächen meist nur über die minimal notwendigen Festlegungen definiert. Dies bedeutet, dass beispielsweise eine Ebene durch einen Punkt und drei weitere Koordinaten (die nicht zu demselben Punkt gehören) festgelegt wird (so genannte 3-2-1-Lagerung, abgeleitet aus der zwangsfreien Lagerung eines Objektes). Es wird also typischerweise nicht die gesamte Information genutzt, die aus einer Punktwolke zur Verfügung steht, was sich auf die Fortpflanzung der Unsicherheit auswirkt.

2.4 Ausrichtende und posenbestimmende Verfahren

Während in der klassischen Geodäsie die Ausrichtung an die Lotrichtung (Horizontierung) zwei Komponenten des Referenzrahmens physikalisch festlegt und damit von fundamentaler Bedeutung ist, wird im Maschinenbau lediglich die gegenseitige Ausrichtung verlangt. Deswegen sind die Messsysteme typischerweise auch nicht horizontierbar. Ausnahme bilden Neigungssensoren (Klinometer), bei denen die Lotrichtung eine Hilfsrichtung darstellt, um Geradlinigkeit oder Ebenheit überprüfen zu können.2 Somit fällt die in der klassischen geodätischen Vermessung übliche Kontrollmöglichkeit einer stabilen Instrumentenaufstellung durch Beobachten des Lotsensors weg und muss durch andere Verfahren ersetzt werden.

Orientierungen sind entweder lokal, d. h. üblicherweise in Form kleiner Orientierungsänderungen, oder global, d. h. als absolute Ausrichtung zu bestimmen. Diese kleinen Orientierungsänderungen werden typischerweise nur in ein oder zwei Dimensionen benötigt, weswegen sich (Auto-)kollimationsverfahren hervorragend eignen (vgl. Kap. Messmittel der Large Volume Metrology (LVM), Abschn. 11.7.1).

Die absolute Lage (Pose ) eines Objektes wird durch sechs Freiheitsgrade (6 degrees of freedom, 6DOF ) bestimmt: Position (translatorisch) und Orientierung (rotatorisch). Ist der Echtzeitanspruch gering, kann das über die serielle Positionsbestimmung von drei nicht kollinearen Punkten geschehen. Verzögerungsfreie Bestimmung gelingt mit photogrammetrischen Verfahren oder der Kombination mit Klinometern (sofern keine Beschleunigungen auftreten). iGPS gewährleistet nahezu Echtzeit (mit einer Latenzzeit von rund 25 ms). Dies reicht für typische Montageanwendungen aus.

Während bei der Montage typischerweise die vollständige 6DOF-Information notwendig ist, reicht bei der Werkzeugnavigation die Bestimmung von 5 Freiheitsgraden aus, sofern das Werkzeug rotatorischen Charakter hat (z. B. Bohrer) oder ein tastendes Messmittel ist. Damit reduziert sich die notwendigerweise zu bestimmende Punktanzahl auf zwei (vgl. Tastspitze iGPS, Kap. Messmittel der Large Volume Metrology (LVM), Abschn. 11.3.2). Bei den T-Komponenten des Leica-Lasertrackers (vgl. Kap. Messmittel der Large Volume Metrology (LVM), Abschn. 11.2.2) sowie dem Taster der Nikon/Metris, K-Serie (vgl. Kap. Messmittel der Large Volume Metrology (LVM), Abschn. 11.5.3) wird jedoch das redundanzliefernde photogrammetrische Verfahren vorgezogen. Auch diese Verfahren liefern für Montage eine ausreichende Echtzeit-Qualität.

2.5 Trackende Verfahren

Trajektorien beschreiben die raumzeitliche Änderung einer Position. Maschinenbauorientierte Aufgaben, die einen Zeitbezug erfordern, zielen meist auch auf die Änderung der Pose ab. Wenn lediglich die Position getrackt wird, geschieht dies meist zur Erfassung von Hilfsgrößen, beispielsweise als Punktreihe, die zur Flächendarstellung dienen soll, und die zeitliche Zuordnung ist nicht von Bedeutung. Die Bestimmung der raumzeitlichen Änderung der Pose wird bei der Überwachung von Robotern (bzw. ihrer TCP , (vgl. [11] und Abschn. 3)) oder beim Tracking von Messmitteln und Werkzeugen benötigt (Abb. 1). Vom Prinzip her kommen hier punktorientierte Verfahren (mit kooperativen Zielen oder basierend auf Videogrammetrie) in Frage. Über die Auswahl des geeigneten Verfahrens entscheiden neben den üblichen Kriterien die Latenzzeiten und die Echtzeitkommunikationsfähigkeit.
Abb. 1

Raumzeitliches Vermessen kooperierender Robotor (a ): 4D, (b ) 7D; [11]

3 Messmittel und -systeme

3.1 Anforderungen an Systeme

Messaufgaben im Maschinenbau fordern eine sehr geringe Messunsicherheit (vgl. Abschn. 12), die nur selten mit klassischen geodätischen Systemen erreicht werden kann. Andererseits ist der geforderte Arbeitsbereich beschränkt, was der Entwicklung von adäquaten Messmitteln zu Gute kommt. Die Messaufgabe entscheidet über die Anforderungen wie tastend oder berührungslos, in-line-Fähigkeit, Trackingfähigkeit sowie die Dimensionalität. In das Systemkonzept müssen Amortisation, Betreuungsaufwand, Stückzahl, Einsatzdauer und Platzbedarf einbezogen werden. Für alle verwendeten Messsysteme wird strenge Rückführbarkeit gefordert und meistens die Kontrollierbarkeit über in-line-Prüfstrategien.

3.2 Messmitteleigenschaften

Im klassischen Maschinenbau werden Messmittel bevorzugt, die unmittelbares Messen einer Zielgröße (Länge, Winkligkeit, Ebenheit) erlauben. Diese meist eindimensionalen Zielgrößen lassen sich über Messschieber und Messuhren sowie Lehren und Keile ermitteln. Koordinatenmessmaschinen gehören ebenfalls zu den anerkannten Messsystemen, weil sie sehr intuitiv die dreidimensionale Koordinatenbestimmung erlauben, von der auf die Objektgeometrie zurückgeschlossen werden kann. Inzwischen haben aber auch mittelbare optische Messverfahren im Maschinenbau Fuß gefasst, die über indirektes Messen die polare oder angulare Bestimmung von 3D-Koordinaten erlauben. Die hiermit verbundene Flexibilität wird anerkannt, insbesondere, wenn bekannte Verfahren (wie Interferometrie in einem Lasertracker) verwendet werden.

Alle optischen Messverfahren des Maschinenbaus sind den geodätischen Messverfahren ähnlich und von einem Ingenieurgeodäten gut beherrschbar. Einschränkend wirkt die Forderung nach einer ungestörten Sichtverbindung zwischen Messkopf und Objekt, die zwar bei kurzen Distanzen (wie bei Triangulationsverfahren) noch gut zu gewährleisten ist, aber bei Messvolumen von einigen Kubikmetern schon herausfordernd sein kann. Mit der Entwicklung von Absolutdistanzmessern bei den Lasertrackern wird zumindest die bei der Interferometrie notwendige Forderung nach unterbrechungsfreier Sichtverbindung aufgehoben. Besondere Rücksicht auf das oftmals verbaute Messumfeld nimmt iGPS, indem automatisch die jeweils sichtbaren Sensoren zur Punktbestimmung beitragen. Wenn keine durchgängige Sichtverbindung hergestellt werden kann (z. B. bei einer Vermessung im Innenbereich komplexer Objekte), können Messarme Abhilfe schaffen. Ihr geringer Arbeitsbereich kann durch die Verknüpfung mit einem Lasertracker vergrößert werden; gleichzeitig lassen sie sich durch Ausrüstung mit Tastkopf und Linienscanner abwechselnd antastend und berührungslos verwenden. Großvolumige Objekte werden vorteilhaft mit Streifenlichtscannern oder Lichtschnittverfahren vermessen.

Die Eignung von Messsystemen zur raumzeitlichen Messung wird nicht nur durch die Datenrate , sondern auch durch die Aktualität der Messwerte und ihrer Latenzzeiten bestimmt. Hinzu kommt die Kommunikationsart, die von der datensammelnden Software bedient werden muss. Verwendete Schnittstellentypen reichen von der A/D-Wandlung analoger Werte bis hin zum Ethernetprotokoll. In den meisten Fällen wird es sinnvoll sein, die Messwerte mit einem Zeitstempel zu versehen. Damit ist allerdings noch keine Synchronisierung gewährleistet. Dies wird erst durch triggerfähige Messsysteme möglich. Denn es ist zu beachten, dass - im Rahmen der hohen Genauigkeitsforderungen an den Ort - entsprechend hohe Forderungen an die temporale Zuordnung gestellt werden: Bei 0,1 m/s Objektgeschwindigkeit und 0,01 mm gewünschter Positionsunsicherheit muss der Beitrag der zeitlichen Unsicherheit kleiner als 100 μs sein, unter der Annahme, dass sonst keine Unsicherheitsbeiträge entstehen. Da Zeitgeber (Uhren) eine Drift von 10 ppm aufweisen können, wäre der zeitliche Unsicherheitsbeitrag bereits nach einer Messdauer von 10 s ausgeschöpft.
Abb. 2

Messadapter für (a ) Bohrungen, (b ) Kanten und (c ), (d ) Bolzen – schematische Darstellung und Realisierung

Im Gegensatz zu GNSS-Anwendungen, bei denen die Messergebnisse (Koordinaten von Positionen) bereits in einem üblicherweise verwendeten Zielsystem vorliegen, muss bei der LVM stets das Messergebnis vom Messmittelsystem ins Objektsystem transformiert werden. Entweder müssen die Transformationsparameter im Rahmen der Messaufgabe (mit-)bestimmt werden oder es muss eine vorgängige Einmessung erfolgen. Dies gilt auch, wenn Werkzeugmaschinen als KMG „zweckentfremdet“ werden.

3.3 Messadapter

Wie bereits oben erwähnt, erfolgen die meisten Messungen indirekt. Sobald ein kooperatives Ziel erforderlich ist, muss die eindeutige mechanische Verbindung zwischen Ziel und Objekt gewährleistet sein, die auch mathematisch beschreibbar ist. Zur Antastung von Flächen werden Kugeln verwendet, wobei die Messpunkte dann auf einer Parallelfläche im Abstand des Kugelradius liegen. Damit ist die Fläche eindeutig rekonstruierbar, wenn ihre Krümmungsradien größer als der Tastkugelradius sind.

Die Antastung von typischen Merkmalen von Werkstücken wie Kanten und Bohrungen kann durch entsprechende Messadapter erleichtert werden. Die Abbildungen (Abb. 2) zeigen Beispiele für die Aufnahme von Reflektoren für Lasertracker (vgl. auch [13]). Für die Markierung von Bohrungen wurde ein spezielles Modul entwickelt, das nach der Positionierung das Einbrennen eines Punktes zentral unter dem Reflektor erlaubt (Abb. 3). Insbesondere für kinematische Anwendungen kann die Nachführung der Reflektorausrichtung erforderlich werden. Hierfür sind autarke Lösungen erhältlich (Abb. 4a), aber auch eine miniaturisierte, die allerdings derzeit noch aufgrund von Vorinformationen die Nachführung ausführt (vgl. Abb. 4b und [8]; eine autarke Realisierung ist in Entwicklung). Diese Beispiele aus dem Bereich der Lasertracker machen deutlich, dass zu einem durchdachten Messkonzept zumeist auch die Entwicklung, aber zumindest die Auswahl geeigneter Messadapter gehört.
Abb. 3

PMM (Pose&Mark-Modul) zur Markierung von Bohrlöchern (Entwicklung im Rahmen des KA-RaceIng-Projektes am KIT)

Abb. 4

(a ) Active Target und API-Lasertracker T3; (b ) active hub – miniaturisierter nachführender Reflektor, Ein-Achsversion, Spezifikationen s. [8] (Quelle: (a ) API)

Abb. 5

Hüll- und Pferchkreis, Abweichungen überhöht dargestellt

4 Produkte

4.1 Zielparameter

Die Messaufgaben im Maschinenbau zielen entweder auf eine Formermittlung oder auf die Ermittlung der Pose ab. Zielparameter sind also CAD- und konstruktionskompatible Parameter, also nicht einfach, wie in der Geodäsie üblich, Koordinaten. Koordinatenlisten sind als Zielgröße wertlos, da erst die daraus abgeleiteten Parameter einen Weiterbau bzw. eine Weiterkonstruktion ermöglichen.

Vereinfachend wird beim Entwurf von Objekten auf Regelflächen zurückgegriffen, weswegen die Bestimmung dieser Elemente im Vordergrund steht. Weil die zugestandenen Messunsicherheiten immer geringer werden, sind redundante Messungen immer häufiger erforderlich. Die so erhaltene Überbestimmung darf in der Regel jedoch nicht für die bekannten Ausgleichungsansätze nach der Methode der kleinsten Quadrate genutzt werden, sondern muss im Hinblick auf die Funktion des Werkstücks betrachtet werden: beispielsweise sind für Wellen die Hüllkreise und für Bohrungen die Pferchkreise zu bestimmen (Abb. 5). Zunächst zählt der Durchmesser, und erst wenn andere Zwangspunkte bei der Fügung eine Rolle spielen, wird der Mittelpunkt in Relation zum Objektsystem benötigt. Des Weiteren ist die räumliche Eigenschaft zu betrachten, also vielmehr Hüll- bzw. Pferchzylinder. Paraboloide und Hyperboloide werden selten und eher bei physikalischer Notwendigkeit benutzt. Stattdessen sind vor allem im Automobilbau Freiformflächen verbreitet; sie werden in der Regel mit NURBS parameterisiert (vgl. auch Abschn. 4.3).

Sehr häufig zielen Vermessungsaufgaben auf die Toleranzeinhaltung ab, der Zielparameter kann beispielsweise die ja/nein-Entscheidung der Einhaltung einer Passungstoleranz beinhalten; (vgl. auch Abschn. 5.1). Auch das Reverse Engineering stellt besondere Ansprüche an die Darstellung der Zielparameter, weil auch die Interaktionsstellen mit korrespondierenden Objekten berücksichtigt werden müssen, um die Herstellungstoleranzen zu minimieren.

Bei Montagearbeiten sind in der Regel Parameter der Pose (also der Lage und Ausrichtung) zu bestimmen. Gerade hier handelt es sich um einen interaktiven Prozess, der mit einem „gut zum Weiterbau“ bzw. „gut zur Inbetriebnahme“ endet, wobei die Mess- und Kalkulationsergebnisse lediglich dokumentarischen Wert besitzen. Die folgenden Beispiele mögen dies verdeutlichen, wobei sie keine Beschränkung auf lediglich großräumiges Ausrichten darstellen sollen.

Folgendes Beispiel demonstriert das funktionsorientierte Vermessen: Zur Qualitätssicherung von Mikrowellenantennen werden Fernfelder mit Hilfe von Zylinderparaboloiden (Compact Antenna Test Ranges, CATR, Abb. 6) erzeugt, wobei im Fokus des Paraboloids die Sendequelle angeordnet wird. Methoden der LVM dienen zur flächenhaften Bestimmung der Abweichung des Paraboloids und liefern die Beträge zur Nachjustierung einzelner Paneele der Struktur. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass oft auch allein mit einer deutlich geänderten Fokusdistanz die erforderliche Strahlqualität (Parallelität) des Mikrowellenfeldes erreicht werden kann, ohne auch nur irgendeine (aufwändige) Justierung der Paneele vornehmen zu müssen. Dies gelang aufgrund der adäquaten Modellierung der aufzunehmenden Fläche unter Berücksichtigung der unvermeidbaren systematischen Messabweichungen; vgl. [15].
Abb. 6

Vermessung eines Zylinderparaboloids eines CATR mit Lasertracker

Abb. 7

Lösungen für Montageüberprüfungen am KATRIN-Experiment am Forschungszentrum Karlsruhe, (a ) Ergänzung des Arbeitsbereichs des Lasertrackers, (b ) Messung mit liegendem Lasertracker, (c ) Testschiene mit Schlitten zur exzentrischen Bestimmung der Schienenachse

Auch im Rahmen des KATRIN-Experiments am Forschungszentrum Karlsruhe wurden Vermessungsarbeiten mit diversen Herausforderungen und Zielvorgaben durchgeführt (Abb. 7). Mit dem in Abb. 2b gezeigten Adapter, der auf dem Prinzip des Kanalmessstabs beruht, konnten rund 2000 Bolzen in Position und Orientierung (5D) überprüft werden. Die zu jedem Bolzen gehörenden Abweichungen der Pose wurden zwar dokumentiert, letztendlich war das „gut zum Weiterbau“ gefordert. Eine der besonderen Herausforderungen bestand im eingeschränkten Arbeitsbereich des Lasertrackers, der aufgrund der Reinraumbedingungen nicht im Experimentiertank aufgestellt werden durfte. Vorgängige Prüfungen zeigten, dass auch mit einem liegenden Instrument bei entsprechender Verknüpfung der Beobachtungssysteme verlässliche, und in Kombination mit einem stehenden Instrument vollständige Ergebnisse erzielt werden konnten. Bei der Überprüfung der Montierung des Schienensystems wurde ein spezieller Schlitten entwickelt, der es erlaubt, eine parallel zu den Schienen verlaufende Trajektorie mit dichter Datenrate aufzuzeichnen. In Kombination mit einer für diese Aufgabe speziell entwickelten Lösung zur Rekonstruktion der Schienenachse aus exzentrischen Daten ließ er im zugestandenen knapp bemessenen Zeitfenster die Messung und Auswertung zu, für Details siehe [13].

Während in der Fertigungsmesstechnik typischerweise das Vermessungsrisiko durch die hohe Taktrate und hohe Stückzahlen bestimmt wird, sind in der LVM auch Einzeloperationen mit großen Herausforderungen zu bewerkstelligen. In allen Fällen ist ein Echtzeitanspruch gegeben, wobei die sich bei Verletzung zeigende Katastrophe am (wirtschaftlichen) Schaden zu bemessen ist. Ein Beispiel aus jüngster Vergangenheit mit enormen Dimensionen stammt aus dem Schiffsbau, wo zwei Schiffshälften (Dimension ca. 41,4 m breit und 60 m hoch) schwimmend so auf die Pallung zusammengeführt wurden, dass die Verschweißung innerhalb der vorgegebenen Toleranz von wenigen Millimetern gelang (Abb. 8 und [23] für weitere generelle Erläuterungen).
Abb. 8

Zusammenschwimmen der Rumpfteile der zukünftig 348 m langen Anthem oft the Seas (Quelle: Osnabrücker Zeitung 15.08.2014)

Als Ergebnis einer dimensionellen (geometrischen) Erfassung können auch Regelparameter für eine Fertigungsanlage, die beispielsweise kooperierende Roboter beinhaltet, gefordert sein. Letztendlich stellt auch das automatisierte Führen von Operationswerkzeug in der Medizintechnik einen solchen Regelkreislauf dar, der dimensionelle Eingangsparameter erfordert [vgl. [12]].

4.2 Bezugssysteme

Im Gegensatz zur klassischen Vermessung ist in der LVM eine größere Anzahl von Bezugssystemen zu handhaben. Die Dimensionen des Objekts bzw. seiner Einzelkomponenten sind jeweils im Werkstückbezugssystem angegeben (siehe unten). Die Bearbeitungsmaschine (Werkzeugmaschine, Roboter) besitzt ihr eigenes Bezugssystem, das Maschinenbezugssystem. Alle Maschinen bzw. Roboter, die an einem gemeinsamen Produkt arbeiten, sind im Hallenkoordinatensystem zusammengeführt. Jedes einzelne Messmittel hat ebenfalls sein eigenes Bezugssystem. Dieses muss – je nach Aufgabe – zum Werkstück oder/und zur Maschine orientiert werden. Mit zunehmendem Einsatz von optischen Messmitteln mit größerem Arbeitsbereich wie Lasertracker und iGPS ist der Vorteil eines übergeordneten „Koordinatensystems“ erkannt worden, und dass es vorteilhaft sein kann, ein solches für einen bestimmten Prozess aufzubauen, ohne das Hallenbezugssystem zu verwenden; in [19] wird dieses in der Geodäsie schon lange bekannte Prinzip den Maschinenbaufachkollegen als „Globales Referenzsystem“ vorgestellt.

Im Werkzeug-Bezugssystem wird das Datum durch den Hersteller festgelegt, oft als Rechtssystem mit vertikaler Z-Achse, bei dem eine Achse vom Werkstück zum Werkzeug (in Ruheposition) weist. Davon zu unterscheiden ist das Wirk-Bezugssystem, das orthogonal zur Wirkrichtung des Werkzeugs ausgerichtet ist. Die sich unmittelbar auf diese Festlegung der Werkzeugkoordinaten beziehenden Maschinenkoordinaten werden absolute Koordinaten genannt; relative Koordinaten beziehen sich auf die aktuelle Werkstückposition. Daneben können in der Maschinensteuerung noch parallele Achsen definiert werden. Maschinennullpunkt und Referenzpunkt der inkrementellen Weggeber müssen nicht zwingend zusammenfallen, außerdem kann der Werkzeugwechselpunkt davon abweichen. Roboter bestehen aus Mehrgelenksystemen, die in der Regel mehrdeutig erlauben, mit der Roboterhand bzw. TCP eine Raumposition anzufahren. Das so genannte Welt-Bezugssystem des Roboters wird aus der ersten Achse (des Grundgestells) gebildet, während das Basis-Bezugssystem wählbar ist und meist mit dem Werkstück verknüpft ist. Das Werkzeugsystem liegt im TCP, wobei die +Z-Achse Stoßrichtung des Werkzeugs ist und die anderen Achsen frei wählbar sind. Mehrere Werkzeug-Bezugssysteme erleichtern die Programmierung bei Werkzeugwechsel.

Die Referenzrahmen als physikalische Realisierungen sind bei den Maschinenbezugssystemen über die Nullpunkte der Encoder festgelegt. Anders als in der klassischen Geodäsie können jedoch am Objekt keine dauerhaften „Fixpunkte “ angebracht werden. Der Referenzrahmen ist über Merkmale wie Schnitt von Flächen oder ähnliches definiert. Diese Merkmale sind so gewählt, dass sie möglichst vor einem der ersten Produktionsschritte schon zugänglich sind, aber auch noch nach der Fertigstellung des Produktes. Eine weitere Herausforderung stellt die Tolerierung dar, womit für jede Festlegung auch ein gewisser Toleranzbereich zugelassen wird. Demzufolge ist die Reihenfolge der Festlegungen entscheidend für die Eindeutigkeit der Festlegung (im Rahmen der Toleranzvorgaben). Hierzu sind Regeln aufgestellt worden, die sich im Geometric Dimensioning and Tolerancing (GD&T) niederschlagen. Derartige Regeln sind aus ISO-Normen ableitbar, eine konsequente Zusammenführung hat die American Society of Engineers (ASME) mit dem Dokument Y14.5-2009 [3] vorgenommen. Grundsätzlich gilt, dass die Reihenfolge der Datumsfestlegung mit den Großbuchstaben A, B, C, … an den Dimensionen der Formelemente in den CAD -Zeichnungen angegeben ist; ein Beispiel zeigt Abb. 9.
Abb. 9

GD&T-Beispiel der Festlegung des Referenzrahmens, wobei die Achsrichtungen durch die Flächennormalen und der Nullpunkt durch den Schnitt einer Bohrungsachse mit einer Fläche festgelegt sind (nach Beispiel Wikipedia)

4.3 Modellierung von Flächen und Körpern

Sowohl bei der antastenden als auch bei der berührenden Messwerterfassung entstehen Abweichungen, die vorgängig durch Korrektionsmodelle erfasst werden müssen. Bei der antastenden Messung ist dies die Korrektur um den Radius der Antastkugel normal zur Fläche. Zusätzlich ist die Objektrauigkeit in Betracht zu ziehen, insbesondere bei Anschlagwinkeln für die Vermessung von Kanten. Beim berührungslosen Messen ist die Eindringtiefe des Strahls zu berücksichtigen, die extrem materialabhängig sein kann, vgl. [14]. Die Korrektur ist vom Auftreffwinkel abhängig. Beim Laserradar wird diesem Artefakt Rechnung getragen, indem die Nachbarschaft des Auftreffortes zur Bestimmung des Auftreffwinkels herangezogen wird. Andere Artefakte können zum Beispiel auch durch den – in Relation zur Objektstruktur großen – Laserfleck entstehen, denen dann entsprechend der Vorgehensweise beim terrestrischen Laserscanning zu begegnen ist.

Im Hinblick auf Ausgleichung von redundanten Messungen ist immer auf die Zielgröße abzuheben. Wenn nichts anderes verlangt ist, sind sachgerecht die Normalenabstände zwischen Punkt und Fläche zu minimieren. Meistens ist jedoch eine Toleranzvorgabe zu berücksichtigen, die beispielsweise diejenige „ausgleichende“ Ebene“ benötigt, deren Parallelebenen den geringsten Abstand zueinander haben und alle Punkte einschließen (wobei unterstellt wird, dass alle Abweichungen zwischen Messpunkt und gesuchter Ebene mechanische und nicht messtechnische Ursachen haben). Diese Forderungen werden von typischer maschinenbauorientierter Messsoftware unterstützt, in der die gängigen Toleranzregeln auf der Basis von Regelgeometrien hinterlegt sind.

Freiformflächendarstellungen wie Bezierflächen und NURBS sind geeignet, wenn aufgrund von wenigen Punkten eine unregelmäßig und möglichst auch schwach gekrümmte Fläche dargestellt werden soll. Die die Messpunkte approximierende Darstellung derartiger Kurven bzw. Flächen erfolgt über einen bzw. zwei Laufparameter, entlang derer die Kurve bzw. Fläche beschrieben wird, indem die Messpunkte (Kontrollpunkte) gewichtend fungieren. Grundsätzlich wirkt auf jede Stelle der Kurve bzw. Fläche dasselbe Gesamtgewicht, jedoch steuert der Grad der Darstellung, inwieweit benachbarte Kontrollpunkte benutzt werden, wodurch auch die lokale Krümmung mitbestimmt wird. Die Darstellung wird demzufolge auch durch die Punktdichte und das Messrauschen beeinflusst. Eine besondere Herausforderung stellen Flächen mit großen Krümmungsänderungen dar. Details hierzu finden sich in [18].

4.4 Unterstützende Software

Kommerzielle Software unterstützt die Datenakquisition, die Datenhaltung durch ein intuitives Datenbankkonzept, die Berechnung von Zielgrößen als auch die Visualisierung und Berichterstellung. Es lassen sich, basierend auf CAD -Modellen, Soll-Ist-Vergleiche durchführen und basierend auf den hinterlegten Normen Toleranzen und Passungen prüfen. Dies bildet eine wesentliche Voraussetzung für die belastbare Echtzeit-Entscheidung und gerade dieser Aspekt sollte bei der Bewertung eines Softwarepaketes nicht unterschätzt werden.

Typischerweise werden die gängigen Messmittel wie Lasertracker, Messarme, Tachymeter unterstützt, wobei, historisch bedingt, bei einigen Softwarepaketen (z. B. PC-DMIS, Metrolog X4) der Schwerpunkt auf Koordinatenmessgeräten liegt; bei anderen (z. B. Spatial Analyzer) liegt er eher auf der vollständigen Integration von Messmitteln der LVM . Die Messungen werden durch eine mehr oder weniger komfortable WYSIWYG-Funktionalität unterstützt, so dass der Messungs- und Berechnungsfortschritt kontrolliert werden kann. Mehr und mehr entwickeln sich die Datenerfassungspakete zur Multisensorfähigkeit , so dass punkt- und flächenmessende Systeme unmittelbar kombiniert werden können (z. B. Lasertracker und Scanner, Messarm und Scanner oder auch Lasertracker und Messarm). Alle gängigen Pakete unterstützen die notwendigen Transformationen zwischen Objekt- und Messsystem. Sie berücksichtigen üblicherweise hierbei die Regeln des GD&T . Einige suchen aufgrund der Messungen nach den korrespondierenden Merkmalen, die im CAD -System hinterlegt sind, und nehmen die Prüfung automatisch vor. Einen Eindruck über geodätische Aspekte vermittelt [10].

Nur selten und dann meist nur indirekt wird eine statistisch belegte Information über die Transformationsqualität erhalten. Es lassen sich zwar (in der Regel pauschal) Messunsicherheiten der jeweiligen Messmittel einführen, jedoch ist ihre Fortpflanzung auf das Resultat (die Zielgröße) nicht immer eindeutig nachvollziehbar, da nicht dokumentiert ist, inwieweit das aus Redundanz beschreibbare Messrauschen auf den/die Zielparameter fortgepflanzt wird. Auch wenn die Ableitung der Zielparameter über die Methode der kleinsten Quadrate erfolgt, so wird für die Fortpflanzung der Messunsicherheit auch die Monte-Carlo-Methode verwendet, wobei aufgrund der a priori festgelegten Messunsicherheit simulierte Messdaten in die Kalkulation einfließen. Dem Nachteil der erheblich größeren Rechenzeit steht der Vorteil gegenüber, eine sinnvolle Abschätzung auch bei speziellen Messanordnungen zu gewährleisten, bei denen beispielsweise aufgrund der speziellen geometrischen Konfiguration die klassische Varianzfortpflanzung versagt, weil sie auf der Linearisierung basiert und höhere Ordnungen vernachlässigt. Es wird von näherungsweise normalverteilten Messabweichungen ausgegangen, da die in der Praxis auftretenden Verteilungen der beteiligten Einflussgrößen nur unwesentlich von der Normalverteilung abweichen und sich ihre Faltung wieder der Normalverteilung annähert. Punktwolkenverarbeitung ist bisher nur rudimentär vorhanden, auch die Darstellung von Freiformflächen. Es wird für die nächsten Jahre ein rasanter Fortschritt in der Funktionalität erwartet. Derzeit ist der Datenaustausch sowohl mit weiterverarbeitenden Programmpaketen als auch mit CAD -Systemen nicht nur über die gängigen Datenformate wie STEP (STandard for the Exchange of Product model data) und IGES (Initial Graphics Exchange Specification) gewährleistet, sondern es werden auch Konstruktionsprogramme wie CATIA, Unigraphics, Pro/ENGINEER usw. unterstützt.

In der Regel berücksichtigen kommerzielle Softwarepakete die Korrektion um die thermische Verformung aufgrund der Differenz zwischen aktueller Objekttemperatur und Designtemperatur (typischerweise 20 ˚C). Optische Distanzmessungen werden aufgrund eines eventuell von der Strandatmosphäre abweichenden Brechungsindexes der Luft korrigiert. In Arbeit ist die Korrektur um die Strahlkrümmung aufgrund von Brechungsindexgradienten, wobei es dem Anwender überlassen sein wird, diese Gradienten zu bestimmen. Es wird ausreichend sein, sie aus Temperaturdifferenzen quer zur Richtung des Messstrahls abzuleiten. Das Antastkugeloffset wird ebenfalls lediglich in Bezug auf übliche Regelflächen durchgeführt. Dies kann zu nicht tolerierbaren modellbedingten Abweichungen führen (im oben erwähnten CATR-Projekt bis zu 150 μm in Bezug auf das Paraboloid und 10 mm in Bezug auf die Brennweite bei Annahme einer Ebene oder bis zu 15 μm bei Annahme eines Kreiszylinders, da die sachgerechte Reduktion mittels eines Paraboloids nicht durch kommerzielle Software unterstützt wurde).

Neben der reinen Messwerterfassung und herkömmlichen Datenanalyse sind weitere Softwareprodukte auf dem Markt, die beispielsweise die komplexe Analyse von Zahnrädern oder ähnlichem erlauben. Es ist eine Tendenz hinsichtlich der Verknüpfung von Design-, Konstruktions-, Fertigungs- und Qualitätssicherungsaspekten bis hin zum Produkt-Livecycle-Management (PLM) festzustellen, die mehr und mehr auch in einem gemeinsamen Softwarepaket abgebildet werden wird. Von der Seite des Betriebsmanagements kommen die Wünsche nach der digitalen Fabrik , einem GIS-ähnlichen Informationssystem, das alle Abläufe einer Produktionsstätte abbildet. Ob sich tatsächlich GIS-ähnliche Strukturen gegenüber dem zunächst priorisierten CAD-basierten Vorgehen durchsetzen werden, bleibt abzuwarten und hängt letztendlich mit vom Einfluss der Geoinformation im Maschinenbau ab.

Daneben sind – mit der geodätischen Expertise über Varianzfortpflanzung – Programme entstanden, die alle beteiligten Störeinflüsse auf eine Zielgröße in Form einer Messunsicherheit quantifizieren: Für Messungen auf Koordinatenmessgeräten das „Virtuelle KMG“, [20], für Lasertracker: der virtuelle Lasertracker (VLT), der am GIK des KIT erweitert und in Bezug auf Rechenzeit optimiert wurde und als kVLT den kinematischen Aspekt berücksichtigt. Auch für die Optimierung einer Feldprüfung eines Lasertrackers unter Berücksichtigung der räumlichen Vorgaben (Möblierung etc.) ist ein Programmpaket verfügbar [4], vgl. auch Abschn. 10.5.4). In Entwicklung sind derzeit Kommunikationsroutinen, die verzögerungsfrei hohen Datenraten der Messmittel gerecht werden, um den Echtzeitanspruch innerhalb der NC-Taktung (zwischen 250 Hz und 500 Hz) zu gewährleisten, womit eine messungsgestützte Fertigung bzw. Navigation von Werkzeugen ermöglicht wird.

Unter Nutzung von NURBS als mathematisches Modell ist das Plugin zu Rhino entstanden, das die verzögerungsfreie Reflektoroffsetkorrektion bei Freiformflächen ermöglicht: Die Messdaten werden unmittelbar auf die Oberfläche reduziert und entsprechend visualisiert, ohne dass der Anwender seine gewohnte Messumgebung verlässt (Abb. 10, [6]).
Abb. 10

FLIC – ein Plug-In zur reflektoroffsetfreien Freiformflächenerfassung mit Lasertrackern

5 Qualitätssicherung

5.1 Normen, Richtlinien, Geometrische Produktspezifikation (GPS) und Prüfmittelmanagement (PMM)

Für die Messtechnik im Maschinenbau existieren eine Reihe von Grundlagennormen , die auch in der Vermessung bekannt sind (z. B. DIN 1319, GUM) , sowie solche, die die klassischen Messmittel betreffen. Regelwerke des VDI und der ASME decken insbesondere die optischen Messmittel der LVM ab und ergänzen die ISO-Normen (ISO 10360, VDI 2617, VDI 2634, ASME B89.4.19, ASME B89.4.22, [1], [2]). Zusätzlich gibt es eine Vielzahl von Normen und Richtlinien zur Produktspezifikation und Produktprüfung, die teilweise nicht konsistent sind oder sich überlappen. Im Rahmen der ISO-Initiative „GPS“ soll eine Matrix der allgemeinen GPS-Normenkette entstehen, die eindeutig jeder geometrischen Eigenschaft eines Elementes (wie Maß, Form einer Linie, Rundlauf, usw.) die betreffende Norm zuweist, die Toleranzen, Kenngrößen, Abweichungsdarstellung, Anforderung an die benötigte Messeinrichtung und Kalibrieranforderungen usw. beschreibt.

Das Prüfmittelmanagement (PMM) verbindet Prüfplanung, Prifmittelbeschaffung, -überwachung und -einsatz. Die Prüfprozesseignungsanalyse, zu der unter anderem der Nachweis der Prüfmittelfähigkeit, der Beständigkeit des Messprozesses sowie der Eignung des Messprozesses an sich und mit Bedienereinfluss gehört, wird durch Experimente mit stochastischem Charakter gestützt (vgl. [16]). Obwohl ein Werkstück immer funktionsorientiert geprüft werden sollte, können Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen dazu führen, sich nach einer grundlegenden Funktionsprüfung auf die (Fertigungs-)Prozessprüfung zu beschränken, die ggf. stichprobenartig erfolgt. Die Rückführung über eine geschlossene Kalibrierkette stellt ebenfalls ein Qualitätsmerkmal dar, wobei die beteiligten Laboratorien von der PTB durch Ringversuche3 überwacht werden.

5.2 Toleranzen

Man unterscheidet Maß-, Form- Lage- und Passungstoleranzen. Sie werden so festgelegt, dass die Funktion des Werkstücks gewährleistet ist. Mangelhafte und nicht fertigungsgerechte Toleranzauslegung beeinflussen die Produktqualität erheblich. Eine durchgängige Prüfung der Toleranzkette reduziert die Konstruktionsänderungsschleife, wobei bedeutungsvoll ist, welche Maße in der Toleranzkette den größten Einfluss auf die Gesamttoleranz haben. Dies wird in modernen Konstruktionsverfahren unter Berücksichtigung der statistischen Verteilung der jeweiligen Toleranzabweichungen berücksichtigt, Abb. 11. Die Unsicherheit der Vermessung (bei der Prüfung) ist Bestandteil des jeweiligen Toleranzwertes. Fertigung und Vermessung müssen sich den Toleranzbereich teilen. Trotzdem kann der Konstrukteur nicht unbedingt von vornherein messtechnisch bedingte Abweichungen als Toleranzen berücksichtigen, weil damit das Prinzip der funktionsorientierten Konstruktion verletzt würde. Zum Beispiel muss eine Passung von Bohrung und Welle in Bezug auf das von der Funktion her vorgegebene Spiel toleriert werden; eine zusätzliche Erweiterung um eine Messunsicherheit in Form einer Toleranz würde zu einer beidseitigen Toleranzerweiterung führen und die Funktion verändern.
Abb. 11

Bewertung von Messverfahren im Kontext der Toleranzen und der \ Messunsicherheit MU. Nach [16]

Formtoleranzen beziehen sich auf die Form eines Elementes und Lagetoleranzen auf die Beziehung zwischen zwei (Form-)Elementen. Es werden immer Toleranzzonen angegeben, in denen sich die Kontur (oder eine virtueller geometrischer Eigenschaft) eines Werkstücks befinden muss. Da Toleranzzonen die Minimum-Bedingung nach Tschebyscheff erfüllen müssen, können sie nicht mit herkömmlichen Ausgleichungsmethoden (Kleinste Quadrate) geprüft werden. Bei Lagetoleranzen wirken sich demzufolge Bezugselemente geringer Größe ungünstig auf die Fortpflanzung der Messunsicherheit aus. Toleranzangaben müssen nicht explizit vorgenommen werden, sondern können als Toleranzklasse pauschal für eine gesamte Zeichnung bzw. ein Werkstück gelten (Allgemeintoleranzen). Die Toleranzklassen (ISO 2768-1 für Längen und Winkel (f = fein, m = mittel, g = grob, sg = sehr grob) sowie ISO 2768-2 für Form und Lage: H, K, L) sind normiert und hängen von der Werkstückgröße ab.

Im Hinblick auf die Funktionsorientiertheit eines Werkstücks ist der Paarungsfähigkeit und damit den Passungen besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Nun ist nicht allein die Toleranzzone entscheidend, sondern auch ihre Lage zum Nennmaß . Auch dies wird typischerweise nicht explizit angegeben, sondern mit Passungssymbolen, die auf Übermaß- bzw. Untermaßpassung hindeuten. DIN 7157 legt Reihen von Passungen fest, wobei Großbuchstaben sich auf die Bohrung beziehen, Kleinbuchstaben auf die Welle. 40H7 bedeutet beispielsweise, dass es sich um eine Bohrung von 40 mm Durchmesser handelt, die bis zu 25 μm größer sein kann, aber nie kleiner. Geprüft wird dies normalerweise mit Lehren im Zeitalter der automatisierten Messwerterfassung enthalten adäquate Softwarepakete eine virtuelle Prüfung, bei der durch die abgetastete Zylinderoberfläche rein rechnerisch die Welle mit dem größtmöglichen Durchmesser ermittelt wird.

Abweichungen höherer Ordnung werden ab dem Verhältnis von Wellenlänge zu Wellentiefe = 1000:1 mit Welligkeit und ab 100:1 mit Rauigkeit bezeichnet und gehören zur Feingestaltabweichung. Sie werden der Oberflächenmesstechnik zugeordnet.

5.3 Statistische Prozessregelung

Statistische Prozessregelung (Statistical Process Control, SPC) hatte ihren Ausgang in der Automobilindustrie und ist heute in allen Branchen als Maßnahmenkatalog zur Prozessüberwachung und -verbesserung anzutreffen. Grundgedanke ist ein geschlossener Regelkreis zwischen Herstellungsprozess und Endprodukt, der ständig korrigiert werden kann und soll. Hierbei werden alle Einflussgrößen auf den Prozess betrachtet und Qualitätskennzahlen abgeleitet. Diese beschreiben mit statistischen Methoden die Fähigkeit eines Prozesses, ein bestimmtes Merkmal innerhalb der vorgegebenen Spezifikationsgrenzen und unverändert hervorzubringen. Die Differenz zwischen dem Merkmalsmittelwert und dem (oberen bzw. unteren) zugelassenen Grenzwert wird ins Verhältnis zur dreifachen Standardabweichung gesetzt und als Qualitätskennzahl interpretiert. Liegt diese bei 1, liegen 99,7 % des Merkmals innerhalb der Toleranzgrenze; typischerweise liegt der Wert bei 1,67, wobei eine einseitige Abweichung oft zu einem Minimalwert von 1,3 führt. Diese Kennzahlen werden für kurzzeitige, mittelfristige und langzeitige Prozesse erhoben und basieren häufig auf der Bestimmung (Messung) geometrischer Merkmale. Die Prozessregelbarkeit ergibt sich aus der vorherigen exakten Festlegung der Prozessbedingungen. Diese können empirisch geändert und objektiv mit den Qualitätskennzahlen beurteilt werden. Anhand von Qualitätsregelkarten werden die Qualitätskennzahlen zur leichteren Beurteilung visualisiert.

5.4 Messunsicherheit nach GUM

Für die grundlegende Ableitung der Messunsicherheit nach GUM wird auf das Kap. Qualitäts bewertungen in der Ingenieurgeodäsie, verwiesen für die inhaltliche Einordnung von Unsicherheitsbeiträgen vgl. [5], für weitere gebräuchliche Unsicherheitsmaße [7]. Wesentliche Störeinflüsse bei Messungen im Maschinenbau ergeben sich durch die Temperatur (insbesondere thermische Verformung des Objektes) sowie Schwingungen und Schmutz. Gleichwohl sollen die Auswirkungen „gravitativer“ Verformung nicht vernachlässigt werden. Auch Schwingungen können die Messunsicherheit deutlich vergrößern, insbesondere, wenn Messmittel und Objekt unterschiedlichen Schwingungen ausgesetzt sind.

Das Messverfahren wird bei Vernachlässigung des Abbéschen Komparatorprinzips beeinträchtigt, wobei die Problematik teilweise nicht umgangen werden kann (vgl. Messung mit Messschiebern). Auch Abweichungen zweiter Ordnung (so genannte Kosinus-Fehler) können – allerdings in eher seltenen Fällen – nicht zu vernachlässigende Größenordnungen annehmen. Auch das Messmittel oder die durch das Messmittel geforderte Lagerung (Besselpunkte!) des Objektes kann Verformungen am Objekt bewirken. Gleichwohl ist die Antastkopfreduktion in Bezug auf die ihr innenwohnenden Abweichungen (Kugeldurchmesser, Rundheit, Exzentrizität) in Betracht zu ziehen. Hier kommt auch die Oberflächenbeschaffenheit wie Rauheit oder Glanz ins Spiel, wobei auch hier eine Abhängigkeit vom Messverfahren besteht.

Hinzu kommen Einflüsse der Messstrategie : In jedem Fall sind Transformationsparameter zu bestimmen, wobei Anzahl, Art und Position der Referenzmerkmale eine Rolle spielen. Hinzu kommt, auf welche Art die Antastung erfolgt. Beispielsweise kann die mehrdeutige Gelenkposition bei Messarmen eine Rolle spielen (die Feldprüfverfahren heben darauf ab!). Auch die Reihenfolge der Antastungen kann sich bemerkbar machen, wobei (thermische und mechanische) Driften durch das geodätische Grundprinzip der Umkehrung der Messreihenfolge für den Rückgang bzw. zweiten Durchgang zumindest reduziert, wenn nicht sogar eliminiert werden können. Nicht zuletzt kann auch die Auswertestrategie die Zielgröße beeinflussen, indem eine andere Modellwahl oder eine spezifische Punktauswahl (Filterung bei Massendaten) zu zwar systematischen, aber nicht reduzierbaren Artefakten führt.

Diese Auflistung gibt einen Eindruck und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Es sei darauf hingewiesen, dass klassische Ausgleichungsprozesse nach der Methode der kleinsten Quadrate grundsätzlich nur jene Störgrößen abbilden können, die in redundanter Form im Datenmaterial enthalten sind. Da es gerade bei kinematischen Mess- und Prüfprozessen keine Möglichkeit der Ermittlung des statistischen Rauschens durch Wiederholungsmessungen gibt, wird hier besonders klar, dass eine Vorabschätzung mit den Mitteln des GUM unerlässlich ist, denn jeder Unsicherheitsbeitrag der Vermessung muss exakt bekannt sein, nicht nur, um das Ergebnis einer Toleranzprüfung sinnvoll zu bewerten (Abschn. 5.2), sondern auch, um die bei der Prozessüberwachung notwendige Kenntnis über die Trajektorien von Objekt oder/und Messmittel zu erhalten. Das Programm kVLT berechnet die zu erwartende Messunsicherheit für bewegte Objekte aufgrund der Vorgabe der auftretenden Störgrößen, (vgl. [21]); eine Integration von Zusatzinformationen über die Trajektorie ist in [22] beschrieben.

Fußnoten

  1. 1.

    Der Begriff „Genauigkeit“ wird im Folgenden als allgemeines, nicht näher in seiner Eigenschaft spezifiziertes Qualitätsmerkmal einer Größe verstanden. Für spezifische Eigenschaften werden die ihnen zugeordneten speziellen Begriffe wie Präzision (Wiederholbarkeit unter gleichen Bedingungen), Reproduzierbarkeit, Messunsicherheit etc. verwendet, vgl. Abb. 10, Abschn. 5.4 und [12]).

  2. 2.

    ggf. unter Berücksichtigung der Erdkrümmung und der Lotlinienkonvergenz.

  3. 3.

    Analog handelt die Gesellschaft zur Kalibrierung Geodätischer Messmittel (GKGM) in Kooperation mit der PTB für geodätische Messmittel, die nicht durch Kalibrierlaboratorien geprüft werden können. Lasertracker nahmen am Ringversuch auf der 1-km-Basis in München teil [9].

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Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016

Authors and Affiliations

  1. 1.Geodätisches Institut (GIK)KITKarlsruheDeutschland

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