Überprüfen vor der Bearbeitung

Eine Messeinrichtung direkt in der Werkzeugmaschine ermöglicht dies und noch einiges mehr: Automatische Werkstücknullpunkterfassung, das Überprüfen des Rohteils vor der Bearbeitung – Rohlinge mit zu geringem Aufmaß können so schon vor der Bearbeitung erkannt und aussortiert werden – oder auch das Erkennen von Ungenauigkeiten beim Spannen komplexer oder sehr großer Bauteile. Bei letzteren, beispielsweise bei Zahnrädern für Windkraftanlagen, wird oft keine 100% Qualitätskontrolle nach der Fertigung auf einer Koordinatenmessmaschine durchgeführt, weil Maschinen, die solche Kolosse messen können, schlicht nicht zur Verfügung stehen.

Blum-Novotest bietet seit Jahrzehnten Messtaster und Lasermesssysteme für die Anwendung in der Werkzeugmaschine. Die Messtaster werden entweder im Arbeitsraum montiert und das Signal per Kabel an die Steuerung weitergegeben. Oder der Messtaster ist im Werkzeugmagazin untergebracht und wird wie ein beliebiges Fräswerkzeug in die Spindel eingewechselt und fährt dann das zu messende Werkstück oder Werkzeug an. In diesem Fall kommt zur Datenübertragung Infrarot- oder Funktechnologie zum Einsatz.

Die Blum-Messtaster arbeiten mit einem einzigartigem Messwerk: Während das Messwerk bei Mitbewerbern oft über ein Dreibein realisiert wird, arbeiten die Blum-Taster mit einem Messteller, der ringförmig auf einem Lagerring im Messtastergehäuse aufliegt. Beim Dreibeinprinzip wird durch die Auslenkung des Messeinsatzes ein Signal erzeugt, wenn der Stromkreis bei Abheben eines der drei Beine unterbrochen wird. Der Nachteil: Die Taster verschleißen auf Dauer, da bei jedem Schaltsignal ein Lichtbogen zwischen den mechanischen Kontakten entsteht. In den Blum-Tastern ist dagegen im Zentrum des Messtellers ein Präzisionstift angebracht, der durch die Auslenkung der Messseinsatzes nach oben in den Erfassungsbereich der Lichtschranke geschoben wird. Das hat den Vorteil, dass die Messkraft in allen Antastrichtungen identisch ist, während die Verhältnisse beim Dreibein variieren, je nachdem, ob man genau in Richtung eines Beines oder „zwischen" den Beinen misst.

Blum entwickelt die bisherige Technologie weiter

Die patentierte shark360-Planverzahnung, die in vielen Blum-Messtastern zum Einsatz kommt, verhindert zudem das Verdrehen des Messeinsatzes und erhöht damit die Genauigkeit des Systems weiter. Bisher geben die von Blum, aber auch von Mitbewerbern angebotenen Messtaster ein digitales Signal an die Maschinensteuerung weiter. Sobald die Maschinensteuerung dieses Schaltsignal erkennt, liest sie die Position der Achsen aus und kann daraus die exakte Position des gemessenen Punktes im Arbeitsraum erkennen. Im Dialog mit Kunden entwickelte Blum nun die bisherige Technologie weiter. Die Idee ist einfach: Wenn man den Beginn der Abschattung der Lichtschranke messen kann, dann muss es auch möglich sein, den prozentualen Anstieg der Abschattung auszuwerten, der entsteht, wenn die Messeinsatz immer weiter ausgelenkt wird. Damit lässt sich ein analoges Signal generieren, das den Einsatzbereich der Messung im Bearbeitungszentrum stark erweitert und zudem sehr viel Zeit einsparen kann. Digitale Messungen sind natürlich nach wie vor möglich. Durch die Hebelverhältnisse zwischen dem Messtasterinneren und dem jeweils eingesetzten Tasteinsatz ergibt sich ein analog nutzbarer Messbereich von 475 Mikrometer bei einem 30 Millimeter langen Tasteinsatz bis hin zu 1175 Mikrometer bei 100 Millimeter Tasteinsatzlänge.

Das Signal wird über einen Einbau- oder Aufbausockel, in den der Messtaster eingeschraubt wird, und ein bis zu 0,5 Meter langes Kabel an einen A/D-Wandler geleitet. Von diesem Wandler aus können auch längere Strecken bis zum Blum-D/A-Wandler überbrückt werden. Dessen Ausgangssignal ist ein typisches und von vielen Steuerungen weiterzuverarbeitendes 0-10 Volt-Signal. Der etwas ungewöhnliche Signalweg hat zwei Gründe: Analogübertragungen sind relativ anfällig gegen Einstreuungen und Störungen durch elektrische Abstrahlungen, weshalb der erste Teil des Kabels möglichst kurz gehalten wird. Die folgende Digitalstrecke ist wenig anfällig. Allerdings überträgt kein Standard-Übertragungsprotokoll die 50.000 Messwerte pro Sekunde, die der TC76-Digilog erzeugt, und so kommt auf der Übertragungsstrecke zum Schaltschrank ein Blum-eigenes Protokoll zum Einsatz.

Messzeit auf derselben Fläche auf 2 bis 3 sec gesenkt

Vorteile hat das analoge Messen immer dann, wenn es um die Beurteilung von Flächen oder Linien geht, zum Beispiel wenn eine Werkstückoberfläche auf Bearbeitungsfehler überprüft werden soll. Bei Nutzung eines schaltenden Digitaltasters müssen in einem solchen Fall sehr viele Punkte gemessen werden, um eine ausreichende Auflösung zu erreichen, während ein Analogtaster „scannend" über die Oberfläche geführt werden kann und in einem Bruchteil der Zeit mehr Punkte aufnimmt. Dabei werden erstaunliche Geschwindigkeiten erreicht, bis 2 m/min sind bei hervorragender Genauigkeit möglich. Im Test wurden Taster schon mit 5 m/min verfahren, bei immer noch sehr guter Messgenauigkeit. Solch extreme Geschwindigkeiten sind jedoch meist nicht notwendig. In einem Anwendungsfall wurden früher für 40 Messpunkte etwa 30 Sekunden benötigt, mit dem TC76-Digilog konnte die Messzeit auf derselben Fläche auf 2 bis 3 Sekunden gesenkt werden – bei 100.000 erfassten Messwerten und in höherer Präzision.

Ein typischer Anwendungsfall ist die Überprüfung von Ventilsitzen in PKW-Zylinderköpfen. Das Ventilsitzwerkzeug ist formgebend, die Präzision und Unversehrtheit des Werkzeuges also entscheidend für die Flächenqualität. Leider neigen diese Werkzeuge zu Mikroausbrüchen, die sich nicht zeitlich festlegen lassen, regelmäßiges Austauschen des Werkzeuges schafft also keine Abhilfe. Früher wurden die durch Mikroausbrüche entstandenen Ringwülste an den Ventilsitzen erst einige Zeit nach der Bearbeitung auf der Messmaschine festgestellt. In der Zeit zwischen dem Auftreten des Ausbruches bis zur Qualitätskontrolle wurde jedoch schon eine ganze Reihe weiterer Zylinderköpfe bearbeitet, die dann ebenfalls als Ausschuss weggeworfen werden mussten.

Digilog-Taster „erfühlt" sicher

Heute wird die Kontur jedes Ventilsitzes sofort nach dem Reibvorgang mit dem TC76-Digilog abgefahren. Die Wulst ist oft nur einen Zehntelmillimeter breit und wenige Mikrometer hoch, dies macht die Erkennung durch digitales Antasten einzelner Punkte nahezu unmöglich, da die Zahl der Messpunkte extrem hoch sein müsste, um diese winzigen Wülste zuverlässig zu finden. Dies führt wiederum dazu, dass die Messung zu lange dauert. Der Digilog-Taster „erfühlt" durch die analoge Messung Wülste absolut zuverlässig, so dass das Bearbeitungszentrum sofort gestoppt und das Ventilsitzwerkzeug gewechselt werden kann – nur ein Zylinderkopf geht verloren.Ein Hersteller von Zahnrädern hatte die Aufgabe, sehr große Zahnräder, die in den Getrieben von Windkraftanlagen zum Einsatz kommen, zu vermessen. Die Dimensionen dieser Zahnräder sprengen die Messmöglichkeiten von Koordinatenmessmaschinen, so dass die Verzahnung bisher nur stichprobenartig auf ihre Qualität geprüft wurde. Heute setzt der Kunde Blum-Digilog-Taster ein, die jedes Zahnrad direkt nach der Bearbeitung vermessen und so die gewünschte hohe Qualität absichern.

Revolutionär: digital und zudem analog messen

„Heute werden Bearbeitungsvorgänge in der Serienproduktion im Millisekundenbereich optimiert", erläutert Blum-Entwicklungsleiter Wolfgang Reiser, „da passen Messvorgänge, die mehrere Minuten oder noch länger dauern, nicht in den Fertigungsablauf, ganz zu schweigen von Qualitätskontrollen zwischen den Bearbeitungsschritten auf der Messmaschine. Dabei ersetzt die fertigungsintegrierte Messung im Bearbeitungszentrum die Qualitätskontrolle auf der Messmaschine nicht, sondern ergänzt sie. Das Messen in der Maschine dient der direkten Überwachung des Fertigungsprozesses, weniger der gesamthaften Qualitätskontrolle – Achsenfehler der Bearbeitungsmaschine kann ein Messtaster, der die selbe Achse zur Messung nutzt, nun mal nicht ausgleichen."

Das Einsatzspektrum der Blum-Messtaster ist zudem breiter, das automatische Einmessen von Werkstücken oder die Nullpunkterfassung sind Beispiele dafür. Temperaturdrift oder ungenau aufgespannte Werkstücke lassen sich schnell erkennen. Dabei ist der Messtaster TC76-Digilog im mechanischen Anschluss kompatibel zu den typischen 25mm-Messtastern mit M16-Befestigungsgewinde – und das digitale Messen ist natürlich nach wie vor uneingeschränkt möglich.

Einen Messtaster auf der Bearbeitungsmaschine schaltend, also digital und zudem analog messend einsetzen zu können, sehen nicht nur die Spezialisten von Blum als revolutionären Schritt an. Für diese Technologie-Kombination das Kunstwort „digilog" zu etablieren, lag also nahe. Auch die Mehrkosten gegenüber einem rein digitalen Messtaster halten sich in Grenzen, Blum-Novotest denkt sogar darüber nach, die Analogfähigkeit in seinen anderen digitalen Messtastermodellen nachzurüsten; ein kabelloses Modell, das einfach aus dem Werkzeugmagazin eingewechselt werden kann, soll schon bald auf den Markt kommen. W