Walk-Up-Metrologie schlendert in Maschinenhallen

Es kommt oft vor, dass ein Maschinist, während er ein paar Teile schneidet oder sich auf einen ersten Lauf vorbereitet, einige Teile oder einige kritische Merkmale überprüfen muss. Oberflächen müssen stichprobenartig geprüft, Rundheit oder Konzentrizität bestätigt werden. Manchmal funktioniert ein Handmessgerät, aber mit zunehmender Komplexität der Teile und immer engeren Zeitplänen werden oft leistungsfähigere Maschinen benötigt.

„Es gibt vielleicht einen Werkzeugmacher, der einen Fräser schleift oder ein spezielles Formwerkzeug herstellt, der nur einen Radius messen möchte“, sagte Mark Arenal, General Manager von Starrett Kinemetric Engineering (Laguna Hills, CA). In diesem Fall benötigt er ein begehbares Messinstrument, das sowohl anpassungsfähig als auch in der Lage ist, eine Vielzahl von Messungen durchzuführen. „Viele der Instrumente, die wir herstellen, eignen sich gut für die „begehbare Messtechnik“ in der Werkstatt“, sagte er. Gute Beispiele sind die AVR- und MVR-Reihe von 2D-Vision-Systemen von Starrett. Diese reichen von manuell bis voll CNC. Laut Arenal kann der Werkzeugmacher hingehen, sein Teil auf der Einheit auf der Bühne platzieren, den Radius des Fräsers abbilden und schnell eine Messung vornehmen. "Sehr einfach. Ein Merkmal, eine Messung, er erhält einige Daten, schreibt sie auf und geht weg“, sagte er.

Der Schlüssel zum Konzept, insbesondere bei CNC-Maschinen, liegt sowohl in der Software als auch in der Maschine selbst. „Die Systemsoftware macht die Verwendung in diesem Szenario mit minimalem Schulungsaufwand relativ einfach. Sie können das Merkmal, das Sie auf dem Bildschirm sehen, tatsächlich berühren und messen“, erklärte er.

Um jedoch wirklich kosteneffektiv zu sein, muss die Maschine auch für die Produktion größerer Stückzahlen anpassbar sein. „Beispielsweise haben Sie vielleicht einen Inspektor, der eine Erstmusterprüfung mit 100 % an mehreren Teilen durchführen möchte – sagen wir, 10 oder 20 Teile. Dieser Prüfer kann auf derselben Maschine ein Teileprogramm schreiben und eine Messsequenz erstellen, um das erste Teil mit allen erforderlichen Daten und Berichtsformatierungen zu messen. Anschließend kann der Benutzer das Teileprogramm speichern und anschließend den Rest der Teilecharge messen“, sagte er. „Diese Ausrüstung wird für ein Unternehmen wertvoller sein, wenn [sie Platz für] mehrere Benutzer bietet und ihre Jobs inspiziert werden können.“

Ein besonders produktives Gerät von Starrett ist laut Arenal das HVR100-FLIP, das 2017 auf den Markt kam. Dieses optische Messsystem für den Tisch kann entweder in vertikaler oder horizontaler Ausrichtung verwendet werden und verfügt über hochauflösendes digitales Video und Präzisionsoptik für ein genaues Feld Sichtweite von bis zu 90 mm, so das Unternehmen.

Einfachheit und Genauigkeit

Ein weiterer zwingender Grund für den Einsatz von Vision- und Multi-Vision-Systemen wird von David Wick, Manager, Produktmanagement bei Carl Zeiss Industrial Metrology Technology LLC (Maple Grove, MN) erläutert. „Menschen, die begehbare Messtechnik wünschen, sind in der Regel nicht hinter dem letzten Zehntel Mikrometer her“, sagte er. Benutzerfreundlichkeit ist in der Regel wichtiger als Genauigkeit. „Das ist ein Paradigmenwechsel. Was wichtig ist, ist die Benutzerfreundlichkeit und Wiederholbarkeit“, sagte er. Er stellte fest, dass die begehbare Messtechnik ein System erfordert, das gemeinsame Merkmale wie Kreise, Radien und Schlitze erkennen kann. „Sie könnten also auf die Schaltfläche klicken, schnell eine Messung vornehmen, eine Abmessung und eine Toleranz eingeben und loslegen“, sagte er. Er stimmte zu, dass Bildverarbeitungssysteme wie die O-Select-Reihe von Zeiss ideal für die begehbare Messtechnik sind. Bildverarbeitungssysteme von Zeiss umfassen eine vollständige Suite leistungsfähiger Software zur Identifizierung gemeinsamer Merkmale und zur Erstellung von Teileprogrammen.

Konsistenz ist auch wichtig. „Sie möchten, dass die Maschine gute Messwerte liefert, unabhängig davon, wer sie berührt hat“, sagte Wick. Das bedeutet seiner Meinung nach die Einhaltung von ISO-Normen und die Möglichkeit, Routinemessungen in einem Teileprogramm zu erfassen. „Der O-Select ist nach ISO 10360-7 kalibriert“, erklärt er. „Es fokussiert automatisch, beleuchtet und kann mehrere Kopien desselben Teils verarbeiten“, sagte er. Wichtig ist auch die Wiederverwendbarkeit. „Nehmen wir an, Sie haben gestern ein schnelles Programm erstellt, um fünf Dimensionen an einem neuen flachen 2D-Objekt zu messen, und heute sind Sie mit sechs Prototypen gekommen. Legen Sie sie auf die Maschine, drücken Sie einen Knopf und die Maschine würde alle sechs nacheinander messen“, erklärte er. „Das sehen wir oft.“

Tim Moriarty, Senior VP für QVI (Rochester, NY), stimmte zu, dass neuere Videosysteme einfacher zu bedienen sind. Er stellte fest, dass sie für den Einsatz in der Werkstatt mit Handwerkzeugen wie Mikrometern oder sogar fortschrittlicheren Werkzeugen wie optischen Komparatoren konkurrieren, die wenig bis gar keine Schulung erfordern. Daher liegt die Betonung auf Einfachheit. „Einige unserer Messsysteme ermöglichen es jedem, buchstäblich hinaufzugehen, das Teil ohne Vorrichtung in einer beliebigen Position abzulegen, einen Knopf zu drücken und sofort eine Reihe von Messungen am Teil zu erhalten – sogar ein Erstmuster oder Teil in Bearbeitung“, er gesagt.

Moriarty stimmte mit anderen für diesen Artikel Befragten überein, dass eine solche Benutzerfreundlichkeit zu einer einfachen Datenübertragung für die Prozesssteuerung und Aufzeichnung führt. Der Vorteil benutzerfreundlicher Videosysteme besteht darin, dass sie im Vergleich zu anderen Walk-up-Geräten von Natur aus genau und schnell sind. „Wir versuchen, die Erfahrung zu verbessern, ein Paar Messschieber in die Hand zu nehmen oder das Teil auf einen Komparator zu legen“, sagte er, indem wir sowohl schnellere als auch genauere Messungen liefern. Er stellte fest, dass Videomesssysteme wie die QVI Snap-Serie problemlos eine Genauigkeit von 0,0001–0,0002″ (0,00254–0,00508 mm) liefern.

„Unsere neue Reihe von Snap-Videomessgeräten mit großem Sichtfeld (LFOV) erfüllt diese Nachfrage“, sagte er. Snaps verfügen laut Angaben des Unternehmens über ein Sichtfeld von 100 mm, Merkmalsextraktion, automatische Teile-ID und eine Genauigkeit von mehr als 0,0001″. Die Modelle reichen vom Tischgerät Snap100 mit einem Sichtfeld von 100 mm Durchmesser und ohne beweglichen Objekttisch bis zum Snap 350 mit großer Kapazität und einem Messbereich von über 350 × 350 mm.

Die dritte Dimension

Es gibt Zeiten, in denen eine vollständigere Messung in der dritten Dimension wünschenswert oder erforderlich ist, sogar in begehbaren Messszenarien. Dafür weist Moriarty auf das QVI Fusion 400 des Unternehmens hin, ein LFOV-Multisensor-Messsystem, das die 3D-Messung automatisiert. Es hat ein Messvolumen von 350 × 250 × 250 mm und ist multisensorfähig mit Videomessung und verfügbaren Trigger- und Rastersonden. Es enthält einen interferometrischen TTL-Laser TeleStar Plus.

Während Vision-Systeme ideal für zwei Dimensionen sind und Multisensor-Systeme auf Vision-Basis ideal für zweieinhalb Dimensionen sind, ist manchmal eine Messung in voller 3D erforderlich. „Hier sind Blaulichtscanner ideal für dieses begehbare Messkonzept“, sagt Wick. Zeiss bietet seine Comet-Reihe von 3D-Scannern auf Basis der Blaulichttechnologie an. „Sie können Ihr 3D-Werkstück oder -Teil auf den Drehtisch legen, eine Taste auf einem Laptop drücken und der Drehtisch wird gedreht, das Werkstück gescannt und ein 3D-Modell davon erstellt“, sagte er. Das Messen kritischer Abmessungen und Toleranzen erfordert ein verfügbares CAD-Modell. Wenn jedoch eines verfügbar ist, kann es sich um das ultimative Messkonzept für begehbare Geräte handeln.

„Wir sehen einen klaren Trend bei Bedienern, die näher am Produktionsort inspizieren müssen, wobei Produktionsingenieure und Bediener bei Zwischenschritten im Produktionsprozess gute Messungen vornehmen müssen“, sagte Dan Brown, Director, Product Management bei Creaform Inc. (Levis, CA). Er stimmte von ganzem Herzen zu, dass für die Erfassung von 3D-Messungen ein 3D-Gerät erforderlich ist, wie z. B. die Geräte HandyScan 3D, HandyProbe und MetraScan 3D von Creaform. Er stellte fest, dass es eine große Nachfrage nach 3D-Metrologiemessungen im Messbereich von 25–75 µm gibt, dem idealen Genauigkeitsbereich dieser Geräte.

„Messschieber sind sehr gut, reichen aber nicht aus, um komplexe Teile schnell in 3D zu messen“, sagte er. KMGs sind genau, erfordern jedoch – normalerweise – ein Teileprogramm und beträchtliches Fachwissen, um angemessen zu funktionieren. Das macht die typische Benutzerfreundlichkeit und Tragbarkeit von Scannern ideal für Anwendungen, bei denen eine Genauigkeit im mittleren Bereich erforderlich ist. Geschwindigkeit bietet seine eigene Benutzerfreundlichkeit. Optische 3D-Scanner, einschließlich Blaulichtscanner wie die von Creaform (und anderen), erfassen normalerweise hohe Datenraten von 100.000 bis 1 Million Punkte pro Sekunde – viel schneller als ein typisches CMM und bieten einen Walk-up-Dienstprogramm.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist aus seiner Sicht die Portabilität. „Einige unserer Kunden haben einen bestimmten Ort für die Verwendung des Scanners, wo sie das Teil dorthin bringen“, sagte er. „Aber manchmal bringen sie das Gerät zum Einsatzort.“ Es ist gewissermaßen eine umgekehrte begehbare Metrologie. Der Vorteil, das Gerät an einem zentralen Ort aufzubewahren, besteht darin, dass es sich in einer kontrollierten Umgebung befindet. Der Vorteil, es bewegen zu können, ist die Flexibilität.

Brown wies auf ein weiteres universelles Problem hin, das die begehbare Messtechnik mit der Messtechnik im Allgemeinen gemeinsam hat – das Zusammenspiel zwischen Schulungsanforderungen und einfach zu bedienender und verständlicher Technologie. „Ich würde jeden messtechnischen Vorgang in zwei Teile aufteilen, Messung und Inspektion“, erklärte er. Die Messung nimmt 3D-Punkte auf, um diese in einen Computer zu bekommen. Was Sie brauchen, ist eine Inspektionssoftware, um Informationen zu den Merkmalen zu extrahieren, die Sie messen möchten. Sein Punkt ist, dass Sie in jedem Fertigungsbetrieb Mitarbeiter benötigen, die sowohl in den Bereichen Messung als auch Inspektion geschult sind. Noch besser sind Mess- und Inspektionssysteme und Software, die gleichermaßen einfach zu bedienen sind. „Ausgebildete Messtechniker sind schwer zu finden“, erklärte er und erklärte Creaforms Schwerpunkt auf der Entwicklung benutzerfreundlicher Inspektionssoftware und Messgeräte.

Ein weiteres Gerät, das 3D-Messungen bereitstellt, ist das tragbare CMM der XM-Serie von Keyence Corp. of America (Itasca, IL). „Es ist so konzipiert, dass es überall in jeder Umgebung verwendet werden kann und es einem Benutzer ermöglicht, darauf zuzugehen und schnelle Antworten zu erhalten“, sagte Steve Chirichella, regionaler Produktverkaufsleiter bei Keyence. Das Unternehmen stellt es als tragbares KMG vor. Eine Kamera erfasst Nahinfrarotlicht, das von sieben verschiedenen Markern auf einer Handsonde emittiert wird, um die Position einer Stiftspitze zu bestimmen. „Es gibt keine beweglichen Teile“, erklärte er. „Wir haben die Encoder oder alles andere, was sich abnutzt, losgeworden, was die Maschine langlebig macht und die Notwendigkeit von Wartung und Neukalibrierung eliminiert.“ Die Teile werden auf einer beweglichen Bühne platziert. Es sei darauf hingewiesen, dass das System für Teile im Bereich von 3 × 2 × 1′ (0,9144 × 0,6096 × 0,3048 m) ausgelegt ist.

Das Gerät benötigt zwar keine speziellen Teileprogramme, um Messungen durchzuführen, kann aber Programme mithilfe von Augmented Reality erfassen. Es enthält eine kleine Kamera an der Sondenspitze, die neben dem äußeren Erscheinungsbild des Ziels auch eine Beschreibung der Messung und den Messwert anzeigen kann. Die Software umfasst die Möglichkeit, Berichte mit den begleitenden Fotos zu erstellen, die von der Sondenspitzenkamera aufgenommen wurden. Für jeden Messpunkt zeigt das Gerät den Elementnamen und die Nummer sowie die Messergebnisse in Echtzeit auf einem von der Kamera aufgenommenen Bild an, das auf dem Monitor vor dem Bediener angezeigt wird. „Manchmal stellen unsere Kunden das XM-Gerät auf einen Wagen statt an einen zentralen Ort und bringen das Gerät zum Arbeitsplatz“, sagte er. Es ist besonders nützlich in Maschinenwerkstätten, die komplexe Teile in kleinen Mengen mit einem hohen Mix herstellen.

Alternative Konzepte

Chirichella bemerkte auch, dass das Keyence IM-Videomesssystem auch in das Walk-up-Konzept passen könnte. Das System soll den optischen Komparator ersetzen oder den optischen Komparator ins 21. Jahrhundert bringen, sagte er. Im Gegensatz zu anderen Geräten, die als begehbar ausgelegt sind, erfordert die IM-Serie, dass das Teileprogramm dafür geschrieben wird. „Die Maschine ist auf Geschwindigkeit und fast schmerzhafte Einfachheit ausgelegt“, erklärte er. Es gibt auch eine Funktion namens „automatisches Messen“, bei der Bediener das Teil auf der Bühne platzieren, einen Rahmen zeichnen und alles messen, was besser zum Walk-up-Paradigma passt. Chirichella erzählte von einem Unternehmen, das sein Qualitätslabor nutzt, um Programme für sechs oder sieben Maschinen zu schreiben, die über das Werk verstreut sind, sodass Benutzer schnell auf validierte Teileprogramme zugreifen können.

Andere bewährte Geräte wie das manuelle KMG passen laut Gene Hancz, Produktspezialist für KMG bei Mitutoyo America Corp. (Aurora, IL), ebenfalls in das begehbare Messkonzept. Er stimmte zu, dass der Trend weg davon gehe, sich ausschließlich auf Inspektionsabteilungen zu verlassen, und mehr dazu, Messgeräte zugänglich zu machen, um ihre eigene Arbeit zu überprüfen. Er stellte fest, dass die Mehrheit der KMG-Verkäufe heute CNC-gesteuert sind, wo das manuelle KMG einen Mehrwert für einfache, eindimensionale Messungen bietet. „Manuelle KMGs können auf zwei Arten verwendet werden“, erklärte er. „Zum einen werden Teileprogramme für sehr spezifische Prüfungen verwendet, die häufig verwendet werden. Das andere ist, wo es überhaupt kein Programm gibt, jemand kommt, um eine einzelne oder zwei- oder dreidimensionale Prüfung durchzuführen, und sie richten die Dinge manuell ein.“ Das passt genau zur Definition von begehbarer Messtechnik.

Ein gutes Beispiel ist das Crysta-Plus M Series 196-Manual-Floating Type CMM von Mitutoyo, das Teile bis zu 700 × 1000 × 600 mm misst. Laut Hancz ist es ideal für tägliche Aufgaben, wie das Einrichten einer Werkzeugmaschine, um ein erstes Teil zu prüfen.

Schließlich sollten die einfachsten Werkzeuge im Kontext der begehbaren Messtechnik nicht außer Acht gelassen werden. „Höhenmessgeräte und Richtplatten sind die gängigsten Artikel im Geschäft“, sagte Mike Creney, Vice President of Sales bei Mitutoyo. „Die meisten benötigen weder Strom noch Luft, und mit einigen anständigen mathematischen Fähigkeiten kann jeder ein Teil auf Toleranzakzeptanz messen, untersuchen und bewerten. Der alte Weg funktioniert immer noch mit Höhenständern, Testindikatoren und ist immer noch am billigsten.“ Das Beste ist, dass Handwerkzeuge den meisten Anfängern leicht beigebracht werden können. Zu den Neuentwicklungen bei Handwerkzeugen von Mitutoyo gehören das QuantuMike, ein Hochgeschwindigkeits-Mikrometer, und das MDH-Mikrometer mit 0,0001 mm Auflösung. „Dies bringt die weltweit beste Auflösung in die Fertigung“, sagte er.

Creney wies auch auf andere bewährte Geräte hin, von denen viele von Mitutoyo angeboten werden, wie etwa Profilprojektoren und Oberflächenrauheitsmessgeräte, für deren Betrieb jedoch einige zusätzliche Kenntnisse erforderlich sind. Eine automatisierte CNC-Vorrichtung sollte in einem begehbaren Szenario nicht vollständig ausgeschlossen werden. „Ein typischer Weg ist die Verwendung eines CNC-Systems mit einer Schnellspannvorrichtung, die am Messgerät montiert ist“, sagte Creney. „Wenn Sie mehrere Drehmaschinen verwenden, haben Sie möglicherweise ein Rundheitssystem an einer zentralen Stelle. In der Überwachungsphase können Sie eine spezielle Montagevorrichtung haben, um das Teil zu zentrieren, und einfach das zylindrische Werkstück in die Vorrichtung legen, handfest anziehen und einen Knopf drücken. In wenigen Minuten können Sie die Rundheit auswerten und die Einstellungen der Drehmaschinen versetzen oder ändern.“

Zuvor auf AdvancedManufacturing.org vorgestellt.