Koordinatenmessgeräte (KMG) erweitern ihren Marktanteil

Das ehrwürdige Koordinatenmessgerät bleibt stark – Hersteller nutzen Automation-Fähigkeiten gegen Fachkräftemangel

Bei KMGs rollen die guten Zeiten weiter. „Eines der überraschenden Dinge in den letzten 3–4 Jahren: die schiere Menge an KMGs, die wir ausliefern“, sagt Angus Taylor, President Hexagon Manufacturing Intelligence, Nordamerika (North Kingstown, RI). „Der Markt scheint wirklich zu explodieren.“

Warum jetzt?

Mehrere Gründe. Heutige KMGs tolerieren breiteren Temperatur- und Vibrationsbereich. Sie sind robuster, kompakter, messen genauer. Sie messen schneller als je zuvor. Auch Shopfloors sind nicht mehr, was sie waren. „Fertigungsanlagen werden sauberer“, sagt Taylor. Heutige Präzisionsbearbeitung/-fertigung verlangt sauberere Umgebungen – macht sie auch KMG-freundlicher.

Vielleicht am wichtigsten: Es geht ums Personal.

„Hersteller finden nicht genug qualifizierte Leute, also schauen sie jetzt auf KMGs als automatisierte Messsysteme“, erklärt Taylor. „Eine Person kann Messprogramme für 20 [CNC-gesteuerte] KMGs erstellen.“ Das reduziert Operator-Skillset auf Be-/Entladen (evtl. mit Präzisionsvorrichtungen) und richtiges Messprogramm aufrufen. Hexagon bietet drei Shopfloor-KMGs: 4.5.4SF, 7.10.7SF, neuestes TIGO SF.

Mit Barcodes und robotischem Materialhandling lässt sich sogar Be-/Entladen automatisieren.

„Es gibt auch Trend zu Metrologie als Teil der Fertigungsoperation“, sagt Michael Mariani, Director Strategic Development, Hexagon Manufacturing Intelligence. Heißt: Messgeräte integriert in Closed-Loop-Fertigungszelle, wie kürzlich von Hexagon demonstriert. Demo: Teile bearbeitet, dann per Roboter zu KMG. KMG liefert automatisch Infos, wie Bearbeitung justiert werden muss, um Toleranzen zu halten.

Sensoren und Wachstum

KMGs werden nützlicher, da Supplier mehr Sensoren anbieten. Vielfalt spiegelt sich in Hexagons eigener Probe-Suite: Tasttaster, Scanning-Probes, Rauheitsmessung, HP-O optischer Sensor basierend auf interferometrischer Lasertechnologie.

Sensoren und Taster sind Kerngeschäft von Renishaw PLC (West Dundee, IL / New Mills, UK) – Erfinder des Tasttasters, der KMGs erst populär machte. Zum PH10 3-Achs-Taster erfand Renishaw 5-Achs- und schnelle PH20 und Revo-Köpfe für höheren KMG-Durchsatz: lokale Bewegung bei stehendem KMG-Mechanismus, weniger bewegte Masse, schnellere Datenerfassung. Bedeutet aber auch weniger Systemsteifigkeit, mehr Fehler → langsamere Messung.

Taster/Sensoren nicht zwingend an KMGs. Können in flexiblen Messsystemen wie Renishaw Equator oder in Werkzeugmaschinen sitzen. Dennoch muss KMG Sicherheit geben, dass Produkt präzise gefertigt wird. Werkzeugmaschinen können aus Toleranz driften, sagt Michael Litwin, Renishaws CMM Products Business Manager. „Man will Traceability zu NIST-Normal. Man braucht KMG weiterhin als unabhängigen Check.“

Renishaw erkennt: selbst industrie-standard Tast-/Scanning-Analogtaster decken nicht alle Bedürfnisse ab. Februar 2018: Renishaw führte SFP2 Oberflächenmess-Taster für REVO 5-Achs-Messsystem an KMGs ein. „Macht Oberflächeninspektion integralen Teil KMG-Messung, ermöglicht Umschalten zwischen Scanning und Oberflächenmessung“, so Litwin. SFP2: Skidded Probe mit 2-µm-Radius-Diamantstylus. Messbereich: 6,3 µm bis 0,05 µm (250 µin bis 2 µin) Ra.

Renishaw führte auch Vision-System für Revo-2-Kopf ein: RVP Vision Probe. Laut Litwin misst Features aus 2D-Bildern via Kanten-Detektion. 3D-Daten durch Erfassen mehrerer Bilder aus verschiedenen Winkeln + Postprocessing. „Eröffnet weitere Messmöglichkeiten, wo taktil ungeeignet: kleine Kühlbohrungen in Turbinenschaufeln, Blechteile mit komplexer 3D-Geometrie.“

„KMGs typisch für große Features, aber nicht zwingend große Volumen. Viele Märkte treiben kleinere Features und Capabilities, die Non-Contact-Technologien erfordern“, sagt Nate Rose, New Product Development Manager, Quality Vision International Inc. (Rochester, NY).

Neueste 5-Achs-Maschinen und Additive Manufacturing ermöglichen Teile mit komplexen, filigranen Features, deren Dimensionen/Positionen verifiziert werden müssen. „Manchmal sind diese Features am besten mit optischem, berührungslosem Sensor als Teil größeren taktilen Probings für Punktesammlung zu messen.“

Deshalb bietet QVI Videosysteme, Linescan-Laser, Rainbow-Weißlichtsensoren, TeleStar-Lasertaster zusätzlich zu Renishaw TP20, TP200, SP25 Kontakttastern auf seinen KMGs.

„VersaFlex Multisensor-Kopf erlaubt simultane Nutzung bis zu drei Sensoren an PH10 – erreichen Features invirtuell jeder Orientierung“, sagt Rose. „Kleinere Features manchmal nicht taktil-tauglich, wenn Feature-Lage nicht kontrolliert. Vision-Sensor aktiv auf VersaFlex: Feature erst finden, als Referenz setzen, dann taktil messen. Punktsensoren für hochauflösende Oberflächenprofile.“

Wie andere KMG-OEMs bietet Wenzel America Ltd. (Wixom, MI) Renishaw-Tasttaster plus zwei eigene Sensoren. Wenzels Phoenix-Sensor nutzt strukturiertes Licht (Weißlichttechnik) für 3D-Punktwolke – leicht genug für KMG-Tasterkopf. Anderer Sensor: Shapetracer Laser-Linien-Scanner, auch auf Standard-Renishaw-Tasterkopf montierbar.

Maschinen und Integration

„Wir sehen Wechsel im Ownership der Metrologie-Equipment“, sagt Drew Shemenski, President Wenzel America. „Echter Shift: vom Labormaschine unter Qualitätsgruppe zur Fertigungsteam. Die sind jetzt Inhaber und Betreiber der Geräte.“

Mai: Wenzel führte SF 87 Shopfloor-KMG ein. Shemenski betont: Multisensor-fähig, bereit für alle Wenzel- und Renishaw-Taster. Messvolumen 800×700×700 mm – aligniert mit gängigen Größen von Zerspanungs-/Umformmaschinen. Hohe Verfahrgeschwindigkeiten/Beschleunigungen für schnelleres Messen. Temperatureinsparende Struktur, schmutzresistente Führungen/Skalen. Messraum von drei Seiten zugänglich, integriert mit Automation via optionalem Wenzel Automation Interface.

„KMG-Markt heute stark“, stimmt Gene Hancz, Product Specialist CMM, Mitutoyo America Corp. (Aurora, IL) zu. Mitutoyo: KMGs in Brücken-, Arm-, Horizontalbauweise, Standard/High/Ultra-High Accuracy. „Standard-Genauigkeits-Brücken-KMG ist Workhorse.“

Änderung in KMG-Nutzung? „Definitiv, weiter Richtung Shopfloor“, so Hancz. „Ob Walk-up-Maschine [Allgemeinnutzung] oder in Roboterzelle integriert.“ Integrationen: von manueller Bestückung bis vollautomatisch mit Roboterzellen, die Teile automatisch zuführen und Messprogramme ausführen.

Wie andere Supplier bietet Mitutoyo Shopfloor-KMGs: Mach-Serie in drei Modellen. Mach-3A: Horizontalarm für Inline-Messung – platzsparend. Mach-V-Serie: für Fertigungslinie, Pre/Post-Feedback an Werkzeugmaschine für Bearbeitungskorrektur.

Interessanter Ansatz: Mach Ko-Ga-Me – montierbares KMG. „Man kann es auf jede Vorrichtung montieren, sogar inside CNC-Fräsmaschine“, erklärt Hancz. Messbereich 120×120×80 mm, Bewegungen bis 340 mm/s, bis 2 µm Genauigkeit – ideal für Kleinteile.

„Probentechnologie expandiert, wir bieten alles Verfügbare“, sagt Hancz. „Beliebtestes: Renishaw SP25 Scanning Analog Probe, Datenerfassung bis 100 mm/s.“ Mitutoyo auch skidded Rauheitstaster. CMM Surftest Probe abgeleitet von portablen SJ-210/310 Oberflächenmessgeräten. Fünf Taster: Standard, Small-Hole, Extra-Small-Hole, Deep-Groove, Gear-Tooth Detectors.

„Steigende Nachfrage in Medical und Aerospace, besonders für Multisensorsysteme“, sagt David Wick, Manager Product Management, Carl Zeiss Industrial Metrology LLC (Maple Grove, MN). Zeiss führte April Rauheitstaster Rotos Sensor ein – ergänzt Suite aus Tast-, Scanning-, Optischen Non-Contact-Sensoren. Non-Contact: Kamerasensoren, konfokaler Weißlichtsensor.

Rotos: Skidless Kontakt-Oberflächentextur-Sensor mit LVDT-Detektor, zwei kontinuierlich rotierenden/schwenkenden Achsen. Je nach Messmaschine/Stylus: Ra bis 0,03 µm bei 0,25–1,0 mm/s.

Zeiss bietet Shopfloor-Produktions-KMGs: GageMax, CenterMax, DuraMax. Wick: DuraMax expandierte in vier Modelle – DuraMax LTE, DuraMax CNC, DuraMax CNC mit Drehtisch, DuraMax HTG (für Umgebungen bis 100 °F / 38 °C). KMGs mit Scanning-Probe, kleinen Footprints, einfacher Messraumzugänglichkeit.

CenterMax: Brücken-KMG, besonders nützlich bei High-Volume-Produktion hochengineerter Teile – Automotive Powertrain, Aerospace. „Neuen Rauheitstaster [Rotos] zu CenterMax hinzugefügt. Mit einem Setup: Durchmesser/Bohrungen messen, dann kritische Oberflächenrauheit.“

Ein Taster, eine Maschine

Da Kunden Nutzen in KMGs mit Sensorkombinationen finden, geht Alicona Corp. (Bartlett, IL) leicht anderen Weg: mehr Nutzungen für einzelnen Sensor. Kern: Non-Contact-Sensor nutzt Fokusvariation.

Technik liefert hochauflösende Oberflächendaten bei begrenzter Schärfentiefe. Ähnlich aber fortgeschrittener als konfokale Imaging/optisches Sectioning – liefert auch Farbdaten. Misst Form und Rauheit. Besonders nützlich in Produktion, so Unternehmen.

Alicona adaptierte als alternatives Form-/Geometrie-Messmittel, erweitert Nutzung. Da Reichweite fehlt, brauchte man präzise Bewegung über großes Objekt für Formmessung. Daher: 3D Focus-Variation Messinstrument auf präziser 3-Achs-Bühne montiert – µCMM Koordinatenmessmaschine. Motorisierte Rotationseinheit (Advanced Real3D Rotation Unit) liefert 5-Achs-System auf Wunsch. Genauigkeit: EMPE = (0,8 + L/600) µm per ISO 10360:8.

„Mit unseres Sensors einzigartigen Features können wir Strategie vermeiden, die in KMG-Welt immer üblicher wird: Multi-Sensor-Integration in einem KMG-Rahmen. Fokusvariation lässt uns Einzel-Sensor nutzen. [Auch:] robuster, weniger fragil, user-freundlicher als Herumfummeln an Multi-Sensoren“, sagt Scherer.

KMGs im Kontext

„Neue Tools und erweiterte Multisensor-Capabilities werden wachsen, aber wie sie ins Ökosystem passen, wird wichtig“, sagt Zeiss’ Wick. „Besonders in Europa viele Beispiele, wo Kunden KMGs mit nahen Werkzeugmaschinen zusammenarbeiten lassen zum Informationsaustausch.“

Während KMG, das Offsets an Bearbeitungszentrum liefert, nützlich ist, sieht er weitere Integrations- und Maschinenkollaborations-Chancen. Weltweit: noch wenige volle Smart Factory Implementierungen, die KMGs in Industry 4.0 einbinden.

„In USA sogar noch weiter hinten dran“, sagt er. „Aber das könnte sich bald ändern. Erwartung: KMG-Vendor bieten in kommendem Jahr/zwei mehr Automation-Optionen auf Maschinen. Evtl. Add-on-Box für ProfiNet/ProfiBus-Kommunikation. Mit Informationsaustausch auf Maschinenebene kommt Smart Factory.“

Wenzels Shemenski sieht: Upstream-Integration der KMG-Programmierung wird wichtiger. „Model-Based Design Technology mit GD&T-Anbindung an CAD-Modelle früh im Programm wird real. Kinks zu lösen, Upstream-Designer müssen erkennen, dass Verantwortung wächst – Trend zu beobachten.“

Das öffnet Automatisierung der Messprogrammerstellung – solange valides GD&T an validen CAD-Modellen hängt. „Spannender Trend: Messprogramme automatisch aus CAD-Modellen mit angehängtem GD&T erstellen“, stimmt Hancz zu. Jeder OEM-Supplier, interviewt für diesen Artikel, hat Metrologie-Software für Teileprogramme. Gegenwärtig selten genutzt – nächster Trend könnte sein, wie Designer GD&T in Upstream-Designprozessen neu denken. Stay tuned.