In-Shop-Metrologie aufwerten: Walk-Up-Services für präzise Teileinspektion

Es gibt viele Situationen, in denen ein Zerspaner – beim Schneiden weniger Teile oder bei der Vorbereitung eines Erstlaufs – einige Teile oder kritische Features prüfen muss. Oberflächen müssen spot-geprüft, Rundheit oder Konzentrizität bestätigt werden. Manchmal reicht ein Handmessgerät, aber mit steigender Teilekomplexität und engeren Terminen werden leistungsfähigere Maschinen oft nötig.

„Es kann ein Werkzeugmacher sein, der einen Fräser schleift oder ein Sonderformwerkzeug fertigt und nur einen Radius messen will“, sagte Mark Arenal, General Manager von Starrett Kinemetric Engineering (Laguna Hills, CA). In diesem Fall braucht er ein Walk-Up-Metrologie-Instrument, das sowohl anpassungsfähig als auch fähig ist, eine breite Palette an Messungen durchzuführen. „Viele unserer Instrumente funktionieren hervorragend für ‚Walk-Up-Metrologie‘ auf dem Shopfloor“, sagte er. Gute Beispiele sind Starretts AVR- und MVR-Linie 2D-Visionssysteme. Diese reichen von manuell bis voll CNC. Der Werkzeugmacher kann hingehen, sein Teil auf die Bühne legen, den Radius des Fräsers abbilden und schnell messen, so Arenal. „Sehr einfach. Ein Feature, eine Messung, er bekommt Daten, notiert sie und geht weg.“

Der Schlüssel zum Konzept, besonders für CNC-Maschinen, liegt ebenso in der Software wie in der Maschine selbst. „Die Systemsoftware macht es in diesem Szenario relativ einfach zu bedienen, mit minimalem Training. Sie können das Feature, das Sie auf dem Bildschirm sehen, tatsächlich berühren und messen“, erklärte er.

Um jedoch wirklich kosteneffektiv zu sein, muss die Maschine auch für höhere Volumenproduktion anpassbar sein. „Zum Beispiel: Ein Prüfer möchte eine Erstmusterprüfung bei 100 % an mehreren Teilen durchführen – sagen wir 10 oder 20 Teile. Der Prüfer kann ein Teileprogramm auf derselben Maschine schreiben und eine Messsequenz erstellen, um das erste Teil mit allen benötigten Daten und Report-Formatierung zu messen. Fertig, kann er das Teileprogramm speichern und anschließend den Rest des Loses messen“, sagte er. „Diese Ausrüstung wird für ein Unternehmen wertvoller, wenn [sie] mehrere Nutzer und deren Jobs inspizieren kann.“

Ein besonders produktives Gerät von Starrett, so Arenal, ist der HVR100-FLIP, 2017 veröffentlicht. Dieses Tisch-Vision-Messsystem kann sowohl vertikal als auch horizontal genutzt werden und bietet hochauflösendes Digitalvideo und Präzisionsoptik für genaue Field-of-View-Messungen bis 90 mm, laut Hersteller.

Einfachheit und Genauigkeit

Ein weiterer überzeugender Grund für Vision- und Multi-Vision-Systeme wird von David Wick erklärt, Manager Product Management bei Carl Zeiss Industrial Metrology Technology LLC (Maple Grove, MN). „Leute, die Walk-Up-Metrologie wollen, suchen typischerweise nicht das letzte Zehntel Mikrometer“, sagte er. Usability ist meist wichtiger als Genauigkeit. „Das ist ein Paradigmenwechsel. Wichtig sind Benutzerfreundlichkeit und Wiederholbarkeit.“ Er merkte an, dass Walk-Up-Metrologie ein System erfordert, das gängige Features wie Kreise, Radien und Nuten erkennt. „So könnten Sie den Knopf drücken, schnell eine Messung etablieren, Dimension und Toleranz eingeben, und los geht’s.“ Er stimmte zu, dass Vision-Systeme wie die Zeiss O-Select-Linie ideal für Walk-Up-Metrologie sind. Zeiss-Vision-Systeme umfassen eine vollständige Suite fähiger Software zur Erkennung gängiger Features und Erstellung von Teileprogrammen.

Konsistenz ist ebenfalls wichtig. „Sie wollen, dass die Maschine gute Messungen liefert, egal wer sie bedient“, sagte Wick. Das bedeutet seiner Meinung nach: Einhaltung von ISO-Standards und Fähigkeit, Routinemessungen in einem Teileprogramm zu erfassen. „Der O-Select ist nach ISO 10360-7 kalibriert“, erklärte er. „Er fokussiert und beleuchtet automatisch und kann mehrere Kopien desselben Teils handhaben.“ Wiederverwendbarkeit ist auch wichtig. „Angenommen, Sie haben gestern ein schnelles Programm für fünf Maße an einem neuen flachen 2D-Objekt erstellt, und heute kommen Sie mit sechs Prototypen. Legen Sie sie auf die Maschine, drücken Sie einen Knopf, und die Maschine misst alle sechs nacheinander.“ Das sehen sie oft.

Tim Moriarty, Senior VP bei QVI (Rochester, NY), stimmte zu, dass neuere Videosysteme einfacher zu bedienen sind. Er merkte an, dass sie für Shopfloor-Einsatz mit Handwerkzeugen wie Mikrometern oder fortgeschritteneren Tools wie Optischen Komparatoren konkurrieren, die wenig bis kein Training erfordern. Daher liegt der Fokus auf Einfachheit. „Einige unserer Messsysteme erlauben es buchstäblich jedem, hinzugehen, das Teil in beliebiger Position ohne Vorrichtung abzulegen, einen Knopf zu drücken und sofort eine Reihe von Messungen am Teil zu erhalten – sogar Erstmuster oder In-Prozess-Teile.“

Moriarty stimmte anderen zu, dass solche Benutzerfreundlichkeit zu einfacher Datentransfer für Prozesskontrolle und Dokumentation führt. Der Vorteil einfach zu bedienender Videosysteme: Sie sind inhärent genau und schnell im Vergleich zu anderen Walk-Up-Geräten. „Wir versuchen, die Erfahrung zu verbessern, ein Paar Messschieber zu nehmen oder das Teil auf einen Komparator zu legen“, sagte er, indem er sowohl schnellere als auch genauere Messungen bietet. Er merkte an, dass Videosysteme wie die QVI Snap-Serie problemlos Genauigkeiten von 0,0001–0,0002″ (0,00254–0,00508 mm) liefern.

„Unser neuer Bereich Snap Large Field of View (LFOV) Video-Messmaschinen deckt diese Nachfrage ab“, sagte er. Snaps bieten 100-mm-FOV, Feature-Extraktion, automatische Teile-ID und besser als 0,0001″ Genauigkeit, laut Hersteller. Modelle reichen vom Tisch-Snap100 mit 100-mm-FOV-Durchmesser und keinem beweglichen Tisch bis zum großen Snap 350 mit über 350 × 350 mm Messbereich.

Die dritte Dimension

Es gibt Situationen, in denen eine vollständigere Messung in der dritten Dimension wünschenswert oder erforderlich ist – auch in Walk-Up-Metrologie-Szenarien. Dafür verweist Moriarty auf QVI Fusion 400, ein LFOV-Multisensor-Messsystem, das 3D-Messung automatisiert. Es hat 350 × 250 × 250 mm Messvolumen und ist multisensor-fähig mit Video-Messung und verfügbaren Trigger- und Tastkopfsystemen. Enthält einen TeleStar Plus interferometrischen TTL-Laser.

Während Vision-Systeme ideal für zwei Dimensionen und multisensorische Systeme auf Vision-Basis für zweieinhalb Dimensionen ideal sind, ist manchmal volles 3D-Messen nötig. „Da sind Blaulicht-Scanner ideal für dieses Walk-Up-Metrologie-Konzept“, sagte Wick. Zeiss bietet seine Comet-Linie 3D-Scanner basierend auf Blaulichttechnologie. „Sie legen Ihr 3D-Werkstück auf den Drehtisch, drücken einen Knopf am Laptop, und er dreht den Tisch, scannt das Werkstück und erstellt ein 3D-Modell.“ Kritische Maße und Toleranzen zu messen erfordert ein verfügbares CAD-Modell. Wenn eines verfügbar ist, könnte es das Ultima im Walk-Up-Metrologie-Konzept sein.

„Wir sehen einen klaren Trend: Bediener, die näher am Produktionseinsatz prüfen müssen, mit Produktionsingenieuren und Bedienern, die bei Zwischenschritten im Produktionsprozess gute Messungen machen müssen“, sagte Dan Brown, Director Product Management bei Creaform Inc. (Lévis, CA). Er stimmte voll zu, dass 3D-Messungen ein 3D-Gerät erfordern – wie Creaforms HandyScan 3D, HandyProbe und MetraScan 3D. Er merkte an, dass große Nachfrage nach 3D-Metrologie-Messungen im 25–75 µm Genauigkeitsbereich besteht – der ideale Genauigkeitsbereich dieser Geräte.

„Messschieber sind sehr gut, aber nicht ausreichend, um komplexe Teile schnell in 3D zu messen“, sagte er. KMG (CMMs) sind genau, erfordern aber meist ein Teileprogramm – und beträchtliche Expertise für adäquate Bedienung. Das macht die typische Benutzerfreundlichkeit und Portabilität von Scannern ideal für Anwendungen, wo mittlere Genauigkeit gefordert ist. Geschwindigkeit bietet eigene Benutzerfreundlichkeit. 3D-Optische Scanner, einschließlich Blaulicht-Scanner wie von Creaform (und anderen), erfassen typischerweise hohe Datenraten von 100.000 bis 1 Million Punkten pro Sekunde – viel schneller als ein typisches KMG und mit Walk-Up-Nutzen.

Ein weiterer Schlüsselpunkt: Portabilität. „Einige unserer Kunden haben einen festen Platz für den Scanner, wo sie das Teil hinbringen“, sagte er. „Aber manchmal bringen sie das Gerät zum Einsatzort.“ Es ist quasi Walk-Up-Metrologie umgekehrt. Der Vorteil, das Gerät zentral zu lassen: kontrollierte Umgebung. Der Vorteil der Beweglichkeit: Flexibilität.

Brown wies auf ein weiteres universelles Problem hin, das Walk-Up-Metrologie mit Metrologie allgemein teilt: das Zusammenspiel zwischen Trainingsanforderungen und Technologie, die einfach zu bedienen und verstehen ist. „Ich würde jeden Metrologie-Vorgang in zwei Teile unterteilen: Messung und Inspektion“, erklärte er. Messung ist das Erfassen von 3D-Punkten und deren Übertragung in den Computer. Was Sie brauchen, ist Inspektionssoftware, um Informationen in die Features zu extrahieren, die Sie messen wollen. Sein Punkt: In jedem Fertigungsbetrieb brauchen Sie Leute, die in beiden Aspekten – Messung und Inspektion – geschult sind. Noch besser: Sowohl Mess- als auch Inspektionssysteme und -software, die gleichermaßen einfach zu bedienen sind. „Geschulte Metrologen sind schwer zu finden“, stellte er fest, was Creaforms Fokus auf Entwicklung einfach zu bedienender Inspektionssoftware und Messgeräte erklärt.

Ein weiteres Gerät für 3D-Messungen: Die XM-Serie Handheld-CMM von Keyence Corp. of America (Itasca, IL). „Sie ist dafür ausgelegt, überall in jeder Umgebung genutzt zu werden und einem Nutzer zu erlauben, hinzugehen und schnelle Antworten zu bekommen“, sagte Steve Chirichella, Regional Product Sales Director bei Keyence. Das Unternehmen positioniert sie als portables KMG. Eine Kamera erfasst Nahinfrarotlicht, das von sieben Markern an einer Handsonde emittiert wird, um die Position der Tastspitze zu bestimmen. „Es gibt keine beweglichen Teile“, erklärte er. „Wir haben Encoder und alles, was verschleißt, eliminiert – was die Maschine langlebig macht und Wartung und Rekalibrierung überflüssig macht.“ Teile werden auf einer beweglichen Bühne platziert. Hinweis: Das System ist für Teile im Bereich 3 × 2 × 1 ft (0,9144 × 0,6096 × 0,3048 m) ausgelegt.

Obwohl keine spezifischen Teileprogramme für Messungen erforderlich sind, kann das Gerät Programme per Augmented Reality erfassen. Es enthält eine kleine Kamera an der Tastspitze, die nicht nur das äußere Erscheinungsbild des Ziels anzeigt, sondern auch eine Beschreibung der Messung und den Messwert. Die Software beinhaltet die Möglichkeit, Reports mit den begleitenden Fotos der Tastspitzenkamera zu erstellen. Für jeden Messpunkt zeigt das Gerät Elementnamen und -nummer sowie Messergebnisse in Echtzeit auf einem von der Kamera aufgenommenen Bild, das auf dem Monitor vor dem Bediener angezeigt wird. „Manche unserer Kunden stellen das XM-Gerät auf einen Wagen statt an einen festen Ort und bringen es zum Arbeitsplatz“, sagte er. Es ist besonders nützlich in Werkstätten, die komplexe Teile in kleinen Losgrößen mit hohem Mix fertigen.

Alternative Konzepte

Chirichella merkte auch an, dass das Keyence IM Video-Messsystem in das Walk-Up-Konzept passen könnte. Das System ist darauf ausgelegt, den Optischen Komparator zu ersetzen oder ihn ins 21. Jahrhundert zu bringen, sagte er. Anders als andere als Walk-Up-fähig beworbene Geräte erfordert die IM-Serie ein Teileprogramm. „Die Maschine ist auf Geschwindigkeit und fast schmerzhafte Einfachheit ausgelegt“, erklärte er. Es gibt auch eine „Automatic Measure“-Funktion, wo Bediener das Teil auf die Bühne legen, einen Rahmen zeichnen, und es misst alles, was eher ins Walk-Up-Paradigma passt. Chirichella erzählte von einem Unternehmen, das sein Qualitätslabor nutzt, um Programme für sechs oder sieben Maschinen im Werk zu schreiben, was Nutzern schnellen Zugriff auf validierte Teileprogramme gibt.

Andere bewährte Geräte wie das manuelle KMG passen ebenfalls ins Walk-Up-Metrologie-Konzept, laut Gene Hancz, Product Specialist für KMG bei Mitutoyo America Corp. (Aurora, IL). Er stimmte zu, dass der Trend weg von der reinen Abhängigkeit von Prüfabteilungen hin zu zugänglichen Metrologiegeräten geht, mit denen Bediener ihre eigene Arbeit prüfen können. Er merkte an, dass die Mehrheit der KMG-Verkäufe heute CNC-gesteuert sind, wo das manuelle KMG Wert für einfache, eindimensionale Messungen bietet. „Manuelle KMGs können auf zwei Arten genutzt werden“, erklärte er. „Eine: Teileprogramme für sehr spezifische Checks, die oft genutzt werden. Die andere: Gar kein Programm, jemand kommt für einen ein-, zwei- oder dreidimensionalen Check und stellt manuell ein.“ Das entspricht genau der Definition von Walk-Up-Metrologie.

Ein gutes Beispiel: Mitutoyo Crysta-Plus M Series 196-Manual-Floating Type CMM, misst Teile bis 700 × 1000 × 600 mm. Hancz sagte, es sei ideal für tägliche Aufgaben wie das Einrichten einer Werkzeugmaschine zum Prüfen eines Erstteils.

Schließlich sollten die einfachsten Werkzeuge im Kontext von Walk-Up-Metrologie nicht ignoriert werden. „Höhenmessgeräte und Platten sind die häufigsten Gegenstände in der Werkstatt“, sagte Mike Creney, VP Sales bei Mitutoyo. „Die meisten benötigen weder Strom noch Druckluft, und mit etwas mathematischem Geschick kann jeder ein Teil auf Toleranzakzeptanz messen, prüfen und bewerten. Der alte Weg funktioniert noch mit Höhenständern, Tasthebel – und ist immer noch am günstigsten.“ Das Beste: Handwerkzeuge lassen sich auch dem unerfahrensten Nutzer leicht beibringen. Neuentwicklungen bei Handwerkzeugen von Mitutoyo: QuantuMike, ein Hochgeschwindigkeits-Mikrometer, und MDH-Mikrometer mit 0,0001-mm-Auflösung. „Das bringt die weltbeste Auflösung auf den Shopfloor.“

Creney verwies auch auf andere bewährte Geräte, viele davon von Mitutoyo, wie Profilprojektoren und Rauheitsmessgeräte – die jedoch zusätzliches Wissen erfordern. Ein automatisiertes CNC-Gerät sollte in einem Walk-Up-Szenario nicht ganz ausgeschlossen werden. „Ein typischer Weg: CNC-System mit schneller Vorrichtung oder Spannvorrichtung am Messgerät“, sagte Creney. „Wenn Sie mehrere Drehmaschinen nutzen, haben Sie vielleicht ein Rundheitsmesssystem an zentraler Stelle. In der Überwachungsphase können Sie eine dedizierte Spannvorrichtung haben, um das Teil zu zentrieren und einfach das zylindrische Werkstück einzuspannen, handfest anzuziehen und einen Knopf zu drücken. In wenigen Minuten können Sie Rundheit und Versatz bewerten oder das Setup der Drehmaschinen modifizieren.“

Zuvor auf AdvancedManufacturing.org veröffentlicht.