3-D meettechniek : een overzicht
Citation for published version (APA):
Dam, N. M. F. (1986). 3-D meettechniek : een overzicht. (TH Eindhoven. Afd. Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPA0290). Technische Hogeschool Eindhoven.
Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1986
Document Version:
Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record
Please check the document version of this publication:
• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.
• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.
• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.
Link to publication
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.
If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:
www.tue.nl/taverne
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us at:
openaccess@tue.nl
3-D meettechniek, een ave~zicht. WPA-~appa~tn~. 0290, mei 1986.
Laba~ata~ium vaa~ Lengtemeting, TH-Eindhaven.
gesch~even daa~: N.M.F. Dam
gaedgekeu~d daa~: ing. K.G. St~uik
Dist~ibutie:
- I.H.B.D. Emmen Cafd.
we~ktuig-bauwkunde)
- i~. P.H.J. Schellekens
- ing. K.G. St~uik
- i~. J. Teeuwsen
- G.J. Theuws
- afd. Dakumentatie (3 kee~)
- Laba~ata~ium vaa~ Lengtemeting
C3 kee~)
InMcudscpgeve
NummeL 1 , 2, 3, ~. 5. 5.1 5.2 5.3 5.~ 5.5 6. 6.1 6.1.1 6.1.2 6.2 6.3 7. 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2B.
B.l
B.2 B.3 9. 10. titel bIz. Samenvatting . 2 Inleiding . . 3De ontwikkeling van de 3-dimensionale meetmachine 3
Het principe van 3-dimensionaal meten . ~
De konstLukties van 3-dimensionale meetmachines . 5
De konstruktievormen . 5
De Lechtgeleidingssystemen . 7
De aandLiJrsystemen . 7
De meetsystemen . . 9
De tastsystemen . . 10
Het weLken met 3-D meetmachines . 11
De besturingsvoLmen VOOL 3-D meetmachines . 12
HandbestuLing en sortwaLe-toepassing . . 12
CNC-besturing en sortwaLe-inzet . 1~
Het Legelsysteem VOOL de CNC-bestuLing . 15
De presentatie van de meetresultaten . . 16
Meetnauwkeurigheid en kalibratie van de 3-DM . 16
De routenbronnen . 17
KalibLatie van een 3-D meetmachine . 19
De komponenten-arwiJkingen . 20
De bepaling van de volumetLische rout van een 3-D
meetmachine . 21
Uerdere mogeliJkheden en ontwikkelingen . . 22
Ueel toegepaste toebehoren . 22
Optische 3-D meetmachines . 23
Nieuwe ontwikkelingen op het gebied van het 3-D meten Konklusies LiteratuuL bLonvermelding In totaal ~6 riguLen · 2~ · 26 27 · 28
~ Samenvatting
Oit themave~slag is gesch~even naa~ aanleiding van mijn stage
voo~ de opleiding We~ktuigbouwkunde aan het I.H.B.D. Emmen. Ik heb de de~de periode mogen doorlopen aan de Technische Hoge-school Eindhoven, afdeling Lengtemeettechniek.
Oit verslag ge9ft een beschrijving van drie-dimensionale
meetmachines. Er wordt aandacht besteed aan de ontwikkeling,
konstruktie, bediening, meetnauwkeurigheid, kalibratie en
nieuwe ontwikkelingen op dit gebied.
Gebleken is dat de 3-D meetmachine C3-0M) zeer veel
mogelijk-heden heeft (o.a. snelle, objektieve en nauwkeurige meting in
drie dimensies). Uooral de integratie van de 3-0M in de prod uk-tie is zeer interessant. Toch moet nog veel aandacht worden
be-steed aan de beheersing en de kontrole van de
meetnauwkeurig-heid en de afstemming van de 3-0M op de specifieke doelen waar-voor deze wordt gebruikt.
Inleiding
De de~de pe~iode van miJn stageJaa~ voo~ de H.T.S. We~ktuig
bouwkunde aan het I.H.B.D. Emmen, heb ik mogen doo~lopen aan de
Technische Hogeschoo1 Eindhoven op de afde1ing
Lengtemeettech-niek. Ik heb gewe~kt onde~ bege1eiding van ing. K.G. St~uik.
Dit themave~slag geeft een besch~ijving van d~ie-dimensionale
meetmachines. Hie~biJ is gepoogd zo vo1ledig mogeliJk te ziJn,
zonde~ technisch al te diep op de mate~ie in te gaan.
In hoofdstuk 3 wo~dt de ontwikkeling van de 3-D meettechniek
besch~even. Deze was duidelijk een gevolg van de behoeften in de p~aktiJk. In hoofdstuk ~ wo~dt een besch~ijving gegeven van het p~incipe van 3-D meten. Ue~volgens wo~dt in hoofdstuk 5 de
konst~uktie van een 3-D meetmachine C3-DM) belicht. Hie~biJ wo~dt aandacht besteed aan de konst~uktievo~men, ~echtgelei dingss~stemen, aand~ijfs~stemen, meetsystemen en tasts~stemen.
In hoofdstuk 6 wo~dt het we~ken met de 3-DM besch~even. Aan de
orde komen de bestu~ingsvo~men, een uiteenzetting van het ~e
gels~steem en de mogelijkheden van info~matie-uitgifte. In
hoofdstuk 7 passe~en de foutenbronnen en de kalib~atie van de
3-DM de revu. Tenslotte wo~dt in hoofdstuk B aandacht besteed
aan enige toebeho~en, de optische 3-DM en nieuwe ontwikkelingen
op het gebied van de drie-dimensionale meettechniek.
~ De ontwikkeling ~ de 3-dimensionale meetma~hine
De d~ie-dimensiona1e meettechniek is een Jonge techno1ogie. Tot
het einde van de Ja~en '60 wa~en p~oduktie- en meet~uimten nog
ste~k gescheiden. In de meetkame~ we~den a11e~lei meetinst~u
menten ingezet zoals de eindmaatkompe~ato~, de meetmik~oskoop,
de verdeeltafe1, sChroefmaten en meetklokken. Twee dimensionale
metingen wa~en weI mogeliJk maa~ e~g gekomplisee~d. Daa~om
werden voo~ moeiliJke~ p~oblemen eenvoudige 2-D meetmachines
toegepast. Als goedkope~ alte~natief we~den koo~dinatenboo~ma
chines voo~zien van een taste~kop. Dp deze manie~ konden de
meetobJekten met de hand wo~den gemeten. Ue~eiste was weI dat
het meetobJekt uitgelijnd was ten opzichte van het machinekoo~
dinatensysteem. Bovendien moesten de meet~esultaten "met de
hand" ve~werkt wo~den. Dit alles ~esultee~de in lange kont~ole
tiJden en veel foutenb~onnen (subJektieve metingen). 2ie figuu~
1 .
Begin Ja~en '70 we~d e~ een hoge~e nauwkeu~igheid en
uitwis-selbaa~heid van de p~odukten geeist. E~ bestond behoefte aan
snellere, meer bet~ouwba~e kont~oles tiJdens het p~oduktiepro
ces. Oat heeft uiteindekijk geleid tot de ontwikkeling van de
3-D meetmachines C3-DM , zie figuu~ 2a en b). Hierbij worden de
meet~esultaten met een compute~ ve~we~kt Ceventueel
statis-tisch), Het is dan biJvoo~beeld niet mee~ noodzake1ijk het
meetobjekt mechanisch uit te lijnen. Uoordat het meetp~oces
wo~dt beg onnen kan de 1igging van het meetobjekt bepaald wo~
tijdens het meetp~oces wo~den de meetwaa~den, gebassee~d op het
machine koo~dinatensysteem omge~ekend naa~ meetwaa~den
gebas-see~d op dat van het meetobJekt.
De taste~ is voo~zien van een elekt~o-mechanisch systeem zo-dat ook daa~ invloeden van de bediene~ wo~den voo~komen. De
compute~ kan tevens de bestu~ing van de meetmachine op zich
ne-men (het Compute~ Nume~ical Cont~olled-meten). Op deze wiJze
wo~dt een zee~ objektieve meetmethode ge~ealisee~d.
Uit het voo~gaande blijkt dat e~ de volgende motieven zijn
voo~ het toepassen van 3-D Meetmachines:
1. e~ is een eno~me ~eduktie van de meettijd mogelijk als de
softwa~e juist wo~dt ingezet.
2. e~ kunnen nu meetp~oblemen wo~den opgelost die zonde~
3-0M niet mogelijk wa~en.
3. de metingen zijn in hoge mate objektief.
~. met behulp van de compute~ kunnen vele ekst~a gegevens
ove~ het meetobjekt wo~den ve~k~egen, zoals statistische
waa~den.
S. de mogeliJkheid tot volledig automatisch meten, het
CNC-meten.
Nu wo~den de 3-DM's steeds mee~ geinteg~ee~d in het p~oduktie p~oces. Zij zijn of speciaal daa~voo~ ontwo~pen of volledig
aangepast (zie figuu~ 3a). Tevens wo~den de optische 3-DM's een
vake~ voo~komend ve~schijnsel. Uoo~al de toepassing van lase~ inte~fe~omete~s en video-analyseappa~atuu~ is in opma~s.
Een speciale vo~m van de 3-DM is de meet~obot. Deze wo~den
veel toegepast bij de se~iep~oduktie van g~ote p~odukten die
tijdens de p~oduktie (bijvoo~beeld een lopende band) zee~ snel
gemeten moe ten wo~den Czie figuu~ 3b). Zij hebben geen eigen
opspantafel, leve~en een ~edelijke meetnauwkeu~igheid in een
zee~ ko~te tiJd en zijn eno~m flexibel.
Uoo~ zee~ g~ote meetobjekten wo~den sinds ko~t 3-D metingen
uitgevoe~d met behulp van een 3-DM voo~zien van elekt~onische
theodolieten (zie figuu~ ~).
~ Het p~incipa ~ 3-dimensionaal meten
De d~ie machinesledes vo~men aan ka~tesisch ~efe~entie koo~
dinatensysteem. Dit is een koo~dinatansysteem waa~van de d~ie
assen allen lood~echt op elkaa~ staan. De tastkop kan v~ij in
alle ~ichtingen binnen het meetvolume bewegen. Hie~biJ wo~den
de t~anslaties langs de d~ie assen (X, Y en 2) met biJvoo~beeld
een digitaal meetsysteem gemeten. De bewegingen wo~den doo~
d~ie aand~iJf systemen ge~ealisee~d.
Met een ste~taste~ (zie figuu~ 5) kunnen, als de taste~s op
de juiste wiJze zijn gemontee~d, aIle meetpunten op het
maetob-jekt wo~den aangetast. Uoo~ het eigenlijke meetp~oces wo~dt de
taste~ op een refe~entiepunt (iJkno~maal, bijvoo~beeld een
ijk-kogel) ingemeten. Hie~biJ wo~dt een dimensieloos tastpunt
aantast-ing naa~ het dimensielase tastpunt.
Omdat het meetabjekt niet mechanisch wordt uitgelijnd moet
voo~ het meetp~oces eerst het meetobjektkoordinatensysteem
wor-den vastgelegd. 2odoende is het meetobjekt rekenkundig
uitge-lijnd. Bij aIle volgende metingen worden de resultaten
omge-werkt van het machinekoordinatensysteem naar dat van het
meet-objekt.
~ De kcnstrukties ~ 3-dimensicnale meetmachine
Onderstaand wordt ingegaan op de volgende onde~werpen:
- de konstruktievormen de rechtgeleidingssystemen de aandrijFsystemen de meetsystemen - de tastsystemen 5.1 De kcnstruktievormen
Bij de konst~uktie van 3-DM's is het Abbe-principe e~g be-langriJk. Dit principe gaat er vanuit dat de taster in liJn met de meetas moet zijn am zodoende kantelFauten te elimineren. Bij
een 3-DM is het Abbe-principe slechts hoagstens voor een
meet-as te realiseren. Bij g~ate meetmachines waarbiJ niet (geheel)
aan het Abbe-principe is voldaan is de meetnauwkeurigheid sterk
aFhankelijk van de kantelFouten (zie Figuur 6). Deze Fouten
worden zoveel mogeliJk onde~drukt daor het toepassen van stijve
konstrukties met zeer preciese ~echtgeleidingen die zeer goed
haaks op elkaar staan. Eventueel kunnen de restFouten
soFtware-matig worden gekorrigeerd. Dit wordt al steeds meer toegepast.
Stijve konstrukties hebben tevens het voordeel dat de
uittril-tijd na aantasting klein is en dus de insteluittril-tijden Ctijdsduur
van het Fijnpositioneren van de tastkop) klein blijven. In de
Figuren 7 en 8 zijn respektieveliJk de konstruktieprincipes en
de veel voorkomende bouwvormen weergegeven.
BiJ de konstruktie zijn de volgende punten van belang:
1. het Abbe-principe moet voor aIle assen zoveel mogelijk
worden nagest~eeFd. Hiertoe worden de meetsystemen
direkt grenzend aan het meetvolume aangebracht. Het lieFst in de middens van de meetbereiken.
2. omdat het Abbe-p~incipe onmogelijk voor aIle assen te
realiseren is moeten de geleidingskantelFouten klein
bliJven. 2iJ ve~oo~zaken namelijk een eerste orde fout
CdL-h.gamma).
3. de haaksheid van de meetassen moet zo goed mogelijk
zijn. Ook hierdoor onstaan ee~ste orde Fouten.
~. de konstruktie moet zodanig gekozen worden dat
bein-vlaeden.
5. de meetsystemen maeten een haag aplassend ve~magen en
kleine systematische afwijkingen hebben.
De pa~taal- en b~ugbauw wa~den het meest taegepast dankzij het g~ate meetvolume en de mogelijke hoge nauwkeu~igheid. Bij de po~taalbauw zijn e~ twee mogelijkheden:
- een bewegend pa~taal Czie figuu~ 8c). hierbiJ wo~dt de
lengte van de opspantafel g~aot gekozen Clange V-as). Dit
geeft een bete~e toegankelijkheid tot het meetvolume en de
mageliJkheid tiJdens een meting het volgende meetobjekt aan de ande~e zijde van de apspantafel op te spannen. De hage
taste~snelheden maken ko~te meettijden mageliJk. De
aan-driJfkracht maet dan weI zoveel mogeliJk in het zwaa~tepunt
van de te ve~plaatsen massa aang~ijpen omdat ande~s het
po~taal kantelt. Hie~doo~ wa~dt natuu~liJk de
meetonnauw-keu~igheid ve~hoagd.
- stilstaand po~taal met bewegende opspantafel Czie figuu~
8d). Deze vo~m heeft een hage~e stiJfheid met als gevalg
een mogelijk hoge~e nauwkeu~igheid. De massa van het
meet-abJekt kan nu niet zo g~oat ziJn als biJ een vaste
opspan-tafel. Uoo~waa~de is dat de opspantafel ook met een zwaa~
meetobjekt goed is te pasitione~en en dat voo~ een
verant-woo~d econamisch geb~uik ook hage ~iJsnelheden mogelijk zijn.
De b~ugbauw Czie figuu~ 8e) is speciaal geschikt vao~ het
nauwkeu~ig d~ie-dimensionaal meten van zee~ g~ote meetobjekten.
De toegankelijkheid van de opspantafel is dao~ de staande~s wel
minde~ goed dan biJ de po~taalbouw.
Het onde~stel van een 3-DM moet valdoende stijf zijn am de
ve~vo~mingen ten gevolge van de ve~plaatsingen van de massa's
klein te houden. Een driepoot opstelling ve~dient de voo~keu~
al is deze kanst~uktie bij zee~ g~ote machines niet haalbaa~.
De opspantafel wo~dt meestal voo~zien van sch~aefd~aadgaten
te~ bevestiging van positionee~middelen. De tafel hoeft niet
e~g vlak te zijn omdat de meetnauwkeu~igheid in dit opzicht
slechts wo~dt beinvloed doo~ de ~echtheid van de geleidingen.
De tafel wo~dt veelal uitgevoe~d in g~aniet-achtige mate~ialen.
De voo~delen van g~aniet boven staal zijn:
- de natuu~lijke ve~oude~ing is afgelopen
- makkelijk te bewe~ken
- ge~inge ka~rosiegevoeligheid
- geen opstaande mate~iaalkanten na mechanische beschadiging
- lage dichtheid, hage E-modulus
- niet magnetisee~baa~ en niet st~oomdoo~latend
- gaedkope~
Nadelen van g~aniet zijn echter het zwellen na wateropname en
de lage wa~mtegeleidingskoefficient waa~doo~ gemakkeliJk
dienten ontstaan met als gevolg vo~mve~ande~ingen Czie oak
routenb~onnen). E~ wo~dt onde~zoek ve~~icht naa~ kunstmatige
ve~vange~s zoals kunstg~aniet op epoxy-basis. Daa~van ~unnen
oplossingen voo~ deze p~oblemen ve~wacht worden.
5.2 De ~echtgeleidingssystemen
Deze ~echtgeleidingen wo~den geb~uikt am de sleden te
geleid-en langs de X-, Y- geleid-en Z-as. globaal gezigeleid-en zijn e~ d~ie
system-en:
1. glijdende w~iJving zoals konventionele p~ismageleidingen
Czie riguu~ 9). Kenme~ken:
- a~beidsintensieve en moeiliJke ve~vaa~diging
- dubbelzijdige geleiding
- zwa~e aand~iJrsystemen nodig, slechts lage snelheden mogeliJk
- sme~ing ve~eist en vuilgevoelig
2. slede op wentellage~s langs ~echtgeleiding . Kenme~ken:
- veel toegepast bij lichte~e meetmachines
- ve~eist zee~ nauwkeu~ige bewe~king van de
~echtgeleid-ingen - duu~
- ekst~a gevoelig voo~ kantelrouten doo~ on~ondheid van de kogels
- ko~~osie- en vuilgevoelig
3. ae~ostatisch systeem met stiJve luchtkussens tussen de
sleden en de ~echtgeleidingen Czie riguu~ 10).
kenme~ken:
- enkelzijdige geleiding dus goedkope~ te vervaa~digen
doo~ uitmiddelend ka~akte~ zijn ko~tgolvige arwijkingen
minde~ belang~iJk
systeem is zelr~einigend
zee~ lage wriJving dus lichte aand~ijrsystemen nodig nauwlijks slijtage en geen stick-slip errekt
luchttoevoe~systeem met luchtzuive~ing nodig
stiJrheid is belastingarhankeliJk
5.3 De aand~i.lrsystemen
Faktoren die van belang zijn biJ de keuze van het
aandrijrsy-steem zijn:
- de te ve~plaatsen massa's
- het omgevende k~achtenspel
- de gewenste positionee~nauwkeu~igheid
Omdat luchtlage~ing het meest wo~dt toegepast zal onde~staand
dat de verplaatsingen met motoren warden gerealiseerd.
De wrijvingskoeEEicient bij luchtlagers is uiterst gering
(orde grootte 1E-6 tat 5E-6). Dit is ongeveer een Eaktor 500
tat 150000 (!) kleiner dan bij de overige s~stemen·. Hierdoor
zijn de optredende wrijvingskrachten zaer gering. Dit heeEt tot
gevolg dat de omkeerspeling, veroorzaakt door de elasticiteit
van het aandrijEs~steem, zaar klein blijEt. Deze omkeerspeling
(virtuele speling) is een maat voor de
positioneernauwkeurig-heid. De laatste is in dit geval dus zaer haag.
Tijdens de verplaatsingen moeten hoge (ijlgang-) snelhedan en
zeer lage (meet-) snelheden bereikt kunnen warden. De
maatge-vende krachten zijn in dit geval de traagheidskrachten (F-m.a).
Deze krachten treden op in de start- en stopEase van de
ver-plaatsing. Om de kantelEouten te beperken moet er gestreeEd
warden naar aandrijving aangrijpend in de lijn van het
zwaar-tepunt van de te verplaatsen massa's. Bovendien blijven zo de
veranderingen in de Iagerbelastingen relatieE laag.
Er zijn s~stemen met staalbanden, wrijvingswielen oE -staven,
vertande assen, kogelspillen, schroeEdraadspillen en kettingen.
Zie Eiguur 11. Ze onderscheiden zich voornamelijk in de
stijE-heid, trillingsgedrag, slip, speling, slijtage en wrijving. De
meest interessante aandrijEs~stemen zijn die met staalband- oE
wrijvingswielen (zie Eiguur 12a en b).
De instelnauwkeurigheid is voor beide s~stemen 0,5 um oE
min-der.
De veerkonstante bij de staalbandaandrijving blijEt Iaag
doordat de dikte van de staal band beperkt is. Oat is nodig van-wege het aErollen van de band en de grate aE te leggen lengtes.
Dit geeEt bij het start an en stoppen problemen waardoor de
in-steltijden groat blijven. Het kan warden vermeden door bij
aan-tasting niet de tastkop aE te regelan, maar het maet- en
tast-s~steem gelijktijdig uit te lazan (scanning, zie 5.5).
De stijEheid van de wrijvingswielaandrijving is veel hager.
Dit s~steem kent de start- en stopproblemen dus veel minder.
Daardoor is de insteltijd veel korter en kunnen er hag ere
ver-pIaatsingssneIheden bereikt warden. De Eabrikage van de wielen
is weI moeilijk omdat vormEouten en speling tat een minimum
moeten warden beperkt. Het s~steem is oak vuilgevoelig en moet
dus in een werkplaatsomgeving goed warden aEgeschermd.
De toegepaste gelijkstroommotoren warden direkt oE na een
D/A-konversie door de computer aangestuurd. De motoren zijn
vaak van het schijEanker-t~pe, omdat deze een gunstig d~namisch
gedrag habben. Hierdoor blijven de insteltijden beperkt.
s.~ De meetsustemen
Het dael van de meetsystemen is elektrische signalen te
pra-duceren, die daar de camputer gebruikt kunnen warden vaar de
berekening van de meetresultaten. revens wardt deze infarmatie
gebruikt bij het CNC-meten. De nauwkeurigheid van de 3-DM staat
af valt met de nauwkeurigheid van het meetsysteem. De
meetan-zekerheid van het meetsysteem maet dan aak veel kleiner zijn
dan de gewenste lengtemeetanzekerheid van de 3-DM.
De meest vaarkamende systemen zijn te anderscheiden in:
- indirekte meetsystemen
- direkte meetsystemen
Bij indirekte meetsystemen (zie figuur 13) wardt de
verplaat-sing via een mechanische averbrenging gemeten. 2a kan
biJvaar-beeld de haekverdraaiing van de aandrijfspindel van het
ver-plaatsingssysteem warden gemeten. Met behulp van de spaed kan
dan de verplaatsing warden berekend. Nadeel van dit systeem is
dat er hage eisen maeten warden gesteld aan de spindel en maer.
Bij het direkte meetsysteem wardt de verplaatsing
recht-streeks daar het meetsysteem bepaald. De schaalverdeling kan
bijvaarbeeld ap de geleiding warden gemanteerd en de meetkap ap de slede.
De beide systemen zijn nag ander te verdelen in:
- incrementele meetsystemen. Uerplaatsingen warden ten
ap-zichte van een varig meetpunt gemeten.
- absalute meetsystemen. Uerplaatsingen warden ten apzichte
van een vast nulpunt gemeten.
De meest taegepaste systemen in de 3-D meettechniek zijn het
direkte aptische incrementele meetsysteem van het Maire-fringe
type en het inductasyn systeem (zie figuur 1~). Het
Maire-frin-ge type kan een hage absalute meetnauwkeurigheid realiseren
(afwijkingen tat enkele um/m en een aplassend vermagen van 0.1
tat 0.5 um). Het systeem is weI vuilgevaelig en maet dus gaed
warden argeschermd. Het inductasyn systeem is minder
vuilgevae-lig maar aak minder nauwkeurig. De laserinterferametrie biedt
de magelijkheid nag nauwkeuriger te werken. Zie haafstuk 8. Uan graat belang bij de bauw van een 3-DM is de plaats van de meetsystemen. Ideaal zau zijn als aan het Abbe-principe valdaan
zau kunnen warden. Dit is echter haagstens vaar een (1) meetas
te bereiken. Om de kantelrauten zaveel magelijk te beperken
mae ten de meetsystemen za dicht magelijk biJ het meetabjekt
warden geplaatst. In de praktijk kamt dit neer ap plaatsing aan de grenzen van het meetbereik, het liefst in het midden van het meetbereik.
Ais het meetbereik kleiner is dan de maximaal magelijke
ver-plaatsing kunnen verschillende schaalverdelingen warden
5.5 De tastsystemen
In vroegere jaren waren de 3-DM's nog niet van
positioneersy-stemen voorzien. Bovendien waren de tastsystemen star. Zie ook
figuur 1. Een voorbeeld van de toenmalige meetmethoden, is die
waarbij men de kegelvormige taster in een gat liet zakken en
vervolgens de positie van het gat bepaalde aan de hand van de
positie van de kegel. Dit was aanleiding tot behoorlijke
fou-ten. Bovendien werden de resultaten, door de handbediening, be-invloed door de bediener. bij de invoering van de gemotoriseer-de positionering moest ook het tastsysteem worgemotoriseer-den aangepast.
Nu wordt meestal gebruik gemaakt van elektro-mechanische
tastsystemen. Er zijn echter ook optische systemen in
ontwikke-ling zoals het meten met behulp van videosystemen met
beeld-analyse apparatuur en toepassingen van de laserinterferometrie
(zie hoofdstuk 8). In figuur 16 zijn een aantal mechanische
tastsystemen schematisch weergegeven. De laatste tijd worden
vooral de systemen 16c, het schake lend tastsysteem en 16 fl en
16 f2, het metende tastsysteem toegepast.
Het schake lend tastsysteem (zie figuur 17) opent tijdens de
verplaatsing een stroomkring zodra een tasterkogel het
meetob-jekt raakt. Op dat moment wordt het uitlezen gestart. Dit is
het zogenaamde dynamisch meten. Meestal is de taster voorzien
van schakelinrichtingen in drie riehtingen, loodrecht op elkaar
zodat de taster tijdens het meetproees niet hoeft worden
omge-bouwd. Het schakelende systeem hoeft niet verbonden te worden
met het machinebesturingssysteem en kan dus ook worden
toege-past bij handbediende machines. De fout bij aantasten kan
bin-nen de 1 um blijven.
Het metende tastsysteem is, op het moment, het meest
nauw-keurige van de klassieke systemen (zie figuur 18). In het geval
van een drie-dimensionale taster zijn de drie
tasterkoordina-tenassen voorzien van een kompleet induktief meetsysteem met
nulstand blokkering en automatische meetkracht instelling. Bij
het aantasten worden de induktieve meetsystemen door de
machi-nebesturing in de nul-positie gestuurd. Dit is het zogenaamde
fijnpositioneren. Uervolgens worden de meetsystemen van het
machineassenstelsel uitgelezen. Deze meting is een statische
meting. De insteltijd is bij statisch meten langer dan bij
dynamisch meten, de nauwkeurigheid is eehter hoger (zie figuur
19).
Met een met end systeem kan ook dynamisch gemeten worden. Het
systeem moet dan voorzien zijn van een scanning-inrichting. Bij
het aantasten worden zowel machine- als tastermeetsysteem
uit-gelezen. De beide meetresultaten worden vervolgens gekombineerd
tot de uiteindelijke meetuitkomst (zie figuur 19). Tijdens
me-tingen in een (1) richting worden de overige twee richme-tingen in de nulstand geblokkeerd. Deze werkwijze verkort de insteltijden enorm.
Het scanning-systeem geeft ook de mogelijkheid tijdens het
aantasten loodrecht op de tastrichting langs het meetobJekt te
transleren. Hierbij werden gelijktijdig meetwaarden verzameid.
Dit principe kan werden teegepast bij prerielmeting van
bij-veerbeeld tandwielen en drie-dimensieraal gekremde vlakken (zie riguur 20).
Veer het begin van het meetpreces meet de cemputer "weten"
welke tasters er werden gebruikt en welke pesities deze hebben.
Hiertee werdt meerdere malen een iJknormaal (biJveerbeeld een
precisie Kegel) aangetast met aIle te gebruiken tasters (zie
figuur 21). Ze werden de pesities van de tasters bepaald ten
epzichte van de eerste tastkegel. Het middelpunt van deze
tast-Kegel is het dimensielese nulpunt. Op deze mannier werden
sy-stematische afwijkingen ais geveig van vermarwijkingen van de
tastkegels en het aantasten zelr Cdeerbuiging en arplatting)
gretendeels geelimineerd, Eij elke meting meet de cemputer
ge-infermeerd ziJn ever welke taster werdt gebruikt. De emrekening naar het dimensielese nulpunt werdt dan autematisch uitgeveerd.
De tasterstiften meet en uiteraard enerm stijr zijn De schacht werdt meestal van hardmetaal gemaakt en de tastkegel van synte-tische Rubin, Deze kunstster heert de velgende eigenschappen:
- met zeer Kleine vermarwijkingen te produceren - kerresievast
- hege E-medulus
- hege hardheid
- zeer slijtvast
Dankzij deze eigenschappen blijven de arwijkingen,
geintredu-ceerd bij het aantasten, deer vermarwijkingen en arplatting van de tastkegel, zeer gering. AIleen bij hoge precisie metingen en Kleine meetebjektstralen is dit errekt merkbaar.
Er werden hege eisen gesteld aan de bewerkingsnauwkeurigheid
van de tasterverbindingen, emdat deze tiJdens de metingen de
tasterkonfiguratie niet megen beinvleeden.
~ Het werken met 3-D meetmachines
Ais er een bepaalde 3-DM aanwezig is en men meet beslissen or
een meetobjekt hiermee meet werden gemeten, ziJn de velgende
punten van belang:
a, het meetobjekt meet de maximale belastbaarheid van de
ta-reI en het meetvolume niet everschrijden
b. het meetebjekt meet eenveudig te installeren zijn en de
meetplaatsen meeten goed bereikbaar zijn
c. het meetebjekt mag tijdens het meetpreces niet verschuiven en meet dus kunnen werden vastgezet. Hierbij meet en ze min megelijk ververmingen werden geintroduceerd
d. de seftware meet geschikt zijn er geschikt werden. gemaakt
voer het beeegde dee I van de metingen
e. het tastsysteem moet geschikt zijn veer het meten van het
meetebJekt in verband met de meetkrachten
rak-tor 5 tot 10 nauwkeuriger dan de kleinste tollerantie voor
het meetobJekt. Dit is onder anderen bepalend voor de
keuze van het tastersysteem.
g. bij kleine tot middelgrote series kan CNC-meten worden
toegepast. Dit geeft een behoorlijke reduktie van de meet-tiJden.
Uoor de bediening van een 3-DM ziJn er drie
automatiseringsni-vo's t.w.:
1. volledig handbediend. HierbiJ wordt geen gebruik gemaakt
van een computer. De bediener regelt de positionering van
het tastsysteem tegen het meetobjekt en leest de
meetwaar-den af van de verschillende display's. Deze besturing
wordt nog sporadisch gebruikt
2. handbesturing. De bediener stuurt de taster naar het
meet-obJekt. De computer stopt de verplaatsing biJ aantasting
en leest de meetwaarden uit. HierbiJ kan uitgebreid
ge-bruik worden gemaakt van bestaande software-procedures 3. CNC-besturing (Computer Numerical Controlled). De computer
kan geprogrammeerd worden met een leerprogramma
(meetcy-clus doorlopen met handbesturing) of door
computerprogram-mering (MFT-Maschinenferne Teilprogrammierung). De
gepro-grammeerde meetcyclus kan volledig automatisch doorlopen
worden. Ook nu kan gebruik gemaakt worden van bestaande
software-procedures, speciaal voor berekeningen en
data-uitvoer.
6.1 De besturingsvormen voor 3-D meetmachines
Onderstaand worden de verschillende besturingsvormen beschre-ven. Oit zijn respektieveliJk hand- en CNC-besturing.
6.1.1 Handbesturing gn software-toepassing
Met het bedieningspaneel (zie figuur 22) kan de bediener de
machine besturen. De stuurknuppels ziJn voor de aandriJving van
de koordinatenassen. De snelheid is regelbaar van enkele um/s
tot enige mm/s. Dnderstaand is de gang van zaken beschreven
voordat het eigenlijke meetproces gestart kan worden.
1. Tasterkombinatie samenstellen en monteren. Eventueel
max-imaal 25 tasterstiften per kombinatie mogelijk.
2. Posities van de kogels bepalen. Hiertoe wordt de
taster-kombinatie op een ijknormaal geijkt. BiJ latere metingen
wordt gewerkt met het dimensielose tasternulpunt en
kor-rigeerd de computer de meetwaarden automatisch. BiJ
toe-passing van een metende tasterkop buigen de slanke
tast-erstiften door. Als nu de buigkracht bij het iJken even
groot is als tijdens het meetproces ontstaat hierdoor
geen systematische faut (zie 7.1),
3. Pasitie van het meetabjekt ten apzichte van het
machine-kaardinatensysteem bepalen. In plaats van mechanisch
uit-lijnen kan het meetarijekt rekentechnisch, met behulp van
de camputer, warden uitgelijnd. Dit biedt vele vaardelen
in tijd en nauwkeurigheid, De pasitie van het meetabjekt
wardt vastgelegd in draaiingsmatrices en een
verschuiv-ingsvektar, die de nulpuntsverschuiving aangeeft.
Als vaarbeeld van het rekentechnisch uitlijnen wardt
ander-staand de kubus van figuur 23 uitgelijnd.
Als eerste wardt de richting van de normaal van het bovenvlak
bepaald (de eerste drie aantastpunten). Uervolgens wordt de
richting van een van de assen in dat vlak bepaald.
(aantast-punten ~ en 5 leggen de richting van de Xw-as vast). Tenslotte
wordt de plaats van het meetobJektnulpunt bepaald
(aantastpunt-en 6, 7 en 8). Zie voor enkele andere voorbeelden figuur 2~ a
en b.
Bij toepassing van een randdraaitafel Cvierde bewegingsas)
moet als het meetobjekt is uitgelijnd ap de drie
machineko-ordinatenassen na iedere verdraaiing opnieuw worden uitgelijnd.
Beter maar oak nag bezwaarlijk is het iedere keer apnieuw
re-kentechnisch uitlijnen. Dit kan warden vermeden daor een
hulp-koardinatenas in te vaeren, nameIijk de draaiingsas van de
ta-fel (zie figuur 25).
Het meetabjekt kaordinatensysteem maet zaveel magelijk
aver-een kamen met het Soll-meetabjekt kaardinatensysteem van de
antwerptekening.
Na de bovenstaande drie handelingen kan het eigenlijke
meet-proces warden begannen. De meetpuntkaordinaten warden nu
amge-rekend naar meetobjektkaordinaten. De camputer kan vervolgens
de meetpunten omrekenen naar meetwaarden.
Als voorbeeld vaor de saftware wordt onderstaand het saft~are
pakket van de firma Zeiss, Oberkochen beschreven. Dit komt vrij goed overeen met de overige software pakketten. Het pakket kent
een groat aantal procedures die op drie manieren kunnen warden
apgeroepen:
1. via "druk op de knap"
2. via kade-apraep Cgeadresseerde programma's) 3. speciale meetpragramma's
"Druk QR de knop" procedures
Na aproep voIgt een dialoog programmering waarbij de
meetgege-vens worden ingevoerd. De camputer berekend vervolgens de meet-waarden en verzorgt de uitvaer naar printer of iets dergelijks.
In figuur 26 zijn een aantal basismeetprocedures weergegeven.
Naast deze meet procedures kan de camputer statistische
bewerk-ingen uitvoeren. Oak zijn koppelings pracedures mogelijk. De
mogelijkheden daarvan zijn bijvoarbeeld de bepaling van
sniJ-punten en -lijnen, symmetrie, afstanden en laodliJnen (zie
fi-guur 27). Uerder zijn mogeliJk:
- terugroepen van eerder bepaalde meetwaarden
- emrekenen naar peelkeerdinaten
- berekenen van heeken uit meetwaarden - bepalen van plaats- en vermtelleranties - uitprinten van meetpretokel
Geadresseerde pregramma's
TiJdens het meetpreces kunnen met een ciJrerkede een greot
aan-tal hulpprogramma's werden ep gereepen. Ze zijn er
pregram-ma's veer:
- tenen van infermatie ever het betreffende tastpunt
- wijzigen van ebjektkeerdinaten - veranderen van het printfermaat
- emrekeningen en assistentie bij teepassing van een
draai-tafel
- zelf geschreven pregramma's
Speciale pregramma's
De fabrikant levert vaak neg een aantal speciale pregramma's
zeals veer:
- statistische verwerking van grete aantallen meetwaarden
autematische kenteurmeting van meetebjekten in de verm van
eenveudige vermelementen zeals lijn, vlak, kegel, cilinder
en kegel
autematische nekken-meting
autematische bepaling van tandwielparameters
tepegrafie, meten van ruimtelijk gevermde eppervlakken
6.1.2 CNC-besturing ~ sertware-inzet
CNC staat veer Computer Numerical Controlled. .
Als een 3-DM in de CNC-mode werkt moeten de verplaatsingen in
numerieke stuurgegevens worden vertaald. Wanneer nu het meetob-jekt altijd op dezelfde positie werdt uitgelijnd kan het machi-nekoordinatensysteem worden gebruikt. Is het meetobjekt niet op
een vaste pesitie uitgelijnd, dan meeten de stuurgegevens
ge-basseerd zijn ep een meetobJekt koerdinatensysteem: het
stuur-koordinatensysteem. Dit systeem heert niet samen te vallen met
het Soll-meetobjekt koerdinatensysteem ep de entwerptekening.
De stuurgegevens worden omgewerkt naar machinekoerdinaten en
met terugkeppeling van de Ist-waarden wordt de besturing gerea-liseerd.
Er zijn twee typen programmering te onderscheiden: - machineleerprogrammering
- cemputerprogrammeing CMFT) Machineleerprogrammering
Met handbesturing wordt de volledige meetcyclus doerlepen
in-klusief het aanreepen van procedures en geadresseerde
pregram-ma's. AIle inrormatie wordt opgeslagen op magneetband. Na
be-eindiging kan de infermatie worden gebruikt voer het velledig
automatisch doorlopen van het meetproces. Daze manier van me-ten biedt grota tijdwinst als er meerdare identieke
maetobjekt-an gemeten moeten worden. Hierbij kan het volgende meetobjekt
op dezelfde plaats worden uitgelijnd, maar slimmar is tussen da
maetcycli aan maetobjektkoordinatensysteem-verschuiving toe te
passan. De meatcyclus kan dan ook op een andere plaats worden
uitgavoerd, zodat het volgende maetobjekt al naast de huidige
meetplaats kan worden opgespannen als het meetproces nog aan de
gang is Ctijdwinst). Bovandien behoeft ook nu het meetobJekt
niet mechanisch te worden uitgelijnd Copnieuw tijdwinst). Een
nadael van deze methode is dat biJ komplexe meetwegen het bots-gevaar, vanwega da handbesturing, vriJ groot wordt.
Computerprogrammering CMF!)
MF! staat v~~r Maschinenferne !eileprogrammierung.
Dit pakket maakt het mogelijk programma's te maken zondar dat
de maetmachine feitelijk wordt gebruikt. De geschreven
program-ma's zijn te kombineren met de machinelearprogramma's an het
basisleerprogramma met a1 haar verschillende procedures. Zie
voor de verschillende mogelijkheden figuur 28.
Bij volledige bezetting van de 3-DM biedt deze mogelijkheid
veel voordeel, vooral biJ Kleine tot middelgrote series meting-en.
Er is een algemane, probleem gerichte programmeertaal in ont-wikkeling, genaamd NCMES (Numerical Controlled Measuring and
E-valuation System). Er kan een stuurprogramma worden geschreven
waarbiJ rekening wordt gehouden met ontwerpgegevens en
tech-nische gegevens van de 3-DM. De computer varwerkt deze
informa-tie tot stuur- en meetgegevens voor de automatische meetcyclus
en geeft na afloop de meetresultaten.
Het regelsysteem ~ de CNC-besturing
Zie voor een schema van het regelsysteem figuur 29 a en b. Er ziJn drie besturingsmogeliJkheden:
1. "punt tot puntn-besturing 2. liJn- of trajekt-basturing 3. kontour-besturing
ad 1. De Soll-koordinatenwaarden van het eindpunt worden gela-dan in de Floatingcounter.Deze stuurt de aandriJving
tot-dat het verschil met de teller van het digitale
meetsy-steem nul is geworden. Eventueel is de aandriJving
voor-zien van een snelheidsregelkring. Als nu de taster in
.kontakt komt met het meetobjakt wordt de
positie-regel-Kring I onderbroken en de verplaatsing gestopt. Wanneer
een dynamisch meetsysteem wordt gebruikt, wordt op het
moment van aantasten het meetsysteem uitgelezen. Direkt
daarna kan een volgende verplaatsing plaats vinden. In
het geval
II na het moment van aantasten de ~egeling op zich
Cfijn-positione~en).
ad 2. De bewegingen wo~den nu in een bepaalde konstante
snel-heid ~itgevoe~d. Hie~biJ wo~dt de floatingcounte~ van de
~egelk~ing I lasgekappeld. Deze mannie~ wo~dt veel
toege-past bij de aftasting van v~eemde kontou~en.
ad 3. De taste~ beweegt naa~ de eindpositie volgens een voo~af
gegeven kontou~. Hie~bij wo~dt de compute~ ingeschakeld
in het ~egelci~cuit. E~ kan gelijktijdig in d~ie assen
wo~den ve~plaatst. Dit wo~dt veel toegepast bij het
scan-nen langs een bekende meetobjektkantou~ Czie figuu~ 30 a
en b.).
Naast bovengenoemde d~ie mogeliJkheden zijn e~ nag een groat
aantal speciale p~og~amma's voo~ het CNC-meten van bijvoo~beeld
- sch~oefd~aad
- ve~tandingen Cbijv. ~echt of scheef ve~tande evolvente ko-nische tandwielen)
- ~uimteliJk gek~omde meetoppe~vlakken Cbijv. beeldbuizen)
6.3 De presentatie ~ de meet~esultaten
De uitvoe~ kan via ve~schillende media wo~den ge~ealisee~d:
- nume~ieke of alpha-nume~ieke displa~'s
- p~inte~, plotte~ of gekombinee~d
- beeldsche~m
- gegevend~age~s zoals flopp~, ha~ddisc, magneetband, etc. De info~matie kan slechts de meetwaa~den omvatten, maa~ oak een
volledig ce~tifikaat met Soll-Ist ve~gelijking, aanduiding van
talle~antie ove~sch~ijding en beoo~deling en·klassifice~ing van
het meetobjekt Czie figuu~ 31). De meet~esultaten kunnen oak
g~afisch wo~den wee~gegeven. Bijvoo~beeld de wee~gave van Soll-en Ist-kontau~, afwijkingen en tolle~antievelden Czie figuu~
32). Bij statistische metingen kunnen de meet~esultaten in een
histag~am of Gausse-k~omme wo~den ve~we~kt Czie figuu~ 33). De
meet~esultaten van een scanning-p~ocedu~e kunnen g~afisch wo~d
en wee~gegeven zoals in figuu~ 3~.
~ Meetnauwkeu~igheid ~ kalib~atie van de 3-D meetmachine.
De 3-DM biedt g~ote voo~delen doo~ de abjektieve meting, ~eduk
tie van de meettijd en uitb~eiding van de meetmagelijkheden.
Deze voordelen hebben echte~ geen betekenis als de
meetnauw-keu~igheid niet voldaende is. De p~aktijk heeft uitgewezen dat het be~eiken van een hoge meetnauwkeu~igheid moeiliJke~ is dan de fab~ikanten willen doen geloven.
Inte~nationale no~men zijn nog niet voo~ handen. De 3-D
meet-techniek is imme~s nog jong. De laatste tijd wo~dt e~ veel
aan-dacht besteed aan de ontwikkeling van afnamekont~ole
techniek-en Co6k binnen de THE). Dit zijn kont~oles die uit moe ten
wijzen in hoeve~~e de 3-D meetmachine aan de specifikaties
voldoet. Onde~staand wo~den ee~st de foutenb~onnen besch~even,
gevolgd doo~ een uiteenzetting van de kalib~atie van een 3-DM.
7.1 De foutenb~onnen.
Zie ook figuu~ 35.
De foutenb~onnen die bij het 3-D meetp~oces kunnen opt~eden
zijn te ve~delen in:
- appa~aat gebonden b~onnen
- niet appa~aat gebonden b~onnen
Appa~aat gebonden foutenb~onnen
De g~oep van de appa~aat gebonden foutenb~onnen is de
belang-~ijkste. Uoo~beelden van deze g~oep zijn:
- afwijkingen in de meetsystemen en standaa~den
afwijkingen bij de elekt~onische inte~polatie
- kantelingen van de bewegende delen waa~aan het tastsysteem
is bevestigd.
- afwijkingen bij het aantasten
- ~echtheid en haaksheid van de machine-koo~dinaten assen
- afwijkingen in de be~ekening van de meetwaa~den
- afwijkingen van het Abbe-p~incipe
De ee~ste twee b~onnen kunnen wo~den gemeten bij een kalib~a
tie langs de meetassen met bijvoo~beeld een lase~inte~fe~omet
e~. De kantelingen zijn echte~ soms belang~ijke~ dan de voo~
gaande afwijkingen. Zij wo~den ve~oo~zaakt doo~
geleidingsfout-en, va~iaties in het pneumatisch systee~ of ve~ande~ingen in de
lage~belastingen. Hie~voo~ kan pneumatisch of ~ekentechnich met
behulp van een compute~ wo~den geko~~igee~d. Het niet haaks
zijn van de machine-assen leve~t soo~tgelijke afwijkingen. Deze
afwijkingen kunnen wo~den gescheiden doo~ te kalib~e~en op ve~
schillende plaatsen.
In figuu~ 36 zijn de afwijkingsvo~men langs de koo~dinatenas
sen van de machine g~afisch wee~gegeven. Het stelsel X-V-Z
stelt de ideale situatie voo~, X-V'-Z' de p~aktijk. De hoeken
alpha, beta en gamma zijn de ve~d~aaiingen ten opzichte van de
ideale situatie. Doo~dat de assen X, V' en Z' niet absoluut
~echt zijn t~eden e~ pe~ as twee ~otaties op om de beide ande~e
ass en en een ~otatie om de eigen as. Uoo~ de V-as ~esultee~d
het bovenstaande in de volgende foutenb~onnen:
- afwijkingen in de haaksheid: alpha
~otatie ~ond de X-as: phi-xy
totatie ~ond de Z-as: phi-zy
~otatie ~ond de V-as: phi-yy
In dit kade~ zou het te ve~ voe~en deze mate~ie uit te gaan
naast de arwijkingen in de macnine-assen aak de aantastrauten
maeten warden meegenamen. Vaar schakelende tastsystemen zijn
dit schakelrauten en vaar metende tastsystemen zijn dit meet-,
instel- en amkeerrauten. Bij net aantasten warden arwijkingen
veraarzaakt daar tasterstirt daarbuiging (arde-graatte 0,2 tat
8,5 um per 0,1 N meetkracht) en arplatting van de tasterkagel.
Ais de narmaal van net meetvlak parallel aan de aantastricnting
en de machine-assen wardt gekazen is ecnter de daarbuiging
evengraot als bij de kalibratie en zal dus bijna valledig
war-den gekampenseerd (zie riguur 37). Wardt hier niet aan valdaan,
dan zal de buigkracnt Fb grater zijn als de meetkracht Fm (zie
riguur 38). De daarbuiging is dan aok groter dan de kampensatie
(zie riguur 37). De raut die hierbij antstaat is systematisch.
Ais er rande tasterkageis warden gebruikt, de
buigingskaerri-cienten van de tasterstirt en de ricnting van de
meetvlak-narmaal bekend zijn kan aak hiervaor warden gekampenseerd.
Niet apparaat gebonden rout en bronn en
De tweede graep zijn de niet apparaat gebanden rautenbbrannen.
Hier geldt dat de rauten ar vaarkomen kunnen warden ar niet za
graat zijn. Deze zijn ander te verde I en in:
- amgevings kandities
- meetstrategie
- bedieningsrouten
- eigenscnappen van net meetabjekt
Bij de amgevings kandities is de invlaed van de temperatuur de
belangrijkste. Het anstaan van temperatuursgradienten in de
(granieten) apspantarel kan zargen vaar benaarlijke varmverand-eringen in de geleidingen en tarel zelr. Dit resulteerd in
kan-telrouten. Neem als vaarbeeid een meetweg van ~OO mm en een
kantelhaek van 1,2E-5 rad. De raut in de Iengtebepaling wardt
dan al ~00*1,2E-5=~,8 um! Oak het temperatuursverscnil tussen meetabjekt en meetmacnine geert arwijkingen. Bij taepassing van
een granieten opspantarel is de relatieve vocntigneid van
be-lang. Uacnt op een granieten tarel geert nameIijk een
apper-viaktespanning waardaar de tarel bal gaat staan. De invlaed van
deze rautenbran kan van de zelrde arde groatte zijn ais van de
temperatuur.
Bij de meetstrategie zijn de valgende punten van belang:
- de aantastpunten maeten zaveel magelijk verdeeld warden
aver het te bepalen appervlak (zie riguur 39). Bij
val-daende aantastpunten kan een netstruktuur warden taegepast
(zie riguur 30). Hierbij maet weI vermeden warden dat
be-kende varmarwijkingen samenvallen met een van de
aantast-punten
- de aantastrichting maet bij voarkeur parallel aan een van
de machine-assen en laadrecht ap net meetobjektoppervlak
ziJn (zie riguur 37 en 38)
de praktijk neert geleerd dat net beter is een ar twee
aan-tastpunten meer uit te vaeren dan vaar de varmbepaling
strikt naadzakelijk zau zijn
- cirkel- en bolvarmige kantauren en vlakken kunnen net beste
diametraal gemeten warden (meetvlak snijdt middelpunt van
de kantaur)
- ~edeliJk bet~ouwba~e statistische uitsp~aken kunnen pas
wo~den gedaan ais e~ mee~ dan 30 aantastpunten ziJn
De volgende eigenschappen van het meetobJekt ziJn van belang
voo~ de aantastrout: de vo~m
- de oppe~vlaktegesteldheid
- de ha~dheid
- de E-modulus
De totale meetonzeke~heid is opgebouwd uit toevallige routen,
onbekende en bekende s~stematische routen. De kans dat de
meet-~esultaten inde~daad binnen deze meetonzeke~heid bliJven is
95 % (dat is de bet~ouwbaa~heid). Een hoge~e bet~ouwbaa~heid
ve~eist zee~ veal mee~ inspanningen. De bekende s~stematische
routen kunnen sortwa~e-matig wo~den gekompensee~d. Ue~eiste is
dan natuu~liJk dat deze routen met een ~edeliJke nauwkeu~igheid
bekend moeten ziJn. Doo~ de komplexheid van de 3-DM is dat
helaas niet helemaal mogeliJk en dus kunnen de routen ook niet
volledig wo~den gekompensee~d. De volgende routenb~onnen kunnen
(gedeelteliJk) wo~den gekompensee~d:
- taste~stift doo~buiging
- lengte ve~ande~ing van de geleidingen doo~
tempe~atuu~sin-vloeden - s~stematische.fouten in: • de elekt~onika • de compute~ • het tasts~steem • het meets~steem
kantel en ~otatiefouten in de geleidingen. Oit is e~g
moei-liJk. Hie~toe moet voo~ elke plaats in het meetvolume de ar
wiJking van de 3-DM bekend ziJn en dat is bliJkens het
voo~gaande niet geheel mogeliJk. In figuu~ ~O wo~den deze
afwiJkingen voo~gesteld doo~ vekto~en met de lengte van de
afwiJking en de ~ichting daa~van.
7.2 Kalib~atie ~ aen 3-D meatmachina
BiJ het geb~uik van een 3-DM is het zee~ inte~essant te weten
hoe g~oot en in welke ~ichting de routen opt~eden. Deze fouten
moeten zo nauwkeu~ig en volledig mogeliJk (dus ove~ het totale
meetvoluma) bekand zijn (zie ook figuur ~O). BiJ het in gebruik
nemen van een 3-DM worden de arwijkingen bepaald in de
zoge-naamde "arnamemetingen". IiJdens het gebruik wordt de
meeton-nauwkeu~igheid bewaakt door het uitvoeren van periodieke kon-t~oles. Dit ziJn snellere en eenvoudigere metingen die een
in-druk geven van de machine-arwiJkingen. Samen vormen de
7.2.1 De komponenten-afwilkingen
Onderstaand worden de komponenten-afwiJkingen beschreven. Dit
zijn aIle afwiJkingen die resulteren in de totale machine-af-wiJking.
Positioneerafwi.1kingen in de as-richting
De grootte en richting van de afwijkingen zijn afhankelijk van
de plaats in het meetvolume. De plaatsen waar de grootste
fout-en op kunnen treden zijn karakteristiek voor de mechanische
bouwwijze van de 3-DM (vooral de positie van de linealen en de
plaats en de uitvoering van de geleidingen). Door nu de
meet-lijnen voor de kalibratie gunstig (dat wil zeggen op de
ongun-stige plaatsen) te kiezen, kan de meettijd aanzienlijk verkort
worden.
Voor het vaststellen van de positioneer-afwiJkingen kunnen
eindmaten, een getrapte eindmaat(set) of een
laser-interferome-ter worden gebruikt. Bij de eerste twee wordt niet aIleen de
eigenliJke positioneer-afwijking bepaald, maar ook de
aantast-fouten.
Rechtheids- en haaksheids- afwilkinaen
De rechtheids-afwijking is een maat voor de afwijking van de
bewegingslijn van de taster of opspantafel ten opzichte van een theoretische rechte. Zij is de oorzaak van meetfouten in een (1
) of beide loodrecht op de verplaatsings-as staande as (-sen).
De meting wordt uitgevoerd in de vlakken van die ass en
lood-recht op elkaar (zie figuur 36). Dit kan met behulp van een ge-materialiseerde rechtheidsnormaal of de lichtbundel van een la-ser-interferometer.
De grootte van de afwijkingshoeken alpha, beta en gamma vormen
samen de haaksheids-afwiJking. De bepaling van deze hoeken kan
met de laser-interferometer gedaan worden, maar ook met een
rechtheids- en haaksheidsstandaard. Rotatie-afwilkingen
Rotatie-afwiJkingen ontstaan door het roteren van een slede
tijdens een verplaatsing. Er ziJn drie mogelijkheden bij de
verplaatsing langs de X-as:
roteren om de X-as: rollen - roteren om de V-as: stampen
roteren om de Z-as: gieren
Hoe verder het meetobjekt van de linealen van de meetmachine
verwijderd is, des te groter is de invloed van deze afwiJking.
Rotatie-afwijkingen staan niet in verband met de
haaksheids-af-wijkingen. De onderstaande meetapparaten kunnen voor de
bepa-ling van de rotatie-afwijkingen worden ingezet:
- elektronische waterpas (liefst twee stuks, differentiaal
gescheiden)
laser-interferometer met hoekmeetoptie - autocollimator met vlakke spiegels
- rechtheids-verschilmeting met behulp van twee referentie
elementen
Aantast-afwilkingen
De aantast-onzekerheid van een 3-D tastsysteem
tisch bepaald, door verschillende malen, met een
taster konfiguratie, een eindmaat of iJknormaal
te tasten. De aantast-onzekerheid is een niet
niet te korrigeren en toevallige afwijking.
wordt
statis-voorgeschreven (ijkkogel) aan gekorrigeerde,
7.2.2 De bepsling ~ de volumetriscne fout ~ ~ 3-DM
Bij de periodieke kalibratie en vergelijking van verschillen-de 3-DM's wordt in plaats van verschillen-de bovenstaanverschillen-de afwijkingen (7.2.
1) de volumetrischefout gebruikt. Deze parameter geeft de
ma-cnine-afwijking in zijn geheel weer. Het is dus een kombinatie
van de komponenten-afwijkingen.
De volumetrische fout kan analytisch worden bepaald uit de
komponenten-afwiJkingen. Uoordeel hiervan is dat de oorzaak van
een eventuele, te grote fout onmiddelijk op te sporen is.
Te-vens kunnen de konstante en variabele (toevallige) fouten
wor-den gescheiden, zodat het konstante deel beperkt kan worden
door software-matige kompensatie. Uoor de periodieke kalibratie
is echter het nadelige kostenaspekt, veroorzaakt door de lange
meettijden, een groot bezwaar.
De volumertische fout kan ook ineens, voor elk punt
het meetvolume gemeten worden. Dit kan nauwkeuriger ziJn
ting) en is veel sneller. De meting moet zoveel mogelijk
praktijk gericht ziJn, anders zouden de meetresultaten
veel betekenis hebben.
binnen
(1
me-op de niet
Bij de bepaling van de volumetrische fout wordt gebruik
ge-maakt van volumetrische standaarden Czie figuur ~1). Dit ziJn
drie-dimensionale objekten die stabiele afmetingen en vorm
heb-ben bij temperatuursinvloeden en er op inwerkende krachten. De
standaard moet lineair te kalibreren zijn, zodat hierbij de
volumetrische fouten niet aan de orde ziJn en een zeer hoge
nauwkeurigheid bereikt kan worden. BiJ toepassing van een
te-traeder vormige standaard wordt de tetraeder op zes
verschil-lende plaatsen, binnen het meetvolume, gemeten Czie figuur ~2).
Met behulp van deze meetresultaten kan de volumetrische rout
worden uitgerekend. Deze is het verschil tussen de ideale
(be-paald biJ de kalibratie van de tetraeder) en de werkeliJke
po-sitie Cbepaald bij de kalibratie van de 3-DM) van een kogel
binnen het meetvolume. De volumetrische rout is voor te stellen door een vektor.
De momenteel beste, in bedriJr ziJnde, 3-DM's bereiken een op-gegeven toelaatbare volumetrische fout van:
dL - (1,5 + L/300) um met L - meettrajekt (mm)
Er zijn dus konstante en lengte afhankelijke afwijkingen. Tot de konstante behoren:
- tastkopreproduceerbaarheid
- omkeerreproduceerbaarheid
- a-lineairiteit van het induktief meetsysteem - op1ossend vermagen van het meetsysteem
- kortgo1vige fouten in de geleiding en meetsysteem
- kantelfouten in de machine-assen Cfluktuaties)
Tot de 1engte afhanke1ijke behoren:
1anggo1vige fouten in ge1eidingen en standaarden
- temperatuursinvloeden
- kante1fouten in de machine-assen
~ Uerdere mogelilkheden ~ ontwikkelingen
In de voorgaande hoofdstukken zijn a1 enigen ekstra's genoemd t.w. de rondraaitafel en de scanning-inrichting. Uerder zijn er
nog de tasterwisse1-inrichting en de meetmikroskoop.
Onder-staand worden deze mogeliJkheden beschreven. Uervo1gens wordt
een beschrijving gegeven van 3-OM's met optische tastsystemen.
Tenslotte worden de nieuwe ontwikkelingen op het gebied van het 3-0 meten beschreven.
8.1 Ueal toagapaste toebehoran
Tasterwisse1-inrichting
Zie figuur ~3.
Bij moeilijke meetproblemen kan het voorkomen dat de meting
niet anders kan worden uitgevoerd dan met een ingewikkelde,
ek-stra fouten introducerende tasterstift kombinatie. Bovendien
kan het gewicht van de tasterstift kombinatie de maximale
be-lastbaarheid van het tastsysteem overschrijden. Oat kan warden
voorkamen door tiJdens het meetproces verschillende, eenvaudige
tasterstift kombinaties na elkaar te gebruiken. Als het
meet-proces ook automatisch moet warden uitgevoerd kan een
taster-wissel-inrichting uitkomst bieden.
Oe tasters zijn allen opgenamen in een magazijn en kunnen
door een rabotarm in de tastkop van de meetmachine worden
ge-plaatst. Oe tasterstift wordt da~ autamatisch geklemd en
daar-bij valdoende nauwkeurig gepasitianeerd of ingemeten ap een
ijknarmaal.
Randdraaitafel
2ie figuur 25.
Uaor veel meetprablemen biedt de randdraaitafel een sterke
ver-eenvaudiging en versnelling van het meetproces. Oit geldt
vooral voar rotatie-symmetrische meetabJekten. Oak kunnen inge-wikke1de meetproblemen met eenvoudiger tasterstift kombinaties
worden gemeten. De ronddraaitafel kan volledig door de 3-DM
be-stuurd worden. Zelfs uitlijnen van het meetobjekt is overbodig
omdat hiervoor software-matig kan worden gekorrigeerd. Scanning-inrichting
Zie ook figuur 30.
Bij het scannen "loopt" de taster langs het oppervlak van het
meetobjekt met een konstant gehouden meetkracht Cmetende
tast-kop), terwiJl het kontinu meetwaarden verzameld. Hierbij wordt
gekorrigeerd voor de translatiesnelheid langs het oppervlak en
er wordt rekening gehouden met de richting van de normaal in
het aantastpunt. Zodoende wordt altiJd loodrecht op het
opper-vlak gemeten. De translatiesnelheid kan varieren van 5 um/s,
voor zeer kleine kontouren, tot 50 mm/s voor het snel meten van
grote weinig gekromde oppervlakken. Er kunnen tot 30
meetwaar-den per sekonde wormeetwaar-den geregistreerd. Meetmikt"cskeep
Het kan ziJn dat het meetobjekt niet kan of mag worden
aange-tast. Oat is bijvoorbeeld het geval biJ films en folien,
dun-wandige thermoplastische kunststof voorwerpen, dunne bladveren,
etc. In plaats van het tastsysteem kan dan een meetmikroskoop
worden gemonteerd. Dit heeft weI nadelen zeals de beperking
naat" 2-D metingen en het niet meer automatisch kunnen meten. Is dat weI gewenst dan is de optische 3-DM een megelijkheid.
Optische 3-D meetmachines
In plaats van een elektro-mechanisch tastsysteem is in dit
geval een elektro-optisch tastsysteem gemonteerd (zie figuur
~~). Het meetprincipe en de kenmerken van de 3-DM blijven
gro-tendeels hetzelfde. Nu wordt echter het meetobJekt optisch
"aangetas't" . Ais lichtbt"en worden veelal lasers of
halogeen-lampen gebruikt, maar ook gloeilampen en luminescentiediodsn.
De sensorsn zijn photodioden (snkel of gskombineerd tot
ar-ray's) of videokamera's. Een voorbeeld van een optische 3-DM is
te zien in figuur ~5.
Het met en zonder metallisch kontakt heert de volgende
eigen-schappen als gevolg:
hoge meetsnelheid, aIleen beperkt door de aanspreektiJd van
de opto-elektronische onderdelen en de verwerkingstijd van
de elektronische schakelingen. Bij het scannen zelfs alleen
beperkt door de werksnelheid van de computer. Dit geeft de
mogeliJkheid een "fijner" numeriek model in de zeIfde tijd
te realiseren.
- geen meetkracht, dus geen deformatie. Nu is het dus ook
mo-gelijk zachte, flexibele meetobjekten aan te tasten,
zon-der beschadigingen achter te laten.
- metingen van twee-dimensionale meetobJekten zoals folien
ziJn mogelijk.
De eptische 3-DM kan volledig automatisch meten. Een andere
mogelijkheid is de teepassing van laser-interferemeters in de
meetsystemen. Dit biedt veel veordelen en werdt al teegepast.
De velgende meettechnieken kunnen in de eptische werden 3-DM
teegepast:
- schaduwbeeld. Het meetebjekt wordt belicht en de
schaduw-kanten kunnen dear de detekter werden gemeten.
- triangulatie. Er wordt een lichtvlek ep het meetebjekt
ge-prejekteerd en de teruggekaatste lichtstralen weer
epge-vangen. De greotte van de lichtvlek is bepalend veor de af-stand tussen de sensor en het meetebJekt.
- buiging. Het meetobJekt werdt met keherent monechrematisch
licht beschenen. De afbuiging is een maat voor de
afmeting-en van het meetobjekt en kan met een senser worden
geregi-streerd.
- beeld analyse. Het beeld van biJvoerbeeld een videokamera
wordt elektronisch geanalyseerd. Elk punt van het scherm
heeft hierbij een bepaalde lichtintensiteit, zodat de
afme-tingen van het meetobjekt kunnen worden bepaald (in twee
dimensies).
- interferentie. Twee koherente Iichtbundels worden
vergele-ken. De ene is een referentie met vaste lengte, de andere
»volgt» het meetobjekt.
8.3 Nieuwe ontwikkelingen ~ het gebied van het 3-D meten
Steeds vaker worden 3-DM's in het produktiepreces geintegreerd.
Dit heeft de velgende kensequentie voor de kenstruktie van de
3-D meetmachines:
-de omgevings kendities zeals temperatuur en relatieve
vecht-igheid, maar eok trillingen in de vloer, zijn een stuk
minder gunstig ais in een gekenditioneerde meetkamer. De
trend is nu een konstruktie toe te passen opgebouwd uit
zo-veel megeIijk een en het zelfde materiaal. Sommige
fabri-kanten gaan over op gietiJzer ef staal, anderen zoeken het
in synthetische graniet.
toepassing van afgeschermde rollagers in plaats van de
klassieke luchtlagers. Bij de laatste is de kans dat de
ge-Ieidingen vervuild raken met stef en olie te groot. De
nauwkeurigheidseisen voor deze »produktien-meetmachines
zijn niet zo haag dat de toepassing van rellagers niet toe-laatbaar zau zijn.
tasterwissel-inrichtingen vinden steeds meer toepassing. inzet van veel gratere computers met als motivatie:
• snellere informatie stromen van en naar de centrale
computer van de flexibele preduktie eenheid CFMS)
• koppeling met CAD/CAM-systeem voor het automatisch
te-rugkoppelen van meetresultaten en veranderingen in het
ontwerp af produktie
• kemplexe meetopdrachten duren te lang als de machine
niet tegelijk kan meten en gegevens verwerken. Daaram
simul-taan kunnen worden uitgevoerd. Dit vraagt beduidend meer geheugenruimte als de klassieke programma's
• steeds meer software-matig korrigeren van systematische fouten en het verwerken van toevallige fouten.
fen speciale "produktie"-3-D meetmachine moet aan de volgende
eisen voldoen:
- zij moet sneller zijn dan de klassieke 3-DM en toch
rede-lijk nauwkeurig blijven
zij moet gemakkelijk door een (1) persoon te bedienen zijn
(geen computer specialist)
zij moet onmiddelijk opstartbaar zijn, samen met de overige apparatuur van de FMS
zij moet een duidelijke presentatie van de meetresultaten
kunnen geven
ziJ moet op een eenvoudige mannier informatie kunnen
over-dragen naar de centrale computer van de FMS of het CADI
CAM-systeem
fen andere ontwikkeling is het kalibreren van 3-DM's met
be-hulp van een laser-volgsysteem (zie figuur ~6). Het doel is een
nog nauwkeuriger (faktor 10) kalibratie te realiseren, dan op
het moment mogeliJk is. Tegenwoordig worden de meetsystemen
langs de machine-assen gekalibreerd. Met het laser-volgsysteem
is het mogelijk de tasterkop te volgen met twee of drie
laser-bundels en triple-spiegels, bevestigd op de tastkop. Hiervoor
is een volgsysteem met kantelspiegels nodig, waarmee de
ver-plaatsingen in de X-, Y- en 2-as bepaald kunnen worden. Dit
systeem is in een zeer pril ontwikkelingsstadium, maar verwacht
wordt dat het zeer goed bruikbaar zal zijn, vooral biJ de
~ konklusies
De 3-D meetmachine heeft met recht een nieuwe dimensie aan de
meettechniek gegeven. Niet aIleen in de letterliJke betekenis
van het woord. De 3-DM heeft er meetoe biJgedragen dat de
meettechniek Cals onderdeel van de kwalite~tsbeheersing)
dicht-er biJ de produktie is komen te staan. Dit bliJkt het
duide-liJkst uit de uitvoeringen van volledig geintegreerde 3-DM's in
een flexibele produktie eenheid (FMS). Deze machines ziJn zeer
snel, redeliJk nauwkeurig, gemakkeliJk te bedienen en ziJn
eventueel te koppelen aan de centrale computer van de FMS of
een CAD/CAM-susteem. Deze ontwikkeling maakt een geheel nieuwe
kijk op de kwaliteitsbeheersing tijdens de produktie mogelijk.
Ook in de meetkamer is de 3-DM een onmisbaar meetinstrument
geworden. Uooral omdat de 3-0M meetopdrachten kan uitvoeren die
met alternatieve instrumenten (1-0 of 2-0 meetmachines)
hele-maal niet of zeer moeilijk·konden worden uitgevoerd.
Toch is het noodzakelijk dat er no~ veel onderzoek wordt ver~
richt op het gebied van beheersing, verbetering en kontrole van
de meetnauwkeurigheid. Uooral het laser-volgsusteem biedt hier
aantrekkelijke mogeliJkheden .. Tenslotte zal de 3-dimensionale
meetmachine steeds meer ~lexibel en eenvoudiger toepasbaar
moe-ten worden.
Literatuur bronvermelding
1. Fertigungs messtechnik, Handbuch fuer Industrie und
Wissen-schaft, H.J. Warnecke en W. Dutschke, BerliJnj Heidelbergj
New Yorkj Springer, 198~.
2. College diktaat Meettechniek nr. ~U710, Ir. P.H.J.
Schelle-kens e.a., Technische Hogeschool Eindhoven, 1986.
3. Metaal Bewerking, Jrg. 50, nr. 7, 3-0~-198~
Coordinatenmeetmachines, hun nauwkeurigheid en de kalibratie daarvan.Door A.G.J. van Steenis,FDO technische Adviseurs BU.
~. Metaal Bewerking, Jrg. 52, nr. 3, ~-02-1986
3-D meetmachinesj stand en ontwikkeling. Door Ir. R. Gobin,
Hoofdingenieur, lector Katholieke Universiteit Leuven.
5. Zeiss Mehrkoordinatenmesstechnik, Hardware - software -
ein-satzgebiete, Klaus Herzog, Abteilung fuer industrielle
Mess-technik, Carl Zeiss, Oberkochen, Sonderdruck aus Zeiss
