Präzisionsmesszentren

nEUE hyBriD-tEchnOLOGiE fÜrtAKtiLE UnD OPtischE MEsstEchniK

Die Anforderungen in der Verzahnungsmesstechnik sind extrem
hoch: Genauigkeiten im Nanometerbereich auf der einen Seite,
geringe Messzeiten bei gleichzeitig höherer Informationsdichte auf
der anderen Seite. Ende 2018 bringt Klingelnberg eine neue Hybrid-Technologie auf den Markt, die die Vorteile der taktilen undoptischen Messtechnik optimal verbindet.

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GEARS inline 05 | 2018

Präzisionsmesszentren

Der Wunsch nach einer berührungslosen,schnellen
und vollständigen Erfassung
der Geometrie von Verzahnungen ist mindestens
so alt wie die CNC-gesteuerte Verzahnungsmesstechnik selbst. Letztere hat
Klingelnberg im Jahr 1985 eingeführt.
Beflügelt durch die neuen Möglichkeiten, die die CNC-Technik nun plötzlichbot, hatte Klingelnberg schon damals dieVision, nicht nur die Bewegungsabläufe
der Messmaschine zu revolutionieren,sondern auch eine Möglichkeit zu finden,
um auf die berührende Antastung derBauteile zu verzichten.

Intensive Forschungschon in den 1990ern
Bereits Anfang der 1990er Jahre beteiligte sich Klingelnberg daher maßgeblich amersten Forschungsprojekt zur optischen Verzahnungsmessung am Fraunhofer-Institut
für Produktionstechnologie (IPT) in Aachen.
Hierzu stattete das Expertenteam eine Klingelnberg PNC33 mit einem Laser-Triangulationssensor aus. Da man damals schon
erkannt hatte, dass die Abschattung desLaserstrahls in Richtung des Detektors bei
der Verzahnungsmessung ein Problem darstellt, war der Laser-Triangulationssensor
mit zwei versetzt angeordneten Detektoren
ausgestattet. Damit konnte gewährleistet
werden, dass – unabhängig vom Schrägungswinkel der Verzahnung – immer
mindestens einer der beiden Detektoren
ein Signal bekommt. Den Sensor hatte die
Gesellschaft für Messtechnik mbH (GFM inAachen) mit dem Fraunhofer IPT in enger
Zusammenarbeit mit Klingelnberg speziell
für diese Zwecke entwickelt.

Reflektionsverhalten
steht Lösung im Weg
Rückblickend ist es schon bemerkenswert,
wie weit die Überlegungen bezüglich deroptischen Verzahnungsmessung damals
bereits gediehen waren. Trotzdem konn-ten Messungen mit brauchbaren Ergebnissen leider nur an einem komplett frei
geschnittenen Zahn durchgeführt werden.
Das schwierige Reflektionsverhalten derVerzahnungsoberfläche in Kombination
mit den ungünstigen Antastbedingungenführte trotz intensiver zweijähriger Forschungsarbeit enttäuschenderweise nicht
zu einer praxistauglichen Lösung.
Seit diesem ersten Forschungsprojekt
am Fraunhofer-Institut hat sich die optische Messtechnik inzwischen deutlichweiterentwickelt. Viele Messverfahren
sind durch die technische Verbesserung
von Detektoren und die hohe Leistungsfähigkeit der rechnergestützten Messdatenverarbeitung erst sinnvoll nutzbar
geworden. Andere Messverfahren sinddazugekommen. Und durch neue Technologien konnten auch neue Sensoren
entwickelt werden. Klingelnberg hat diese Entwicklungen sehr intensiv verfolgt
und aktiv begleitet. So hat das Hückeswagener Unternehmen immer wieder an
Untersuchungen mit unterschiedlichen
optischen Messverfahren und Sensoren
gearbeitet, entweder in weiteren Forschungsprojekten im eigenen Hause oderaber bei Entwicklungspartnern.

Hohe Anforderungenan Messgenauigkeit
Doch die Anforderungen an die Verzahnungsmessung sind außergewöhnlichhoch, so dass es bis zur Lösung der Problemstellung noch eine Weile dauern sollte.
Vor allem die geforderte Messgenauigkeit
stellte Klingelnberg vor große Herausforderungen: Wurde vor ca. zehn Jahren
noch das „µm“ als das Maß der Dinge
bezeichnet, so bewegen wir uns bei den
Anforderungen an die Messgenauigkeit
mittlerweile im Nanometerbereich. Umz. B. die Welligkeitsanalyse (Gravel) durchführen zu können, werden bei der Messwertaufnahme feinste geometrische Abweichungen in der Größenordnung von
50-100 Nanometern erfasst.

Kompakt
Die Vision:
optische Messung
Bereits Anfang der 1990er Jahre beteiligte sich Klingelnberg
maßgeblich am ersten Forschungsprojekt zur optischen
Verzahnungsmessung
amFraunhofer-Institut für Produktionstechnologie in Aachen
und begleitete über Jahrzehnte intensiv neue Technologien
in diesem Bereich. Auf derEMO Hannover 2011 stellte
Klingelnberg ein erstes optisches Messsystem vor, das inden Folgejahren intensiv weiterentwickelt wurde, um dieDatenrate und die Signalqualität deutlich zu verbessern.

Präzisionsmesszentren

Der Wunsch nach einer berührungslosen,schnellen
und vollständigen Erfassung
der Geometrie von Verzahnungen ist mindestens
so alt wie die CNC-gesteuerte Verzahnungsmesstechnik selbst. Letztere hat
Klingelnberg im Jahr 1985 eingeführt.
Beflügelt durch die neuen Möglichkeiten, die die CNC-Technik nun plötzlichbot, hatte Klingelnberg schon damals dieVision, nicht nur die Bewegungsabläufe
der Messmaschine zu revolutionieren,sondern auch eine Möglichkeit zu finden,um auf die berührende Antastung derBauteile zu verzichten.

Intensive Forschungschon in den 1990ern
Bereits Anfang der 1990er Jahre beteiligte sich Klingelnberg daher maßgeblich amersten Forschungsprojekt zur optischen Verzahnungsmessung am Fraunhofer-Institut
für Produktionstechnologie (IPT) in Aachen.
Hierzu stattete das Expertenteam eine Klingelnberg PNC33 mit einem Laser-Triangulationssensor aus. Da man damals schon
erkannt hatte, dass die Abschattung desLaserstrahls in Richtung des Detektors beider Verzahnungsmessung ein Problem darstellt, war der Laser-Triangulationssensor
mit zwei versetzt angeordneten Detektoren
ausgestattet. Damit konnte gewährleistet
werden, dass – unabhängig vom Schrägungswinkel der Verzahnung – immer
mindestens einer der beiden Detektoren
ein Signal bekommt. Den Sensor hatte dieGesellschaft für Messtechnik mbH (GFM inAachen) mit dem Fraunhofer IPT in enger
Zusammenarbeit mit Klingelnberg speziell
für diese Zwecke entwickelt.

Reflektionsverhalten
steht Lösung im WegRückblickend ist es schon bemerkenswert,
wie weit die Überlegungen bezüglich der
optischen Verzahnungsmessung damals
bereits gediehen waren. Trotzdem konn-ten Messungen mit brauchbaren Ergebnissen leider nur an einem komplett frei
geschnittenen Zahn durchgeführt werden.
Das schwierige Reflektionsverhalten der
Verzahnungsoberfläche in Kombination
mit den ungünstigen Antastbedingungenführte trotz intensiver zweijähriger Forschungsarbeit enttäuschenderweise nicht
zu einer praxistauglichen Lösung.
Seit diesem ersten Forschungsprojekt
am Fraunhofer-Institut hat sich die optische Messtechnik inzwischen deutlichweiterentwickelt. Viele Messverfahren
sind durch die technische Verbesserung
von Detektoren und die hohe Leistungsfähigkeit der rechnergestützten Messdatenverarbeitung erst sinnvoll nutzbar
geworden. Andere Messverfahren sinddazugekommen. Und durch neue Technologien konnten auch neue Sensoren
entwickelt werden. Klingelnberg hat diese Entwicklungen sehr intensiv verfolgt
und aktiv begleitet. So hat das Hückeswagener Unternehmen immer wieder anUntersuchungen mit unterschiedlichen
optischen Messverfahren und Sensoren
gearbeitet, entweder in weiteren Forschungsprojekten im eigenen Hause oderaber bei Entwicklungspartnern.

Hohe Anforderungenan Messgenauigkeit
Doch die Anforderungen an die Verzahnungsmessung sind außergewöhnlichhoch, so dass es bis zur Lösung der Problemstellung noch eine Weile dauern sollte.
Vor allem die geforderte Messgenauigkeit
stellte Klingelnberg vor große Herausforderungen: Wurde vor ca. zehn Jahren
noch das „µm“ als das Maß der Dinge
bezeichnet, so bewegen wir uns bei den
Anforderungen an die Messgenauigkeit
mittlerweile im Nanometerbereich. Umz. B. die Welligkeitsanalyse (Gravel) durchführen zu können, werden bei der Messwertaufnahme feinste geometrische Abweichungen in der Größenordnung von
50-100 Nanometern erfasst.

Kompakt
Die Vision:
optische Messung
Bereits Anfang der 1990er Jahre beteiligte sich Klingelnberg
maßgeblich am ersten Forschungsprojekt zur optischen
Verzahnungsmessung
amFraunhofer-Institut für Produktionstechnologie in Aachenund begleitete über Jahrzehnte intensiv neue Technologienin diesem Bereich. Auf derEMO Hannover 2011 stellteKlingelnberg ein erstes optisches Messsystem vor, das inden Folgejahren intensiv weiterentwickelt wurde, um dieDatenrate und die Signalqualität deutlich zu verbessern.

Präzisionsmesszentren

Abb. 1: Entwicklungen der optischen
Messtechnik im Zeitverlauf

1992

Doppel-TriangulationsLasersensor, Versuchsaufbau

1990

2005

Optische Vermessung
von Biegeteilen

2004

Werkzeugmessung mit
Streifenlichtprojektion

2000

2005
2011

2015

2010

Optische Zahnkantenmessung
mit Weißlichtsensor

Verzahnungsmessung mit interferometrischem Fasertaster

2015
2017

Triangulations-Lasersensor

2018

Schneller optischer Scanning Sensor

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Lichtreflektionen undWinkelverhältnisse –eine Herausforderung
Ebenfalls sehr anspruchsvoll ist die optische Messwerterfassung aufgrund derOberflächengüte der Verzahnung. Mittlerweile können Oberflächen mit Rauheiten von Rz < 1 µm prozesssicher in derSerienproduktion hergestellt werden. Da
diese glatten, glänzenden Oberflächen
wie ein Spiegel wirken, ist physikalischbedingt der Anteil der diffusen Reflektion
sehr gering. Der größte Teil des Lichts reflektiert entsprechend dem Gesetz „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ in eine
definierte Richtung. Unabhängig vom
optischen Messverfahren wird von den im
Sensor befindlichen Detektoren aber nur
dann ein Signal erzeugt, wenn ein Teil desLichts in Richtung des Detektors reflektiert wird. Hierzu ist eine diffuse Reflektion, also eine gewisse Streuung des reflektierten Lichts, erforderlich. Kombiniert
mit den ungünstigen Winkelverhältnissen
der Zahnoberfläche relativ zum Sensor
führt die spiegelnde Wirkung nicht nurzur weiteren Reduzierung des detektierten Lichts, sondern auch zu Mehrfachreflektionen innerhalb der Zahnlücke.
In Summe bleibt festzuhalten, dass die
Verzahnungsgeometrie und -oberfläche
in Verbindung mit den geforderten Genauigkeiten für die optische Messtechnikeine große Herausforderung darstellt.

2015: Fasersensor verbessert Genauigkeit
Mit einer Sensorik, die in die Zahnlücken
eintaucht, kann die Situation jedoch verbessert werden. Dies zeigte sich bereits2015 in dem Forschungsprojekt OptoGear der Forschungsvereinigung Antriebstechnik e.V. (FVA). Hierbei wurde ein interferometrisch arbeitender Fasersensor
in die Zahnlücke getaucht und mit geringem, gleichmäßigem Abstand über die

Der Anspruch an das optische Messen:
einen deutlichen Geschwindigkeitsgewinn zum taktilen Messen erhalten.
Zahnoberfläche geführt. Die so erzielbaren Genauigkeiten sind vergleichbar mit
der taktilen Messung. Da jedoch auch dieBewegungsabläufe ähnlich zur taktilen
Messung erfolgen, war leider kein nennenswerter Vorteil erreichbar. Eine wirklich schnelle Messwertaufnahme mit sehrvielen Messpunkten und idealerweise
kompletter Erfassung der gesamten Geometrie war so noch nicht möglich.

Kostenvorteile durch
reduzierte Messzeit
Der Anspruch, bahnbrechende Innovationen zu entwickeln, ist bei Klingelnberg traditionell aber immer schon sehrhoch: Die optische Messung von Verzahnungen muss auf alle Fälle einen deutlichen Geschwindigkeitsgewinn bieten,
das war klar. Denn nur, wenn z. B. bei
gleicher Messpunktdichte die Messzeit
reduziert wird, kann ein wirtschaftlicher
Vorteil erzielt werden. Alternativ käme
noch in Frage, dass die Messpunktdichte
und damit der Informationsgehalt deutlich erweitert werden, ohne dass dafürunverhältnismäßig lange Messzeiten in
Kauf zu nehmen sind.

Klingelnberg stellt erste
Lösung 2011 vor
Das optische Messsystem, das bereits auf
der EMO Hannover 2011 von Klingelnberg vorgestellt wurde, folgte damals
schon diesem Anspruch. Der wirtschaftliche Vorteil war allerdings – bedingt durch
die im Jahre 2011 möglichen Messdatenraten – noch nicht ganz ausreichend,Präzisionsmesszentren

um den Mehraufwand für die optischeSensorik zu rechtfertigen. Seit 2011 konnte Klingelnberg dann durch eine intensive
Weiterentwicklung die Datenrate und die
Signalqualität noch mal deutlich verbessern – und entschied daher, eine neue Lösung zur optischen Messung vorzustellen.

Optische und taktile
Messtechnik verbinden

dass beide Systeme kombiniert werden
müssen – in einer Hybrid-Lösung. Um bei
einem solchen Hybrid-System die Vorteile
der taktilen und der optischen Messung
möglichst ideal miteinander kombinierenzu können, gibt es eine Grundvoraussetzung: Der Wechsel zwischen beiden
Messverfahren muss sehr schnell möglichsein. Denn nur dann kann durch dieseoptimale Verbindung beider Technologien die Gesamtmesszeit reduziert werden.

Durch die vielen Untersuchungen unddie langjährige Erfahrung mit unterschiedlichen optischen Messverfahren
ist im Hause Klingelnberg aber auch dieErkenntnis gereift, dass es nicht möglichist, die taktile Messung komplett durch
ein optisches Messverfahren zu ersetzen.
Damit war im Grunde genommen klar,

Der Vorteil der schnellen Messwertaufnahme durch den optischen Sensor wird
mit der Flexibilität und der sehr hohen
Genauigkeit des taktilen Tastsystems
3D NANOSCAN kombiniert. Damit ist
gewährleistet, dass die neuen, sehr attraktiven Möglichkeiten der optischen

ANWENDUNGSBEISPIELE

Abb. 2: Ausgleichkegelrad (oben links), Seitenwellenkegelrad flach (oben rechts), Steckverzahnung (unten links), Stirnrad (unten rechts)

Präzisionsmesszentren

Messung genutzt werden können, ohne
Kompromisse bei der Messgenauigkeit
eingehen zu müssen.

Schnelles Scannen bei
hoher Punktdichte
Dabei ist das Hybrid-System so ausgelegt, dass die optische Sensorik flexibel
adaptiert werden kann. Eine Festlegung
auf nur ein Sensorprinzip hat Klingelnberg vermieden. In der aktuellen Entwicklungsstufe wird mit einem sehrschnellen Scanning Sensor gearbeitet.
So können beliebige rotationssymmetrische Bauteile durch einen schnellen
Scan-Ablauf mit extrem hoher Punktedichte digitalisiert werden.
Der Messablauf ist dabei denkbar einfach. Der optische Sensor wird über die
CNC-Achsen entlang der Bauteil-Außenkontur geführt – bei einer Stirnverzahnung z. B. durch eine Linearbewegung invertikaler Richtung. Das Bauteil dreht sichdabei mit bis zu 1,5 Umdrehungen pro
Sekunde. Durch diese kombinierte Bewegung wird eine Punktewolke mit einer sehrhohen Punktedichte von 0,5 Millionen
Punkten pro Minute aufgenommen.

BEST CASE:HYBRID-TECHNOLOGIEDie jahrzehntelange Erfahrung mit
unterschiedlichen optischen Messverfahren zeigt: Es ist nicht möglich, dietaktile Messung komplett durch ein
optisches Messverfahren zu ersetzen.
Deswegen setzt Klingelnberg auf eineHybrid-Lösung, die beide Messarten
in idealer Weise miteinander kombiniert. Grundvoraussetzung für ein
solches System ist, dass der Wechsel zwischen beiden Verfahren sehrschnell möglich ist.
Abb. 3: Optisches Messen

Präzisionsmesszentren

Mehrere Scans erfassenauch komplexe Bauteile

Abb. 4: Dateneingabe für den Messablauf

Um optimale Antastbedingungen zu gewährleisten, können mehrere Scans aneinandergefügt werden. So lassen sich z. B.
die linken und rechten Flanken einer Verzahnung mit zwei Scans aus unterschiedlichen Richtungen antasten. Diese Funktion kann außerdem genutzt werden, um
den Messbereich am Bauteil, unabhängig
vom tatsächlichen Messbereich des Sensors, zu erweitern. Selbst komplexe Bauteilgeometrien lassen sich lückenlos erfassen. Dazu werden mehrere Scans auf
unterschiedlichen Radien durchgeführt
und nach dem Zwiebelschalen-Prinzip
aneinandergefügt.

Schnelle und flexible
Messwertaufnahme
Ein weiterer Vorteil: Um einen Messablauf zu programmieren, müssen weder
Verzahnungsdaten noch andere Bauteilparameter eingegeben werden. DieScan-Bewegungen werden sehr einfach
mit einer Teach-Funktion über Stützpunkte definiert. Die Vorbereitung für die
Messwertaufnahme dauert dadurch nur
wenige Minuten und die Messwertaufnahme ist sehr flexibel nutzbar.
Abb. 5: Online-Darstellung der Messwertaufnahme

Bereits während des Scan-Vorgangs wirdauf dem Bildschirm die Entstehung derPunktewolke dargestellt. Bei mehreren
Scans werden die vorhandenen Punktewolken Schritt für Schritt ergänzt. Die
hohe Genauigkeit der Maschinenachsen
ist eine Grundvoraussetzung, um dieses
Messverfahren überhaupt einsetzen zu
können. Nur so lassen sich bei diesen hohen Abtastraten die Sensorwerte mit den
Maschinenkoordinaten in der erforderlichen Genauigkeit zusammenführen.

Abb. 6: Auswertung in der GOM-Software: Soll-Ist-Vergleich mit
FalschfarbendarstellungPräzisionsmesszentren

Messwerte fließen inCAD-Auswertung
Unmittelbar nach der kompletten Messwertaufnahme steht die gesamte Punktewolke zur Verfügung und wird mit einem
speziell auf dieses Messverfahren abgestimmten Algorithmus in eine .stl-Datei
umgewandelt. Diese .stl-Datei enthält
dann alle durch die Messwertaufnahme
gewonnenen Informationen über die
Bauteilgeometrie und kann mit CAD-basierten Auswerteprogrammen zügig weiterverarbeitet werden. Klingelnberg nutzt
und empfiehlt dazu die Auswertesoftware der Firma GOM. Dabei handelt essich um eine sehr umfangreiche, etablierte Software, die speziell auf die Auswertung von optisch erfassten Messdaten
ausgelegt ist.

AUF EINEN BLICKHybrides System mit schnellem Wechsel zwischen taktiler und optischer Messung
Sehr schnelle Messwertaufnahme mit hoher Punktdichte
Einfaches Handling und Bedienung
Optische Messung an hochgenau geschliffenen Verzahnungen
Digitalisierung von komplexen rotationssymmetrischen Bauteilen
Option „Optische Messung“ auch als Nachrüstsatz erhältlich

OPTISCHE MESSTECHNIK –DAS VIDEO
Die wichtigsten Informationen zur optischen
Messung sind in diesem Video zu sehen:Hybrid-Technologie
erschließt Potenziale
Die optische Messung ist eine neue, sehrleistungsfähige Option für die Präzisionsmesszentren P 26 bis P 100L. Diese
Option ist ab Ende 2018 verfügbar undbeinhaltet den optischen Sensor HISPEEDOPTOSCAN inklusive der schnellen Wechsel-Vorschubeinheit, die Software für die
Messwertaufnahme und Visualisierung
der gemessenen Punktewolke sowie die
GOM-3D Auswertesoftware. Eine Retrofit-Lösung für Maschinen ab dem Baujahr
2012 ist ebenfalls in Kürze erhältlich.

Dipl.-Ing. Georg Mies
Leiter Entwicklung
Präzisionsmesszentren
KLINGELNBERG GmbH