Klaus Wendt

Development of a Novel Gear Measuring Device of High Accuracy

The German national metrology institute, the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), has developed a novel calibration method for gear artefacts. This reduces the current calibration uncertainty of gear standards, which is an essential step towards meeting the rising quality demands of the gear manufacturing industry. The measurement setup is based on a coordinate measuring machine (CMM) equipped with a high-precision rotary table. The key element of the novel gear measuring device is a tracking interferometer (TI) for reading the distance information. This information is combined with the reading of the coordinate measuring machine line scales in order to reduce the overall measurement uncertainty. If an optimized measurement strategy is applied, the measurement results are almost achieved with laser interferometer accuracy. First simulations and measurement results for an involute profile artefact are presented and discussed.Copyright

Test procedures and artefacts for optical coordinate metrology

Optical measurements are performed in coordinate metrology in a wide range of applications, ranging from large-scale workpieces with dimensions of several meters down to microstructures with &mgr;m-dimensions, using a large number of different measurement devices and sensors. These different devices and sensors must be tested to check their compliance with the specifications, to trace back the measurement results and to compare different devices. Thus, appropriate procedures and measurement standards (artefacts) are necessary. We present test procedures and artefacts for optical measurement systems similar to the well-known test procedures for classical tactile coordinate measuring machines (CMMs) according to the international standard ISO 10360. It is important that the surface characteristic of the artefacts is cooperative to the sensor. Appropriate artefacts were realized and tested. The main focus of this paper is on micro-artefacts. Furthermore, task-related standards to trace back specific measurement tasks were developed. By means of micro-contour artefacts, the measurement characteristics on critical geometries can be evaluated and compared. By means of a micro-gear standard, the measurement uncertainty on micro-planetary gear can be evaluated. The measurement deviations of measurement systems in the automotive industry can be determined with the special artefacts to test sensors for inline measurements.

Selbstnachführendes Laserinterferometer für die Koordinatenmesstechnik (Tracking Laser Interferometer for Coordinate Metrology)

Abstract Die Genauigkeit von Koordinatenmessgeräten (KMG) kann durch die Integration eines selbstnachführenden Laserinterferometers deutlich verbessert werden. Das in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) entwickelte Verfahren verknüpft die Koordinaten jedes gemessenen Punktes des KMG mit einer hochgenauen interferometrischen Längeninformation. Die zentrale Komponente hierbei ist das ebenfalls in der PTB entwickelte selbstnachführende Laserinterferometer. Sein konstruktiver Aufbau ermöglicht hochgenaue Abstandsmessungen im Raum. Ergebnisse aus Simulationen und Messungen verifizieren das neue Verfahren.

Determination of measurement uncertainty by Monte Carlo simulation

Modern coordinate measurement machines (CMM) are universal tools to measure geometric features of complex three-dimensional workpieces. To use them as reliable means of quality control, the suitability of the device for the specific measurement task has to be proven. Therefore, the ISO 14253 standard requires, knowledge of the measurement uncertainty and, that it is in reasonable relation with the specified tolerances. Hence, the determination of the measurement uncertainty, which is a complex and also costly task, is of utmost importance. The measurement uncertainty is usually influenced by several contributions of various sources. Among those of the machine itself, e.g., guideway errors and the influence of the probe and styli play an important role. Furthermore, several properties of the workpiece, such as its form deviations and surface roughness, have to be considered. Also the environmental conditions, i.e., temperature and its gradients, pressure, relative humidity and others contribute to the overall measurement uncertainty. Currently, there are different approaches to determine task-specific measurement uncertainties. This work reports on recent advancements extending the well-established method of PTBs Virtual Coordinate Measuring Machine (VCMM) to suit present-day needs in industrial applications. The VCMM utilizes numerical simulations to determine the task-specific measurement uncertainty incorporating broad knowledge about the contributions of, e.g., the used CMM, the environment and the workpiece.

Bestimmung der Messunsicherheit für Koordinatenmesssysteme

Zusammenfassung Koordinatenmesssysteme sind vielseitig einsetzbar zur Prüfung geometrischer Merkmale an komplexen, dreidimensionalen Werkstücken. Eine wirkungsvolle Qualitätssicherung ist allerdings nur dann möglich, wenn ihre Eignung für die konkrete Messaufgabe nachgewiesen ist. Die DIN EN ISO 14253 DIN EN ISO 14253-1:2013-12 (2013). Geometrische Produktspezifikationen (GPS) – Prüfung von Werkstücken und Messgeräten durch Messen – Teil 1: Entscheidungsregeln für den Nachweis von Konformität oder Nichtkonformität mit Spezifikationen. fordert daher, dass die Messunsicherheit bekannt und mit der Toleranz vereinbar ist (siehe auch Imkamp und Kistner Imkamp, D. und Kistner, T. (2016). Neue ISO 9001 Revision – und ihre Bedeutung für die Messtechnik in der Produktion. In 18. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2016, Seiten 488–492. AMA Service GmbH. ). Die Herausforderung liegt in der Bestimmung der Messunsicherheit. Diese kann für Koordinatenmesssysteme sehr aufwendig und komplex sein, da sich Unsicherheitsbeiträge u. a. aus dem Messgerät, dem Werkstück und der Umgebung in verschiedener Weise überlagern und sich für die individuellen Merkmale zu sehr unterschiedlichen Messunsicherheiten addieren. Es existieren unterschiedliche Ansätze, diese merkmalspezifischen Messunsicherheiten zu ermitteln. Der vorliegende Beitrag beschreibt ein auf numerischer Simulation basierendes Verfahren und stellt neue Entwicklungen vor. Diese beinhalten unter anderem die Unterstützung von Messungen mittels taktiler Scanningtechnologie und die Berücksichtigung des Unsicherheitseinflusses, der durch unvollständige Erfassung (Unterabtastung) der Prüfmerkmale verursacht wird. Die Eingangsgrößen und deren Ermittlung werden beschrieben. Neben der präzisen Erfassung der Eingangsgrößen wird auch eine vereinfachte Methode vorgestellt, die es Anwendern ermöglicht, die zu erwartende Messunsicherheit grob abzuschätzen, ohne eine aufwendige messtechnische Erfassung aller Einflussgrößen durchzuführen.

Aufgabenspezifische Messunsicherheit von Koordinatenmessungen

Zusammenfassung Der Beitrag beschreibt drei Verfahren zur Ermittlung der aufgabenspezifischen Messunsicherheit von Koordinatenmessungen nach dem international anerkannten “Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen” (GUM): Numerische Simulation, Messung von kalibrierten Werkstücken sowie Messunsicherheitsbudget. Er stellt drei Ansätze zur praktischen Umsetzung dieser Verfahren an Werkstücken mit Regelgeometrien gegenüber und diskutiert ihre Einsatzmöglichkeiten. Abstract The article describes three procedures to estimate the task specific uncertainty of coordinate measurements according to the GUM, the internationally acknowledged “Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement”: Numerical simulation, calibrated workpieces, and uncertainty budget. It compares three approaches to realize these procedures at workpieces with regular geometric features and discusses possible applications.

Koordinatenmesstechnik als Schlüsseltechnologie der FertigungsmesstechnikCoordinate Metrology as a Key Technology in Production Measurement

Zusammenfassung Mithilfe der Koordinatenmesstechnik werden in der Fertigungsmesstechnik komplexe Werkstückgeometrien und -formen dreidimensional erfasst. Der Beitrag beschäftigt sich mit ausgewählten Arbeiten auf den Gebieten der hochgenauen Formmesstechnik, Verzahnungsmesstechnik, Multisensor-Messtechnik und Messunsicherheitsermittlung, die im Fachbereich Koordinatenmesstechnik der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in den vergangenen Jahren durchgeführt wurden.