Festlegen von Werkstückkoordinatensystemen bei der KMG-Messung: Prinzipien, Methoden und technische Praktiken

In der modernen Präzisionsmessung dienen Koordinatenmessgeräte (KMGs) als zentrale Prüfmittel. Messgenauigkeit und -zuverlässigkeit hängen maßgeblich von der korrekten Einrichtung von Werkstückkoordinatensystemen ab. Dieser Artikel erläutert systematisch die Prinzipien, Methoden und die entscheidende Rolle der Einrichtung von Werkstückkoordinatensystemen in der Ingenieurpraxis.

I. Grundlagen der Werkstückkoordinatensysteme

Ein Werkstückkoordinatensystem ist ein Messreferenzsystem, das auf den Merkmalen des gemessenen Werkstücks basiert und im Wesentlichen das Maschinenkoordinatensystem so transformiert, dass es mit der Konstruktionsreferenz übereinstimmt. Gemäß ISO 9001 muss die Messreferenz genau mit der Konstruktionsreferenz übereinstimmen, was die wichtigste Voraussetzung für gültige Messergebnisse ist. In der Praxis muss die Einrichtung des Koordinatensystems dem Prinzip der sechs Freiheitsgrade folgen, um eine einheitliche Referenz zwischen Werkstück und Messskala zu erreichen.

System durch präzise Positionierung von drei translatorischen und drei rotatorischen Freiheitsgraden.

II. Etablierungsmethoden und Anwendungsszenarien

1. 3-2-1 Referenzmethode

Als klassischster Ansatz wird bei der 3-2-1-Methode das Koordinatensystem in drei Schritten erstellt:

(1)Wählen Sie drei Punkte aus, um die Referenzebene zu bestimmen (normalerweise die Unterseite des Werkstücks).

(2)Wählen Sie zwei Punkte aus, um die primäre Referenzachse zu bestimmen (z. B. die Richtung der langen Kante).

(3)Wählen Sie einen Punkt aus, um den Ursprung des Koordinatensystems zu bestimmen

Diese Methode eignet sich besonders für kastenförmige Teile mit regelmäßigen geometrischen Merkmalen und wird häufig bei der Messung von Motorblöcken in Kraftfahrzeugen eingesetzt, wobei eine Positionierungsgenauigkeit von ±0,005 mm erreicht wird.

2. Best-Fit-Methode

Für komplex gekrümmte Bauteile (z. B. Flugzeugtriebwerksschaufeln) sind numerische Optimierungsalgorithmen wie die Methode der kleinsten Quadrate erforderlich, um die gemessenen Punktwolkendaten optimal mit CAD-Modellen abzugleichen. Praktische Messungen an bestimmten Turbinenschaufeln zeigen, dass der RANSAC-Algorithmus Ausreißerstörungen effektiv unterdrücken und Passungsfehler auf 0,01 mm begrenzen kann.

3. Datumsfunktionsmethode

Das Koordinatensystem basiert strikt auf dem in den Zeichnungen angegebenen Bezugssystem und entspricht vollständig den GD&T-Standards (Geometric Dimensioning and Tolerancing). Bei Drehgestellmessungen an Hochgeschwindigkeitszügen müssen die in den Zeichnungen markierten Bezugsmerkmale (A, B, C) als Referenzen priorisiert werden, da sonst die Auswertung wichtiger Abmessungen fehlerhaft sein kann.

III. Wichtige technische Punkte

1. Temperaturkompensation

Bei jeder Änderung der Messumgebung um 1 °C ändern sich die Abmessungen von Stahlwerkstücken um 0,01 mm/m. Hochpräzise Messungen sollten in einer kontrollierten Umgebung mit einer Temperatur von 20 ± 1 °C und Echtzeit-Temperaturkompensationsalgorithmen durchgeführt werden.

2. Sondenkalibrierung

Das Tastsystem muss vor dem Einsatz kalibriert werden, da nicht kalibrierte Tastköpfe systematische Fehler von über 0,005 mm verursachen können. Es wird eine dynamische Kalibrierung mit einer Referenzkugel empfohlen. Die Kalibrierintervalle sollten maximal 4 Stunden betragen.

3. Datenauswertung

1. Nach der Festlegung sollten Kontrollmessungen durchgeführt werden. Dabei werden typischerweise drei oder mehr charakteristische Punkte für eine erneute Messung ausgewählt. Die Positionsabweichungen sollten weniger als 10 % der Messtoleranzzone betragen.
   

2. IV. Typischer technischer Fall

3. Ein Projekt zur Messung des Batteriegehäuses eines Fahrzeugs mit neuer Antriebsenergie:

• Festgelegtes Koordinatensystem durch Referenzbohrungen und Montageflächen

• Verwendete Best-Fit-Funktionalität in der PC-DMIS-Software

• Erreichte Wiederholgenauigkeit von 0,02 mm

• Verbesserte Messeffizienz um 40 % im Vergleich zu herkömmlichen Methoden

V. Zukünftige Entwicklungstrends

Mit der Weiterentwicklung der intelligenten Fertigung entwickelt sich die Einrichtung intelligenter Koordinatensysteme auf Basis maschinellen Lernens weiter. Deep-Learning-Algorithmen identifizieren automatisch optimale Referenzmerkmale, während die digitale Zwillingstechnologie die nahtlose Integration virtueller und physischer Messungen ermöglicht. Pilotprojekte deutscher Automobilhersteller zeigen, dass diese Technologie den Zeitaufwand für die Einrichtung von Koordinatensystemen um 60 % reduzieren kann.

Abschluss:

Die korrekte Einrichtung von Werkstückkoordinatensystemen ist für KMG-Messungen von grundlegender Bedeutung. Bediener müssen die Prinzipien der geometrischen Toleranzen genau verstehen, die Bedienung von Messsoftware beherrschen und über umfassende technische Erfahrung verfügen. Unternehmen sollten standardisierte Verfahren zur Einrichtung von Koordinatensystemen etablieren und regelmäßig Messsystemanalysen (MSA) durchführen, um die Zuverlässigkeit und Konsistenz der Messergebnisse zu gewährleisten.