MESSEN MIT LUFT

Anwendung pneumatischer Sensoren zum Vermessen rotationssymmetrischer Teile

Die zunehmende Miniaturisierung und der Wunsch nach rechnergestützter Signalverarbeitung haben dazu geführt, daß der pneumatischen Fertigungsmesstechnik erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet wird. Die Anwendung unter verschmutzten Bedingungen ist der Pneumatik auf den Leib geschnitten. Der relativ hohe Arbeitsdruck sorgt dafür, daß die Teile während des Prüfvorganges gereinigt werden.

Bild 1: Pneumatischer Stufenmessdorn mit offenen Düsen

Mit den heutigen Fertigungsmaschinen ist es möglich, den Messdüsen Bauformen zu geben, deren Konfiguration bis vor einigen Jahren keine Fertigungsmöglichkeiten gegeben war. Die Düsen sind immer kleiner geworden, wobei der Arbeitsbereich von rund 0,1 mm im Linearbereich erhalten blieb. Bild 1 zeigt einen Messdorn, der 3 Messebenen mit je 2 auf Summe zusammengeschaltete Messdüsen am Umfang angeordnet hat. Jede der Messebenen ist auf einen eigenen Wandlerkreis geschaltet und ermöglicht somit die Beurteilung des Bohrungsdurchmessers und der Ovalität.
Wesentliches Problem wurde mit dem Wandlersystem der Messtechnik gelöst (Bild 2). Im Staudruckverfahren wird bei einem Arbeitsdruck von 1 bar Überdruck der elektronische Nullpunkt erzeugt. Der Wandlerbaustein kann hierzu jeden handelsüblichen elektronischen Taster aufnehmen. Mit der Möglichkeit der universellen Einstellung von Druck und Verstärkung kann mit dem Wandler praktisch jedes beliebige pneumatische Meßmittel verknüpft werden.

Hier sollte besonders darauf hingewiesen werden, daß man zum Beispiel ältere Meßdorne, die sehr leicht mit einer Hartverchromung regeneriert werden können, bei dieser Prozedur auf neue Systematik umgerüstet werden können. Ein großes Feld der kostengünstigen Umstellung bietet sich an.
Parallel zu dem Standard-Wandlerbaustein bietet sich ein Baustein mit piezorestivem Kristall an. Dieses Element ist sehr gut funktionsfähig, temperaturstabil, aber systemabhängig von der entsprechenden Verstärkerlogik. Der Universalität sind also gewisse Grenzen gesetzt.
Die Signalverarbeitung ist mit handelsüblichen Messrechnern realisierbar, sofern sie die Schnittstelle zum induktiven Taster besitzen.

Bild 2: Nach dem Staudruckverfahren erzeugt das Wandlersystem bei 1 bar Arbeitsdruck den elektronischen Nullpunkt.

Besonders interessant ist die Möglichkeit, pneumatische Messsysteme über Umschaltventile miteinander zu verknüpfen. So wird es möglich, eine relativ große Zahl von Dornen an einem Rechner zu betreiben, wobei nur mit einer begrenzten Zahl von Wandlerbausteinen gearbeitet wird. Hierbei ist lediglich zu berücksichtigen, dass Messdorne der unterschiedlichen Systeme unterschiedliche Linearitätscharakteristiken haben, die über entsprechende Faktoren im Rechner kompensiert werden müssen.

Druckluft und Elektronik
Es können mehrere Vorrichtungen wahlweise mit einem Rechner betrieben werden. Jede Vorrichtung verfügt über ein entsprechendes Umschaltventil. Wird das Ventil scharf geschaltet, werden automatisch die anderen Vorrichtungen verriegelt. Der Rechner wird auf die richtige Systematik angesprochen, und das entsprechende Programm läuft automatisch hoch. Nach Bruchteilen von Sekunden kann bereits der erste Meßwert übernommen werden. Eine Rekalibrierung nach dem Umschalten ist nicht erforderlich. An dieser Stelle sollte die Qualifikation der Elektronik verglichen werden wenn es darum geht, mehrere elektronische Taster auf eine Anzeige umzuschalten. Hier gibt es zwar Umschaltkästen, die aber in der Langfristbeurteilung, wegen der Übergangswiderstände ihre Schwierigkeiten besitzen.

In einer großen Zahl von Aufgaben ist es dringend erforderlich, daß die Messköpfe so einfach im Aufbau sind, dass sie mit so wenig wie möglich beweglichen Teilen ausgerüstet sind. Auch hier bietet die Pneumatik entsprechende Vorteile. Nicht nur die Schnellwechselsystematik, sondern auch das Fehlen jeglicher Umlenkhebel führt zu einem aussergewöhnlich robusten Element.
In der Anwendung ist die pneumatische Messtechnik äußerst vielfältig. So gibt es für Anwender aus der Pumpenindustrie Schlitzlehren, die es ermöglichen, bei einer Lehrenbreite von rund 1,2 mm, die Schlitzbreite von Rotoren im automatischen Schleifprozeß zu kontrollieren. Mit dem Messsignal wird der Regelkreis zur Maschine bedient. Bei dem Messelement (Bild 3) war eine besondere Schwierigkeit die erforderliche Luftmenge zuzuführen, um ein verarbeitbares Signal zu erzeugen. Man hat hier auf einer Länge von etwa 20 mm vier Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,04 mm eingebracht, die miteinander die erforderliche
Luftzuleitung garantieren. Weil Schleifschmutz im Kühlmittel enthalten ist, hat man weiterhin dafür Sorge getragen, dass vor dem Einfahren des Messkopfes mit einer Blasdüse der zu prüfende Schlitz von groben Verunreinigungen gesäubert wird.

Bild 3: Schlitzlehre für die Pumpenfertigung

Bild 4: Ventilsitzmessdorn zur Prüfung der Leckrate am Ventilsitz

Pneumatisches Messen in der Fertigung
Im Bereich der pneumatischen Längenmeßtechnik ist man in den letzten Jahren in Gebiete mit höchster Auflösung vorgestoßen. So ist es heute möglich, Meßwerte in der Grössenordnung von 0,2µm realistisch wiederholbar darzustellen. Für diesen Bereich wurden zwei Anwendungsfälle gebaut, die dieser Aufgabe gerecht werden. Im ersten Fall geht es darum, Führungshülsen, in einer Qualität 6 gefertigt, während des spitzenlosen Schleifprozesses zu überwachen. Die Zustellung kann hier problemlos in Bruchteilen von Mikrometern erfolgen. Die Teile fließen durch die Maschine und werden in dem Prüfkopf nicht einmal angehalten. Mit einem entsprechenden Rechnerprogramm können die Messwerte festgehalten und verarbeitet werden.
Ähnlich geartet ist der Fall bei einem Hersteller von Folien, der während des Walzprozesses die Dicke seiner Folien kontrollieren muß. Auch hier wurde bewiesen, daß bei einem Arbeitsbereich von rund 20 µm das Tausendstel mindestens in der Größenordnung von 0,2µm aufgelöst werden kann.
Besonders interessant ist die Entwicklung auf dem Gebiet der Dichtheitsprüfung von Ventilen (Bild 4). Hier gilt es im Rahmen der Nutzung eines Patentes eines Automobilherstellers ein Verfahren, mit dem Ventilsitz am Ventil und am Zylinderkopf geprüft werden können. Somit lassen sich Leckraten unter Kontrolle bringen, das Abgasproblem wird in wesentlichen Punkten entschärft.

Stabiles Messsignal nach 200 Milllsekunden
Der Messkopf verfügt über eine Ringdüse mit einer Schlitzbreite von etwa 0,05 mm. Diese Ringdüse setzt sich im Ventilsitz auf. Ist die Form des Sitzes nicht einwandfrei rund, sondern exzentrisch zum Ventilführungs- schaft, zeigt der Meßkopf den entsprechenden Mangel an. Die Signalauswertung kann hier genauso wie bei der üblich pneumatischen Meßaufgabe elektronisiert rechnergestützt dargestellt werden.

Bei der pneumatischen Messtechnik muss man allerdings einige Dinge streng beachten. So dürfte allgemein bekannt sein, dass pneumatische Signale längere Zeit benötigen, um stabil zu werden. Verknüpft man eine Düse direkt mit einer Elektronik, arbeitet also mit einem elektronischen Taster zusammen, dann ist sicherzustellen, dass der Rechner das gemeinschaftliche Signal erst dann übernimmt, wenn die pneumatische Messung stabil ist. Dies ist bei der Staudrucksystematik nach 200 Millisekunden der Fall.
Wichtig ist allerdings, dass auch Schlauchlängen von rund 1,5 m nicht wesentlich überschritten werden. Bei längerem Schlauch ändert sich das Zeitverhalten negativ. Entsprechender Abgleich ist vorzusehen.
Sehr häufig wird kritisiert, dass die Oberflächenrauheit das pneumatische Messsignal verfälscht. Dies stimmt in dem Augenblick, wo die Oberflächenrauheit einen Wert von Rz 6,3 überschreitet. Dies bedeutet, dass übliche Feinbearbeitungsprozesse, wie sie bei dem Honen, Schleifen, Reiben oder Feinbohren vorkommen, problemlos mit offenen Düsen überwacht werden können. Erst wenn die Rauheit den genannten Wert überschreitet, muss mit Korrekturfaktoren entsprechend kompensiert werden. Weil die Rauheit mit dem Werkzeugverschleiss schwankt, ist es alledings sicherer, wenn die Messaufgabe mit Kontaktmessung gelöst wird. Auch hier bietet die Pneumatik verschiedene Lösungen. Im Bild 5 ist ein Federkontaktdorn zu sehen, der so aufgebaut ist, dass direkt hinter dem Federblatt eine Düse angeordnet ist.

Bild 5: Federkontaktmessdorn für rauhe Oberflächen

Mit dieser Bauart wird es ohne Schwierigkeiten möglich, Bohrungen in Sacklochausführung bis auf den Grund zu messen.Die verwendeten Kunststoffschläuche für die pneumatische Messung sind transparent und ölbeständig. Sie behalten auch über längere Zeit ihre Elastizität. Zum Einsatz kommen Schläuche mit 3 mm Weite.

Messluftaufbereitung ist notwendig
Pneumatische Messsysteme benötigen Druckluft, die von einem üblichen Filter mit 5 µm Korngröße gereinigt sein sollte. Es wurde festgestellt, dass die weitaus meisten Filter nicht voll geeignet sind, weil der Durchsatz so klein ist, so dass die Filter den normalen Wirkungsgrad nicht erreichen können. Man sollte deshalb stets darauf achten, so viele Verbraucher wie möglich an einem Filter anzuschließen. Ein üblicher Filter mit Anschlüssen 1/4” hat ein Durchsatzvermögen von etwa 60 m2/h im Normzustand. Es könnten also rund 60 Messstellen angeschlossen werden.

Geht man davon aus, dass in weiten Bereichen mit Düsengrößen um 1 mm Durchmesser gearbeitet werden kann, verringert sich dieser Durchsatz noch einmal um die Hälfte. Der Luftverbrauch ist also praktisch bedeutungslos. Dort wo er dennoch eine Rolle spielt  kann ein automatisches Luftabschaltsystem installiert werden.
Im Bereich der Messautomatisierung ist es mit Druckschaltern ohne weiteres möglich, in jedem Messkreis ein entsprechendes Signal aufzubauen, um Messaufgaben automatisch zu lösen. Dies bedeutet, dass der Vorgang des automatischen Kalibrierens, des automatischen Lufteinschaltens oder des automatischen Übernehmens des Messsignals problemlos realisiert werden kann.
Pneumatische Messsysteme werden grundsätzlich so geliefert, dass eine Möglichkeit besteht, mit Minimum und Maximum Einstellehren eine Systemüberwachung zu vollziehen. Die verstellbaren Wandler ermöglichen es auf diese Weise, universell verwendet zu werden und Verschleissprobleme zu kompensieren.
Die Lebensdauer pneumatischer Messmittel ist aussergewöhnlich hoch, weil keine direkte mechanische Berührung mit dem Werkstück erfolgt.