Millimar: Precise measurement results thanks to temperature compensation

Hintergrund ist ein natürliches physikalisches Phänomen: Die meisten Materialien dehnen sich bei Wärme aus und ziehen sich bei Abkühlung wieder zusammen. Das Ziel eines Prüfverfahrens in der Fertigungsmesstechnik ist es, die tatsächliche Größe eines Werkstückes zu bestimmen. Deshalb muss dessen Temperatur bekannt sein.  Auf der Grundlage der ersten ISO-Norm 1 aus dem Jahr 1931 wird diese Temperatur automatisch mit 20 °Celsius vorausgesetzt.  Doch nur wenige Messsysteme überwachen die Temperatur des Werkstücks oder versuchen gar die Messwerte zu korrigieren.

Etliche Faktoren für thermische Größenabweichungen

Viele Qualitätsmanager gehen davon aus, dass jede thermisch bedingte Größenabweichung des zu messenden Werkstücks durch eine entsprechende Ausdehnung des Messgeräts und der Einstellnormale ausgeglichen wird: Alle Komponenten dehnen sich im gleichen Maße aus oder ziehen sich zusammen, so dass am Ende das Ergebnis stimmt. Tatsächlich ist dies aber nicht der Fall. Messgerät, Einstellmeister und Werkstück – die drei Hardware-Komponenten eines Messsystems – können aus unterschiedlichen Materialien bestehen, so dass sie sich bei Wärme auch unterschiedlich verhalten – selbst, wenn sie alle dieselbe Temperatur haben. Tatsächlich aber kann die jeweilige Temperatur der einzelnen Komponenten voneinander abweichen:

• Werkstücke, die gerade aus einem Trockenbearbeitungsprozess kommen, können etliche Grad wärmer sein und dies auch über Stunden bleiben.
• Bauteile, die mit Kühlmittel bearbeitet wurden, können kühler sein.
• Das Messgerät oder der Einstellmeister können auf einer Werkbank in direktem Sonnenlicht oder unter einem Heiz- oder Kühlventil stehen und deshalb wärmer oder kälter sein.
• Die Temperaturschichtung in einem Raum kann zu Temperaturunterschieden zwischen Bauteilen in Bodennähe und solchen in einem hohen Regal führen.
• Auch die relative Masse der Bauteile kann einen Unterschied bewirken: So braucht beispielsweise ein Motorblock länger als ein Bohrungsmessdorn, um sich der Umgebungstemperatur anzugleichen.

In bestimmten Fällen können sich die thermischen Schwankungen bei Messgerät und Werkstück außerdem in entgegengesetzter Richtung auswirken, wodurch sich der Messfehler eher vergrößert als ausgleicht. So führen zum Beispiel hohe Temperaturen dazu, dass die Kontakte von Bohrungsmessgeräten länger werden. Dies wiederum führt dazu, dass der Innendurchmesser kleiner wird als tatsächlich gemessen. Andererseits wird der Innendurchmesser eines dünnwandigen Teils bei höheren Temperaturen größer.

Umgebungskontrolle für Messlabore

Einige Fertigungsunternehmen versuchen, dieses Problem durch die Kontrolle der Raumumgebung zu lösen. Dies beinhaltet beispielsweise die Installation ausgeklügelter Heizung-, Lüftungs- und Klimasteuerungen (HLK) oder bauliche Veränderungen. In Messlaboren greifen diese Maßnahmen, aber nicht in Maschinenhallen. Diese Gebäude sind zu groß, beinhalten zu viele wärmeerzeugende Geräte oder Maschinen und damit insgesamt zu viele Variablen.

Lösung von Mahr

Zielführender ist es, die Temperatur des Messgeräts, des Einstellmeisters und des Werkstücks zu messen und die thermischen Schwankungen auf der Grundlage der bekannten Ausdehnungskoeffizienten zu kompensieren. Für diese Anwendung bietet Mahr die passende Lösung: Sie besteht für die Millimar-Produktfamilie aus einer Kombination der Millimar Cockpit-Software mit einem handelsüblichen externen Temperaturmessgerät. Dabei werden beim Messaufbau zwei Sensoren installiert: einer zur Temperaturmessung des Einstellmeisters und einer zur Temperaturmessung des Werkstücks. Die Mahr-Software kann nun für unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Komponenten programmiert werden. Sie erfasst die Ergebnisse und errechnet ein temperaturkompensiertes Messergebnis. Auch zusätzliche Kompensationsfaktoren wie etwa ungewöhnliche Geometrien oder Unterschiede zwischen den Oberflächen- und Innentemperaturen eines Werkstücks können Anwender in der Mahr-Software vorgeben. Damit erhalten Kunden eine hocheffiziente Lösung: Ein derartiges System zur Temperaturkompensation reduziert thermisch bedingte Messfehler in der Regel um 90 bis 95 Prozent.

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