Messprinzip und Funktionsprinzip digitaler Messtaster

Das inkrementale Messverfahren bei digitalen Messtastern basiert auf der Teilung einer homogenen Gitterstruktur. Hierbei wird die Position des Messtasters durch das Zählen einzelner Inkremente (auch Messschritte genannt) gewonnen, wobei der Nullpunkt (Start der Zählung) beliebig gesetzt werden kann. Damit diese Positionsinformation einen absoluten Bezug besitzt, ist auf der Maßverkörperung eine weitere Spur, welche eine Referenzmarke trägt. Diese Referenzmarke, welche eine absolute Position des Maßstabs determiniert, wird exakt einer Signalperiode zugeordnet. Nur indem die Referenzmarke überfahren wird, kann ein absoluter Bezug der Position hergestellt bzw. der zuletzt festgelegte Bezugspunkt erneut angefahren werden.

Vorteil eines absoluten Messverfahrens ist, dass der Positionswert direkt beim Einschalten des digitalen Messtasters zur Verfügung steht. Diese Position wird von der angeschlossenen Elektronik direkt abgerufen, z. B. beim erneuten Einschalten nach einem Stromausfall. Das erneute Abfahren der Achsen zur Ermittlung des Bezugspunktes entfällt somit. Der verwendete Maßkörper bei Messtastern ist unterteilt in eine serielle Code-Struktur, aus der die absolute Positionsinformation sofort ermittelt wird. Des Weiteren wird eine separate Inkrementalspur für den Positionswert interpoliert und entsprechend der verwendeten Schnittstellenversion ebenfalls eine Inkrementalsignal erzeugt.

Die meisten Messtaster von HEIDENHAIN, die WayCon vertreibt, arbeiten nach dem Messprinzip der fotoelektrischen Abtastung. Diese Abtastung ist berührungslos und somit verschleißfrei. Es können sogar feinste Teilungsstriche, von wenigen Mikrometern Breite erfasst werden. Dadurch werden Ausgangssignale mit sehr kleinen Signalperioden erstellt. Je feiner die Teilungsperiode einer Maßverkörperung ist, desto mehr beeinflussen die Beugungserscheinungen die fotoelektrische Abtastung.

HEIDENHAIN verwendet bei Messtastern zwei Abtastprinzipien:

• das abbildende Messprinzip bei Teilungsperioden von 20 μm und 40 μm

• das interferentielle Messprinzip bei sehr kleinen Teilungsperioden von z. B. 8 μm

Das abbildende Funktionsprinzip bei Messtastern arbeitet mit dem Hell / Dunkel-Prinzip, auch schattenoptisches Signalprinzip genannt. Der Maßkörper und die Abtastplatte werden zueinander bewegt, wobei diese je ein Strichgitter besitzen. Diese können gleiche oder ähnliche Teilungsperioden aufweisen. Die Abtastplatte ist lichtdurchlässig, während die Teilung auf der Maßverkörperung lichtdurchlässig oder auf einem reflektierenden Material aufgebracht ist. Mittels einer Lichtquelle wird diese Gitterstruktur beleuchtet. Hierbei fällt Licht durch die Struktur und es entsteht ein definiertes Hell-/Dunkelfeld bzw. Felder.

Wie zuvor erwähnt bewegen sich die Maßkörper und die Abtastplatte relativ zueinander, was zu zwei relativen Gittern führt, die das durchfallende Licht modulieren. Stehen die Lücken zueinander, fällt das erzeugte Licht durch (Hellfeld), während bei Versatz kein Licht durchkommt (Dunkelfeld). Diese Lichtänderungen werden mittels einem Fotoelemente-Array in elektrische Signale umgewandelt.

Die Abtastplatte ist entsprechend strukturiert, so dass sich annähernd ein sinusförmiges Ausgangssignal bildet. Desto kleiner die einzelnen Teilungsperioden, desto genauer ist der Abstand zwischen der Abtastplatte und dem Maßstab definiert.

Das abbildende Funktionsprinzip findet bei den Messtastern der GMR Serie Anwendung

Das interferentielle Messprinzip bei digitalen Messtastern erzeugt Signale, basierend auf der Beugung des Lichts und der entstehenden Interferenz des Lichts an sehr fein geteilten Gittern. Dadurch lässt sich anschließend die Bewegung bzw. der Messweg ermitteln. Ein Stufengitter fungiert als Maßverkörperung. Hierbei sind auf einer Ebene reflektierende Oberflächen mit reflektierenden Teilstrichen mit je 0,2 μm Höhe aufgebracht.

Ein lichtdurchlässiges Phasengitter mit identischen Teilungsschritten (wie beim Maßstab) bildet die Abtastplatte, die sich vor der reflektierenden Oberfläche befindet. Sobald eine Lichtwelle auf die Abtastplatte fällt, wird diese Lichtwelle durch die Beugung in drei Teilwellen unterteilt. In die 1., 0. und -1. Ordnung, welche annähernd identische Lichtintensitäten besitzen. Das Phasengitter auf dem Maßstab beugt hierbei den größten Anteil der Lichtintensität, so dass der Großteil in der 1. und -1. Beugungsordnung steckt. Am Phasengitter der Abtastplatte treffen diese Teilwellen wieder aufeinander und werden erneut gebeugt, so wie interferiert. Dadurch entstehen drei Wellenschichten, die die Abtastplatte bei unterschiedlichen Winkeln verlassen. Anschließend werden die Lichtintensitäten durch Fotoelemente in elektrische Signale umgewandelt.

Die bekannte Relativbewegung (wie beim abbildenden Messprinzip) zwischen der Abtastplatte und dem Maßstab sorgt für eine Phasenverschiebung der gebeugten Wellenfronten. Die Wellenfront der 1. Beugungsordnung verschiebt die Wellenlänge um eine Teilungsperiode nach Plus, während die der -1. Beugungsordnung die Wellenlänge nach Minus verschiebt. Aufgrund der Interferierung der beiden Wellen zueinander am Austritt des Phasengitters, verschieben sich diese Wellen ebenso um zwei Wellenlängen zueinander. Eine Teilungsperiode wird somit durch zwei Signalperioden einer Relativbewegung bestimmt. Interferentielle digitale Messtaster arbeiten mit Teilungsperioden von bis zu 8 μm bzw. 4 μm oder feiner.

Der Vorteil dieser Messmethode ist, dass die Abtastsignale weitestgehend frei von Oberwellen sind und ebenso hoch interpoliert werden können. Das Verfahren findet vor allem Anwendung bei Messgeräten, die eine besonders hohe Auflösung und Genauigkeit benötigen.

Nach dem interferentiellen Messprinzip arbeiten die Messtaster der MT Serie.

Der Messtaster ist nur ein Faktor in Bezug auf eine Messung. Die gesamte Systemgenauigkeit ist weiteren externen Faktoren ausgesetzt. Unter solche Faktoren fallen unter anderem Umgebungstemperatur und deren Schwankungen, sowie ein stabiler und richtig ausgerichteter Messaufbau.

Das Messergebnis ist abhängig von allen beteiligten Komponenten einer Messung wie Messarm, Messtaster, Messstativ und Aufbau. Thermische und mechanische Einflüsse gehen direkt als Messfehler in die Messung ein.

Es sollte darauf geachtet werden, dass ein notwendiger stabiler Aufbau besteht. Hierbei sollten lange seitliche Ausleger vermieden werden. Wenn möglich sollten Messstative verwendet werden, damit die auftretende Kraft beim Messen nicht zu einer Verbiegung des Messzirkels führt. Die Messtaster an sich arbeiten mit möglichst geringer Krafteinwirkung, wodurch der Einfluss klein gehalten wird.

Idealerweise werden die digitalen Messtaster so befestigt, dass deren Messbolzen bzw. Spitze exakt rechtwinklig zum Prüfling und der Auflagefläche steht.

Schwankungen in der Temperatur führen zur Ausdehnung von mechanischen Komponenten und anschließenden Messfehlern. Dies kann kompensiert werden, indem diese Längenänderungen durch wiederholtes Bezugspunkt-Setzen, bei entsprechender Bezugstemperatur, anhand von Prüflingen erfolgt.

Das Abbe'sche Messprinzip sagt aus, dass der Messbolzen und die Maßverkörperung auf einer exakten Linie liegen müssen.

Sollte der Prüfling und der Maßkörper im Messgerät nicht auf einer exakten Linie liegen, treten bei der Messung Kippfehler erster Ordnung auf. Diese Kippfehler entstehen aufgrund des Spiels zwischen dem Messgerät und der Messrichtung, das sich prinzipiell schwer vermeiden lässt.

Sind die zu messende Strecke und der Maßkörper des Messgerätes fluchtend angeordnet, entstehen kleinere Messfehler durch das Verkippen. Die Verkippung ist eine Verschiebung zwischen der zu messenden Strecke und der Messachse. Diese werden auch Kippfehler der zweiten Ordnung genannt und sind um ein Vielfaches kleiner als die Kippfehler erster Ordnung.

Alle Messtaster arbeiten nach dem Abbe'sche Messprinzip, da ihre Messbolzen gegen Verdrehung gesichert sind. So bleibt ihre runde Form erhalten und die Stabilität der Bolzen und deren Wärmeleitfähigkeit konstant. Zusätzlich werden die Messtaster mit einem Faltenbalg versehen. Diese weisen bei geringer Steifigkeit gleichzeitig eine hohe chemische und thermische Beständigkeit auf, was eine weitere Unterstützung für das Abbe'sche Messprinzip bietet.

Bei den digitalen Messtastern gibt es zwei Messbolzenführungen:

• Gleitführung
• Kugelführung

Die Gleitführung besitzt folgende Eigenschaften:

• Bewegung weniger Komponenten, daher sehr robust
• Besonders erschütterungs- und stoßunempfindlich
• Hochwertige Keramiklager ermöglichen hohe Messbolzenverfahrgeschwindigkeiten bei langer Lebensdauer
• Widerstandsfähiger gegen unsachgemäßes Einspannen des Messtasters

Die Kugelführung besitzt diese Eigenschaften:

• Extrem geringe Reibung, somit sind Versionen von Messtastern mit reduzierter Messkraft möglich
• Bei höheren Querkräften auf den Messbolzen, wird ein sicheres Ein- bzw. Ausfahren ermöglicht
• Durch das einpassen der Lager und Messbolzen, wird der Messzirkel spielfrei geführt und ermöglicht eine sehr hohe Präzision