VDI VDE 2630 Blatt 1 4-2010 Computed tomography in dimensional metrology - Measurement procedure and comparability.pdf

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1、VEREINDEUTSCHERINGENIEUREVERBAND DERELEKTROTECHNIKELEKTRONIKINFORMATIONSTECHNIKComputertomografie in derdimensionellen MesstechnikGegenberstellung verschiedenerdimensioneller MessverfahrenComputed tomography indimensional metrologyMeasurement procedure and comparabilityVDI/VDE 2630Blatt 1.4 / Part 1

2、.4Ausg. deutsch/englischIssue German/EnglishVDI/VDE-Handbuch FertigungsmesstechnikVDI/VDE-Handbuch Mikro- und FeinwerktechnikVDI-Handbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, Band 3: BetriebsmittelVDI/VDE-RICHTLINIENICS 19.100, 35.240.99 Juni 2010 June 2010Vervielfltigung auchfr innerbetriebl

3、icheZwecke nichtgestattet / Reproduction evenfor internal use not permittedDie deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authorita-tive. No guarantee can be given with respect to the English trans-lation.Frhere Ausgabe: 09.08 Entwurf,

4、deutsch Formeredition: 09/08Draft, in German onlyZubeziehen durch /Available at BeuthVerlag GmbH,10772 Berlin AlleRechtevorbehalten /All rights reserved Verein Deutscher Ingenieuree.V.,Dsseldorf 2010VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA)Fachbereich FertigungsmesstechnikInhalt S

5、eiteVorbemerkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Anwendungsbereich . . . . . . . . . . . . . . 32 Messverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 32.1 Taktile Messverfahren. . . . . . . . . . . . 32.2 Optische Messverfahren . . . . . .

6、 . . . . 72.3 Tomografisches Messverfahren . . . . . . . 143 Gegenberstellung . . . . . . . . . . . . . . . 183.1 Hauptanwendungen . . . . . . . . . . . . . 183.2 Betrachtungen zur Messunsicherheit . . . . 18 3.3 Verfahrenstechnische Besonderheiten . . . 20Schrifttum. . . . . . . . . . . . . . . . .

7、 . . . . . 23Contents PagePreliminary note . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Scope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Measuring procedures . . . . . . . . . . . . . 32.1 Tactile procedures . . . . . . . . . . . . . 32.2 Optical m

8、easuring procedures . . . . . . . 72.3 Tomographic measuring procedures . . . . 143 Comparability. . . . . . . . . . . . . . . . . . 183.1 Principal applications. . . . . . . . . . . . 183.2 Consideration of the uncertainty of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . 183.3 Technical and procedura

9、l details . . . . . . 20Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 2 VDI/VDE 2630 Blatt 1.4 / Part 1.4VorbemerkungDer Inhalt dieser Richtlinie ist

10、entstanden unter Be-achtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richt-linie VDI 1000.Alle Rechte, insbesondere das des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstndig, sind vorbehalten.Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wahrung

11、 des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenz-bedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich.Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt.Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist

12、 im Internet abrufbar unter www.vdi.de/2630. EinleitungIm Fachausschuss Computertomografie in der dimen-sionellen Messtechnik in der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) erarbei-ten Fachleute VDI/VDE-Richtlinien. Diese beschrei-ben den Stand der Technik im Bereich der dimensi

13、o-nellen Messung mit Computertomografen im indus-triellen Umfeld. Ziel ist die Festlegung von Rahmen-bedingungen und Verfahren, die die Vergleichbarkeit und die Rckfhrbarkeit von Messungen gewhrleis-ten. Zur Richtlinienreihe VDI/VDE 2630 sind fol-gende Bltter geplant, in Arbeit oder verffentlicht: V

14、DI/VDE 2630 Computertomografie in der dimensi-onellen MesstechnikBlatt 1.1 Grundlagen und DefinitionenBlatt 1.2 Einflussgren auf das Messergebniss und Empfehlungen fr dimensionelle Computertomografie-MessungenBlatt 1.3 Leitfaden zur Anwendung von DIN EN ISO 10 360 fr Koordinaten-messgerte mit CT-Sen

15、soren Blatt 1.4 Gegenberstellung verschiedener dimensioneller MessverfahrenWeitere Bltter sind zu den nachfolgenden Themen-gebieten geplant: Unsicherheit/Prozesseignung/ Kalibrierung An- und Abnahme SoftwaresystemePreliminary noteThe content of this guideline has been developed in strict accordance

16、with the requirements and recom-mendations of the guideline VDI 1000.All rights are reserved, including those of reprinting, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts.The use of this guideline without infrin

17、gement of copy-right is permitted subject to the licensing conditions specified in the VDI notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary con-tributors to this guideline.A catalogue of all available parts of this guide-line series can be accessed on the internet a

18、t www.vdi.de/2630. IntroductionIn the technical committee Computed Tomography in Dimensional Metrology, of the VDI/VDE Associa-tion for Measurement and Automation Technology (GMA), experts elaborate VDI/VDE guidelines. These describe the state of the art in the field of di-mensional measurement util

19、ising computer tomo-graphs in industry. The objective is to establish limit-ing conditions and procedures that can guarantee the comparability of measurements, and their traceabil-ity. For the guideline series VDI/VDE 2630 the fol-lowing parts are planned, currently being drafted or published:VDI/VD

20、E 2630 Computed tomography in dimen-sional metrologyPart 1.1 Basics and definitionsPart 1.1 Influencing variables on measurement re-sults and recommendations for computed tomography dimensional measurementsPart 1.3 Guideline for the application of DIN EN ISO 10 360 for coordinate measuring machines

21、with CT sensors Part 1.4 Measurement procedure and comparabilityAdditional parts are planned for the following topics: uncertainty of measurement/process qualification/calibration contract and acceptance software systemsB55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights r

22、eserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI/VDE 2630 Blatt 1.4 / Part 1.4 3 1 AnwendungsbereichDiese Richtlinie beschreibt verschiedene Messver-fahren und soll dem Anwender Hilfestellung bei der Verwendung von Computertomografen (CT) fr di-mensionelle Messaufgaben geben. Es werden b

23、ei-spielhaft nacheinander taktile, optische und rntgen-tomografische Messverfahren beschrieben. Grund-legende Unterschiede, Gemeinsamkeiten und Beson-derheiten der einzelnen Verfahren werden dargestellt. Es existieren bereits Messeinrichtungen, die mehrere der beschriebenen Sensorprinzipien in einem

24、 Mess-gert in Form einer Multisensormesseinrichtung nut-zen.2 Messverfahren2.1 Taktile MessverfahrenDas Funktionsprinzip aller taktilen Sensoren beruht auf dem mechanischen Berhren des Messobjekts. Hieraus werden die Signale zur Weiterverarbeitung abgeleitet. Es werden schaltende und messende Tast-s

25、ysteme unterschieden. Bei einem taktilen Sensor sind im Messergebnis sowohl die Geometrie (Form und Dimension) des Antastformelements (Kugel) als auch die Raumlage und geometrische Formen enthal-ten. Bild 1 zeigt, dass die Lage des Antastpunkts beim taktilen Scannen nicht ohne mathematische Korrektu

26、r aus den bekannten Koordinaten des Tast-kugelmittelpunkts bestimmt werden kann. Fr eine exakte Korrektur muss das Antastformelement ge-wissenhaft eingemessen werden (Tastkugelkorrek-1 ScopeThis guideline describes diverse measuring proce-dures and aims to give the user some assistance in the applic

27、ation of computed tomography (CT) for di-mensional measurement problems. Representative tactile, optical and X-ray tomographic measuring procedures are successively described. The funda-mental differences, similarities and particulars of each individual method are presented. Measuring in-struments a

28、lready exist which employ several of the sensor principles described here, in a single measur-ing device operating as a multi-sensor measuring in-strument.2 Measuring procedures2.1 Tactile proceduresThe principle of operation of all tactile sensors is based on mechanical contact with the object of m

29、eas-urement. From this the signals are then derived for further processing. Switching and measuring tactile systems are differentiated. For a tactile sensor the measurement result comprises both the geometry (form and dimensions) of the scanning element (sphere), as well as the spatial position and

30、geometri-cal shapes. Figure 1 shows that the position of the point of contact for tactile scans cannot be deter-mined without a mathematical correction, using the known coordinates of the scanning spheres centre point. To determine an exact correction the scanning element must be carefully measured

31、up (scanning Bild 1. Einfluss des Antastformelements beim Messen von gekrmmten FlchenBei unbekannten Flchen kann die Tastkugelkorrektur durch dicht nebeneinander liegende Bahnen ermittelt werden. Bei Lasersensoren kann die Bahnkorrektur entfallen.Figure 1. Effect of the scanning element during measu

32、rement of curved surfacesFor unknown surfaces the scanning sphere correction can be determined from closely adjacent scanning paths. The path cor-rection may be waived for laser sensors.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingen

33、ieure e.V., Dsseldorf 2010 4 VDI/VDE 2630 Blatt 1.4 / Part 1.4tur). Auerdem ist es erforderlich, mehrere Punkte am zu messenden geometrischen Merkmal anzutas-ten. Der aus der Unterlassung dieser Korrektur resul-tierende Fehler hngt vom Tastkugeldurchmesser ab. Groe Tastkugeldurchmesser knnen darber

34、hinaus kleine Strukturabweichungen unterdrcken. Diese mechanische Filterung kann sich entweder gnstig auf die Messergebnisse auswirken oder zu ihrer Ver-flschung fhren.Schaltende taktile SensorenEinfache schaltende Tastsysteme arbeiten nach dem Dreibeinprinzip (Bild 3a). Berhrt die Tastkugel das Mes

35、sobjekt, wird ein Triggersignal zum Auslesen der Mastabssysteme des Koordinatenmessgerts er-zeugt. Der Messpunkt ergibt sich aus den Koordina-ten des Messgerts und bezieht sich auf den Mittel-punkt der Tastkugel. Diese ist ber einen steifen Schaft auf einer Drei-punktlagerung angebracht, die in jede

36、r der drei Auf-lagen als Schalter ausgebildet ist. Wird der Taster aus einer beliebigen Richtung ausgelenkt, wird mindes-tens einer der Schalter geffnet. Dies wird als Schalt-signal weiterverarbeitet. Der Nachteil dieses Systems liegt insbesondere darin, dass die unterschiedlichen sphere correction)

37、. Moreover, it is necessary to scan several points on the geometrical feature to be meas-ured. The error introduced as a consequence of ne-glecting this correction depends on the diameter of the scanning sphere. Large scanning sphere diame-ters can additionally suppress small structural aberra-tions

38、. This kind of mechanical masking can either af-fect the measurement results favourably, or lead to their falsification.Switching tactile sensorsSimple switching scanning systems operate on the tripod principle (Figure 3a). When the scanning sphere touches the object of measurement a trigger signal

39、is produced for the reading of the dimensional systems of the coordinate measuring machine. The measurement point is determined from the coordi-nates of the measuring machine and is referred to the centre point of the scanning sphere.This latter is attached via a rigid shaft to a three-point bearing

40、, where each of the three supports forms a switch. If the scanning probe is deflected from an ar-bitrary direction, at least one of the switches is opened. This is further processed as a switching sig-nal. The particular disadvantage of this system is the fact that the different scanning forces, dep

41、endent on Bild 2. Prinzipieller Einfluss der Anzahl der Tastpunkte auf das Messergebnis1 zufllig verteilte Einzelpunkte2 Gau-Ausgleichskreis aus vier Punkten3 Gau-Ausgleichskreis aus vielen Punkten4 Antastpunkte mit Scanning (nicht alle Punkte dargestellt)5 unterschiedliche Mittelpunkte6 reale Kontu

42、r (berhht)7 Pferchkreis; Kleinstma8 Hllkreis; GrtmaBei realen geometrischen Merkmalen mit Formabweichungen muss unbedingt eine hohe Anzahl von Messpunkten erfasst werden (Bild 2). Diese ist bei schaltenden Sensoren aufgrund des damit verbundenen betrchtlichen Zeitaufwands problema-tisch.Figure 2. Fu

43、ndamental effect of the number of contact points on the result of the measurement1 randomly distributed individual points2 Gau four-point adjustment circle3 Gau multi-point adjustment circle4 scanning contact points (not all points shown) 5 different centre points6 true contour (height exaggerated)7

44、 folding circle; smallest measure8 envelope circle; largest measureFor true geometrical features with deviations in shape it is abso-lutely necessary that a large number of measuring points be taken (Figure 2). When switching sensors are used this becomes problematic because of the long measuring ti

45、mes involved.B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2010 VDI/VDE 2630 Blatt 1.4 / Part 1.4 5 Antastkrfte abhngig von der Antastrichtung zu un-terschiedlicher Tastdurchbiegung und damit zu ei-nem richtungsabh

46、ngigen Antastverhalten fhren (dreieckige Charakteristik), das nur schwer zu korri-gieren ist.Hherwertige Tastsysteme setzen zur Umwandlung des mechanischen in ein elektrisches Signal Wandler-elemente wie Piezoelemente oder Dehnungsstreifen ein (Bild 3b). Mit ihnen lsst sich ein richtungs-unabhngiges

47、 Antastverhalten erreichen. Eine nach-gelagerte Elektronik sorgt dafr, dass mit sehr gerin-gen Antastkrften gearbeitet werden kann.Die vom Sensor beeinflusste Messunsicherheit ist ge-ringer. Das Dreibein wird erst nach der Detektion des Antastpunkts ausgelenkt. Damit werden relativ groe Bremswege“ i

48、n den Achsen zulssig. Gemeinsamer Nachteil aller schaltenden Sensorsysteme ist, dass das Koordinatenmessgert zum Ermitteln eines Messpunkts mit dem Messobjekt in Kontakt gebracht und anschlieend wieder aus dem Kontakt herauszu-fahren ist. Es ergibt sich somit fr jeden Messpunkt eine Antastzeit im Se

49、kundenbereich. the scanning direction, cause different contact flexion and hence directionally dependent scanning behav-iour (triangular characteristic) that is difficult to cor-rect. More sophisticated scanning systems introduce trans-formers such as piezo elements or strain measuring strips (Figure 3b) to convert the mechanical into an electrical signal. With these directionally independ-ent scanning behaviour can be achieved. Auxiliary electronics allows