Projekt Maschine mit Messuhr zur Messung von Oberflächen

[Mxt]

Ich hatte auch bereits die Fa. Mahr ins Auge gefasst. Die bieten ja auch eine Funklösung an, was mir auch gefällt.
Nachdem du schreibst, dass du das schon mal gemacht hast, könntest du mir da ein paar Tipps geben?
Hast du direkt auf einen PC eingelesen oder auf ein Mikrokontrollerboard o. Ä.?

An der Arbeit muss ich regelmäßig irgendwelche Geräte mit Schnittstellen einbinden, deshalb bringe ich da möglicherweise einiges durcheinander. Aber ich meine bei der Messuhr von Mahr war das so: Wir haben die Uhr gekauft und zusätzlich ein serielles Schnittstellenkabel für den PC. Bei dem Kabel war auch die Beschreibung des Protokolls dabei.

Aber im Prinzip ist das auch nicht viel anders als bei anderen Waagen, Multimetern usw. Wenn es sich um einem Markenhersteller handelt, kann man auch davon ausgehen, dass es da einen Support gibt, den man fragen kann.

Ein Raspi ist in diesem Falle auch nur eine Art PC. Die allermeisten USB zu Seriellwandler, die auf normalen Linux-PCs gehen, sollten da auch gehen. Damit kann man Messuhren/Sensoren mit serieller Schnittstelle anschliessen. Bei vielen Anschlüssen mit USB und oft auch bei Bluetooth, handelt es sich auch um virtuelle serielle Schnittstellen. Das geht dann von der Programmierung im wesentlichen genauso, wenn die Treiber funktionieren.

Es gibt übrigens auch "Messuhren ohne Uhr" also nur die Tastspitze. Da würde mir als erstes die Firma Keyence einfallen. Diese Taster gibt es auch mit Analogausgang. Allerdings wären die analogen Eingänge auf einem normalen Arduino dafür zu ungenau. Da müsste man schon einen besseren AD-Wandler über SPI oder I2C anbinden.

In der Industrie würde man deine Messaufgabe eventuell eher mit einem Lasermesssystem lösen. Da fallen mir auch wieder Keyence sowie Micro Epsilon ein. Da gibt es auch diverse Dinge mit Analog, Seriell, USB oder Ethernet.

[i_make_it]

Hallo, wie bewandert bist Du den in der Metrologie (die Wissenschaft vom Messen und ihre Anwendung).
Genauer in der Koordinatenmesstechnik. Denn daß ist das was Du machen möchtest.

Denn die Beschreibung deines bisherigen Vorgehens in Verbindung mit den Gegebenheiten des Werkstücks sagt das Du keine Ebenheit (Fläche) misst, sondern eine Reihe von Gradheitsmessungen (Strecke) die zu einander in keiner Relation stehen.
Die Aussagekraft zur Ebenheit ist also "Null".
Bei der Gradheit hängt die Aussagekraft davon ab welche Bedingung Deine Aluschine erfüllt.
Da die Gradheit der Schiene ja dein Referenzsystem ist, gilt hier, für eine vergleichbare und reproduzierbare Aussage, die DIN 874 (Toleranz der Ebenheit und Parallelität)
Deine Schiene ist fachlich richtig nämlich ein Messbalken oder Präzisionslineal.
Die Abweichungen und damit der kleinste messbare Abweichung deines Prüflings hängen ja von der Präzision deines Referenzsystems ab.
Bei einer Länge von 5 Meter hat die Güte DIN874/00 34µm Tolleranz. Damit ist eine Messung auf 0,01mm (ein Hundertstel) schon mal nicht realisierbar, da die aus dem Referenzsystem stammende Unsicherheit ja schon knapp 3,5 Hundertstel beträgt.
http://www.thome-praezision.de/deu/DIN874.html
Jetzt kommt noch das Problem hinzu, daß die Angaben für so einen Messbalken nur für den unbelasteten Zustand und für die Auflage an den markierten Auflagepunkten gilt (ist zumindest bei Montagelinealen so)
Verschiebst Du deinen Meßaufbau (die Messuhr) also entlang des Messbalkens und belastest diesen an verschiedenen Stellen mit der Masse der Messuhr, dann verändert sich die Durchbiegung und somit die Messunsicherheit.
Über den Daumen, sage ich mal alles unter 0,1mm folgt dem Grundsatz "wer misst, misst Mist".
Jetzt hast Du also einen Aufbau der die Gradheit einer Strecke, quer zur Längsseite des Prüflings misst.
Für die Ebenheit braucht man aber jetzt mehrere Messreihen, die alle untereinander auf ein gemeinsames Referenzsystem bezogen sind, sonst kann man sich das ganze nämlich auch sparen.
Da ja die Ebenheit des Prülings, der fest auf dem Untergrund befestigt ist, gemessen werden soll, geht also die Ebenheit des Bodens entscheident mit in das Messergebniss ein.
Der Boden scheidet also als Referenzsystem aus.
Man könnte jetzt an beiden Längsseiten des Prüflings zwei Messbalken aufstellen, die je an zwei Punkten aufliegen und für jede Messreihe den Abstand in der Höhe (Z-Achse) des 0,5m langen Messbalkens (Y-Achse) zu den beiden 5m langen Messbalken (X1-Achse und X2-Achse) messen.
Somit kann man jede Y-Messreihe in Bezug zu den X-Achsen setzen und erhält einen Datensatz der (Abzüglich der Ungenauigkeit der Referenzsysteme) eine Ebene bildet und innerhalb dieser Ebene die Formabweichung des Prüflings angibt.
Eine eventuelle räumliche Verdrehung des Referenzsystems zur Ebene des Prüflings kann man rausrechnen.

Für die Koordinatenmesstechnik gibt es induktive Präzisionsmesstaster auf Basis von Differentialtransformatoren.
Die können Messwege von üblich +-1/5mm (bis über 300mm) bei Auflösungen bis 0,0001mm (0,01mm ist deutlich günstiger).
Da dort im Gegensatz zu einer Messuhr keine Anzeige, keine Messgetriebe und kein Gehäuse vorhanden ist, sind die meist günstiger und meist leichter als eine Messuhr mit Datenausgang.

Das anheben des Tasters kann man über Vakuumrückzug durchführen.

Bsp. für Taster:
http://www.studenroth.com/de/laengen...messtaster.php
http://www.ballbach-messzeuge.de/06/70/70_4.html
Übrigens hat so ein Präzissionslineal üblicherweise so 6 bis 10kg Gewicht je Meter Länge (Je Länger um so höher das Gewicht pro Meter).
Ein mobiler Leichtbau wäre mit Lasern anstelle Linealen möglich.
man hat dann den mechanischen Aufbau für für die Führung und Bewegung des Messwertaufnehmers und misst bei jeder Messposition die Höhenabweichung zum Laserstrahl der eine absolut grade Refferenz darstellt.
Drei Laser mit entsprechender Optik (um auf der Meßstrecke keine Strahldivergenz zu haben) plus die 3 entsprechend genauen Detektoren gehen allerdings ins Geld. Bei der Laserinterferometrie arbeitet man z.B. mit solchen Lasern und den entsprechenden Detektoren.
Da kann man z.B. mal bei Laser2000 oder Coherent schauen.

[Mxt]

Jetzt kommt noch das Problem hinzu, daß die Angaben für so einen Messbalken nur für den unbelasteten Zustand und für die Auflage an den markierten Auflagepunkten gilt (ist zumindest bei Montagelinealen so)

Bei einer Lasermessung müsste das nicht unbedingt ein Problem sein. Man könnte die Messlineale auf die zu vermessende Fläche legen und hat damit "die Referenz im Bild". Die Positionierung des Scanners wäre dann unkritisch.

Auch müssten die Lineale dann keine 5m lang sein. Mir hat ein Sensorlieferant mal erklärt wie die Firma Liebherr ihre Kräne scant. Aus naheliegenden Gründen sind Lineale umd Messräume von Scannern deutlich kleiner als die zu vermessenden Teile. Man scant also nur (sich überlappende) Teile und setzt die dann am Computer wieder zusammen.

Über diese Erklärung bin ich passenderweise wieder beim Raspi angelangt. Bei solchen Verfahren kommt oft diese Software zum Einsatz
http://pointclouds.org/
Das läuft auch unter Debian, also wahrscheinlich auch auf dem Raspi. (Auch wenn ich da eher einen Rechner mit Core-i7 oder besser Xeon nehmen würde.)

- - - Aktualisiert - - -

Hallo Joe,
Im letzteren Fall könnte man die Fläche fast waagrecht anleuchten und mit einer Kamera das entstehende Schattenbild aufnehmen. Je höher der "Hügel" um so länger ist der Schatten.

Das ist im wesentlichen das Funktionsprinzip solcher Sensoren
https://www.sick.com/de/de/produktpo...nger/c/g138563
http://www.keyence.de/products/measu...r-2d/index.jsp
http://www.micro-epsilon.de/laser-scanner/index.html

[oberallgeier]

.. Für die Koordinatenmesstechnik gibt es induktive Präzisionsmesstaster auf Basis von Differentialtransformatoren ..

Sorry dass ich (pingelig) ergänze: die induktiven Taster mögen Kunststoffe nicht wirklich (TO: ".. welche die Ebenheit von Kunststoffplatten misst und auswertet .."). Als ebenso überflüssiger, gut bekanter Hinweis : bei der Abtastung von metallischen Oberflächen geht u.a. die Homogenität bzw. Inhomogenität des metallischen Körpers in die Messsicherheit ein. Das müssen nicht mal Lunker sein. Wir hatten mal bei ner sehr genauen induktiven Rundlaufmessung (berührungslos wegen hoher Drehzahl) erhebliche Fehler festgestellt. Aber der Runout war nur eine nicht mehr kleinräumige Gefügeänderung, mechanisch war der nicht da . . .

[i_make_it]

Sorry dass ich (pingelig) ergänze: die induktiven Taster mögen Kunststoffe nicht wirklich (TO: ".. welche die Ebenheit von Kunststoffplatten misst und auswertet .."). Als ebenso überflüssiger, gut bekanter Hinweis : bei der Abtastung von metallischen Oberflächen geht u.a. die Homogenität bzw. Inhomogenität des metallischen Körpers in die Messsicherheit ein. Das müssen nicht mal Lunker sein. Wir hatten mal bei ner sehr genauen induktiven Rundlaufmessung (berührungslos wegen hoher Drehzahl) erhebliche Fehler festgestellt. Aber der Runout war nur eine nicht mehr kleinräumige Gefügeänderung, mechanisch war der nicht da . . .

Diesen Tastern ist der Werkstoff wurst. da kommen die ganz normalen Meßspitzen drann die man auch an Messuhren anschraubt. Auch lassen sich Die Messkraftfedern wechseln, so das man die üblichen Messkräfte von 1N bis 4N wie bei Feintastern und Messuhren wählen kann. Der Messwertaufnehmer im inneren ist ein Differenztransformator, dessen Tauchkern der Messfühler ist. Wenn man die Phrase "induktive Präzisions Messtaster auf Basis von Differential Transformatoren" bei Google eingibt, kommt mann halt auf diese Produkte.

Übrigens meine ich bei Digitaler Wasserwaage, Richtwagen nach DIN 877 mit Auflösungen bis 0,001mm/m. Wenn man auf 0,01mm genau, absolut messen will, wird man das brauchen. (eigene Erfahrung vom Ausrichten von Laser Resonatoren).

Handywasserwaagen haben meines Wissens eine Auflösung von 0,1°.
Das sind 1,75mm/m. Also 1750 mal schlechter als eine Präzisions Richtwaage.
Ob das belastbare Daten bringt wenn man auf 0,01mm oder auch nur auf 0,1mm genau messen will, bezweifle ich mal stark.
Immerhin schwankt im Extremfall der Messwert eines Punktes der Bahn um 175 Hundertstel Millimeter bevor die Wasserwaage feststellt, das sich ein Winkelfehler in der Ausrichtung der Messbrücke befindet.

[heliman]

Übrigens meine ich bei Digitaler Wasserwaage, Richtwagen nach DIN 877 mit Auflösungen bis 0,001mm/m.

Eine solche habe ich mit Datenausgang lediglich im mittleren vierstelligen Eurobereich gefunden, das scheidet aus.

[i_make_it]

Dann überlegen wir mal.
Eine Bowlingbahn ist 1,05m breit.
also können wir bei der Auflösung von 0,xmm/m bleiben.

Wir setzen die konstruktion auf und ermitteln die Abweichung von der Nullage (im Wasser) dann messen wir auf dieser Linie die Abweichung von der Gradheit.
Jetzt nehmen wir die konstruktion herunter, setzen sie erneut auf und wiederholen den Vorgang.
Da sich an dem Prüfling nicht verändert hat, messen wir also jetzt die Güte unseres Meßsystems.

Bei einem Digitalsystem geht man immer von einer Ungenauigkeit von +-1 Digit aus (unabhängig von der Auflösung).
Bei einer Richtwaage von 0,001mm/m und einem Taster von 0,001mm kommen wir auf einen maximalen Summenfehler von 0,004mm.
Das ist weniger als die Hälfte der geforderten Auflösung von 0,01mm Wir können also davon ausgehen, daß das Messergebniss innerhalb dieser Auflösung immer reproduzierbar ist.
Somit ist die systembedingte Messabweichung vernachlässigbar.

Jetzt nehmen wir mal den Fall, einer Richtwaage die 0,025mm/m hat. (die Güten sind 0,001mm/m, 0,005mm/m, 0,025mm/m)
Die Auflösung des Tasters bleibt bei 0,001mm.

Fall a: Waage0 - Taster - 0 = Spannbreite des tatsächlichen Wertes 0,025mm (2,5 mal die geforderte Auflösung)
Fall b: Waage0 - Taster - 1 = Spannbreite des tatsächlichen Wertes 0,05mm (5 mal die geforderte Auflösung)
Fall c: Waage1 - Taster - 0 = Spannbreite des tatsächlichen Wertes 0,05mm (5 mal die geforderte Auflösung)
Fall d: Waage1 - Taster - 1 = Spannbreite des tatsächlichen Wertes 0,075mm (7,5 mal die geforderte Auflösung)

Man kann also bei diesem Aufbau für exakt die selben Maßverhältnisse bis zu 8 verschiedene Ergebnisse (Auflösung 0,01mm) erhalten.
Das System ist für eine Auflösung von 0,01mm nicht geeignet. Die Güte würde für Messungen mit 0,2mm Auflösung aber ausreichen.

Die Frage ist halt welche Messgenauigkeit willst du erreichen? Danach richtet sich die Güte die das System erfüllen muß.
Bei dieser Überlegung waren noch keine Tolleranzen bei Rädern Lagern etc. einbezogen.
Wenn man mit entsprechender Güte messen will, wird der Messaufbau nach jedem Vorschub abgesenkt, so das er nicht auf den tolleranzbehafteten Antrieben steht sondern auf definierten Auflagepunkten.

[heliman]

Danke für deine Berechnungen. Ich denke, dass ich mit einer Messgenauigkeit von 0,2mm allemal leben kann.

Allein durch die aktuelle Handmessmethode entstehen erhebliche Messfehler dadurch, dass man ja immer bei der Wawa stehen muss und somit die Platten sich durch das Eigengewicht nach unten bewegen. Ich habe dies versucht zu unterdrücken, indem ich einen langen Stab nehme und mich seitlich daneben aufstelle und dann die Messuhr mit dem Stab verschiebe.

Das Ablesen ist dann jedoch schwierig, wobei aktuell nur drei Messwerte pro Breite genommen werden, bzw. man beobachtet ob die Messuhr mehr als plus oder minus 1 mm anzeigt, das ist die Toleranzgrenze.

Übrigens die mechanischen Toleranzen beim Antrieb nimm ich auch in Kauf. Alles was an die Genauigkeit der Handmethode kommt wäre i.O.
Würde sich sowas nicht mit einem Beschleunigungssensor machen lassen, anstatt ner Wawa?