Koordinatenmessgeräte (KMG)

Koordinatenmessgeräte, allgemein unter der Abkürzung KMG (englisch CMM, Coordinate Measuring Machine) bekannt, sind messtechnische Systeme höchster Genauigkeit für die Maß- und Formprüfung mechanischer Bauteile. Sie erfassen die kartesischen Koordinaten von Punkten auf der Werkstückoberfläche mittels taktiler Taster oder optischer Sensoren, rekonstruieren die Geometrie des Bauteils digital und berechnen dessen Maße sowie die Form-, Lage- und Richtungstoleranzen. Sie sind das Referenzmittel der industriellen Präzisionsmesstechnik in Branchen wie Automobilbau, Luft- und Raumfahrt, Werkzeug- und Formenbau und Energietechnik.

Bauformen und Typen

KMG unterscheiden sich nach der mechanischen Bauform in Portalgeräte mit bewegter Brücke (Bridge), Gantry-Geräte, Horizontalarmgeräte und Portalanlagen (in der Regel für große Werkstücke). Das Werkstück liegt auf dem Arbeitstisch, während die drei Schlitten (X, Y, Z) den Taster entlang der gewünschten Koordinaten bewegen. Manuelle Ausführungen werden vom Bediener geführt, motorisierte verfügen über Servomotoren und Joystick, und DCC-Geräte (Direct Computer Controlled) führen voreingestellte Messprogramme selbstständig aus. Die typischen Genauigkeiten reichen von 1-3 μm bei Laborgeräten bis zu einigen zehn μm bei Geräten für die Fertigung.

Tastsysteme

Die am häufigsten eingesetzten Taster sind schaltende Taster (Touch-Trigger, Punkt-für-Punkt-Antastung mit Auslösung bei Kontakt), scannende Taster (kontinuierliche Erfassung von Hunderten Punkten pro Sekunde entlang von Profilen), 5-Achs-Dreh-Schwenk-Taster für den Zugang zu komplexen Geometrien, optische Sensoren (Laser-Linienscanner zur Erfassung von Punktwolken, Kameras für integrierte Bildverarbeitung) und Streifenlichtsensoren. Die Sensoren können über eigene Wechselmagazine automatisch getauscht werden. Optische Taster verbreiten sich rasch, dank ihrer Erfassungsgeschwindigkeit und der fehlenden Antastkraft.

Software und GD&T

Die KMG-Software ist eine ebenso kritische Komponente wie die Hardware: sie übernimmt die Tasterkalibrierung, die Erstellung von Messprogrammen, die Werkstückausrichtung (RPS, 3-2-1-Bezugssystem), die Berechnung geometrischer Elemente (Ebenen, Zylinder, Kugeln, Kegel, Tori), die Bewertung von Form- und Lagetoleranzen nach ISO 1101 und ASME Y14.5 (GD&T – Geometric Dimensioning and Tolerancing), die Erstellung von Messberichten, die CAD-Anbindung über DMIS/IGES/STEP/QIF und die Verwaltung der SPC-Statistik.

Anwendungen

KMG werden zur Prüfung von Motorbauteilen (Zylinderköpfe, Zylinderblöcke, Wellen, Zahnräder), von Formen und Werkzeugen, von Turbinen- und Verdichterschaufeln, von Rohkarossen und Karosserieteilen, von strukturellen Bauteilen der Luft- und Raumfahrt, von Präzisionsteilen für die Ölhydraulik sowie von Medizinprodukten und Prothesen eingesetzt. Ihre Fähigkeit, komplexe Form- und Lagetoleranzen zu bewerten (Zylindrizität, Sphärizität, Lage von Bohrungsgruppen), macht sie zum wichtigsten Mittel der Präzisionsqualitätsprüfung.

Normen und Kalibrierung

Abnahme und regelmäßige Prüfung von KMG sind in ISO 10360 in allen Teilen geregelt, die Antastabweichungen (P), Längenmessabweichungen (E), Scanning-Abweichungen und die Leistung mit Dreh-Schwenk-Tastern festlegt. Die Kalibrierung erfolgt mit Referenznormalen (Ringe, Kugeln, Kugelstäbe, Endmaße), die nach ISO 17025 kalibriert sind. Die Messunsicherheiten werden nach ISO 14253 und ISO 15530 angegeben (simulierte oder experimentelle Verfahren zur Abschätzung der Unsicherheit). Die Auswahlkriterien werden auf Anfrage je nach Anwendungsfall vertieft.

Die Leistungsfähigkeit eines KMG hängt eng von der Umgebung ab: eine geregelte Temperatur (typisch 20 °C ±1 °C für Messräume), die Abwesenheit von Schwingungen und eine ausreichende thermische Stabilität sind entscheidend, um die angegebenen Leistungen voll auszuschöpfen. Geräte für die Fertigung sind hingegen für den Einsatz in der Werkstattumgebung mit integrierter Temperaturkompensation ausgelegt.