Die Luftmesstechnik schreitet schneller voran, als Sie denken

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In den 40er-Jahren galt die Luftmessung möglicherweise als die beste Erfindung seit dem Schneiden von Brot. Während sich geschnittenes Brot immer mehr durchsetzte, brachte die Luftmessung einen ebenso aufregenden Durchbruch in der Werkstatt. Sie sehen, zu dieser Zeit – lange bevor es elektronische Sonden und Verstärker gab – war es sehr schwierig, in der Werkstatt eine Auflösung von 50 µm/1 µm zu erreichen. Die damals am häufigsten verwendeten Anzeigegeräte waren Messuhren oder Zeigerkomparatoren. Da sie jedoch mechanisch sind, gab es bei der Verwendung am Herstellungsort Probleme, einschließlich Verschleiß, Wiederholbarkeit, Verschmutzung, mangelnde Robustheit usw.

Als die Luftmessung eingeführt wurde, war damit die erste Hochleistungsmessung von 50u”/1um oder besser in der Werkstatt möglich. Tatsächlich brachte die Luftmessung zwei Durchbrüche bei der Dimensionsmessung. Die meisten von uns sind heute mit der Verwendung kleiner Öffnungen oder Düsen vertraut, die in Werkzeuge eingebaut sind und für Dimensionsvergleiche verwendet werden. Die andere und oft vergessene Technologie war die Luftsonde – eine Kontaktsonde, die den heute üblichen LVDT-Sonden sehr ähnlich ist – deren Funktion jedoch darin besteht, dass die Kontaktspitze der Sonde ein konisches Ventil in ihrem Körper öffnet und schließt. Vor etwa 30 Jahren begann man, diese Technologie durch LVDTs/digitale Sonden/digitale Indikatoren zu ersetzen, die immer robuster und wirtschaftlicher wurden.

Allerdings waren die in den 40er Jahren eingeführten Druckluftwerkzeuge für die Präzisionsfertigung damals genauso wichtig wie heute. Der Hauptgrund dafür, dass die Luftmessung weiterhin eine wichtige Messmethode sein wird, ist der Luftstrahl selbst, die kleine Öffnung, durch die Luft die physikalischen Bedingungen für die Messung schafft. Es ist schwer vorstellbar, dass ein kleines Loch mit einem Durchmesser von weniger als 0,050/1,2 mm so wichtig sein könnte. Dennoch gibt es keine anderen Messsensoren, die so klein sind oder so nahe beieinander platziert werden können, um mehrere Durchmesser oder geometrische Formen zu messen.

Als Sammler alter Originalkataloge und Marketingmaterialien für Luftmesssysteme ist es bemerkenswert, dass sich in den 80 Jahren seit seiner Einführung nicht dieselben Verkaufsargumente sowie dieselben Werkzeug- und Anwendungskonfigurationen geändert haben. Wenn man einen Luftstecker aus den 40er-Jahren in gutem Zustand finden könnte, würde er wahrscheinlich immer noch mit dem kürzlich hergestellten Luftmessgerät eines Herstellers funktionieren.

Da die Luftmessung auf den Gesetzen der Physik und den Eigenschaften von Flüssigkeiten basiert, ändern sich diese Gesetze grundsätzlich nicht. Ein Luftdruckmesser arbeitet nach dem Prinzip des Gegendrucks, der auftritt, wenn eine feste Oberfläche die Druckluftzufuhr zum Strahl einschränkt. Heutige Luftmesssysteme nutzen dieses Druckphänomen immer noch zur Entfernungsmessung. Aber natürlich ist ein Luftstrahl mehr als nur ein kleines Loch. Es handelt sich wirklich um ein Präzisionsloch, das viele bekannte Eigenschaften aufweist: seine Größe; eine kontrollierte Oberfläche um den Strahl herum; eine bekannte Tiefe von der Oberfläche des Werkzeugs, das es hält; und ein eingebautes Entlüftungssystem.

Die Konfigurationstabelle für die Luftmessung unten zeigt viele Arten von Beziehungsprüfungen, die eine Kombination von Luftdüsen durchführen kann. In manchen Fällen können die Luftstrahlen pneumatisch kombiniert werden, um die Messung durchzuführen, beispielsweise mit einem Luftstopfen. Aber jede Düse kann auch in einem externen Prozessor kombiniert werden, um Durchmesser, Verjüngungen, Biegungen und Verdrehungen derselben Düsen zu messen. Diese Art von Diagramm findet sich bereits seit Jahrzehnten in Luftmesskatalogen.

Was ändert sich also, während der Werkzeugteil der Luftmessung und die Gesetze der Physik seit Jahrzehnten gleich geblieben sind?

Von Seiten der Anwender besteht eine zunehmende Nachfrage nach kürzeren Vorlaufzeiten für Werkzeuge und Stammlieferungen, langlebigeren Werkzeugen und mehr Vielseitigkeit, Funktionen und Mehrwert bei den Displays, die verwendet werden, um mehr Informationen über bestehende oder neue Werkzeuge zu erhalten. Schauen wir uns die Fortschritte an, wie Druckluftwerkzeuge und ihr Zubehör in die modernen Fertigungsprozesse von heute Einzug halten.

Druckluftwerkzeuge sind für den Einsatz in der Werkstatt in einigen der rauesten Fertigungsumgebungen konzipiert und messen oft unzählige Innen-, Außen- und Längen über die Lebensdauer des Teilefertigungszyklus. Die Luftmessung wird auch zum Messen von Pumpenrohrstangen oder bei automatischen Messvorgängen verwendet, bei denen Millionen von Zyklen üblich sind.

Druckluftwerkzeuge wurden ursprünglich aus gehärtetem Werkzeugstahl hergestellt. Dies bot eine akzeptable Lebensdauer und Rost wäre kein Problem, wenn es mit Restölen aus der Werkstatt verwendet würde. Bewahren Sie den Stecker jedoch einige Monate lang auf, insbesondere in einem feuchten Klima, und es besteht die Gefahr, dass beim Herausnehmen aus dem Lager Anzeichen von Rost auftreten.

Geben Sie das Verchromungswerkzeug ein. Chroming wurde aus zwei Gründen zu einer beliebten und weithin akzeptierten Methode. Erstens trug das Verchromen dazu bei, Rost zu verhindern, und war häufig erforderlich, wenn die Werkzeuge in einer heißen und feuchten Region eingesetzt wurden. Zweitens steigerte die Verchromung die Verschleißeigenschaften der Werkzeuge drastisch.

Während dies großartige Funktionen für den Benutzer sind, sind sie in der heutigen Welt weder für den Hersteller noch für die Umwelt eine großartige Option. Darüber hinaus wird die Kontrolle der Verchromung immer teurer, und viele Städte und Bundesstaaten werden die Verchromung wahrscheinlich bald vollständig verbieten.

Stattdessen gibt es zwei Fortschritte, die diese Probleme lösen und häufig kürzere Lieferzeiten und verbesserte Produkte ermöglichen. Die erste besteht darin, die Werkzeuge aus gehärtetem Edelstahl mit hohem Chromgehalt herzustellen. Der Edelstahl mit hohem Chromgehalt erreicht die gleichen Eigenschaften wie verchromte Werkzeuge. Es hilft, Rost zu verhindern und sorgt gleichzeitig für eine lange Lebensdauer des Steckers.

Als Alternative zum Verchromen kann die Werkzeuglebensdauer auch durch eine neue, physikalisch aus der Dampfphase abgeschiedene AlCrN-basierte Beschichtung verlängert werden, die hervorragende Verschleißeigenschaften bietet und sich ideal zur Verbesserung der Lebensdauer von Druckluftwerkzeugen in Produktionsumgebungen eignet. Diese Dampfabscheidung ähnelt den Beschichtungen, die auf Werkzeugmaschinenschneidwerkzeugen für eine längere Lebensdauer angeboten werden. Die neue Beschichtung ersetzt die bislang bei stark beanspruchten Anwendungen eingesetzte umweltschädliche Verchromung. Es bietet eine hervorragende Härte und Stoßfestigkeit.

Diese Beschichtungen bieten auch eine satte dunkelgraue Farbe, die das neue Plug-in-Erscheinungsbild auszeichnet. Selbst bei hoher Luftfeuchtigkeit werden hervorragende Verschleiß- und Rostschutzergebnisse erzielt. Diese Beschichtungsoption bietet dem Benutzer von Druckluftwerkzeugen eine weitaus längere Lebensdauer für Anwendungen mit hoher Beanspruchung.

Während es den Benutzern von Druckluftwerkzeugen wahrscheinlich egal ist, wie ihr Druckluftwerkzeug hergestellt wird, sind sie besorgt darüber, wie schnell sie es bekommen, wenn ein neuer Auftrag ansteht oder wenn vorhandene Werkzeuge Verschleißerscheinungen aufweisen, die einen Austausch erfordern. Der Wert des Werkzeugs zeigt sich nicht nur in seinen Anschaffungskosten, sondern auch in seiner Liefergeschwindigkeit.

Luftstopfen und -ringe, im Wesentlichen runde Teile, werden höchstwahrscheinlich auf manuellen oder CNC-Drehmaschinen hergestellt. Da jedes Druckluftwerkzeug speziell für die Anwendung angefertigt wird, sind die Herstellungsprozesse weitgehend gleich: Drehen Sie die Stange und bohren Sie die für die Düsen und Luftkanäle erforderlichen Löcher.

Die Großserienfertigung mit Druckluftwerkzeugen bietet nur wenige Vorteile. Es gibt jedoch Möglichkeiten, die Bearbeitungsschritte und die Teilehandhabung für Standard-Druckluftwerkzeuge zu reduzieren, die unter Verwendung bekannter Standard-Designspezifikationen konfiguriert sind. Durch die Nutzung der Rechenkapazitäten heutiger Fertigungsmaschinen und die Entwicklung einer intelligenten parametrischen Teileprogrammierung können Druckluftwerkzeuge in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden, indem ein Benutzer vier separate Teileparameter eingibt, um den Standard-Luftstopfen effizienter herzustellen. Das Ergebnis sind kürzere Vorlaufzeiten und schnellere Lieferungen an die Kunden. Selbst wenn große Mengen an Werkzeugen erforderlich sind, verkürzen parametrische Teileprogramme den Fertigungszyklus erheblich, um schnellere Lieferungen zu ermöglichen.

Luftmessungen wurden lange vor digitalen Anzeigen eingeführt. Die ursprüngliche Anzeige bestand aus Wasserwaagen in Glasröhren, einer in einer konischen Glasröhre schwebenden Spule oder einer Art mechanischem Analogzifferblatt. Die meisten pneumatischen Messungen basieren immer noch auf der Vergrößerung, die sich aus der tatsächlichen Länge des analogen Zifferblatts im Vergleich zur vom Druckluftwerkzeug gesehenen Bewegung ergibt. Daher ergibt sich die typische Vergrößerung, die bei vielen Druckluftwerkzeugen angegeben wird, wie beispielsweise 2500:1 oder 5000:1, aus der Länge des analogen Zifferblatts.

Warum die unterschiedlichen Vergrößerungen? Nun, es liegt wiederum an den Eigenschaften analoger Anzeigen. Mit analogen Zifferblättern können Sie „große Reichweite und niedrige Auflösung“ oder „kurze Reichweite und hohe Auflösung“ wählen. Diese Eigenschaft stimmte gut mit der Teiletoleranz überein – wenn die Toleranz kleiner wird (weniger Bereich), würde man normalerweise eine höhere Auflösung (höhere Vergrößerung) wünschen. Wie bei Messuhren besteht das Ziel darin, dass die Toleranz etwa 20 % des Zifferblatts beträgt, und die Vergrößerung wurde auf dieser Grundlage ausgewählt.

Heutzutage werden Messanzeigen aus vielen Gründen zunehmend digitalisiert. Erstens benötigen immer mehr Benutzer eine Datenerfassung zur Qualitäts- und Prozessüberwachung. Durch digital-dynamische Funktionen, reale Teilegrößen und automatisierte Bearbeitung kann man leistungsfähigere Messsysteme erhalten. Außerdem basieren die meisten analogen Anzeigesysteme auf mechanischer oder elektronischer Zählerbewegung. Da die Herstellung dieser Messgeräte entweder kostspieliger oder schwerer zu finden ist, befinden sich diese Arten von Anzeigen in der Endphase ihrer Produktlebensdauer. Drittens können digitalbasierte Sensoren eine große Reichweite und eine hohe Auflösung in einem Gerät bieten, sodass es für den ordnungsgemäßen Einsatz nicht erforderlich ist, Displays mit Werkzeugen abzustimmen. Stattdessen bestimmt der Messbereich des Werkzeugs die Messfähigkeit und nicht die Anzeige. Und schließlich haben digitale Displays nicht die Reichweiten-/Auflösungsprobleme eines analogen Zifferblatts; Digitale Anzeigen bieten sowohl eine große Reichweite als auch eine hohe Auflösung.

Daher basieren die meisten Druckluftwerkzeuge darauf, den besten Abstand zwischen dem Druckluftwerkzeug und dem Teil auf der Grundlage der Toleranz und der Größe des gemessenen Teils zu bestimmen, um Zentrierungsfehler zu minimieren, insbesondere bei kleineren Durchmessern. Daher funktioniert die Anzeige mit Werkzeugen mit großer oder kurzer Reichweite und zeigt gleichzeitig einen hochauflösenden digitalen Wert an.

Einer der jüngsten Durchbrüche bei der digitalen Anzeige besteht darin, dass die Displays eine ebenso hohe Auflösung wie einige der besten Fernseher der Gegenwart mit ähnlichen Bildwiederholraten erreichen. In der Vergangenheit wurde mit Displays versucht, eine analoge Anzeige zu simulieren, aber oft waren die Ergebnisse grenzwertig, da die LEDs hüpften, während versucht wurde, mit dem Messwert Schritt zu halten. Aber mit den heutigen Anzeigemöglichkeiten ist eine analoge Simulation genauso scharf und klar wie ein analoges Messgerät.

Viele der Luftmesssysteme, die seit Jahrzehnten verfügbar sind, waren für den einmaligen Gebrauch bestimmt und für die Werkzeugsysteme bestimmt. Das könnte manchmal eine gute Sache sein, weil es einfach war; Benutzer würden sich an ihre Bedienung gewöhnen und sich im Laufe der Werkstatt problemlos vermehren. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass das Display zwar noch funktionsfähig war, aber keine Verwendung mehr hatte, wenn diese Arbeitsanforderung wegfiel, bis eine ähnliche Anwendung auf den Markt kam.

Wie bei den Werkzeugen und Verbesserungen sind auch bei den Auslesesystemen Veränderungen in der Leistung und im Mehrwert zu beobachten. Mit der neuen und hochvolumigen Produktion von Elektronik kann man Displays der nächsten Generation zu geringeren Kosten erwerben als derzeit hergestellte mechanische Messgeräte. Dies stellt einen zusätzlichen Anreiz für den Umstieg auf digitale Displays dar.

Darüber hinaus sind digitale Tischverstärker für Luftsysteme nicht mehr nur für Luft bestimmt. Stattdessen sind immer mehr Systeme so konzipiert, dass sie über eine moderne, leistungsstarke und voll ausgestattete Display-„Basiseinheit“ verfügen. Dadurch kann der Benutzer die Basiseinheit mit dem für die Anwendung erforderlichen Eingangstyp konfigurieren, ob Luft, LVDT oder digitale Sonde. Da sich die Druckluftwerkzeuge in den letzten 80 Jahren, wie bereits erwähnt, kaum verändert haben, ist es möglich, erhebliche Aktualisierungen der digitalen Anzeige zu Preisen durchzuführen, die unter dem Preis liegen, für den das alte System möglicherweise gekauft wurde. Der Wert ergibt sich aus einer besseren Leistung, Funktionen, die die Teileklassifizierung für den Benutzer vereinfachen, und integrierten Funktionen zur Datenfreigabe für die Prozessüberwachung.

Die Aufrüstung ist jedoch nicht auf die Werkzeuge desselben Herstellers beschränkt. Da wir wissen, dass Druckluftwerkzeuge nach den gleichen physikalischen Gesetzen funktionieren, sind die Werkzeuge aller Hersteller sehr ähnlich. Daher besteht die Möglichkeit, dem Benutzer ein Auslese-Upgrade zu ermöglichen. Und da diese digitalen Systeme über viel mehr Fähigkeiten verfügen, ist es einfach, mit demselben System vom Single- oder Dual-Master-Step-Up zu wechseln, wiederum basierend auf den Ähnlichkeiten der Werkzeuge aller Hersteller.

Eine weitere Option für diese neueren modularen Systeme mit Universalbasis besteht jedoch darin, dass sie für eine Anwendung zu einem Luftmesssystem umgebaut werden können. Wenn dieser Job dann wegfällt, kann er durch Neukonfiguration in ein elektronisches LVDT-basiertes Display umgewandelt werden.

Wenn man heute durch ein Geschäft geht, ist es nicht unvorstellbar, dass sich an jedem Arbeitsplatz ein PC befindet, zusammen mit einem, zwei oder drei speziellen Tischverstärkern, mit denen die zu fertigenden Teile überprüft werden. Während der eigenständige Tischverstärker damit beschäftigt ist, Teile zu qualifizieren, wird der PC in den meisten Fällen für einfachere, alltägliche Aufgaben wie E-Mails, eine Stechuhr, die Verfolgung von Teile- und Prozesstrends anhand von Daten oder das Surfen im Internet nach Amazon-Schnäppchen verwendet.

Der Punkt ist, dass es jetzt Möglichkeiten gibt, die gesamte Workstation neu zu konfigurieren. Wie oben haben wir gelernt, dass einzelne Schnittstellenmodule eine Anzeige von Luft- auf LVDT-Eingang umstellen können. Bei Anschluss über eine Standard-USB-Schnittstelle können dieselben Module einen teilweise genutzten Workstation-PC in einen leistungsstarken Messtischverstärker oder eine intelligente Messstation verwandeln. Anstelle mehrerer eigenständiger Luftmessgeräte und Tischverstärker im LVDT-Stil verfügt der Messgerätecomputer nun über die Schnittstellen zur Konfiguration all dieser Eingangstypen.

Hier wird beim Messvorgang aus weniger mehr. Der Computer liefert nun die visuellen Hinweise für den Bediener, damit er einzelne Anzeigen betrachten und die sich ändernden Toleranzfarben und die erfassten Daten beobachten kann. Und da der Messcomputer höchstwahrscheinlich bereits vernetzt ist und mit anderen Systemen kommuniziert, können Daten und Messergebnisse nahtlos innerhalb der Fabrik fließen. Somit ist der Messcomputer zum Anzeigegerät, Datenerfassungsgerät, Ergebnisklassifikator und Gesamtleitfaden für den Messprozess geworden, während im Hintergrund Informationen transparent mit dem Benutzer geteilt werden.

Sobald eine einzelne Arbeitsstation mit Modulen aktualisiert wird, die weniger Platz auf der Arbeitsfläche beanspruchen oder gar keine Module beanspruchen, wenn das Modul dahinter oder darunter montiert werden sollte, kann dies der Beginn einer Wertaktualisierung der Arbeitsabteilung sein. Alle alten und möglicherweise abgekündigten Displays werden ersetzt, wenn sich die Teileanforderungen ändern, Eingabemodule können neu konfiguriert werden und da alles vernetzt ist, können Teileprogramme und Daten an einem zentralen Ort gemeinsam genutzt werden.

Das Druckluftwerkzeug, das Sie schon immer verwenden, hat Ihnen gute Dienste geleistet. Ganz gleich, ob Sie einfache Durchmesser messen oder die Vorteile von Druckluftwerkzeugen nutzen, um geometrische Bedingungen am Herstellungsort zu messen – Konizität, Konzentrizität, Rechtwinkligkeit oder passende Teile – Sie werden wahrscheinlich keine bessere Lösung für Prüfanforderungen mit engen Toleranzen finden.

Die heutigen Fortschritte resultieren aus langlebigeren Werkzeugen, die schneller verfügbar sind, Informationssystemen, die Ergebnisse mit höherer Auflösung in Formaten liefern, und leistungsfähigeren Informationen als je zuvor.

George Schuetz ist Direktor für Präzisionsmessgeräte bei Mahr Inc. Für weitere Informationen rufen Sie (401) 784-3392 an, senden Sie eine E-Mail an [email protected] oder [email protected] und besuchen Sie www.mahr.com.