Tilo Pfeifer

Das Werk stellt die Systematik der Fertigungsmesstechnik ausgehend von der Prufplanung uber die Prufdatenerfassung bis hin zur Prufdatenauswertung vor. Dem Leser wird damit einerseits das Basiswissen zum Verstandnis der vorgestellten Verfahren und zu deren praktischem Einsatz vermittelt. Andererseits wird auch die grundsatzliche Bedeutung der Fertigungsmesstechnik fur die Qualitatssicherung in produzierenden Unternehmen erlautert. Fur die 3. Auflage wurden ein Abschnitt zu miniaturisierten optischen Messsystemen und ein Kapitel zu rontgentomografischen Messverfahren aufgenommen."

This work presents the systematics of production metrology starting from the inspection planning, across the recording of the inspected data up to the evaluation of this data. On the one hand, the reader will be supplied with basic knowledge for the understanding of the presented procedures and their practical use. On the other hand, he will also learn about the importance of production metrology for quality control in production processes. It is not only an indispensable reference book for the daily work of the engineer, but also a invaluable and easy to read text book for students. As a supplement for the studies, the book gives a fast overlook to the basics of production metrology and, at the same time, shows how this knowledge is put into practice.

zueinander angeordnete Verfahrachsen realisiert. An jeder Verfahrachse ist ein lineares MeBsystem angebracht, das die jeweilige Koordinate verkorpert. Zusatzlich kann ein motorisch steuerbarer Drehtisch mit einem WinkelmeBsy- stem eingesetzt werden, wodurch sich die Zahl der Bewegungsachsen auf vier erhoht. Eigenfehler dieses Referenzkoordinatensystems konnen innerhalb ge- wisser Grenzen durch eine geeignete Software korrigiert werden [23]. Mit Hilfe der Verfahrachsen wird eine Relativbewegung zwischen Tastsystem und Antastpunkt am Priifling durchgefiihrt. Die Antastung selbst wird dann durch unterschiedliche Tastergeometrien realisiert. Diese Tastergeometrien werden zu Beginn einer Messung durch einen EinmeBvorgang ermittelt. Die Verkniipfung der erfaBten MeBwerte zu geometrischen Elementen und de- ren Protokollierung erfolgt dann durch den angekoppelten Rechner mit ent- sprechenden Peripheriegeraten wie Bildschirm, Drucker oder Plotter. Der Einsatz von Rechnern zur MeBdatenverarbeitung erfordert komplizierte AI- gorithmen und setzt somit die Kenntnis mathematischer Methoden zur MeBwertverarbeitung voraus. Dabei sind neben einer Bedienoberflache und einer verniinftigen Ausgabe der MeB- bzw. Berechnungsergebnisse drei Grundaufgaben zu erfiillen, de- ren Losung im folgenden detaillierter beschrieben werden: 1. Tasterradius-Korrektur 2. Transformation der Koordinatensysteme 3. Berechnung der geometrischen Elemente Das folgende Beispiel solI eine einfache Messung mit einem KoordinatenmeB- gerat und die erforderlichen Operationen zeigen. In Bild 2.2 sind kurz das MeBproblem und seine Losung skizziert. Auf einer Platte soIl das StichmaB zwischen zwei Bohrungen gemessen werden. Urn potentielle Fertigungsfehler eingehender analysieren zu konnen, sollen auch Lage und MaB der Bohrungen im Zeichnungskoordinatensystem ausge- geben werden.

1. 1 Bedeutung und EinfluB der Formabweichung zylindrischer K5rper in der Fertigung Die Entwicklung im Bereich der Fertigungstechnik ist durch standig wachsende Anforderungen an di Funktionstauglichkeit der gefertigten Produkte gekennzeichnet. Damit eng verbunden ist die Forderung nach kleineren Fertigungstoleranzen, wel- che direkt durch die stets auftretenden Gestaltabweichungen /3/ der erzeugten WerkstUcke bestimmt werden. Die Gestaltab- weichungen ihrerseits und somit auch das Funktionsverhalten ist in entscheidendem MaBe von der Formgenauigkeit der Werk- stUcke abhangig. Folglich muB im Rahmen der QualitatsprUfung nicht nur die MaBabweichung, sondern mit steigenden Genauig- keitsanforderungen darUberhinaus die Formabweichung der Funk- tionsflachen meBtechnisch erfaBt werden. Formfehlermessungen konnen jedoch nur dann wirtschaftlich mit den geforderten MeB- genauigkeiten durchgefUhrt werden, wenn einerseits geeignete MeBmittel und MeBstrategien und andererseits geeignete Auswer- tealgorithmen und MeBdatenverarbeitungsgerate zur VerfUgung stehen, wobei letzteres heute durch die Entwicklungen auf dem Gebiet der ProzeBrechentechnik (Kleinrechner) bereits gewahr- leistet ist /17/. 1. 2 MeBmethoden und MeBgerate Die Zylinderformtoleranz ist nach DIN 7184 /4/ definiert als zulassiger Abstand zweier koaxialer Zylindermantelflachen, zwischen denen aIle Punkte der Ist-Zylindermantelflache liegen mUssen. MeBvorschriften zur exakten meBtechnischen Erfassung der so festgelegten Zylinderformabweichung existieren jedoch zur Zeit nicht. Dies ist wohl auf den in der Praxis immer wieder auftretenden Widerspruch zwischen abstrakter geometri- scher Definition - basierend auf ideal-geometrischen Bezugs- geraden bzw. Bezugsflachen - und den meBtechnisch gegebenen Moglichkeiten zurUckzufUhren /5/. Nahezu aIle bisher einge- setzten MeBverfahren reduzieren die raumliche MeBaufgabe auf - ein ebenes Problem /1/.

1. 1. Bedeutung der 3-D-MeBtechnik Die Entwicklung und EinfUhrung der Drei-Koordinaten-MeBtechnik, insbesondere der numerisch gesteuerten Koordinaten-MeBgerate kann fUr den Bereich der MeBtechnik als eben so bedeutend ange- sehen werden, wie seinerzeit die EinfUhrung der NC-Technik in der Fertigung. Beiden Technologien ist gemeinsam, daB die Geo- metrie des WerkstUckes durch charakteristische Punkte, die auf ein definiertes Koordinatensystem bezogen sind, beschrieben wird. Der Einsatz der Drei-Koordinaten-MeBgerate, im folgenden auch kurz DKMG genannt, ermoglicht die Losung nahezu aller in der Praxis auftretenden MeBaufgaben, also auch die Bewaltigung von MeBproblemen, die anderweitig nicht oder nur mit stets hohem Aufwand realisierbar sind. Neben dieser Tatsache liegt der entscheidende Vorteil beim Einsatz von Drei-Koordinaten- MeBgeraten jedoch darin, daB eine Vielzahl unterschiedlicher PrUfaufgaben im Gegensatz zur konventionellen PrUftechnik in einer einzigen Aufspannung mit nur dem e i n e n MeBmittel DKMG erledigt werden kann /1. 1/(Bild 1. 1). VerfUgt das DKMG Uber einen Rechner, so braucht der PrUfling nicht ausg richtet zu werden. Der Rechner Ubernimmt die erfaBten MeBdaten - wie deren Verarbeitung zu geometrischen KenngroBen, wobei er Ausrichtfehler durch eine . entsprechende Koordinatentrans- formation berlicksichtigt. Je nach Ausbaustufe des Drei- Koordinaten-MeBgerates steht hier ein flexibles MeBgerat zur VerfUgung, das in kurzer Zeit objektivierte und einheitlich dokumentierte PrUfdaten vermittelt, die eine EDV- unterstUtzte Qualitatsdatenverarbeitung wesentlich erleichtern. Aus diesen GrUnden wurden Drei-Koordinaten-MeBgerate in den letzten Jahren in immer groBerem Umgang im Bereich der Qualitatssicherung ein- gesetzt.

Der Faktor "Produktqualitat" gewinnt in zunehmendem Ma8e an Bedeutung fur die Wettbewerbsfahigkeit der Unternehmen. Dies fuhrt zwangslaufig zu der Forderung nach engeren Fertigungstoleranzen und damit auch zu hoheren Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der produkterzeugenden Fer- tigungsmittel. Die Fertigungsunsicherheit - definiert als MaB fur die Fertigungsgenauigkeit des Herstellprozesses - wird einer- seits durch maschinenbedingte Einflu3groBen, wie beispiels- weise G. eometrie und Kinematik der werkzeugmaschine und an- dererseits durch nichtmaschinenbedingte EinfluBgroBen, wie beispielsweise Maschinenbedienung und Werkzeug, bestimmt (Bild 1) /1/. Stat. Pro- Ver- FOh- dukt- pr O- halten rungen funq 10--- -- Maschinenbedingte finfluBgrOnen ichtmasch inenspezifische [influBgrOBen J Bild 1: EinfluBgroBen auf die Fertigungsunsicherheit - 2 - Die Auswirkungen maschinenbedingter EinfluBfaktoren auf die Fertigungsunsicherheit werden unter dem Begriff "Arbeits- unsicherheit" zusammengefaBt. Insbesondere bei den heute eingesetzten NC-Werkzeugmaschinen, bei denen der EinfluB der nichtmaschinenspezifischen EinfluBgroBe "Maschinen- bedienung" weitgehend eliminiert ist, muB der Arbeitsun- sicherheit eine zentrale Bedeutung beigemessen werden. Sie kennzeichnet unmittelbar die Relativbewegung zwischen Werk- zeug und Werksttick und somit die auf einer Werkzeugmaschine realisierbaren MaB-, Lage- und Formtoleranzen. Die Bestim- mung der Arbeitsunsicherheit im Rahmen von Abnahmeverfahren und periodischen Uberprtifungen des vorhandenen Maschinenparks ist daher gleichermaBen ftir Konstruktion, Fertigungsplanung und -steuerung von Interesse.

1.1. Bedeutung der Messung der Abweichung von der Geradheit Die Begrenzungsflachen von Einzelteilen technischer Erzeugnisse werden in der Regel durch geradlinige und rotatorische Rela- tivbewegungen zwischen Werkstuck und Werkzeug bei der Zerspa- nung bestimmt. Die Bewegungen der Fertigungseinrichtung sind niemals fehlerfrei (Bild 1) und erzeugen daher Werkstucke mit Formabweichungen, wodurch das Funktionsverhalten dieser Werk- stucke stark beeintrachtigt werden kann. Teilamicht von Z Stellen an denen FOhrungsfehler auftreten koennen - z Ungeradheit der Bewegungen Bild 1: Auswirkungen von Fuhrungsfehlern auf die Bewegungen einer Drehmaschine Um die Funktionssicherheit der Produkte des Maschinenbaus zu garantieren, mussen die einzelnen Werkstucke auf ihre geome- trische Genauigkeit gepruft werden. Die Kenntnis der Arbeitsge- nauigkeit der eingesetzten Werkzeugmaschinen ist jedoch fur die Fertigung von noch groessere Bedeutung. Sowohl bei der Ver- - - messung von Maschinenteilen als auch bei der Ermittlung der Arbeitsgenauigkeit von Fertigungseinrichtungen stellen die geo- metrischen Prufungen einen wichtigen Teilaspekt dar /1, 2/. Die wesentlichen geometrischen Prufungen sind: Geradheit, Ebenheit, Rechtwinkligkeit, Fluchtung, Parallelitat, Abstandsgleichheit, Rundlauf. Ein grosser Teil dieser genannten Messaufgaben sind prinzipiell Messungen der Abweichung von der Geradheit. Sie unterscheiden sich lediglich durch die jeweiligen Messbedingungen und die Dar- stellungsweise (Bild 2).