Die aufgabenspezifische Messunsicherheit von Koordinatenmessungen wird benötigt, um sowohl die Prüfprozesseignung nach VDA Band 5 für interne Fertigungsprozesse als auch die Übereinstimmung oder Nicht-Übereinstimmung mit der Spezifikation nach DIN EN ISO 14253–1 (Entscheidungsregeln) zu beurteilen. Die Unsicherheit kann heute mit drei verschiedenen Verfahren ermittelt werden, die sich nach Aufwand und Aussage unterscheiden.
Dr.-Ing. Michael Hernla, dr. hernla Qualitätsmanagement Koordinatenmesstechnik
Computersimulation (Virtuelles KMG)
Voraussetzungen für das Simulationsverfahren sind eine spezielle Software, die bisher nur von zwei KMG-Herstellern angeboten wird, sowie die Qualifikation des KMG durch Messungen an Kugelplatten, um die für die Simulation erforderlichen Daten zu gewinnen, siehe VDI/VDE 2617 Blatt 7. Die ermittelte Messunsicherheit enthält allerdings nicht den Einfluss der örtlichen Formabweichungen der Werkstückoberfläche und gilt deshalb nur für die aktuell angetasteten Messpunkte. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Beiträge der einzelnen Einflussgrößen nicht angegeben werden. Damit werden die dominierenden bzw. vernachlässigbar kleine Einflüsse nicht erkannt, und es lassen sich keine Möglichkeiten zur gezielten Reduzierung der Messunsicherheit bzw. des Prüfaufwands (Messpunktanzahl) ableiten.
Messung von kalibrierten Werkstücken
Das Verfahren ist in ISO/TS 15530–3 bzw. VDI/VDE 2617 Blatt 8 Anhang C beschrieben. Ein mit dem Virtuellen KMG kalibriertes Werkstück wird zwanzigmal gemessen, ebenso drei weitere Werkstücke. Werden bei diesen Wiederholungsmessungen immer dieselben Punkte der Oberflächen angetastet, wird aber auch hier der Einfluss der Formabweichungen nicht erfasst. Die systematische Abweichung zwischen dem Mittelwert der Messwerte und dem Kalibrierwert kann je nach Lage der Messpunkte zufällig groß oder klein sein, siehe Tabelle 1. Die Standardabweichung der Messungen an verschiedenen Stellen ist mit 1,35 µm deutlich größer als an denselben (im Mittel 0,09 µm). Dagegen reichen schon relative wenige Messungen an verschiedenen Stellen aus, um die Standardabweichung richtig zu ermitteln.
Ein weiteres Problem ist der Temperatureinfluss: Mögliche Maßunterschiede werden nur soweit erfasst, wie sich die Temperaturen während der Messreihe tatsächlich ändern. Deshalb muss die Messreihe über einen größeren Zeitraum ausgedehnt werden (was Probleme mit der Organisation bringen kann), und die auftretenden Temperaturen am Werkstück und am KMG sind zu dokumentieren. Die ermittelte Unsicherheit gilt dann nur für diesen Temperaturbereich.
Berechnung (Messunsicherheitsbilanz)
Bei der rechnerischen Ermittlung müssen für jede Messaufgabe ein mathematisches Modell formuliert und die Daten für die wesentlichen Einflussgrößen eingesetzt werden: Werkstückoberfläche mit Anzahl und Anordnung der Messpunkte, Einmessen des Tasters, Geometrieabweichungen des KMG sowie Temperatur.
Der Vorteil liegt in der kompletten Abschätzung der Messunsicherheit. Es werden nur die aus der Messung sowieso bekannten Informationen verwendet.
Die Anwendung des Verfahrens lässt sich mit Kalkulationstabellen auf der Basis handelsüblicher Bürosoftware für bestimmte Gruppen von Prüfmerkmalen erheblich vereinfachen, z.B. Durchmesser, Abstand, Richtungsabweichungen, Position, Symmetrie und Koaxialität. Die Tabelle 2 zeigt die Messunsicherheitsbilanz eines Durchmessers. Die Einfachheit des Verfahrens bedingt, dass die Unsicherheit eher zu groß als zu klein abgeschätzt wird. Sie liegt damit auf der sicheren Seite.
Vergleich und Anwendung der Verfahren
Bei der Bewertung der ermittelten Messunsicherheiten ist zu beachten, dass sowohl beim Virtuellen KMG als auch bei den kalibrierten Werkstücken in der Regel nicht alle Unsicherheitsbeiträge erfasst werden. Das gilt besonders für die Formabweichungen der Oberfläche, die bei den üblichen Bearbeitungsgenauigkeiten im Maschinenbau und kleinen Messpunktzahlen häufig den größten Unsicherheitsbeitrag liefern. Hier wird die Unsicherheit nur durch das Berechnungsverfahren vollständig abgeschätzt.
Darüber hinaus gibt es deutliche Unterschiede im Zeit- und Kostenaufwand, die bei einer Entscheidung für das eine oder andere Verfahren beachtet werden sollten, siehe Tabelle 3. Das Berechnungsverfahren ist das einzige, mit dem sich die Messunsicherheiten unabhängig vom KMG-Hersteller und von kalibrierten Werkstücken kostengünstig und für alle wesentlichen Einflussgrößen ermitteln lassen, und mit dem sich die Messstrategie z.B. durch die Variation der Messpunktanzahl gezielt optimieren lässt.
dr. hernla, Dortmund
QE 508
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