Messgenauigkeit: Was Sie wissen müssen

Es ist eine alte Herausforderung: Sie sind ein Hersteller, dessen Kunde die Gewissheit haben muss, dass das Teil, mit dessen Herstellung Sie ihn beauftragt haben, bestimmte Toleranzen einhält. Was ist also die beste Methode, um sicherzustellen, dass das Teil den Spezifikationen entspricht? Die Frage ist nicht nur, wie das Teil gemessen wird – ein KMG-Messtaster oder ein Laserscanner? –, sondern auch, wie die Messqualität beurteilt werden kann. Um die genaueste Methode zur Messung Ihres Teils zu finden, müssen Sie die Unsicherheit verstehen, die einem bestimmten Messsystem innewohnt.

Glücklicherweise gibt es nationale und internationale Organisationen, die Standards zur Kodifizierung von Messunsicherheitsniveaus entwickeln. Die American Society of Mechanical Engineers (ASME), New York, und die International Organization for Standardization (ISO), Genf, Schweiz, bieten beispielsweise Standards zur Kommunikation von Genauigkeitsniveaus für verschiedene Messmethoden an. Sie sind eine wichtige Ressource – aber wie wir sehen werden, können sie allein nicht sagen, welche Methode für eine bestimmte Aufgabe am besten geeignet ist.

Was kann ein Hersteller also tun?

Wenn Sie ein Anfänger sind, stellen Sie zunächst sicher, dass Sie einige Grundbegriffe verstehen. Tim Cucchi, Produktmanager für Präzisionshandwerkzeuge bei LS Starrett Co., Athol, Massachusetts, warnte beispielsweise davor, Genauigkeit mit Auflösung zu verwechseln.

„In der industriellen Instrumentierung ist Genauigkeit die Messtoleranz des Instruments. Es definiert die Grenzen der Fehler, die auftreten, wenn das Gerät unter normalen Betriebsbedingungen verwendet wird. Die Auflösung gibt einfach an, wie fein das Messgerät auf die Anzeige eingestellt ist – ob auf Zehntel, Hunderter, Tausender oder was auch immer.“

Die Unterscheidung ist wichtig. Beim Messen und Zuschneiden eines Zaunpfostens vertrauen Sie einem Baumarkt-Maßstab, bei der Prüfung eines Präzisionsbauteils für Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik jedoch nicht – und das gilt selbst dann, wenn der Maßstab Markierungen mit einem Abstand von bis zu 1 µm aufweist. Seine Auflösung würde nicht wirklich seine Genauigkeit widerspiegeln.

Die Drucktoleranz bezieht sich auf die zulässige Maßabweichung eines Teils gemäß den Plänen oder Spezifikationen des Kunden. Cucchi wies darauf hin, dass Drucktoleranzen nicht davon abhängen, mit welcher Messmethode sie eingehalten werden, sondern nur von den Anforderungen des Teils. Es liegt am Hersteller, eine zuverlässige Methode zu finden, um die Genauigkeit des Teils zu überprüfen.

„Messexperten sind sich bewusst, dass es bei Messungen immer zu Fehlern kommt“, bemerkte Gene Hancz, CMM-Produktspezialist, Mitutoyo America Corp., Aurora, Illinois. „Deshalb ist es wichtig zu definieren, was eine ‚ausreichend gute‘ Messqualität bedeutet.“

Es ist eine Definition, die Ingenieure im Laufe der Zeit auf unterschiedliche Weise formuliert haben, sagte Hancz. Die Frage war: Welches Maß an Genauigkeit ist erforderlich, damit die Messung vertrauenswürdig ist?

„Im Jahr 1950 wurde ein US-Militärstandard, MIL-STD-120 Gage Inspection, veröffentlicht, der besagte, dass bei der Messung von Teilen die Genauigkeitstoleranzen der Messgeräte 10 Prozent der Toleranzen der zu prüfenden Teile nicht überschreiten sollten.“ sagte Hancz. Wenn die Drucktoleranz eines Teils beispielsweise auf einen Zentimeter genau ist, muss das Messsystem auf ein Zehntel oder einen Millimeter genau sein. „Diese Regel wird oft als 10:1-Regel oder Gagemaker-Regel bezeichnet“, fügte er hinzu.

Wie stellen Sie also sicher, dass das System, mit dem dieses Teil gemessen wird, auf das erforderliche Zehntel der Drucktoleranz genau ist – in diesem Fall 1 mm? Nach demselben Standard kalibrieren Sie es auf noch feinere 0,2 mm: MIL-STD-120 besagt, dass die Genauigkeit der Messstandards, die zur Kalibrierung der Messausrüstung selbst verwendet werden, 20 Prozent der Toleranzen der Messausrüstung nicht überschreiten sollte kalibriert, oder 5:1, laut Hancz.

„Beide Regeln haben sich im Laufe der Jahre zu dem entwickelt, was oft als TAR oder Testgenauigkeitsverhältnis bezeichnet wird, und die früheren Anforderungen von 10:1 oder 5:1 werden heute typischerweise als 4:1-Anforderung oder 25 Prozent angegeben Toleranz.

„Die Bewertung der Messunsicherheit eroberte Ende der 1990er Jahre stürmisch die kommerzielle Kalibrierpraxis“, fuhr Hancz fort. „Da immer mehr Kalibrierlaboratorien damit begannen, die Unsicherheit zu berechnen und zu dokumentieren, sowohl im Rahmen der Akkreditierung als auch in Kalibrierzertifikaten, begann die Praxis, TAR-Berechnungen zu verwenden, durch das Testunsicherheitsverhältnis, TUR, ersetzt zu werden.“

Was ist der Unterschied? „Die Messunsicherheit umfasst alle Schwankungsquellen, nicht nur die spezifizierte Genauigkeit der Messgeräte“, sagte Hancz. Die TUR wird berechnet, indem die geprüfte Plus/Minus-Toleranz durch die Plus/Minus-Messunsicherheit dividiert wird.

Hersteller haben es manchmal relativ einfach: Ein Kunde gibt ihnen nicht nur eine Drucktoleranz vor, sondern sagt ihnen auch, dass die Messgeräte aufgrund einer internen oder veröffentlichten Norm eine bestimmte Genauigkeitsspezifikation erfüllen müssen. Die Aufgabe des Lieferanten besteht darin, sicherzustellen, dass sein Messsystem den Anforderungen entspricht.

In anderen Fällen erhält der Lieferant jedoch kaum oder gar keine Anleitung vom Kunden und muss selbst entscheiden, wie viel Genauigkeit erforderlich ist. David Wick, Manager-Produktmanagement, Zeiss Industrial Quality Solutions, Maple Grove, Minnesota, sagte: „Ob es viermal, fünfmal oder zehnmal ist, Ihre Auswahl hängt davon ab, wie sicher Sie bei der Messung sein müssen .“

Angenommen, Sie messen die kritischste Toleranz an einem Automotorblock und diese Toleranz bestimmt die Leistung des Motors. „In diesem Fall sollten Sie sehr sicher sein, dass Sie die Messung so gut durchführen, wie Sie es sich leisten können“, sagte Wick.

Mit anderen Worten: Sparen Sie nicht – auch wenn das bedeutet, dass Sie ein langsameres und teureres Messsystem verwenden müssen, als Ihnen lieb ist. Sie können es sich nicht leisten, es nicht zu tun.

Andererseits, betonte Wick, sei die Messtechnik nie ein einheitlicher Prozess. Für Teile mit weniger kritischen Toleranzen können Sie möglicherweise eine schnellere und kostengünstigere Methode verwenden.

„Bei einer Turbine eines Strahltriebwerks benötigen Sie vielleicht eine hohe Toleranz, um sicherzustellen, dass die Rotorblätter die richtige Drehung und den richtigen Luftstrom haben, aber weniger bei den Blechpaneelen am Flügel des Flugzeugs, wo es im Allgemeinen keine Rolle spielt, ob die Abweichung um einen Mikrometer abweicht.“

Sobald ein Hersteller die Toleranzgrenzen kennt, die er einhalten muss, besteht seine Aufgabe darin, ein Messsystem zu finden, das die erforderliche Genauigkeit liefert. Die gute Nachricht ist, dass fast jeder namhafte Hersteller von Messtechnikgeräten dafür sorgt, dass seine Geräte den Genauigkeitsanforderungen entsprechen, die entweder von ASME in seinen B89-Standards oder von ISO in seinen 10360-Standards festgelegt werden.

Es gibt andere Messstandards, darunter CMMA, VDI/VDE2617 und JIS, aber sie werden nicht so häufig verwendet wie die ASME- und ISO-Standards. Und von beiden ist der internationale ISO-Standard der am weitesten verbreitete. Tatsächlich hat ASME Schritte unternommen, um seine Standardserie B89 an die Serie 10360 anzupassen. In der Beschreibung des Standards B89.4.10360.2 – 2008 zur Bewertung linearer KMG-Messungen heißt es beispielsweise: „Er wurde geschaffen, um den Standard B89.4.1 mit ISO 10360.2 zu harmonisieren, indem das gesamte Dokument 10360.2 darin integriert wurde.“

Sowohl ASME B89 als auch ISO 10360 sind eine Reihe von Standards für die Genauigkeitsprüfung und Leistungsüberprüfung verschiedener Koordinatenmesssysteme. Wenn KMG-Hersteller dokumentieren, dass ihre Systeme diese Standards erfüllen, können Kunden die Genauigkeiten der einzelnen Systeme direkt vergleichen.

Die Standards werden unter Einbeziehung von Metrologieexperten aus Regierung, Wissenschaft und Industrie festgelegt, darunter ganz sicher auch die Metrologie-OEMs selbst. Standards werden kontinuierlich überprüft und aktualisiert, wenn sich Technologie und Anwendungsfälle ändern. Und wenn neue Messmethoden auf den Markt kommen, werden neue Unterkategorien erstellt, um die Erwartungen der Benutzer zu steuern, bemerkte Wick von Zeiss.

„Wir stellen eine breite Palette an Messgeräten her, und jedes ist so gefertigt, dass es einer bestimmten 10360-Unterkategorie entspricht“, sagte er. So entsprechen beispielsweise beim herkömmlichen KMG des Unternehmens Längenmessung und Wiederholbarkeitsbereich der Norm 10360-2:2009; Scanfehler entspricht 10360-4:2000; Form-, Abmessungs- und Positionsmessung mit mehreren Tastern entspricht 10360-5:2010; und seine Multisensor-KMG, optischen Komparatoren und strukturierten Lichtsysteme entsprechen anderen Unterkategorien.

Sogar der relativ junge Einsatz von Computertomographie und Röntgentechnik für die industrielle Messtechnik sei abgedeckt, sagte Wick. „Es gibt nur wenige Unternehmen, die messtechnisch hochwertige Messungen an CT-Geräten durchführen können. Zeiss ist einer von ihnen. Und auch hier verwenden wir dieselben ISO 10360-Standards, um die Messunsicherheit der Ergebnisse auszudrücken, die Sie mit einem CT-Gerät erhalten.“

Standards wie ISO 10360 scheinen ein Rosetta-Stein für Hersteller zu sein, die messtechnische Fähigkeiten erweitern oder verbessern möchten, da sie die breite Palette der ihnen zur Verfügung stehenden Geräte berücksichtigen. Sie müssen ihre Auswahl lediglich auf Systeme beschränken, die diesen Anforderungen entsprechen, und dann Preis, Messgeschwindigkeit usw. berücksichtigen – richtig?

Nicht so schnell.

Edward Morse ist stellvertretender Direktor des Center for Precision Metrology an der University of North Carolina in Charlotte (UNCC). Er ist außerdem Co-Vorsitzender des PrecisionPath Consortium und langjähriges Mitglied der in den USA ansässigen Coordinate Metrology Society. Darüber hinaus ist er Vorsitzender des ASME Standards Committee (B89) für dimensionale Metrologie.

„Ein Standard ermöglicht es OEMs der Messtechnik, ihre Instrumente auf einheitliche Weise zu spezifizieren“, sagte Morse. „Der Benutzer kann ein Instrument auswählen, das seinen Bedürfnissen entspricht.“ So kann man beispielsweise eine Reihe von Einzelmesskopf-KMGs prüfen und eines zumindest teilweise danach auswählen, wie gut es dem Standard entspricht.

„Schwierig wird es, wenn man versucht, die Genauigkeit verschiedener Instrumententypen zur Ausführung einer bestimmten Aufgabe zu bewerten“, sagte er. Mit anderen Worten: Die Standards sind für Vergleiche zwischen Äpfeln nützlicher, bei Vergleichen zwischen Äpfeln und Bananen jedoch problematisch.

„Stellen Sie sich einerseits vor, Sie hätten ein KMG, das einen Punkt pro Sekunde aufnimmt – oder, wenn es scannt, vielleicht viele Punkte pro Sekunde –, aber nichts in der Größenordnung von Hunderttausenden Punkten, die ein optisches System erreichen könnte. Wie kann man diese Instrumente fair vergleichen?“, fragte Morse rhetorisch.

Ein Hersteller könnte sehr viel Zeit damit verbringen, beispielsweise mit einem optischen System Millionen von Punkten auf der Oberfläche eines Teils zu sammeln, aber trotzdem nicht in der Lage sein, in einigen Löchern Messungen durchzuführen – eine triviale Aufgabe für einen Messtaster, sagt er notiert. „Und diese Art von Unterschied wird in den Standards nicht berücksichtigt.“

Ein verwandtes Problem: Die Standards sind wertvoll, weil sie die Messunsicherheit ausdrücken und einen Wert festlegen, aber die Messungen selbst sind sehr eng und spezifisch. Um die Anforderungen zu erfüllen, muss ein bestimmtes KMG in der Lage sein, ein bestimmtes Endmaß mit einer bestimmten Genauigkeit zu messen.

„In der realen Welt tun Hersteller mehr als nur Messblöcke zu messen“, sagte Morse. „Ein klassisches Beispiel für optische Systeme ist, dass manche glänzende Teile nicht gut messen. Während der Tests funktionieren sie hervorragend, da sie schöne matte Oberflächen messen, aber dann misst man ein Teil und das System kann es nicht einmal sehen, weil es zu stark reflektiert. Umgekehrt eignen sich taktile KMGs nicht gut für weiche oder empfindliche Teile.“

Das Ergebnis ist: „Die Konformität des Messsystems mit der Norm ist nützlich, aber nur im Hinblick darauf, wie gut es den spezifischen Test durchführt, der in der Norm beschrieben wird, sei es 10360 oder ein anderer Test“, sagte er. „Und das hängt möglicherweise nicht direkt davon ab, wie gut es Ihre Teile messen kann.“

„Ein weiterer Punkt, den es zu bedenken gilt, ist, wie lange es dauert, bis ein Standard für eine neuere Messtechnologie entwickelt und freigegeben wird“, sagte Joel Martin, Produktmanager für Lasertracker und optische Scanner bei Hexagon Manufacturing Intelligence, North Kingstown, Rhode Island

„Zum Beispiel wird der ISO-Standard für Lasertracker, 10360-10, gerade erst ratifiziert – rund 30 Jahre nach der Einführung der Technologie“, sagte er. Der Grund dafür, dass es so lange gedauert hat, liegt laut Martin darin, dass der Standard die Anwendungsfälle der einzelnen Entwickler der Technologie berücksichtigen muss.

„Hexagon verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung und Prüfung von Lasertrackern und war nicht bereit, den ersten Entwurf des ASME B89.4.19-2006-Standards zu unterstützen, der dem Standard 10360-10 vorausging, weil er nicht unseren Vorstellungen entsprach. „Wir haben in unseren eigenen Labors ermittelt, was ein Lasertracker können muss“, sagte er. Auch andere Hersteller dieser Systeme hatten ihre eigenen Ansichten darüber, wie der Standard aussehen sollte.

„Es braucht Zeit, um einen vereinbarten Funktionsumfang in die Standards zu integrieren“, sagte Martin. „Deshalb ist der CMM-Standard so detailliert wie heute – es hat 50 Jahre gedauert, den Standard so zu entwickeln, dass jeder Hersteller ihn betrachtet und sagt: ‚Ja, damit sind wir gut.‘“

Schließlich kodifizieren Normen wie ISO 10360 und ASME B89 nur eines: Genauigkeit. Sie sind nicht dazu gedacht, Ihnen darüber hinaus nützliche Informationen über ein bestimmtes Messsystem zu geben. Wenn ein Hersteller daran interessiert ist, etwas über die Geschwindigkeit, Flexibilität, Rückverfolgbarkeit und Industrie 4.0-Bereitschaft eines Systems zu erfahren oder wie es zur Minimierung der Gesamtkosten der Herstellung beiträgt, schweigen sich die Standards aus.

All dies mag für den Hersteller, der versucht, diese moderne Welt der Messtechnik zu verstehen, etwas düster klingen. Es gibt jedoch gute Nachrichten. Es ist erwähnenswert, dass Messsysteme im Allgemeinen noch nie so leistungsfähig und gleichzeitig einfacher zu verstehen und zu verwenden waren – selbst für Anfänger.

Laut Mark Arenal, General Manager der Metrology Division von Starrett, spiegelt dies zum Teil die Migration der Messtechnik von einem separaten Qualitätskontrolllabor zum Produktionsort wider.

„Früher, wenn ein Teil beispielsweise von einer Werkzeugmaschine kam, schickte ein Bediener es in das QC-Labor und sagte: ‚Ich brauche eine Erstmusterprüfung.‘ Die QC-Laborspezialisten würden sagen: „Stellen Sie es ins Regal und schauen Sie in ein paar Tagen noch einmal nach – wir sind gesichert.“ Und der Produktionsprozess würde ins Stocken geraten. Um die Zeitdauer dieses Prozesses zu minimieren, befinden sich einige Inspektionsgeräte jetzt direkt in der Werkstatt“, sagte er.

Die Messausrüstung muss jedoch für den Einsatz in dieser Umgebung optimiert werden. Das bedeutet nicht nur, dass es robuster und staubdichter ist, sondern auch, dass es von Arbeitern am Boden und nicht nur von erfahrenen Vollzeit-Messtechnikern genutzt werden kann. „Bei Starrett verwenden wir den Begriff ‚Walk-Up-Messtechnik‘“, sagte er.

„Hersteller von Messgeräten stehen vor der Herausforderung, unsere Systeme benutzerfreundlicher zu gestalten“, sagte er. „Wir entwickeln Benutzeroberflächensoftware, die auffindbar ist – eine einfache Navigation in der Art und Weise, wie Menschen ihre Telefone und Tablets bereits verwenden. Es muss Touchscreen-fähig und symbolgesteuert sein und Popup-Hilfebildschirme enthalten. Jemand, der keine Erfahrung in der Welt der Messtechnik hat, sollte in der Lage sein, schnell zu lernen, wie man einfache, genaue Messungen durchführt.“

Arenal sagte jedoch, dass die Funktionalität nicht zugunsten der Benutzerfreundlichkeit geopfert werden müsse. „Die Systeme verfügen immer noch über eine echte Leistungsfähigkeit, sodass ein Benutzer, wenn er ein vollständig automatisiertes Teileprüfprogramm für ein Teil mit hundert Funktionen durchführen muss, dies auch tun kann.“

Es gibt noch mehr gute Nachrichten. Es gibt viele Ressourcen für Messtechnik-Neulinge. Dazu gehören – wie Morse von der UNCC betonte – die Angebote der Coordinate Metrology Society, zu denen Online-Videoschulungen, ein Zertifizierungsprogramm, eine jährliche Konferenz und eine Online-Bibliothek mit technischen Artikeln gehören. Und natürlich bieten viele Community Colleges, Handelsschulen und Universitäten Programme an, die die Messtechnik in unterschiedlichem Umfang abdecken.

Wenn Hersteller jedoch schnell die optimale Messmethode und das optimale Messsystem für eine bestimmte neue Aufgabe finden müssen, müssen sie mit Experten sprechen. Sie werden feststellen, dass namhafte Hersteller von Messtechnikgeräten ihnen dabei helfen, die beste Lösung zu finden – und es liegt in deren Interesse, dies zu tun, auch wenn diese Lösung keinen Verkauf bedeutet.

„Wir bauen eine kooperative Beratungsbeziehung mit unseren Kunden auf“, sagte Martin von Hexagon. „Wir fragen: ‚Wie sieht das Widget aus, das Sie erstellen?‘ Was sind Ihre Produktionsprozesse? Wie hoch ist Ihr Durchsatzbedarf? Gemeinsam mit ihnen erarbeiten wir optimale Inspektionslösungen.“

Entwickler von Messtechnikgeräten, die ein breites Spektrum an Messmethoden und -lösungen anbieten, sind weniger motiviert, einen potenziellen Kunden zu einer Methode zu bewegen, die nicht ideal ist, nur weil sie auf Lager ist. Aber Martin glaubt, dass seriöse Hersteller von Messgeräten, die sich auch nur auf eine einzige Methode konzentrieren, bei einem fragenden potenziellen Kunden immer noch richtig liegen werden. Es sei auf lange Sicht niemandes Interesse, einem Kunden das falsche System zu verkaufen, sagte er.

„Wenn in unserer Welt jemand die Messung mit einem Hammer gleichsetzt und man ihm eine Schraube zeigt, erklärt er: „Wir könnten Ihnen zwar etwas verkaufen, mit dem Sie die Schraube in das Brett schlagen können, aber was Sie wirklich brauchen, ist ein Schraubenzieher.“ „Geh und rede mit diesen anderen Jungs“, sagte Martin.

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