Pneumatische Längenmesstechnik

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1 Fachhochschule für Technik und Wirtschaft Fachbereich 2 / Ingenieurwissenschaften II Labor Messtechnik Anleitung für das Praktikum : Pneumatische Längenmesstechnik am Beispiel einer Stichprobenprüfung anhand quantitativer Merkmale Inhalt : 1 Einleitung 2 Versuchsziel 3 Aufgaben zur Vorbereitung des Versuches 4 Grundlagen zur Variablenprüfung 4.1 Allgemeines 4.2 Anwendungsbereich 4.3 Definitionen 4.4 Wahl der Prüfmethode 4.5 Wahl des Prüfniveaus 4.6 Anwendungsform der Stichprobenprüfung nach DIN ISO Prüfmittel 5.1 Allgemeines 5.2 Messwertaufnehmer 5.3 Messwertanzeige 6 Versuchsdurchführung 6.1 Aufgabenstellung 6.2 Vorbereitungen zur Messwertaufnahme 6.3 Versuchsdurchführung 6.4 Bewerten der prüftechnischen Aussage

2 1 Einleitung In der Produktion wird eine kontinuierliche Serie von Losen (Grundgesamtheit) gefertigt, wobei ein Los z.b. 400 Teile umfasst. Der Abnehmer dieser Serie vereinbarte mit dem Lieferer, dass zur Maßkontrolle des Durchmessers eine Stichprobenprüfung durchgeführt werden muss, um die Annehmbarkeit der Lose festzustellen. Hierbei wird jedes Los einer Prüfung unterzogen. Da sich also folglich ein hoher Prüfaufwand ergibt, entscheidet man sich für den Einsatz pneumatischer Längenmessgeräte. Der Vorteil liegt vor allem in der schnellen, aber trotzdem sehr präzisen Messung. Ihre Aufgabe besteht nun darin, ein Los auf seine Annehmbarkeit hin zu prüfen. Die für die Versuchsdurchführung wichtigen Aspekte werden in den folgenden Punkten ausführlich erläutert. 2 Versuchsziel Ziel der Laborübung ist es, Grundlagen einer Stichprobenprüfung anhand quantitativer Merkmale (Variablenprüfung) nach DIN ISO 3951 kennenzulernen. Weiterhin lernen Sie ein Prüfverfahren zur Längenmessung mit pneumatischen Messgeräten kennen. 3 Aufgaben zur Vorbereitung des Versuches Einarbeiten in den Versuch nach Versuchsanleitung Grundlagen der Qualitätssicherung (lt. Skriptvorlage) Grundlagen der Messtechnik nach DIN 1319 Wirkungsweise und Handhabung pneumatischer Messgeräte (lt. Skriptvorlage)

3 4 Grundlagen zur Variablenprüfung 4.1 Allgemeines In vielen Situationen des Fertigungsprozesses besteht die Notwendigkeit, die Ausführungsqualität von Einheiten eines Loses zu untersuchen. Solche Untersuchungen können als Eingangs-, Zwischen- oder Endprüfung bzw. zur Qualitätslenkung durchgeführt werden. Beurteilt werden die Lose anhand der festgestellten Anzahl von Fehlern, anhand der festgestellten Anzahl von fehlerhaften Einheiten oder anhand der festgestellten Istwerte eines oder mehrerer Merkmale. Die Überprüfung der Ausführungsqualität von Losen kann mittels 100%-Prüfung, aber auch durch eine Stichprobenprüfung geschehen. Eine 100%-Prüfung, d.h. ein Sortieren, findet immer dann Anwendung, wenn der Lieferant die Verpflichtung übernimmt, dass kein fehlerhaftes Teil im Auslieferungslos verbleibt. Dies ist vor allem typisch für Zulieferer bei Produkten, die die Gesundheit und Sicherheit des Menschen gefährden könnten. Eine ökonomisch günstigere Prüfvariante ist die Stichprobenprüfung. Das Ergebnis der Prüfung schlägt sich in jedem Fall in der Feststellung nieder, ein zur Prüfung vorgestelltes Los anzunehmen oder rückzuweisen. Die Stichprobenprüfung enthält Risiken, die aber berechenbar sind und demnach so gewählt werden können, dass sie den Interessen des Abnehmers eines Loses gerecht werden. Die wesentlichen Vorteile der Stichprobenprüfung gegenüber der 100%-Prüfung lassen sich wie folgt zusammenfassen: - geringe Prüfkosten - Anwendung auch bei zerstörender Prüfung - weniger Prüfpersonal - schnellere Verfügbarkeit der Lose Im wesentlichen sind zwei Arten von Stichprobenprüfungen zu unterscheiden: - die Attributprüfung nach DIN (Stichprobenprüfung anhand qualitativer Merkmale) - die Variablenprüfung nach DIN ISO 3951 (Stichprobenprüfung anhand quantitativer Merkmale) 4.2 Anwendungsbereich Folgende Bedingungen sind für die Anwendung der Norm DIN ISO 3951 geknüpft: Es wird nur ein einziges Qualitätsmerkmal (X) des Produktes betrachtet; dieses Merkmal muss auf einer kontinuierlichen Skale messbar sein. Die Produktion erfolgt in beherrschten Prozessen und das Qualitätsmerkmal X ist normalverteilt.

4 4.3 Definitionen Variablenprüfung Verfahren, bei dem aus einer Stichprobe, die aus einer Grundgesamtheit gezogen wurde, ein quantitatives Merkmal, z.b. Innendurchmesser eines Zylinders, gemessen wird. Annahmeprüfung Annahmeverfahren, bei dem ein festgelegtes Merkmal an den Einheiten einer Stichprobe gemessen wird, um anhand der Messergebnisse statistisch die Annehmbarkeit eines Loses festzustellen. Annehmbare Qualitätsgrenzlage AQL AQL (Acceptable Quality Level) ist die Qualitätslage, die bei einer Annahmestichprobenprüfung die obere Grenze einer zufriedenstellenden mittleren Qualitätslage darstellt. Ausdruck findet dies im AQL-Wert. Je höher die Bedeutung eines Fehlers, desto kleiner wird der AQL-Wert. Dieser Wert ist der maximalen Prozentsatz fehlerhafter Teile in einer Lieferung, der vom Kunden entsprechend den Lieferbedingungen noch akzeptiert wird. Die Festlegung von AQL-Werten bedeutet aber nicht, dass der Lieferer das Recht hat, wissentlich auch nur eine einzige fehlerhafte Einheit zu liefern. Verbundene doppelte Grenzwerte Begriff, der verwendet wird, wenn sowohl Höchstwert als auch Mindestwert festgelegt sind und nur eine AQL gegeben ist. Höchst- bzw. Mindestwert / H bzw. M Der größte bzw. kleinste für eine einzelne Einheit eines Produktes zugelassene Merkmalswert. Untere bzw. Obere Qualitätszahl / Q M bzw. Q H Eine Funktion des Mindest- bzw. Höchstwertes, des Stichprobenmittelwertes und der Stichprobenstandardabweichung. Über die Annahme des Loses wird durch Vergleich von Q M bzw. Q H mit dem Annahmefaktor k entschieden (siehe Pkt. 6.4) Annahmefaktor k Eine Konstante (aus DIN), die von dem Stichprobenumfang n und dem AQL-Wert abhängt.

5 4.4 Wahl der Prüfmethode Hat man sich für eine Variablenprüfung entschieden, so sollte zunächst die Prüfmethode bestimmt werden. Es kann unter drei Methoden gewählt werden, auf die hier im Einzelnen nicht eingegangen werden kann Skriptumfang! Methoden : s Methode σ - Methode R Methode Hinsichtlich des Stichprobenumfangs ist die σ - Methode am ökonomischsten; jedoch muss zuvor der Wert für σ (Standardabweichung des Prozesses) festgestellt werden. Das setzt voraus, dass die Standardabweichung des Prozesses stabil und bekannt ist. Gemessen am Stichprobenumfang bei gleicher AQL hat die s-methode Vorteile gegenüber der R-Methode. 4.5 Wahl des Prüfniveaus In Standardstichprobenanweisungen bestimmt das Prüfniveau zusammen mit der Losgröße und der AQL den Umfang der zu ziehenden Stichprobe und die Prüfschärfe. Die Auswahl des Prüfniveaus und der AQL wird von einer Reihe von Faktoren bestimmt; ist aber hauptsächlich eine Frage der Abwägung zwischen den gesamten Prüfkosten und den Folgen, die fehlerhafte, in die Verwendung gelangende, Einheiten verursachen. Es ist üblich, Prüfniveau II zu verwenden, wenn nicht besondere Umstände dafür sprechen, dass ein anderes Prüfniveau geeignet ist. 4.6 Anwendungsform der Stichprobenprüfung nach DIN ISO 3951 Der Ablauf soll in der folgenden Tabelle veranschaulicht werden (Laborübung analog). Beispiel: Der Höchstwert der Arbeitstemperatur eines Gerätes ist mit 60 C angegeben. Schritt Ablauf Kriterien Werte 1 Eingangswerte Losumfang AQL allg. Prüfniveau Prüfmethode Höchstwert 3500 Teile 1 % II s H = 60,0 C 2 Bestimmen der DIN-Werte Kennbuchstabe Annahmefaktor k Stichprobenumfang n L 1, Werte aus der Messreihe Stichprobenmittelwert Stichprobenstandardabweichung 0 = 54,9 C s = 3,4 C 4 Berechnung der oberen Qualitätszahl Q H = (H - 0) / s Q H = 1,5 5 Bewertung des Annahmekriteriums 1,5 < 1,98 (siehe Pkt. 6.4) Das Los erfüllt nicht das Annahmekriterium.

6 5 Prüfmittel 5.1 Allgemeines Pneumatische Längenmessgeräte haben sich wegen ihrer für den rauen Werkstattbetrieb günstigen Eigenschaften in zunehmenden Maße in die Fertigungsmesstechnik eingeführt. Neben der schnellen und doch sehr präzisen Erfassung der Messwerte sind sie zudem weitestgehend vor Beschädigungen geschützt (Messdüsen sind zur Mantelfläche des Messkörpers zurückgesetzt siehe Abb. unten). 5.2 Messwertaufnehmer (Die blauen Markierungen kennzeichnen den Luftverlauf.) Pneumatischer Düsenmessdorn Düsenmessdorne werden zum Prüfen zylindrischer Durchgangs- oder Sacklochbohrungen eingesetzt. Die Dornkörper sind mit zwei sich gegenüberliegenden Messdüsen ausgestattet. Die gehärteten Messdüsen sind zur Mantelfläche des Messkörpers zurückgesetzt, so dass der Messwert berührungslos erfasst werden kann. a) berührungslose pneumatische Messung b) mechanisch berührende Antastung und pneumatische Messwertübertragung Durchmessermessung zylindrische Sacklochbohrung mit Düsenmessdorn Pneumatischer Düsenmessring Düsenmessringe werden zum Prüfen von Wellen (Außendurchmesser) in zwei Ausführungen gefertigt: - mit zwei sich gegenüber liegenden Messdüsen - mit drei, jeweils um 120 versetzt, angeordneten Messdüsen Auch hier erfolgt durch die zurückgesetzte Lage der Messdüsen eine berührungslose Messwertaufnahme. Messung des Außendurchmessers mit Düsenmessring

7 5.3 Messwertanzeige Aufbau und Wirkungsweise Zeigermessgerät Das zur Anwendung kommende Zeigermessgerät arbeitet nach dem Prinzip der Differenzdruckmessung. Die Druckdifferenz wird zwischen zwei Druckkammern (A und B) gemessen. Während eine der beiden Kammern einen konstanten Vergleichsdruck liefert (B), wird der Druck der anderen Kammer (A = Messkammer) durch den Abstand der Messdüsen vom Prüfling bestimmt. In Kammer A wirkt der Druck, der der Messänderung proportional ist, so dass die Maßänderung auf der Skala zur Anzeige gebracht werden kann. Säulenmessgerät Auf dem anderen Messplatz kommt ein Mehrsäulenmessgerät zum Einsatz. Dieses arbeitet nach dem Prinzip der Durchflussmengenmessung. Dabei wird konstante Druckluft den Messdüsen des pneumatischen Messwertgebers zugeführt. Die Abstände zwischen der Messdüse (hier Düsenmessring) und dem Prüfling ergeben einen entsprechenden Druckluftdurchfluss. Der im Messrohr frei bewegliche, kegelförmige Schwimmer fällt und steigt proportional der abströmenden Luftmenge an der Messdüse. Die Höhe des oberen Randes des Schwimmers zeigt den Messwert an, der an einer neben dem Messrohr angeordneten Skala abgelesen werden kann. Im Bild ist dies auf der mittleren Messsäule zu sehen.

8 6 Versuchsdurchführung 6.1 Aufgabenstellung Es soll ein Los von 400 Einheiten mittels Variablenprüfung auf seine Annehmbarkeit geprüft werden. Die annehmbare Qualitätslage wird mit 1 % festgelegt. Der Stichprobenumfang soll so gering wie möglich gehalten werden; die Standardabweichung des Prozesses σ ist jedoch nicht bekannt. Da keine besonderen Umstände vorliegen, kommt das allgemein übliche Prüfniveau zur Anwendung. 6.2 Vorbereitungen zur Messwertaufnahme Beachten Sie bitte, an welchem Messplatz Sie arbeiten (Zeigermessgerät oder Säulenmessgerät)! Einrichten des Zeigermessgerätes mit einem Einstellring Bevor die Messwerte am Anzeigegerät abgelesen werden können, muss die Anzeige mit einem Einstellring (Messung mit Düsenmessdorn) überprüft werden und ggf. auf den richtigen Wert justiert werden. Ablauf: 1. Berechnung des einzustellenden Anzeigewertes am Messgerät! Auf dem Einstellring steht der Wert des Durchmessers, der bei richtiger Einstellung am Zeigermessgerät angezeigt werden muss (richtiger Wert). Beachten Sie, dass am Messgerät nur die Abweichungen vom Nennmaß in µm angezeigt werden. 2. Druckluft zuführen! Auf der Geräterückseite befindet sich ein Sperrventil, dass geöffnet werden muss. 3. Messdorn bei ausströmender Luft in den Einstellring setzen! Überprüfen Sie den angezeigten mit dem richtigen Wert. - links von 0 negativ; d.h. Werte sind kleiner als das Nennmaß - rechts von 0 positiv; d.h. Werte sind größer als das Nennmaß 4. Justieren der Anzeige Bei Abweichung der Anzeige vom richtigen Wert betätigen Sie den Nullsteller ( ), so dass der Zeiger des Anzeigegerätes den richtigen Wert anzeigt. Einrichten des Säulenmessgerätes mit zwei Einstelldornen Bevor die Messwerte am Anzeigegerät abgelesen werden können, muss die Anzeige mit

9 zwei Einstelldornen (Messung mit Düsenmessring) überprüft werden und ggf. auf den richtigen Wert justiert werden. Ablauf: 1. Berechnung der einzustellenden Anzeigewerte am Messgerät! Auf jedem Einstelldorn steht der Wert des Durchmessers, der bei richtiger Einstellung am Säulenmessgerät jeweils angezeigt werden muss (richtiger Wert). Beachten Sie, dass am Messgerät nur die Abweichungen vom Nennmaß in µm angezeigt werden. 2. Druckluft zuführen! Auf der Geräterückseite befindet sich ein Sperrventil, dass geöffnet werden muss. 3. Zuerst den größeren Einstelldorn bei ausströmender Luft in den Düsenmessring setzen! Überprüfen Sie den angezeigten mit dem richtigen Wert. - oberhalb von 0 (Schwimmer steigt im Messrohr) negativ; d.h. Werte sind kleiner als das Nennmaß - unterhalb von 0 (Schwimmer fällt im Messrohr) positiv; d.h. Werte sind größer als das Nennmaß 4. Justieren der Anzeige Bei Abweichung der Anzeige vom richtigen Wert betätigen Sie den Nullsteller ( ), so dass der Schwimmer im Messrohr den richtigen Wert anzeigt. 5. Nun den kleineren Einstelldorn bei ausströmender Luft in den Düsenmessring setzen! Überprüfen Sie den angezeigten mit dem richtigen Wert. 6. Justieren der Anzeige Liegt eine Abweichung vor, muss diese wie folgt korrigiert werden. Berechnen Sie die Differenz zwischen dem richtigen und dem vorhandenen Anzeigewert. Den doppelten Betrag dieses Wertes stellen Sie mit dem Übersetzungs-Einstellknopf (über Nullsteller) in die entgegen gesetzte Richtung. Anschließend stellen Sie mit dem Nullsteller den richtigen Anzeigewert ein. 7. Kontrolle Bringen Sie wieder den größeren Einstelldorn in Messstellung und überprüfen Sie den Anzeigewert. Sollte dieser Wert nicht mit dem richtigen Wert übereinstimmen, so wiederholt sich der Ablauf von Punkt 4 bis Versuchsdurchführung 1. Einrichten der Anzeigegeräte wie unter 6.2 beschrieben 2. Festlegen der Prüfmethode und des Prüfniveaus 3. Ermitteln der Werte aus der DIN ISO 3951 Die DIN ISO 3951 liegt am Messplatz aus. 4. Aufnahme der Messwerte Beachten Sie den geforderten Stichprobenumfang! 5. Berechnung der für die Annahmeprüfung notwendigen Werte (Q H und Q M entspr. Protokoll) und Treffen einer prüftechnische Aussage (siehe Pkt. 6.4)!

10 6.4 Bewerten der prüftechnischen Aussage Sind die Qualitätszahlen berechnet, vergleichen Sie diese mit dem Annahmefaktor k! Folgende Festlegung nach DIN ISO 3951 geben eine Aussage zur Annehmbarkeit des Loses : Das Los kann angenommen werden, wenn : Q H k und Q M k! Das Los ist nicht annehmbar, wenn : Q H < k oder Q M < k!