Laborskript Prüfmittel. Prof. Dr.-Ing. I. M. Kenter

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1 Laborskript Prüfmittel Prof. Dr.-Ing. I. M. Kenter

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis... I 1. Einleitung Begriffe der Messtechnik Einteilung der Prüfmittel Prüfmittelauswahl Messfehler und Messunsicherheit Prüfmittelmanagement Literaturverzeichnis I

3 Einleitung 1. Einleitung Die Fertigungsmesstechnik setzt sich überwiegend mit der Bestimmung geometrischer Merkmale an Werkstücken auseinander, zunehmend werden aber auch Messgrößen für die Beurteilung von Werkzeugen, Produktionsmitteln und Prüfmitteln selbst zum Inhalt. Mit den steigenden Ansprüchen an die Produktqualität genügt es nicht mehr, die Fertigungsmesstechnik zur Entdeckung des Ausschusses am Ende der Produktion einzusetzen. Sie wird vielmehr zum Datenlieferant für die Istsituation in der Fertigung und bildet damit die solide Basis für einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess. Die Fertigungsmesstechnik steht nicht mehr abseits, sie wird in die betrieblichen Strukturen und Steuerungsabläufe eingebunden. Innerhalb der betrieblichen Strukturen garantieren die Prüfplanung und die Prüfmittelüberwachung den effizienten Einsatz der Prüfmittel in der Praxis. [1] Die Laboreinheit 'Prüfmittel' im Rahmen der QSME/TQM Vorlesung behandelt speziell die Themenbereiche Messfehler und Messunsicherheit sowie das Prüfmittelmanagement. In seminaristischer und praktischer Form werden Sie mit den Grundlagen dieser Themen vertraut gemacht und sind anschließend in der Lage, diese in den Gesamtkontext des Qualitätsmanagements und der Produktionsorganisation einzuordnen. 1

4 Begriffe der Messtechnik 2. Begriffe der Messtechnik Begriff Prüfen Messen Lehren Zählen Überwachen Erläuterung Das Feststellen, ob der Prüfgegenstand (Werkstück, Probe, Messgerät) eine oder mehrere vorgegebene Bedingungen erfüllt. Mit dem Prüfen ist daher immer der Vergleich mit vorgegebenen Bedingungen verbunden. Ist der experimentelle Vorgang, durch den ein spezieller Wert einer physikalischen Größe als Vielfaches einer Einheit oder eines Bezugswertes ermittelt wird. Feststellen, ob bestimmte Längen, Winkel oder Formen eines Prüfgegenstandes die durch Maß- oder Formverkörperungen die Lehren gegebenen Grenzen einhalten oder in welcher Richtung sie diese überschreiten. Der Betrag der Abweichung wird nicht festgestellt. Eine Grenzlehrung erfordert zwei Maßverkörperungen, die den beiden Grenzmaßen entsprechen. Ist das Ermitteln der Anzahl von jeweils in bestimmter Hinsicht gleichartiger Elemente oder Ereignissen, die bei dem zu untersuchenden Messobjekt in Erscheinung treten. Direktes oder indirektes Messen ausgewählter Prozessgrößen und Beurteilung der Einhaltung mit vorgegebenen Werten, Wertebereichen oder Schaltzuständen. Klassieren Sortieren (Auslesen) Dosieren In bestimmter Hinsicht gleichartige Elemente einer Menge den vorgegebenen oder vereinbarten Klassen eines Merkmals zuordnen. Das Festlegen der Klassen und das Feststellen der Häufigkeiten in den Klassen gehört mit zum Klassieren. Ist das Trennen verschiedenartiger Elemente einer Menge nach ihrer Verschiedenartigkeit. Aus einer Stoffportion festgelegte Teilmengen herausnehmen (abtrennen). Unter Dosieren versteht man auch das Hinzufügen bestimmter Stoffportionen beim Herstellen eines Stoffgemisches mit vorgegebenen Zusammensetzungen oder Eigenschaften. 2

5 Begriffe der Messtechnik Einstellen Justieren Kalibrieren Eichen Qualifizieren Messmittel auf einen bestimmten Wert stellen. Ein Messgerät so einstellen oder abgleichen, dass die Messabweichung möglichst klein wird oder dass die Beträge der Messabweichung die Fehlergrenzen nicht überschreiten. Ist das korrigieren der beim kalibrieren festgestellten Abweichungen. Feststellen der Messabweichung am Messgerät. Feststellen des Zusammenhangs zwischen Ausgangsgröße und Eingangsgröße. Umfasst die von der zuständigen Eichbehörde nach den Eichvorschriften vorzunehmende Prüfung und die Stempelung. Beinhaltet alle Aktivitäten (kalibrieren, justieren, reparieren, plombieren, kennzeichnen), um ein Prüfmittel einsatzfähig zu machen. [2, 3, 4] 3

6 Einteilung der Prüfmittel 3. Einteilung der Prüfmittel [5] Prüfmittel lassen sich auf verschiedene Weisen einteilen: nach der Art der Prüfmittel, nach der mit ihnen durchzuführenden Tätigkeit oder nach der Prüfmethode. Einteilung der Prüfmittel nach der Art Bild 1 zeigt die Einteilung der Prüfmittel nach deren Art. Es wird unterschieden zwischen Messmittel (die sich wiederum in Maßverkörperungen, Handmessmittel und Messgeräte unterteilen lassen), Lehren und Prüfhilfsmittel. Bild 1: Einteilung der Prüfmittel nach ihrer Art Maßverkörperungen: z.b. Parallelendmaße, Winkelendmaße, Strichmaßstäbe, Glasmaßstäbe Handmessmittel: z.b. Messschieber, Messschrauben, Innenmessgeräte, Messuhren Messgeräte: z.b. Höhenmessgeräte, 3D-Koordinatenmessgeräte, Formtester, Rauheitsmessgeräte Lehren: z.b. Grenzlehren, Formlehren, Winkellehren, Gewindelehren, Radienlehren, Fühlerlehren Hilfsmittel: z.b. Messplatten, Messzeughalter, Spannzeuge Einteilung der Prüfmittel nach der mit ihnen durchzuführenden Tätigkeit Bild 2 zeigt die Einteilung der Prüfmittel nach der mit ihnen durchzuführenden Tätigkeit. Dabei wird zunächst unterschieden zwischen objektivem und subjektivem Prüfen. Das objektive Prüfen umfasst die beiden Tätigkeiten messen und lehren, der die Prüfmittel 4

7 Einteilung der Prüfmittel zugeordnet werden (Messmittel: z.b. Messschieber, Bügelmessschraube, Lineal, ; Lehren: z.b. Rachenlehre, Lehrdorn). Bild 2: Einteilung der Prüfmittel nach der mit ihnen durchzuführenden Tätigkeit Einteilung der Prüfmittel nach der Prüfmethode Bild 3 zeigt die Einteilung der Prüfmittel nach der Prüfmethode. Wesentliche Prüfmethoden sind mechanisches Prüfen, optisches prüfen (z.b. mit Messlupen, Messmikroskopen, Profilprojektoren), pneumatisches prüfen (z.b. Druckverfahren, Durchflussverfahren), elektronisches prüfen (z.b. induktive Taster, Ohmsche Taster), optoelektronisches prüfen (z.b. Laserinterferometer). Der mechanischen Prüfmethode werden die Prüfmittel entsprechend Bild 1 zugeordnet. Bild 3: Einteilung der Prüfmittel nach der Prüfmethode 5

8 Prüfmittelauswahl 4. Prüfmittelauswahl Die Auswahl der Prüfmittel geschieht auf Basis einer Messproblem- bzw. Messaufgabenstellung. Die Prüfmittelauswahl ist Teil des Prüfmittelplanungsprozesses. Die Prüfmittelplanung als Teil der Fertigungsplanung beginnt zu einem frühest möglichen Zeitpunkt. Während der Produktentwicklung werden die Prüfmerkmale festgelegt. In der Qualitätsvorausplanung werden die Prüfaufgaben ermittelt und die geeigneten Prüfmittel bestimmt, die dann ggf. beschafft werden müssen. [5] Bei der Auswahl der Prüfmittel sind bestimmte Fragestellungen hilfreich: - Welche Art von Prüfergebnis wird erwartet (qualitatives oder quantitatives Ergebnis? - Handelt es sich um eine Pre-, In- oder Postprozessprüfung? - Wo wird geprüft (Maschine, Werkstatt, Messraum, )? - Einzelprüfung oder Serienprüfung? Welche Stückzahlen? - Manuelle oder automatisierte Prüfung? - Welches Teilespektrum soll mit dem Prüfmittel zu prüfen sein? - Welche Genauigkeiten werden erwartet? Welche Werkstücktoleranzen sind einzuhalten? - Wie ist der zu erwartende Zustand des Werkstückes zur Zeit der Prüfung? - Handelt es sich um eine neue Prüfaufgabe oder wurden schon ähnliche Aufgaben bewerkstelligt? Wenn ja, wie? Mit welchen Prüfmitteln? - Nachdem die Fragen beantwortet sind, kann das geeignete Prüfmittel ausgewählt werden. Dazu muss die Frage der Verfügbarkeit und Eignung von Prüfmitteln geklärt werden. Als Hilfsmittel kann man sich beispielsweise einer betriebsinternen Prüfmitteldatenbank bedienen, in der alle verfügbaren Messmittel aufgelistet sind. Anhand der Prüfaufgabe kann dann eine Liste mit geeigneten Messmitteln aufgestellt werden. Die Entscheidung über das einzusetzende Prüfmittel kann manuell oder auch rechnerunterstützt getroffen werden, wobei die Anforderungen an die Prüfung die Auswahlkriterien bilden. [5] Ein grober möglicher Entscheidungsbaum zur Auswahl von Prüfmitteln ist in Bild 4 abgebildet. 6

9 Prüfmittelauswahl Bild 4: Entscheidungsbaum zur Auswahl von Prüfmitteln 7

10 Messfehler und Messunsicherheit 5. Messfehler und Messunsicherheit Jede durchgeführte Messung ist fehlerbehaftet und das ermittelte Ergebnis unsicher. Fehler beim Messvorgang können entstehen durch - den Prüfling (z.b. Verschmutzung, Formabweichungen, Oberflächenbeschaffenheit, Beschädigungen), - den Bediener (z.b. Ablesefehler, Bedienfehler, Beurteilungsfehler, mangelnde Qualifikation), - das Prüfmittel (z.b. Fehler an den Prüfnormalen, Linearitätsabweichungen, falsche Auflösung, falsche Messkraft, Verschmutzung), - die Prüfverfahren (z.b. Verstoß gegen das Abbe'sche Komparatorprinzip, Positionierfehler des Prüflings, ungeeignete Tastelemente, Soft- und Hardwarefehler), - die Umwelt (z.b. Temperaturschwankungen, Schwingungen, Feuchtigkeit, Luftdruck, elektrische Störungen). [5] Alle diese Fehlerquellen wirken sich auf das Messergebnis aus und werden in der sogenannten Messunsicherheit laut DIN EN ISO [6] und DIN V ENV [7] berücksichtigt bzw. ausgedrückt. Zunächst wenden wir uns aber dem Abbe'schen Komparatorprinzip und der Messmittelfähigkeit zu. Das Abbe'sche Komparatorprinzip Der Abbe'sche Grundsatz, auch Komparatorprinzip oder Abbe'sches Komparatorprinzip genannt, lautet: Der Einfluss von Winkelabweichungen auf das Messergebnis ist besonders gering, wenn die zu messende Strecke und das Vergleichsnormal zueinander fluchtend angeordnet sind [8]. Oder anders ausgedrückt: Die zu messende Länge und das Vergleichsnormal (Strichmaß, Messspindel) müssen fluchtend hintereinander liegen [5]. Das Komparatorprinzip erfüllen beispielsweise Bügelmesschrauben und Tiefenmessschieber, es wird nicht erfüllt beispielsweise von Messschiebern, Höhenmessgeräten oder 3D- Koordinatenmessgeräten. Das Komparatorprinzip sowie ein beispielhaft durch Nicht-Erfüllung des Komparatorprinzips hervorgerufener Messfehler bei einem Messschieber werden in Bild 5 dargestellt. 8

11 Messfehler und Messunsicherheit Bild 5: (Nicht-)Erfüllung Komparatorprinzip und damit verbundener Messfehler [5] Messmittelfähigkeit [8] Fähigkeitsuntersuchungen dienen dazu, Messsysteme auf ihre Eignung zu überprüfen. Dabei werden alle Einflussgrößen (Verfahren, Vorgehensweise, Messgerät, Hilfsmittel, Normal, Software usw.) bei der Messwertermittlung berücksichtigt. Fähigkeit ist die Unsicherheit des Messsystems im Verhältnis zur Werkstücktoleranz des Prüfmerkmals. Sie wird herangezogen zur Gesamtbeurteilung der Fähigkeit eines Bearbeitungsprozesses. Um die Messmittelfähigkeit sicherzustellen, sollte bei anzeigenden Messgeräten das Verhältnis von zu prüfender Toleranz und Auflösung (Skalenteilung, Ziffernschritt) ganz allgemein nicht kleiner als 20:1 gewählt werden. 9

12 Messfehler und Messunsicherheit Zur Bewertung der Fähigkeit von Messsystemen werden die folgenden Verfahren empfohlen: - Verfahren 1 zur Beurteilung von neuen oder geänderten Messsystemen beim Lieferanten bzw. bevor diese eingesetzt werden. Dabei werden von einem Prüfer 50 Messungen (mindestens 20) des Normals zur Bewertung systematischer Messabweichungen und der Wiederholgenauigkeit durchgeführt. - Verfahren 2 zur Beurteilung von neuen oder geänderten Messsystemen mit Werkstücken vor der Endabnahme im Anwenderwerk, für Auditierungen und Zwischenprüfungen. Es werden 10 Werkstücke durch 2 Prüfer mit 2 Messreihen pro Prüfer zur Ermittlung der Wiederholpräzision und der Vergleichspräzision (Einfluss des Bedieners) durchgeführt. - Verfahren 3 ist ein Sonderfall des Verfahrens 2 zur Beurteilung von Messsystemen ohne Bedienereinfluss. Dabei werden 25 Werkstücke in 2 Durchgängen zur Ermittlung der Wiederholpräzision gemessen. Die Auswertung der Fähigkeitsuntersuchungen soll im Rahmen des Labors nur für das Verfahren 1 erläutert werden: 1. Aufnahme der Messwerte y i des Nennmaßes y 2. Berechnung des statistischen Mittelwertes y und der Standardabweichung s: y = n n n * y s = * i ( y i y) n 1 i= 1 i= 1 3. Berechnung von C g (Index für zufällige Messabweichungen) und C gk (Index für systematische Messabweichungen). Beide Werte müssen größer oder gleich 1,33 sein, damit das Messmittel als fähig gilt: 0,2* T 0,1* T y y C g = 1,33 C = 1, 33 6* s gk 3* s Beispiel: Messung Außendurchmesser Welle, Nennmaß y = 26,1mm, T = 0,2mm Folgende Werte yi wurden mit dem Messschieber gemessen [mm]: 26,1; 26,15; 26,1; 26,1; 26,05; 26,05; 26,15; 26,1; 26,1; 26,15 statistischer Mittelwert y = 26,105mm die statistische Standardabweichung s = 0,03689mm C g = 0,2711 < 1,33 => Messschieber nicht fähig C gk = 0,20331 < 1,33 => Messschieber nicht fähig 10

13 Messfehler und Messunsicherheit Ist ein Messsystem gemäß den Verfahren 1 bis 3 nicht fähig, empfiehlt sich nach [8] folgende Vorgehensweise: - Schritt 1: das Messsystem überprüfen bzw. verbessern Dazu gehören die Messeinrichtung (Mess-, Spann-, Niederhaltekräfte; Definition Messstellen; Messablauf; ), die Umgebungsbedingungen (Schwingungen; Temperaturschwankungen; Feuchtigkeit; ), das Messverfahren/die Messstrategie (Messgeschwindigkeit; Messtechnik-, Statistiksoftware; Einstellverfahren; ), der Prüfling (Sauberkeit; Oberflächenbeschaffenheit, Grate; Formfehler; ) und der Bediener (Qualifikation; Sorgfalt; Sauberkeit; Wärmeübertragung; ). - Schritt 2: ein genaueres Messsystem beschaffen z.b. Auflösung <5%; absolut messende Systeme bevorzugen; robuste Messeinrichtung; vom Bediener unabhängige Messeinrichtung; - Schritt 3: den Prozess und die geforderten Toleranzen betrachten z.b. Merkmal auf Funktionsabhängigkeit überprüfen und ggf. neues Merkmal definieren (z.b. Dichtheit anstelle von Rundheit) - Schritt 4: eine befristete Sonderregelung schaffen. Messunsicherheit [6, 7, 8] Entsprechend der Wahrscheinlichkeitstheorie ordnen sich ermittelte Messwerte eines fortlaufenden Messprozesses nach der Gaußschen Normalverteilung an. Basierend auf den Grundlagen der Statistik wird aus der Menge der Messergebnisse der arithmetische Mittelwert x E als Schätzwert der wahren Messgröße gebildet. Für die Angabe des Vertrauensintervalls wird im Allgemeinen eine Aussagewahrscheinlichkeit P von 95% zu Grunde gelegt. Das heißt, das Vertrauensintervall wird so gewählt, dass bei unendlicher Wiederholung der Messungen der wahre Wert der Messgröße in 95 von 100 Fällen im angegebenen Intervall liegt. Jedes Messergebnis ist also mit einer Unsicherheit behaftet. Ein vollständiges Messergebnis besteht also immer aus der Angabe des Messergebnisses (arithmetischer Mittelwert der Ergebnismenge) und der Messunsicherheit: D = y E ± 2σ, z.b. 41,236 ± 0,002mm. Warum ist es wichtig, die Messunsicherheit eines Messergebnisses möglichst genau zu kennen? Kritisch sind diejenigen Werte, die oberhalb oder unterhalb in unmittelbarer Nähe der Grenzmaße (Toleranzgrenzen) liegen: Ist das Ergebnis noch in Ordnung (IO) oder schon nicht mehr in Ordnung (NIO)? Aufgrund einer Messunsicherheit, die (fast) immer größer als Null ist, ist diese Frage für einige Messwerte nicht eindeutig entscheidbar, siehe Bild 6. Nach DIN EN ISO , die u.a. 'Entscheidungsregeln für die Übereinstimmung und Nichtübereinstimmung mit der GPS-Spezifikation' (GPS = geometrische Produktspezifikation) definiert, dürfen Lieferanten nur dann Produkte ausliefern, wenn sie 11

14 Messfehler und Messunsicherheit unter Berücksichtigung der Messunsicherheit nachweislich IO sind, und Abnehmer Produkte nur dann zurückweisen, wenn sie unter Berücksichtigung der Messunsicherheit nachweislich NIO sind. Bild 6: Messunsicherheit eines Messergebnisses Die Messunsicherheit wird mithilfe der Statistik ermittelt: 1. Ermittlung des arithmetischen Mittelwertes. y = n 1 n * y i i= 1 2. Ermittlung der empirischen Standardabweichung (ein Maß für die auf den Mittelwert bezogene Streuung der Messwerte). s = 1 * n 1 n ( y i y) i=

15 Messfehler und Messunsicherheit 3. Ermittlung der statistischen Standardabweichung σ (Kennzahl, welche die Streubreite der statistischen Messwertverteilung quantifiziert). Sie kann durch das Produkt aus empirischer Standardabweichung und Studentfaktor t (siehe entsprechende Tabellenwerke) abgeschätzt werden. σ t * s 4. Das vollständige Messergebnis (bei U 95 ) setzt sich zusammen aus dem Messergebnis (arithmetischer Mittelwert der Ergebnismenge) und der Messunsicherheit: D = y E ± 2σ, z.b. 41,236 ± 0,002mm. Lieferanten sollten unbedingt die "Goldene Regel der Messtechnik" befolgen: Die Messunsicherheit U (hier: σ) sollte nicht größer als T/10 sein (T = Toleranz)! Nach den übereinstimmenden Forderungen der QS 9000 und des VDA sollte dem hier beschriebenen, stark vereinfachten Berechnungsverfahren in der praktischen Anwendung das wesentlich exaktere, aber auch erheblich aufwendigere Verfahren nach GUM (Guide to the expression of uncertainty in measruement) vorgezogen werden (Die deutsche Übersetzung von GUM wurde 1999 als Vornorm DIN V ENV "Leitfaden zur Angabe der Unsicherheit beim Messen" ([7]) veröffentlicht.). Die Messunsicherheit U setzt sich zusammen aus dem zufälligen und dem systematischen Teil (U z und U s ). U z entspricht dabei der ermittelten Standardabweichung σ, U s muss durch Versuche, allgemeine Berechnungen oder aus bekannten technischen Daten ermittelt werden. Eine stark vereinfachte Formel zur Berechnung der Messunsicherheit U aus der geschätzten systematischen Messunsicherheit U s und aus der durch Messungen bestimmten zufälligen Messunsicherheit U z lautet: U = U s ² + U z ² Nach GUM bzw. nach [7] ist für jede einzelne Störgröße, die Einfluss auf das Messergebnis nehmen kann, ein eigener Anteil der Messunsicherheit zu berechnen. Dabei sind nach GUM entgegen dem vereinfachten Verfahren nach DIN auch eventuell auftretende gegenseitige Abhängigkeiten der Einflussfaktoren durch sogenannte Korrelationsfaktoren zahlenmäßig zu berücksichtigen. 13

16 Prüfmittelmanagement 6. Prüfmittelmanagement Das Prüfmittelmanagement ist ein wesentliches Element des Qualitätsmanagements. Es ist für die Qualität, Zuverlässigkeit, Einsatzfähigkeit und Einsatzbereitschaft der Prüfmittel in einem Unternehmen verantwortlich. Innerhalb des Prüfmittelmanagements nimmt die Prüfmittelüberwachung eine zentrale Stellung ein, da die Prüfmittel die Referenz sind, an der die Qualität der Produkte gemessen wird. Das Ziel, unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Aspekten möglichst die tatsächliche Merkmalausprägung an einem Werkstück festzustellen, kann nur erreicht werden, wenn der einwandfreie Zustand der verwendeten Prüfmittel zum Zeitpunkt der Prüfung gewährleistet ist. Die an das Prüfmittelmanagement gestellten Aufgaben lassen sich in drei Teilbereiche gliedern: [9] - Prüfmittelplanung und beschaffung - Prüfmittelverwaltung - Prüfmittelüberwachung Prüfmittelplanung und beschaffung [9, 10] Die Prüfmittelplanung und -beschaffung beinhaltet die Planung der Verwendung, Eigenschaften, Anforderungen, Spezifikationen und des Einsatzfeldes von Prüfmitteln als Teil der Fertigungsplanung und deren Beschaffung bzw. Eigenfertigung. Nach erfolgter Prüfmittelplanung werden die über den Einkauf bzw. die Eigenfertigung beschafften Prüfmittel einer Eignungsprüfung unterzogen. In der Eignungsprüfung wird ermittelt, ob alle vorgegebenen Forderungen an das Prüfmittel (Pflichtenheft, Zeichnungen, Normen, Vorschriften) erfüllt werden. Erfolgt die Freigabe für die Verwendung im Betrieb, so werden die Prüfmittel nach Erfassung der Prüfmitteldaten dem Lager zugeführt und für den Einsatz freigegeben. Während des Einsatzes eines Prüfmittels im Betrieb bzw. im Lager werden sie in zeitlich definierten Zyklen einer Prüfmittelüberwachung unterzogen. Prüfmittel, die ohne Beanstandung die Überprüfung durchlaufen haben, werden für den weiteren Einsatz freigegeben. Beanstandete Prüfmittel, bzw. im Einsatz ausgefallene Prüfmittel werden einer Verwendungsentscheidung unterzogen. Dabei wird festgelegt, ob Prüfmittel - bedingt weiterverwendet, - für andere oder ähnliche Prüfaufgaben geändert, oder - durch Instandsetzungsmaßnahmen wiederhergestellt werden können. Parallel sind verwaltende Tätigkeiten erforderlich, die sich über die Phasen der Planung und Beschaffung und des Einsatzes sowie der Überwachung eines Prüfmittels erstrecken. Aufgrund der unterschiedlichen Prüfaufgaben kommen für die durchzuführenden 14

17 Prüfmittelmanagement Qualitätsprüfungen verschiedenartige Prüfmittel in Frage. Hieraus leitet sich die zentrale Aufgabe der Prüfmittelplanung und -beschaffung ab. Sie ist verantwortlich für die anforderungsgerechte Auswahl und die fristgerechte Beschaffung (Anschaffung bzw. Fertigung) benötigter Prüfmittel. Während der Planungs- und Beschaffungsphase sind sukzessive folgende Teilaufgaben zu lösen: - Ermittlung des Prüfmittelbedarfs, - Beschaffung verfügbarer Prüfmittel, - Konstruktion und Fertigung von Sonderprüfmitteln, - Durchführung von Eignungsprüfungen und - Erstellen von Prüfanweisungen Nachdem die Planung und Beschaffung eines Prüfmittels abgeschlossen ist, muss vor einer Übernahme in betriebliche Abläufe nachgewiesen werden, dass es fähig ist, ein bestimmtes Qualitätsmerkmal zu überprüfen bzw. ob die vom Hersteller angegebene Prüfmittelgenauigkeit auch eingehalten wird. Die hier üblicherweise angewendeten Methoden einer gerätespezifischen bzw. einer aufgabenspezifischen Prüfmittelüberwachung wurden bereits erläutert. Während der Planungs- und Beschaffungsphase werden Prüfanweisungen für die periodische Überwachung der Prüfmittel erstellt. Hierbei kann zum Teil auf standardisierte Prüfanweisungen zurückgegriffen werden (VDI/VDE/DGQ 2618, usw.). Nichtstandardisierte Prüfsysteme (z.b. Vielstellenmessgeräte) sind zumeist aus Standardprüfmitteln (z.b. Messtastern) aufgebaut, so dass die Prüfeigenschaften dieser Einzelkomponenten nach vorgegebenen Prüfanweisungen überwacht werden können. Für Sonderprüfmittel müssen geeignete Prüfanweisungen erstellt werden. In Bild 7 ist die Integration der Prüfmittelplanung, -beschaffung und überwachung in das Prüfmittelmanagement dargestellt. 15

18 Prüfmittelmanagement Bild 7: Integration der Prüfmittelplanung, -beschaffung und -überwachung in das Prüfmittelmanagement [10] Prüfmittelverwaltung [9, 10] Die Prüfmittelverwaltung umfasst sämtliche verwaltungstechnischen Aufgaben, die zur Verwaltung eines Prüfmittels erforderlich sind. Zu den Aufgaben der Prüfmittelverwaltung gehören - Logistikaufgaben, wie die Einsatzplanung / Einsatzsteuerung und das Veranlassen von Überwachungsprüfungen, - Dokumentationsaufgaben, die zum einen die Stammdaten und zum anderen die Prüfergebnisse des Prüfmittels betreffen und - Datenverdichtungsaufgaben, die die Berechnung von Kennwerten und das Führen von Statistiken und Historien beinhaltet. Die Prüfmittelverwaltung erfolgt heute fast ausschließlich rechnergestützt, da der Verwaltungsaufwand für ein vernünftiges Prüfmittelmanagement ansonsten nicht vertretbar wäre. Für die durchzuführenden Aufgaben und die zu verarbeitenden prüfmittelspezifischen Daten sind bereits von einigen Anbietern entsprechende Software und Datenbanksysteme auf dem Markt erhältlich. 16

19 Prüfmittelmanagement Um Prüfmittel überwachen zu können, ist die Gesamtheit der Prüfmittel zu analysieren mit dem Ziel, sie zu identifizieren, ihre Merkmale zu beschreiben und sie ggf. zu klassifizieren. Zu Beginn werden alle vorhandenen und in näherer Zukunft geplanten Prüfmittel in einem Katalog zusammengetragen. Um eine Beschreibung aller relevanten Merkmale eines Prüfmittels zu gewährleisten, müssen die dafür erforderlichen Beschreibungskriterien vor der eigentlichen Beschreibung definiert werden. Die zu diesem Zweck benötigten Beschreibungskriterien sind zum Teil in der Literatur zur Prüfmittelüberwachung vorhanden. Weitere Gesichtspunkte, nach denen Prüfmittel zu beschreiben und zu ordnen sind, sind durch eigene Überlegungen zu ergänzen. Beim Aufbau einer Prüfmittelverwaltung und der damit verbundenen Entwicklung eines Beschreibungsmodells der Prüfmittel eines Unternehmens ist die eindeutige Identifizierung der Prüfmittel unbedingt erforderlich. Zu diesem Zweck kann ein klassifizierendes Identnummernsystem eingeführt werden, das es erlaubt, die Art eines Prüfmittels bereits an einem Nummernteil zu erkennen oder aber ein Prüfmittel einer Kostenstelle direkt zuzuordnen (Bild 8). Bild 8: Prüfmittelanalyse [10] 17

20 Prüfmittelmanagement Prüfmittelüberwachung [9, 10] Die mit einem Messgerät (allgemeiner Prüfmittel) ermittelten Messwerte sind lediglich beobachtete Werte eines Qualitätsmerkmals, das in einem Fertigungsprozess entstanden ist. Dem gefertigten Qualitätsmerkmal werden während der Messung die systematischen und statischen Einflüsse des Messprozesses überlagert. Fehlerhafte Prüfmittel, deren Verhalten nicht hinreichend bekannt ist, können zu einem positiven Prüfurteil führen, obwohl ein Ausschussteil geprüft wurde. Auf der anderen Seite können Gutteile zu Ausschuss erklärt werden. Auf diese Weise werden fehlerhafte Qualitätsdaten erzeugt, Auswertungen und Kennwerte verfälscht sowie in der Konsequenz eine Reihe von Fehlentscheidungen vom Prüfer bis zum Management verursacht. Vor allem verursachen diese Fehlentscheidungen unnötige Kosten. Um die oben beschriebenen Fehlentscheidungen zu vermeiden, müssen die den Messprozess beeinflussenden Eigenschaften eines Prüfmittels bekannt sein. Da diese Eigenschaften zeitlich variabel sind, ist es die Aufgabe der Prüfmittelüberwachung sie periodisch zu überprüfen und sicherzustellen. Diese Eigenschaften können wie folgt definiert werden: - Die Genauigkeit ist die Abweichung zwischen dem Mittelwert einer Messwertereihe bei wiederholtem Messen des gleichen Merkmals und dem wahren bzw. als wahr angenommenem Wert des Merkmals. - Mit Wiederholpräzision bezeichnet man die Eigenschaft, wie präzise ein ermittelter Messwert in einer Messreihe wiederholt wird. Ein Maß für die Wiederholpräzision ist die Standardabweichung einer Messreihe. - Die Vergleichspräzision bezieht sich auf die Variationen einer Randbedingung, wie z.b. Bediener, Prüfort oder eingesetztes Prüfmittel. Mit Hilfe der Vergleichspräzision lässt sich der Einfluss einer solchen Randbedingung quantifizieren. - Mit Stabilität wird das zeitliche Verhalten eines Prüfmittels charakterisiert. Hierzu werden in festgelegten Intervallen Messreihen durchgeführt und Unterschiede der statistischen Kennwerte verglichen. - Mit Linearität wird der Effekt bezeichnet, dass mit zunehmendem Messwert die Messabweichung in erster Näherung durch eine Gerade bekannter Steigung beschrieben werden kann. Die Prüfmittelüberwachung kann grundsätzlich in eine gerätespezifische und eine aufgabenspezifische Prüfmittelüberwachung unterteilt werden. Unter der gerätespezifischen Prüfmittelüberwachung wird die Überwachung der Messabweichungen für einzelne Werte des Messbereichs eines Messmittels verstanden. Hierbei werden zum Teil Wiederholmessungen durchgeführt, so dass eine Aussage über die 18

21 Prüfmittelmanagement Wiederholgenauigkeit gemacht werden kann. Die hier durchgeführten Untersuchungen finden unter idealen Bedingungen, d.h. durch geschultes Personal zumeist in einem klimatisierten Messraum statt. Mit aufgabenspezifischer Prüfmittelüberwachung wird die auf eine spezielle Messaufgabe bezogene Überwachung eines Prüfmittels bezeichnet. Ihr Ziel ist es, zu beurteilen, ob die Eigenschaften und Handhabungsvorschriften eines Prüfmittels auf die spezifischen Prüfbedingungen (z.b. eine Fertigungsumgebung mit schwankenden Temperaturverhältnissen) und den an sie gestellten Anforderungen genügen. Der Einsatzort, unterschiedliche Prüfer und Messvorrichtungen und das Prüfen von Werkstücken des realen Fertigungsprozesses können die Eignung des Prüfmittels für den Einsatzzweck erheblich einschränken. Gerätespezifische Prüfmittelüberwachung Für die gerätespezifische Prüfmittelüberwachung bestehen Richtlinien und Checklisten wie z.b. die Richtlinie VDI/VDE/DGQ 2618 Prüfanweisungen zur Prüfmittelüberwachung [11]. Diese aus insgesamt 27 Blättern bestehende Richtlinie enthält eine Einführung sowie in Checklistenform zusammengestellte Prüfanweisungen, die eine standardisierte Beurteilung neuer oder gebrauchter Prüfmittel ermöglichen. Ein weiteres Ziel dieser Richtlinie ist es den Herstellern und Anwendern von Prüfmitteln eine gemeinsame Grundlage für die Prüfmittelüberwachung zur Verfügung zu stellen. Die Liste der verfügbaren Prüfanweisungen kann in eine Gruppe der lehrenden Prüfmittel, in eine der messenden Prüfmittel und in Normale unterteilt werden. Für lehrende Prüfmittel sind z.b. eine Prüfanweisung für Lehrdorne, Rachenlehren oder Kegellehren vorhanden. Prüfanweisungen für Messschieber, Messuhren und Bügelmessschrauben sind Beispiele aus der Gruppe der messenden Prüfmittel. Bei den Parallelendmaßen und den Einstellringen handelt es sich um Maßverkörperungen, so genannte Normale. Eine vollständige Liste der verfügbaren Prüfanweisungen findet sich in Blatt 1 der Richtlinie VDI/VDE/DGQ Die Überwachung eines Messmittels (allgemeiner Prüfmittel) erfolgt durch den Vergleich mit einem Normal, das den als richtig vorausgesetzten Wert der Messgröße repräsentiert und durch eine ununterbrochene Kette derartiger Vergleichsnormale an das nationale Normal angeschlossen ist. Derartige Normale sind Referenz-, Bezugs- und Gebrauchsnormale. Die Physikalisch-Technische-Bundesanstalt PTB entwickelt die nationalen Normale zur Darstellung der SI-Einheiten und ermöglicht außerdem den Anschluss an die nationalen Normale. Die Bezugsnormale für die Prüfmittelkalibrierung werden nur selten direkt an die PTB angeschlossen. Meistens werden in der so genannten Kalibrierkette eine oder mehrere Zwischenstufen zur Rückführung der Normale zwischengeschaltet (Bild 9). Die Kalibrierkette wird durch den Deutschen Kalibrierdienst DKD, die Industrie oder andere Institutionen 19

22 Prüfmittelmanagement (Forschungseinrichtungen, TÜV) geschlossen, die die Kalibrierung als Serviceleistung anbieten. Bild 9: Kalibrierkette für einen Messschiebers Im dargestellten Beispiel wird der angezeigte Messwert eines Messschiebers mit dem bekannten Maß des Parallelendmaßes bzw. des Einstellrings verglichen. Zum Zeitpunkt der Überwachung müssen die Normale selbst kalibriert sein. Die Unsicherheit der Maßangaben dieser Gebrauchsnormale beträgt hier nur 1/100 der Unsicherheit des Messschiebers. Eine für Koordinatenmessgeräte existierende Richtlinie VDI/VDE 2617 stellt dem Anwender Prüfanweisungen zur Verfügung, mit denen eine reproduzierbare Überwachung der Eigenschaften eines Koordinatenmessgerätes, insbesondere eine Erstabnahme, durchgeführt werden kann. In dieser Richtlinie sind verschiedene Kennwerte definiert, die einen Vergleich eines Koordinatenmessgerätes auch mit anderen Geräten ermöglicht. Die in der Richtlinie überwachten Eigenschaften eines Koordinatenmessgerätes sind im Wesentlichen durch folgende Komponentenabweichungen des Gerätes definiert (Bild 10) [12]: 20

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