Meßtechnische Übungen II

Transkript

1 TU Berlin Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb Fachgebiet Qualitätswissenschaft Meßtechnische Übungen II Grundlagen der Meß- und Prüftechnik in der Fertigung 1. Allgemeines Bei der Konzipierung und Durchführung von Prüfaufgaben in der Fertigung sind die folgenden Grundsätze zu berücksichtigen: Qualität und Messung stehen in einem engen Zusammenhang. Qualität wird nicht gemessen, sondern präventiv gesichert und produziert. Mit der Messung überzeugen wir uns aber immer wieder von der Qualität des Produkts. Das erfordert: Richtig prüfen, im Sinne der erforderlichen Eindeutigkeit und zulässigen Unsicherheit der Prüfergebnisse. Zweckmäßig prüfen, im Sinne der richtigen Wahl von Prüfverfahren und -mitteln für die gegebenen Bedingungen. Wirtschaftlich prüfen, im Sinne eines optimalen Verhältnisses zwischen Prüfaufwand und Nutzung der Ergebnisse Für die Entscheidungsfindung sind grundlegende Kenntnisse über die Fertigungsabläufe und Fertigungssysteme sowie ein umfassendes Wissen sowohl über die Meß- und Prüfverfahren als auch die Meß- und Prüfmittel erforderlich. Umdruck 1 Seite 1

2 2. Grundbegriffe Die für die Meß- und Prüftechnik sowie die für die dabei auszuführenden Tätigkeiten geltenden Grundbegriffe sind in DIN 1319 Blatt 1-3 und DIN 2257 Blatt 2 erläutert. Prüfen, Messen und Lehren; Meßgeräte und Maßverkörperungen Prüfen Feststellen, ob ein Prüfgegenstand eine oder mehrere vereinbarte, vorgeschriebene oder erwartete Bedingungen erfüllt. Mit dem Prüfen ist immer eine Entscheidung verbunden. objektive Prüfung subjektive Prüfung ermöglicht quantitative Aussagen über die Erfüllung bestimmter Bedingungen führt nur zu einer qualitativen Aussage. kann vor Beginn einer Messung dazu dienen, Kosten für Messungen an ungeeigneten Prüfgegenständen zu vermeiden. Eine objektive Prüfung kann durch Messen und/oder Lehren erfolgen. Lehren (als Verfahren): Vergleichen eines Prüfgegenstandes mit einer Lehre und Feststellen, ob dabei eine vorgeschriebene Grenze überschritten wird. Die tatsächlich vorhandene Abweichung der geprüften Größe vom Nennwert wird dabei nicht ermittelt. Lehren (als Prüfmittel): Lehren sind Prüfmittel, die das(die) Maß(e) und/oder die Form des zu lehrenden Prüfgegenstandes verkörpern. Hierbei gilt der Grundsatz von Taylor, der besagt, daß die Gutlehre so ausgebildet sein soll, daß sie das zu prüfende geometrische Merkmal in seiner Gesamtwirkung prüft. Die Ausschußlehre dagegen soll einzelne Elemente des geometrischen Merkmals prüfen. Messen ist der experimentelle Vorgang, durch den ein spezieller Wert einer Meßgröße als Vielfaches oder Teil einer Einheit oder eines vereinbarten Bezugswertes ermittelt wird. Beim Messen wird ein quantitativer Vergleich der Meßgröße mit der Bezugsgröße mittels einer Meßeinrichtung angestellt, entweder durch direkte oder indirekte Messung. Umdruck 1 Seite 2

3 Meßsystem: Unter dem Begriff "Meßsystem" ist nicht nur das Meßgerät selbst zu verstehen, sondern alle am Meßprozeß betreiligten Geräte- und Personalkomponenten. Der Zusammenhang der Komponenten eines Meßsystems läßt sich beispielsweise wie in Abbildung dargestellen. Meßgeräte: Meßgeräte werden in anzeigende Meßgeräte und Maßverkörperungen unterteilt. Einfache Meßgeräte, die die beim Messen in die Hand genommen werden, wie z.b. Bügelmeßschraube, Meßschieber, werden auch 'Meßzeuge' genannt. Maßverkörperungen: Maßverkörperungen repräsentieren bestimmte Werte einer oder mehrerer Meßgrößen, z. B. durch den festen Abstand von Flächen oder durch den Abstand von Strich-Markierungen auf einem Maßstab. Meßgröße: diejenige Größe, deren Wert beim Messen ermittelt wird. Sie wird durch das Meßergebnis beschrieben. Meßwert: das bei der Messung gewonnene quantitative Merkmal des Meßobjektes Umdruck 1 Seite 3

4 Meßergebnis Jeder an einem Meßgerät abgelesene Wert x a ist mit Abweichungen behaftet. Diese Meßabweichungen können nicht exakt ermittelt werden, weil der wahre Wert x w nicht bekannt ist. x w läßt sich nur durch einen Bereich eingrenzen, für den ein bestimmtes Vertrauensniveau 1 - α, z. B. 95%, gültig ist. Meßabweichungen enthalten systematische und zufällige Komponenten. Ein Teil der systematischen Abweichungen Δx kann mit einem genaueren Meßgerät, dessen unbekannte systematische Abweichung wesentlich kleiner, z. B nur 1/10 so groß, bestimmt werden, wobei der mit dem genaueren Meßgerät angezeigte Wert dann als richtiger Wert x r festgesetzt wird. Somit ist Δx = x a - x r, bzw. Δx = x a - x r, wenn mehrere unter Wiederholbedingungen ermittelte Anzeigewerte des betrachteten Meßgerätes zur Verfügung stehen. Meßunsicherheit Die Meßunsicherheit u hat zwei Komponenten, die Zufallskomponente z u und die systematische Komponente x s. Der Wert der Zufallskomponente z u kann aus einer Wiederholreihe bestimmt werden. Anm.: Wiederholbedingungen liegen vor, wenn derselbe Beobachter nach einem festgelegten Meßverfahren am selben Meßobjekt unter gleichen Versuchsbedingungen (dasselbe Meßgerät, dasselbe Laboratorium) in kurzen Zeitabständen Messungen durchführt.) Fehlergrenzen und Toleranz der Meßgröße Grenzwerte der Meßunsicherheit werden nach DIN 1319 Teil 3 als Fehlergrenzen bezeichnet. Sie sind vereinbarte Höchstbeträge für positive und negative Meßabweichungen. Sie werden im wesentlichen im Hinblick auf systematische Abweichungen der Meßwerte vom richtigen Wert der Meßgröße vorgegeben, sie dürfen aber auch durch zufällige Abweichungen nicht überschritten werden. Die Fehlergrenzen schließen auch die nicht erfaßten systematischen Abweichungen ein und berücksichtigen die Schwankungen von Gerät zu Gerät sowie Alterserscheinungen. Insgesamt sind Fehlergrenzen also Fehlerextremwerte bei festgelegten Anwendungsbedingungen. Anm.: Die Fehlergrenze wird bei symmetrischen Grenzen mit G bezeichnet und ohne Vorzeichen angegeben, wobei G o = G u, wenn deren Beträge gleich sind. In einigen Normen für bestimmte Meßgeräte wird anstelle der Fehlergrenze eine Abweichungsspanne f ges angegeben, wobei dann f ges = 2 G Umdruck 1 Seite 4

5 Es wäre wünschenswert, wenn immer ein Meßgerät verwendet werden könnte, dessen Fehlergrenze klein gegenüber der Toleranz der zu messenden Merkmalsgröße ist, beispielsweise G 0,1... 0,2 T. In der Fertigungsmeßtechnik ist dies aber nicht in jedem Fall möglich, weil häufig funktionsbedingt sehr enge Toleranzen angegeben werden und prüftechnologisch sowie u. U. auch aus wirtschaftlichen Gründen nicht für jedes Merkmal ein entsprechendes Prüfmittel zur Verfügung steht. Sind die Fehlergrenzen der verwendeten Meßgeräte zu groß, kann die Toleranzhaltigkeit nicht eindeutig festgestellt werden (Gutteile werden als außer Toleranz aussortiert und Schlechtteile schlüpfen als i. O. durch ); es kann in der Folge davon zu einer Fehlbeurteilung von Prozessen und Produkten kommen. Weitere Begriffe im Zusammenhang mit Messen und Lehren sind: Justieren (Abgleichen) Einstellen eines Meßmittels, damit die Anzeige so wenig wie möglich vom richtigen Wert abweicht bzw. die Abweichung der Anzeige innerhalb vorgeschriebener Grenzen bleibt. Beim Justieren ist ein Eingriff in die Meßeinrichtung erforderlich. Kalibrieren das Ermitteln der Beziehung zwischen den Werten der Eingangsgröße und den Werten der Ausgangsgröße einer Messeinrichtung und Vergleich mit einem zertifizierten Normal. Bei anzeigenden Meßgeräten werden durch Kalibrieren die Abweichungen der ausgegebenen Werte von den richtigen Werten der Anzeige ermittelt. Bei einer Maßverkörperung wird durch Kalibrieren die vorhandene Abweichung der Maßverkörperung vom Nennmaß festgestellt. (siehe auch Seite 8) Eichen ist das eichamtliche Prüfen und Stempeln (Beurkundung, daß die Meßeinrichtung zum Zeitpunkt der Eichung allen Anforderungen genügt hat) von Meßmitteln gemäß gesetzlicher Vorschriften und Anforderungen. Dazu muß die Bauart des Meßmittels amtlich als eichfähig anerkannt und zur Eichung zugelassen sein. Insbesondere wird hinsichtlich der meßtechnischen Eigenschaften eichamtlich geprüft, ob die Eichfehlergrenzen eingehalten sind. Eichen ist eine hoheitliche Aufgabe und wird von den staatlichen Eichämtern vorgenommen. Anm.: Im Sprachgebrauch der Meßtechnik wird der Begriff 'Eichen' auch im Sinne von 'Kalibrieren' (Einmessen) angewendet. Es wird jedoch empfohlen, den Begriff 'Eichen' nur im amtlichen Sinne zu verwenden. Umdruck 1 Seite 5

6 3. Fehlerarten Fehlerarten und Fehlerursachen Grundsätzlich wird jedes Meßergebnis eine Unsicherheit aufweisen. Ursachen sind im allgemeinen - die Ungenauigkeiten der Meßgeräte, Maßverkörperungen und Meßhilfsmittel sowie die Unsicherheiten bei den einzelnen Meßverfahren; - die Einflüsse der Umwelt und Fehler des Beobachters; wobei die zeitliche Veränderung aller Fehlerursachen eine zusätzliche Streuung bewirkt. Umwelt- und Beobachtereinflüsse sind hierbei - Temperatur, Luftdruck, Feuchte, Spannung, Frequenz, elektrische und magnetische Felder; - physiologische und psychologische Eigenschaften (Unzulänglichkeiten) des Beobachters. Ein ungeeignetes Prüf- oder Auswertungsverfahren kann ebenfalls falsche Meßergebnisse zur Folge haben. Die auftretenden Fehler, die bei Messungen mit in das Meßergebnis teils als 'erfaßbare', teils als schätzbare Fehler ermittelt bzw. erfaßt werden, können sowohl systematischer als auch zufälliger Art sein. Meßfehler Systematische Fehler haben einen bestimmten Betrag und ein bestimmtes Vorzeichen. Die erfaßbaren systematischen Fehler müssen berichtigt werden. Andersfalls ist das Meßergebnis 'unrichtig'. Nicht erfaßbare systematischen Fehler müssen geschätzt werden Zufällige Fehler: entstehen durch während des Meßvorgangs nicht beeinflußbare Änderungen im Meßsystem und in der Umwelt. Durch diese Veränderungen werden die Meßergebnisse mehr oder weniger 'streuen'. Sie sind dadurch sowohl im Betrag als auch im Vorzeichen nicht bekannt. Als Folge dieser Streuung ist das Meßergebnis unsicher. Da jeder Meßfehler meist sowohl systematische als auch zufällige Anteile enthält, ist die Trennung der Fehlerarten und damit die Berichtigung des Meßergebnisses um den bekannten systematischen Anteil in der Praxis schwierig. Dies wird auch anhand folgender Darstellung plausibel. Umdruck 1 Seite 6

7 Meßfehler Systematische Fehler Zufällige Fehler 'Grobe' Fehler Meßobjekt Meßobjekt Beobachter Meßverfahren Meßsystem Meßsystem Vergleichsgröße Vergleichsgröße Umwelt Umwelt Beobachter Beobachter 4. Prüfmittelrückführung und -unsicherheiten 4.1 Allgemeines I. Meß- und Prüfmittel gehören in jede qualitätsorientierte Produktion. Es ist nicht möglich, genauer zu fertigen als zu prüfen. Damit werden an die Meß- und Prüfmittel sehr hohe Anforderungen gestellt. Aus diesem Grunde ist die Überwachung der Meßund Prüfmittel in allen Qualitätsmanagementsystemen wie ISO 9000ff.,VDA 6.1 u. a., eines der wesentlichsten Qualitätselemente. II. Es muß der Nachweis geführt werden, daß jedes eingesetzte Mittel die an es gestellten Anforderungen erfüllt. Dabei spielen die Auswahl eines geeigneten Prüfmittels, dessen Zuverlässigkeit und Funktion, die Unsicherheit des Prüfergebnisses genauso eine wichtige Rolle wie der Nachweis der Rückführung an das nationale Normal. III. Durch die gesetzliche Produkthaftung besteht insgesamt ein sehr weitgehender Rechtsanspruch auf Wiedergutmachung von Schäden, die der Produzent nach dem Verursacherprinzip im Falle eines Schadens mit entsprechenden Folgen zu vertreten hat, auch wenn das die Folge einer fehlerhaften Messung ist. Diese Haftung kann mit keiner Vereinbarungs- bzw. Zusatzklausel geschwächt, viel weniger noch ausgeschaltet werden. Einzige Gegen- und Schutzmaßnahme vor Folgeschäden ist die kontrollierte und dokumentierte Anforderungs- und Funktionsqualität der Einzelelemente und Gerätekomponenten bis hin zum fertigen Gerät bzw. Produkt. In diesem Zusammenhang gesehen hat die 'Richtigkeit' der erforderlichen Prüfungen und Messungen eine ausschlaggebende Bedeutung. Deshalb ist es notwendig, daß eine entsprechende Prüfmittelüberwachung, d. h. Kalibrierung und Instandhaltung durchgeführt und als erforderliche Instrumente der Qualitätssicherung vorrangig beachtet und entsprechend auch im Gesamtprozeß gewichtet werden. Umdruck 1 Seite 7

8 Die Überwachung der Prüfmittel 1) ist eine unbedingte Voraussetzung für die Sicherung der Qualität innerhalb des industriellen Produktionsprozesses. Eine ebenso große Bedeutung hat die Prüfmittelüberwachung im Bereich der Prüflaboratorien, die auf dem Gebiet der Produktzertifizierung tätig sind. Begriffsdefinitionen Anforderungen an Qualitätmanagementsysteme sind in nationalen, europäischen und internationalen Normen sowie Richtlinien festgehalten. Hierbei handelt es sich vornehmlich um solche Begriffe und Systematiken, die eine Vergleichsmöglichkeit von Ergebnissen und Aussagen auf nationaler und internationaler Ebene ermöglichen. Eine gewichtige Funktion und Aufgabe haben hierbei die jeweiligen Kalibrierlaboratorien bzw. Kalibrierdienste (z. B. Deutscher Kalibrierdienst DKD), die zwecks Vereinbarungen über gegenseitige Anerkennung technischer Gleichwertigkeiten in einem Forum für technische Zusammenarbeit der Western European Calibration Cooperation (WECC) zusammengeschlossen sind. Inhaltlicher Schwerpunkt ist lt. EN und EN die Identifikation der produktqualitätsrelevanten Prüfmittel und Prüfvorrichtungen und deren auf national und international anerkannte Normale bezogene Zertifizierung, welche Prüfung auf Funktionseignung, Kalibrierung und Justierung, sowie Dokumentation der Prüfmittelhistorie umfaßt. Diese Forderungen werden im Zusammenhang mit der hierbei aus Maßverkörperungen und Prüfmitteln bestehenden Kalibrierkette funktionell als Rückführbarkeit bezeichnet, d. h. die Prüfmittel müssen sich zurückverfolgen lassen bis auf das staatliche Normal, das die als SI-Einheit definierte Größe repräsentiert. 4.2 Kalibrierketten, Kalibrierung und Rückführung Als Kalibrierkette wird allgemein eine ungenauigkeitsbezogene (Unsicherheit) hierarchische Zuordnung von Prüfmitteln bezeichnet, wobei "der Vergleichsanschluß" eines Prüfmittels grundsätzlich in Richtung geringere Ungenauigkeit -von größeren zu kleineren Werten- zielt. Kalibrieren bedeutet hierbei das Feststellen und Dokumentieren der Ergebnis-Abweichungen vorgegebener Prüfmittel von dem Wert des jeweils übergeordneten Normals bzw. Prüfmittels. 1) Unter Prüfmitteln sind alle Meß- und Prüfeinrichtungen zu verstehen, die im gesamten industriellen Produktionsbereich eingesetzt werden bzw. Verwendung finden (s. a. ISO 9001 / EN 29001) Umdruck 1 Seite 8

9 Durch diese Vorgehensweise wird auch eine Rückführung der erzielten Prüfwerte über einen bzw. mehrere Vergleichsschritte mit dem nationalen Normal für die betreffenden Meßgröße garantiert. Hierarchie- Ebenen bei der Ausführung von Kalibrierungen 1. Ebene: Metrologisches Staatsinstitut und technische Oberbehörde für das Meßwesen - Physikalisch - Technische Bundesanstalt (PTB) - Nationale Normale zur Darstellung der SI-Einheiten 1 - Zusammenarbeit mit Staatsinstituten anderer Länder - Akkreditierung und Überwachung 2 von Kalibrierlaboratorien 2. Ebene: Kalibrierlaboratorien im Deutschen Kalibrierdienst (DKD) - Zusammenarbeit im Rahmen einer multilateralen Vereinbarung der WECC zwecks Gleichwertigkeit und Anerkennung der Kalibrierscheine anderer nationaler Kalibrierdienste - internationale Vergleichsmessungen (Ringversuche) - Kalibrierung von unternehmenseigenen Werks- und Gebrauchsnormalen an PTB- bzw. DKD-kalibrierten Bezugsnormale - intervallmäßige Anschließung (Überwachung) - Kalibrierdienste für Dritte, die über entsprechende Einrichtungen nicht verfügen, die im Bereich der Produktzertifizierung tätig sind (DKD-Kalibrierschein bzw. -Zertifikat) 3. Ebene: Unternehmens- und Werks-Kalibrierlaboratorien (innerbetriebliche Kalibrierlaboratorien) - Im Unternehmen bzw. Werk eingesetzte Prüfmittel mit DKD-kalibrierten Gebrauchsnormalen kalibrieren (Überwachung) - Werkskalibrierschein bzw. -Kalibrierzeichen 1 Im Zusammenhang mit der Gesetzgebung über Einheiten im Meßwesen-Einheitengesetz, obliegt es der PTB, physikalisch-technische Einheiten zu entwickeln und darzustellen. 2 Eichbehörden der Bundesländer unterliegen nicht der Akkreditierung und Überwachung durch die PTB, da ihre Bezugsnormale (Eichnormale) an die nationalen Normale angeschlossen sind. Umdruck 1 Seite 9

10 4.3 Hierarchie- Ebenen für Normale 1. Ebene: Nationales Normal National anerkanntes Normal (offizieller nationaler Beschluß) als Basis für die Festlegung von Werten/Abweichungen) aller nachgeordneten Normale der betreffenden Größe 2. Ebene: Bezugsnormal Normal an einem bestimmten Ort (Unternehmen, Institution, Laboratorium, Meßplatz), mit welchem die Werks- und Gebrauchsnormale verglichen werden. 3. Ebene: Werksnormal / Gebrauchsnormal Normal, das mit einem Bezugsnormal kalibriert ist und für das Kalibrieren bzw. Überwachen von Maßverkörperungen und anderen Prüfmitteln eingesetzt wird. Die Verwaltung der Prüfmittel erfolgt fast nur noch in rechnerunterstützten Prüfmittelverwaltungssystemen, die gerätebezogene und Inventardaten, Prüf- bzw. Kalibrierpläne, Prüfergebnisse und Historie sowie Einsatz- und Auslastungsdaten beinhalten. Sie sind sinnvollerweise meist mit der Prüfmittelbeschaffung und der Eingangsprüfung gekoppelt. 5. Ermittlung der Maschinen- und Gerätefunktionskenngrößen Bei Berücksichtigung der Einwirkung bestimmter sytematischer und zufälliger Einflußfaktoren kann die Maschinenfunktionskenngröße (MFK) als Funktionseignungsmerkmal einer Maschine und die Gerätefunktionskenngröße (GFK) als Funktionseignungsmerkmal einer Prüfeinrichtung bzw. Gerätes genutzt werden. Allgemein geben die MFK und GFK an, wie 'genau', mit welcher Streubreite eine Maschine bzw. ein Gerät arbeiten kann, wobei Aussagesicherheiten von 99,7 % (6. SM ) für den Anteil Gutteile bzw. 95 % (4. SG ) richtige Messungen angenommen werden. Die Kenngrößen werden demnach wie folgt bestimmt. MFK = 6. s M s M = Standardabweichung der Meßwerte eines von der Maschine gefertigten Loses GFK = 4. s G s G = Standardabweichung der Meßwerte bei wiederholter Messung eines einzelnen Teiles Umdruck 1 Seite 10

11 Desweiteren können sie grafisch aus der Verteilungskurve der Meßwerte ermittelt werden, indem man die Wendepunkte der Kurve sucht. Voraussetzung dafür ist, daß eine Normalverteilung (Gaußkurve) vorliegt. Durch die Ermittlung von MFK wird die durch das System Werkzeugmaschine hervorgerufene Streuung bestimmt. Um eine zuverlässige Aussage darüber zu machen zu können, welche Toleranzanforderungen mit einer Werkzeugmaschine weren können, müssen grundsätzlich alle systembedingten Einflüsse berücksichtigt werden. Die Standardabweichung s M für die Maschine wird aus einer Stichprobe berechnet, welche von der zu untersuchenden Maschine in Produktionsfolge entnommen wurde Während dieser Untersuchung sollen an der Maschine keine Veränderungen vorgenommen werden, da diese das Ergebnis beeinflussen können. Durch die Ermittlung von GFK kann der Anteil der durch den Prüfvorgang hervorgerufenen Meßwertstreuung bestimmt werden. Auch hierbei sind für eine zuverlässige Aussage die Bedingungen und Verhältnisse beim Prüfablauf konstant zu halten, z. B. kein mehrfacher Nullabgleich am Meßgerät während einer Meßreihe). Die Standardabweichung s G für das eingesetzte Prüfmittel wird durch wiederholte Messung eines Normals, eines Masterteils, oder auch einunddesselben Teils aus der Stichprobe, immer an der gleichen Meßort (Meßstelle am Teil) ermittelt. Die Gesamtprozeßstreuung (Fertigung und Prüfung) laßt sich in guter Näherung mit angeben. s P = s M ² + s G ² Die kleinste durch die untersuchte Maschine beherrschbare Konstruktionstoleranz T läßt sich damit, bzw. unter Voraussetzung der Goldenen Regel der Meßtechnik, daß die Prüfmittelunsicherheit (Streuung) möglichst nicht mehr als ein Zehntel der Funktionstoleranz betragen sollte, annähernd durch die Beziehung ermitteln. T MFK 06,... 08, Umdruck 1 Seite 11

12 6. Abhängigkeit der Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Prüftechnik und Prüfmerkmal Häufig wird in der Fertigungsmeßtechnik eine Normalverteilung (Gauß sche Glockenkurve) für die Ergebnisse aus Meßreihen erwartet bzw. vorausgesetzt. Für eine Vielzahl von Meßverfahren und eine große Zahl unabhängig voneinander ermittelter Meßwerte ist dies zunächst berechtigt. In der Praxis zeigt sich jedoch, daß die Auswahl der Prüfmittel, die konkrete Anordnung der Prüfmittel zu einer Prüfeinrichtung im Zusammenhang mit der jeweiligen Ausprägung des Prüfmerkmals sehr häufig zu Abweichungen von der Normalverteilung führen kann. Mechanisch einseitig begrenzende Prüfanordnungen und, wie z. B. die Messung eines Innendurchmessers mit einem Dreipunkt-Bohrungsmeßgerät oder eines Außendurchmessers mit einem Meßschieber, führen naturgemäß zu einer Schiefe in der Verteilung, da der überwiegende Teil der möglichen systematischen Meßfehlerursachen zu große bzw. zu kleine Meßwerte liefert. Das gleiche Merkmal mit einem anderen Meßgerät, z. B. mit einem Koordinatenmeßgerät gemessen, kann jedoch die erwartete Normalverteilung liefern. Aus der Form der Verteilungskurve läßt sich daher bereits oft auf die Ausprägung des gemessenen Merkmals und/oder auf die verwendete Prüfanordnung/Meßsystem schließen. In der Verteilung auftretende einseitige oder doppelseitige Nebenmaxima lassen meist auf grobe systematische Fehler, beispielsweise unterschiedliche Handhabung der Prüfmittel durch unterschiedliche Prüfer bzw. mit der Prüftechnik nicht vertraute Personen, schließen. Für die meisten statistischen Verfahren und deren Nutzung zur Prozeßsteuerung oder -regelung wird eine Normalverteilung der Meßwerte vorausgesetzt. Für viele geometrische Merkmale muß daher über die Zulässigkeit bzw. Praktikabilität der eingesetzten Prüfmittel und Verfahren entschieden werden. Insbesondere muß abgeschätzt werden, wie sich der Anteil falsch beurteilter Teile (Gutteile als schlecht verworfen bzw. Auschußteile als gut weitergeliefert) verändern kann, um daraus präventive Maßnahmen abzuleiten. Umdruck 1 Seite 12

13 7. Prüfmittelfähigkeit 7.1 Ausgangssituation Die Abnahme von Maschinen und Fertigungseinrichtungen, die Beurteilung von Prozessen und Produkten oder die kontinuierliche Prozeßüberwachung erfolgt bei quantitativen Merkmalen anhand von Meßwerten. Der Ermittlung von Meßwerten dienen aufgabenbezogene Meßsysteme, spezielle Sensoren oder handelsübliche Standardmeßgeräte. Um aus den Meßwerten korrekte Rückschlüsse auf einen vorliegenden Sachverhalt machen zu können, müssen die Werte mit ausreichender "Genauigkeit", bezogen auf die Merkmalstoleranz oder den Prozeß, erfaßt werden. In der Vergangenheit hat man primär die Eignung eines Meßgerätes anhand von Mindestwerten, die in Normen festgehalten sind, überprüft bzw. die Herstellerangaben überwacht. Die Vorgehensweise bei der regelmäßigen Qualifikation (s. DIN 10012) und die Anforderungen an das Meßsystem (max. Abweichungsspanne, Wiederholbarkeit usw.) sind dabei gerätespezifisch festgelegt. Die Überprüfung erfolgt im allgemeinen nur für das Gerät selbst und unter idealen Bedingungen: z.b. im Meßraum mit geschultem Personal, mit idealisierten Werkstücken, wie Normale oder Einstellmeister, und in standardmäßig vorgegebenen Vorrichtungen. Die Vorgehensweise und die Art der Überprüfung in Form von Prüfanweisungen ist exemplarisch in der VDI / VDE / DGQ- Richtlinie 2618 beschrieben. Diese Handhabungsweise ist bei neuen Geräten zur Überprüfung der Herstellerangaben, bzw. für regelmäßige Überwachungen (Prüfmittelüberwachung) notwendig, um Veränderungen oder Fehler am Gerät selbst feststellen zu können. Die so ermittelte "Genauigkeit" sagt allerdings noch nichts über das Verhalten des Gerätes unter den realen Bedingungen aus, wie: Messen am Einsatzort, Messen mit mehreren Prüfern Meßgerät in Meßvorrichtung Messen an realen Werkstücken wechselnde Umgebungsbedingungen Meßketten, etc. Daher kann mit den oben beschriebenen Verfahren bestenfalls eine theoretische Aussage getroffen werden, daß ein Meßgerät für eine vorgegebene Toleranz prinzipiell geeignet sein könnte. Um allerdings unter den genannten Einflüssen feststellen zu können, ob die Genauigkeit bzw. die Gerätestreuung ausreichend ist, um einen vorliegenden Prozeß mit ggf. sehr kleiner Prozeßstreuung unter realen Bedingungen sicher zu beurteilen, sind andere Verfahren und Vorgehensweisen erforderlich. Umdruck 1 Seite 13

14 Insbesondere unter der Zielsetzung "Never Ending Improvement" werden Prozesse möglichst toleranzunabhängig betrachtet, mit der Zielsetzung die Prozeßstreuung kontinuierlich zu verkleinern. Dieser Forderung muß sich die Genauigkeit der Meßsysteme bei gleichzeitig geringerer Streuung anpassen. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, fordert die DIN EN ISO 9000 ff. in dem Abschnitt 7.6 Lenkung von Überwachungs- und Meßmitteln die Beurteilung der Meßsysteme anhand von sogenannten Fähigkeitsstudien. Konkrete Vorgehensweisen und Berechnungsmethoden werden allerdings nicht genannt und Normen sucht man ebenfalls vergeblich. In der Praxis trifft man auf Firmenrichtlinien oder Verbandsempfehlungen, die als Grundlage von Fähigkeitsstudien dienen. Neben der ISO 9000 hat der VDA in seinem Band 6.1 und insbesondere die QS-9000 [3] von Chrysler, Ford und General Motors diesem Thema einen weiteren Schub verliehen. Diese stellt im Element 4.11 Prüfmittelüberwachung unter "Untersuchung von Meßsystemen" folgende Forderung auf: "Es sind angemessene statistische Untersuchungen zur Beurteilung von Meßsystemen und Prüfeinrichtungen durchzuführen. Die dabei angewendeten analytischen Methoden und Annahmekriterien sollten mit denen in dem Reference Manual Measurement System Analysis", kurz MSA [2] genannt, übereinstimmen. Andere analytische Methoden und Annahmekriterien können ebenfalls angewandt werden, sofern der Kunde damit einverstanden ist." Das genannte Reference Manual (MSA) beschreibt keine konkrete Vorgehensweise, sondern stellt einen Leitfaden dar, in dem die Grundlagen, die Bedeutung der Methodik und die verschiedenen Berechnungsverfahren beschrieben sind. Hierauf basierend können firmeninterne Verfahrensanweisungen abgeleitet werden. Dies haben selbst die Ersteller des MSA Leitfadens für ihre Firmen getan (siehe Ford [36] oder Opel, Vauxhall, GM [571). Nun weisen aber alle Meßsysteme und Meßmittel ein gewisses Maß an Meßfehlern und Meßunsicherheiten auf. Es ist deshalb wichtig zu wissen, wie groß die hierdurch verursachte Meßwertstreuung ist, und diese Unzulänglichkeiten innerhalb vernünftiger und für den jeweiligen Meßvorgang zweckmäßiger Grenzen zu halten. Da wir aufgrund von Meßfehlern bei der Messung nie genau den richtigen Wert erhalten, versuchen wir, dem tatsächlichen Wert so nahe wie möglich zu kommen, indem wir den vernünftigsten Wert nehmen, der sich von unseren Meßergebnissen ableiten läßt. Hierbei wollen wir die natürlich auftretende, zufallsbedingte Streuung der Meßergebnisse berücksichtigen, gleichzeitig aber auch nicht zufallsbedingte Streuung in den Meßwerten erkennen. Um das Ausmaß der Meßwertstreuung zu bestimmen, muß man eine Meßsystem- und Meßmittelfähigkeitsuntersuchung (kurz: Meßmittelfähigkeitsuntersuchung, oft auch als Lehrenfähigkeitsuntersuchung bezeichnet) durchführen. Um die Größe der Änderungen bestimmen zu können, sollte für ein Meßsystem bzw. für ein Meßgerät eine Fähigkeitsstudie bzw. Fähigkeitsuntersuchung durchgeführt werden". Umdruck 1 Seite 14

15 7.2 Ursachen und Auswirkungen von Meßabweichungen Ursachen für Maßabweichungen finden sich in allen Elementen des Meßsystems. Exemplarisch sei an dieser Stelle nur Ablesefehler des Bedieners eines Meßschiebers genannt. Das Zusammenspiel sämtlicher Ursachen führt zur Meßunsicherheit. Diese ist der Grund dafür, daß beim Vergleich eines Meßergebnisses mit den Spezifikationsgrenzen (Toleranzen) neben den Bereichen der Übereinstimmung und dem der Nicht- Übereinstimmung noch ein dritter Bereich, der sogenannte Unsicherheitsbereich existiert. Dieser befindet sich an den Spezifikationsgrenzen und umfaßt in beide Richtungen die konkrete Meßunsicherheit [vgl. Abb.]. Wie groß die Meßunsicherheit sein darf, hängt vom konkreten Anwendungsfall ab. Umdruck 1 Seite 15

16 7.3 Begriffe Meßgenauigkeit Die Genauigkeit ist die Abweichung zwischen dem Mittelwert der Meßwertereihe bei wiederholtem Messen des gleichen Merkmales und dem wahren Wert des Merkmales. Der wahre Wert bezieht sich hierbei auf ein Normal, ein Einstellstück bzw. eine der Prüfmittelüberwachung zugrundeliegende Maßverkörperung, deren Ist-Wert ausreichend bekannt ist. Die Untersuchung ist an ein und demselben Normal, von einem Bediener und an einem Ort vorzunehmen. Umdruck 1 Seite 16

17 Wiederholpräzision In kurzen Zeitabständen werden Wiederholungsmessungen nach einem festgelegten Meßverfahren an denselben Teilen (Normal, Prüfteil oder mehrere gleichartige Teile) mit demselben Gerätebediener sowie derselben Geräteausrüstung und am selben Ort durchgeführt. Ein Maß für die Wiederholpräzision ist die Standardabweichung der Meßwertreihe. Umdruck 1 Seite 17

18 Vergleichspräzision Hierbei wird mit einem festgelegten Meßverfahren am identischen Objekt (Werkstücke aus der Serie) Messungen durchgeführt. Die Messungen werden: durch verschiedene Bediener oder an verschiedenen Orten oder mit verschiedenen Gerätschaften durchgeführt. In der Regel sind es zwei oder drei verschiedene Gerätebediener, die an den gleichen Teilen Meßwerte aufnehmen. Oder ein und derselbe Gerätebediener wiederholt den Meßvorgang an unterschiedlichen Orten bzw. mit verschiedenen Gerätschaften. Bei der Durchführung einer Vergleichpräzisionsuntersuchung muß darauf geachtet werden, daß jeweils nur eine der drei variablen Größen verändert werden darf. Wenn diese Forderung nicht erfüllt wird, können bei der Auswertung die einzelnen Einflußgrößen nicht mehr bestimmt werden und machen die Auswertung unbrauchbar. Ein Maß für die Vergleichspräzision ist der aus allen Werten sich ergebende Gesamtmittelwert und die Gesamtstreuung. Umdruck 1 Seite 18

19 Stabilität Einem festgelegten Meßverfahren mit derselben Geräteausrüstung und dem identischen Objekt werden am selbem Ort durch denselben Beobachter in festgelegten Zeitabständen Messungen vorgenommen und die sich ergebenden Mittelwerte miteinander verglichen. Ein Maß für die Stabilität ist die maximale Differenz zwischen den Mittelwerten dieser Meßwertreihen. Die ermittelten Abweichungen beinhalten sowohl zufällige als auch systematische Einflüsse durch Meßwertaufnehmer, die Kalibrierung, Verschleiß sowie durch die Umgebung. Umdruck 1 Seite 19

20 Linearität An Normalen, die den gesamten Meßbereich des Gerätes abdecken, werden durch denselben Beobachter am selben Ort nach einem festgelegten Meßverfahren eine festgelegte Anzahl Messungen durchgeführt. Der Mittelwert einer Meßwertreihe an den verschiedenen Normalen wird mit dem wahren Wert des Normals verglichen. Die bestimmten Abweichungen werden über dem Meßbereich aufgetragen. Häufig ergibt sich eine Gerade, deren Steigung man bestimmt und im Zeitablauf überwacht. Umdruck 1 Seite 20

21 8. Literatur /1/ Dutschke, W. Fertigungsmesstechnik, Teubner-Verlag, Stuttgart, 2002 /2/ Lemke, E. Fertigungsmesstechnik, Verlag Vieweg, Braunscheig/Wiesbaden 1992 /3/ Dietrich. E. und Schulze, A. Eignungsnachweis von Prüfprozessen, Carl-Hanser- Verlag, München Wien, 2004 /4/ Linß, G. Statistiktraining im Qualitätsmanagement, Fachbuchverlag Leipzig, 2006 /5/ Tischler, K. Eindimensionale Längenmesstechnik Beuth Verlag Berlin, 2005 /6/ VDA Band 5 Prüfprozesseignung. Verband der Automobilindustrie, Frankfurt, /7/ Profos, Handbuch der Industriellen Messtechnik, Vulkan-Verlag Essen, 1994 /8/ Tränker. H. R. Taschenbuch der Messtechnik, Oldenbourg Verlag, München,1990 /9/ Sorg, H. Praxis der Rauheitsmessung und der Oberflächenbeurteilung, Calrl- Hanser-Verlag München, 1995 /10/ DIN bis 3: Grundlagen der Messtechnik- Teil 1: Grundbegriffe, Beuth Verlag Berlin 1995, Teil 2: Begriffe für die Anwendung von Messgeräten, 1996 Umdruck 1 Seite 21